六自由度多關(guān)節(jié)坐標(biāo)測(cè)量?jī)x機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1、哈爾濱工業(yè)大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書（論文）Harbin Institute of Technology課程設(shè)計(jì)說明書（論文）課程名稱： 機(jī)械學(xué)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)題目：六自由度多關(guān)節(jié)坐標(biāo)測(cè)量?jī)x機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 院 系： 班 級(jí)： 設(shè) 計(jì) 者： 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)教師： 設(shè)計(jì)時(shí)間： 哈爾濱工業(yè)大學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書 姓 名： 院 （系）： 專 業(yè)： 班 號(hào)： 任務(wù)起至日期： 2014年 02月 17日至 2014年 03月 07日 課程設(shè)計(jì)題目：六自由度多關(guān)節(jié)坐標(biāo)測(cè)量?jī)x機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 已知技術(shù)參數(shù)和設(shè)計(jì)要求：l 空間測(cè)量范圍：1800mml 分辨力：0.01mml 點(diǎn)坐標(biāo)重復(fù)精度：±0.03m

2、ml 長(zhǎng)度測(cè)量不確定度（2）：±0.05mml 測(cè)量臂直徑：50mml 測(cè)桿及測(cè)頭長(zhǎng)度：150mml 具有力平衡裝置l 傳感器數(shù)據(jù)線不能暴露在儀器外面，須從內(nèi)部“走線”l 整臺(tái)儀器輕便、靈活 工作量：l 計(jì)算關(guān)鍵零件的結(jié)構(gòu)尺寸，并驗(yàn)證其強(qiáng)度及剛度l 完成測(cè)量?jī)x的總裝配圖（1號(hào)圖紙1張）l 完成關(guān)鍵零件圖（3號(hào)/4號(hào)圖紙4張）l 課程設(shè)計(jì)說明書1份（10000字） 工作計(jì)劃安排：2014/2/17 上午:上課，安排課程設(shè)計(jì)內(nèi)容，準(zhǔn)備制圖工具；下午:查閱資料，總體設(shè)計(jì)、理論計(jì)算；2014/2/18 總體設(shè)計(jì)、理論計(jì)算；2014/2/19 上午:繪制草圖；下午:檢查進(jìn)展情況，包括理論計(jì)算、

3、草圖等；2014/2/20、21、24、25、26繪制總裝配圖；2014/2/27 檢查總裝配圖，簽字； 2014/2/28、3/3、3/4 繪制零件圖；簽字；2014/3/5、3/6 編寫設(shè)計(jì)說明書；簽字；2014/3/7 答辯、檢查所有圖紙、設(shè)計(jì)說明書。 同組設(shè)計(jì)者及分工： 指導(dǎo)教師簽字_ 年 月 日 教研室主任意見： 教研室主任簽字_ 年 月 日哈爾濱工業(yè)大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書（論文）目錄一、 概述1.背景介紹坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)是隨著數(shù)控加工技術(shù)的興起而發(fā)展起來的一種新型“模型化測(cè)量技術(shù)”。在二十世紀(jì)五十年代中期，隨著電子技術(shù)的發(fā)展和計(jì)算機(jī)技術(shù)的出現(xiàn)，一種高精度、高效率和高柔性的機(jī)械數(shù)控加工設(shè)備被

4、研制和生產(chǎn)出來，并受到機(jī)械設(shè)計(jì)制造業(yè)者的廣泛注意,很快在很多機(jī)械制造領(lǐng)域得到應(yīng)用同時(shí)，由于生產(chǎn)效率和加工精度的提高，對(duì)測(cè)量技術(shù)提出了更高的要求，而傳統(tǒng)的比較式測(cè)量技術(shù)無法滿足這一要求。于是，在1959年，以研制并生產(chǎn)數(shù)控機(jī)床為主的英國(guó)公司首先提出坐標(biāo)測(cè)量這一概念，在同年夏天在法國(guó)召開的國(guó)際機(jī)床博覽會(huì)上展出了世界上第一臺(tái)測(cè)頭可數(shù)字化移動(dòng)的三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x，在世界幾何量測(cè)量領(lǐng)域引起了巨大震動(dòng)。從此以后的五十年里，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)和控制技術(shù)的不斷進(jìn)步，坐標(biāo)測(cè)量機(jī)及其技術(shù)也取得了日新月異的飛速發(fā)展。不斷推出的新產(chǎn)品，在測(cè)量精度、機(jī)械結(jié)構(gòu)形式、軟件功能和柔性等方面取得了質(zhì)的飛躍目前，現(xiàn)代三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)

5、已發(fā)展為一種集機(jī)械、光學(xué)、數(shù)控技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)為一體的大型精密智能化測(cè)量?jī)x，成為航天、航空、船舶、汽車等工業(yè)領(lǐng)域中檢測(cè)盒質(zhì)量控制中不可缺少的大型萬能測(cè)量裝備，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)零部件的幾何尺寸以及相互位置的高精度測(cè)量。2.特點(diǎn)傳統(tǒng)的三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x主要由三個(gè)相互垂直的導(dǎo)軌（構(gòu)成一個(gè)笛卡爾坐標(biāo)系）、支撐系統(tǒng)、測(cè)頭、長(zhǎng)光柵傳感器、數(shù)控系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)等組成。常見的結(jié)構(gòu)形式有移動(dòng)橋式、懸壁式等。三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x的主要特點(diǎn)如下：1) 直線型導(dǎo)軌結(jié)構(gòu) 笛卡爾坐標(biāo)測(cè)量機(jī)采用三個(gè)互相垂直的直線導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)，三根導(dǎo)軌的運(yùn)動(dòng)方向分別對(duì)應(yīng)于笛卡爾坐標(biāo)系中X,Y，Z軸的方向在X,Y,Z方向上的運(yùn)動(dòng)是相互獨(dú)立的，因此，測(cè)頭在空

6、間的運(yùn)動(dòng)位置（坐標(biāo)值）可以直接由長(zhǎng)光柵傳感器給出。2) 長(zhǎng)度測(cè)量基準(zhǔn) 大部分都采用長(zhǎng)光柵測(cè)量系統(tǒng)作為X、Y、Z軸的方向上的長(zhǎng)度基準(zhǔn), 少數(shù)也有采用磁柵傳感器、感應(yīng)同步器和激光干涉儀等。3) 測(cè)量精度高 不確定度可達(dá)到級(jí)。4) 測(cè)量范圍受直線導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)的限制 為擴(kuò)大其測(cè)量范圍，須加長(zhǎng)各直線導(dǎo)軌的長(zhǎng)度，這必然導(dǎo)致坐標(biāo)測(cè)量機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)龐大，占地面積大，成本急劇增大，精度降低。5) 體積大、笨重、不靈活、不便于移動(dòng)由于上面提到的4、5兩點(diǎn)不足，傳統(tǒng)的笛卡爾坐標(biāo)測(cè)量?jī)x再擴(kuò)大量程已十分困難，必須尋求新的解決途徑，因此，便攜式的大量程三維測(cè)量系統(tǒng)的研究和開發(fā)成為現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)的研究熱點(diǎn)之一。其中，美國(guó)FARO公司

7、研制開發(fā)的坐標(biāo)測(cè)量設(shè)備在汽車、飛機(jī)、航天等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。FARO公司的典型產(chǎn)品如圖1所示。 圖13.基本測(cè)量原理由圖1所示可知，六自由度關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測(cè)量?jī)x的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。圖2由圖2可以看出，六自由度多關(guān)節(jié)坐標(biāo)測(cè)量?jī)x是由多桿件通過旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)串聯(lián)而成的空間開放式連桿機(jī)構(gòu)。其特點(diǎn)如下：1) 運(yùn)動(dòng)學(xué)模型比較復(fù)雜2) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單3) 測(cè)量范圍大4) 可對(duì)內(nèi)表面進(jìn)行測(cè)量3.1 測(cè)頭位姿的描述多關(guān)節(jié)坐標(biāo)測(cè)量?jī)x的各桿件及測(cè)頭都可當(dāng)作剛體來處理。三維空間中，剛體的位姿由其在空間所處的位置和姿態(tài)來描述，如圖3所示。圖3圖3中在測(cè)量?jī)x末端測(cè)頭上設(shè)置一個(gè)描述其位姿的坐標(biāo)系，由三個(gè)相互垂直的單位矢量所規(guī)定，其中向

8、量表示測(cè)頭接近被測(cè)表面的方向，向量平行于相鄰的關(guān)節(jié)軸線。向量、和完全確定了側(cè)頭或桿件的空間位姿。結(jié)合上式和D-H方法，得到測(cè)頭位姿相對(duì)于基座坐標(biāo)系的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程二、 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1. 總體設(shè)計(jì)1) 由測(cè)量范圍要求1800，可確定測(cè)量臂長(zhǎng)度+=900，取=450，含軸部分估為120，按實(shí)心硬鋁合金計(jì)算，測(cè)頭初擾動(dòng)力F按3kg計(jì)算，查詢45號(hào)鋼彈性模量E=200GN/。2) 旋轉(zhuǎn)軸系的配置：用簧片將編碼器軸與軸相聯(lián)接，編碼器外殼與軸外殼相聯(lián)接。3) 根據(jù)整個(gè)裝置的剛度和重量要求，測(cè)量臂選用鋁合金，軸選用45號(hào)鋼，其他部分（外殼，聯(lián)接件等）選用硬鋁合金。4) 為了增大承載力，最下兩個(gè)關(guān)節(jié)直徑適當(dāng)增加。

9、關(guān)節(jié)1、2外徑不大于80，其他關(guān)節(jié)外徑不大于50。5) 本設(shè)計(jì)關(guān)節(jié)1、關(guān)節(jié)2處軸外伸出軸承10mm，空心軸內(nèi)徑15mm、外徑20mm，軸承均采用型號(hào)為7204c的角接觸球軸承，關(guān)節(jié)外殼外徑均為60mm。6) 為了設(shè)計(jì)方便，關(guān)節(jié)3、5和4、6處的各部分結(jié)構(gòu)采用相同的尺寸與型號(hào)，空心軸內(nèi)徑10mm，外徑15mm，軸外伸出軸承10mm，外殼外徑47mm，軸承均采用型號(hào)為7202c的角接觸球軸承。7) 測(cè)量?jī)x每個(gè)關(guān)節(jié)處均有一個(gè)編碼器，共六個(gè)編碼器，編碼器軸與關(guān)節(jié)鋼軸用套筒相連，并用緊定螺釘固定；編碼器外殼用彈性鋼片與關(guān)節(jié)外殼相連。8) 為了平衡由于重力產(chǎn)生的力矩，本設(shè)計(jì)在關(guān)節(jié)2處裝有扭簧，扭簧采用琴鋼

10、絲材料制作，簧絲直徑為d=6mm，中徑D=78mm，圈數(shù)n=11。扭簧固定在兩塊扭簧蓋上，扭簧蓋分別固定在關(guān)節(jié)2外殼及軸臂連接件上，并使扭簧具有一定的預(yù)緊力。9) 測(cè)量?jī)x測(cè)頭處用測(cè)頭連接件將測(cè)頭外殼與關(guān)節(jié)6外殼相連，測(cè)尖使用螺紋連接與測(cè)頭外殼相連，測(cè)頭處的按鍵用帶有螺紋的擋圈將按鍵固定。2. 關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)節(jié)部件是整個(gè)測(cè)量?jī)x的關(guān)鍵，它是一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸系統(tǒng)，由軸、軸承、外殼、光電編碼器、連軸結(jié)、其他連接件組成。它的連接直接影響了測(cè)量?jī)x的靈活性，所以，關(guān)節(jié)的外殼選擇了密度較小的硬鋁合金，各個(gè)關(guān)節(jié)的連接采用了相同的固定方式：圓柱與圓柱相貫的連接方式。這樣既有利于測(cè)量?jī)x的牢固，又有利于儀器本身的靈活性。同

11、時(shí)也要考慮以下幾點(diǎn)：1) 軸采用空心軸，便于電氣線路穿過；2) 選擇軸的材料，對(duì)軸進(jìn)行受力分析，根據(jù)分析結(jié)果，確定空心軸的外徑、內(nèi)徑和軸的支承點(diǎn)；3) 選擇軸承（考慮軸承的精度和承載能力），一般選擇角接觸軸承，另外，注意角接觸軸承的安裝方向以及縮緊裝置的設(shè)計(jì)；4) 對(duì)于底下兩個(gè)關(guān)節(jié)來說，由于受力最大，為減少軸的形變，可以加1到2個(gè)端面止推軸承；5) 考慮旋轉(zhuǎn)軸系與外購(gòu)傳感器的聯(lián)接；6) 其他連接件與軸的聯(lián)接，重點(diǎn)考慮如何保證同軸度、垂直度等位置公差，以便測(cè)量?jī)x的結(jié)構(gòu)參數(shù)準(zhǔn)確。3.編碼器的選擇編碼器作為坐標(biāo)測(cè)量?jī)x的重要組成部分，是實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)測(cè)量?jī)x功能的核心部件，在該器件的選擇上，我選擇使用了如下圖

12、所示的編碼器，其與軸與殼間的連接簡(jiǎn)單，且型號(hào)多樣適合作為本設(shè)計(jì)的使用器件。三、關(guān)鍵結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)1.軸結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)關(guān)節(jié)1軸的下端與編碼器相連，因?yàn)槭茌S向與徑向力較小，用2個(gè)錐端緊定螺釘固定。左端軸的右側(cè)有一個(gè)圓盤形突臺(tái)，他與軸承隔圈配合使軸承沒有軸向移動(dòng)，再往左的圓盤上有4個(gè)對(duì)稱的螺紋孔，它們與上面的軸壁連接機(jī)構(gòu)用內(nèi)盤頭螺釘固定。軸的內(nèi)外徑要保證0.003mm的同軸度，圓盤與軸外壁保證0.005mm的垂直度。如下圖：首先確定軸2的直徑：臂采用空心鋁合金管，選擇壁厚為3mm的鋁合金管，直徑定為50mm。臂的質(zhì)量：體積密度質(zhì)量關(guān)節(jié)看做實(shí)心硬鋁材料，直徑為50mm。關(guān)節(jié)的質(zhì)量：體積密度質(zhì)量軸2的計(jì)算過程（

13、1）水平力矩 （2）上臂力矩 (3)關(guān)節(jié)1力矩 (4)關(guān)節(jié)2力矩 （5）前臂力矩 （6）關(guān)節(jié)5 （7）關(guān)節(jié)6 綜上： 將計(jì)算結(jié)果代入撓度計(jì)算公式：又有D-d=5mm，將d=D-5代入方程，化簡(jiǎn)為關(guān)于D的一元四次方程，使用Matlib求解，解得D=18mm，所以d=13mm.軸1軸3計(jì)算過程（1）水平力矩（2）關(guān)節(jié)4力矩（3）上臂力矩（4）關(guān)節(jié)5力矩（5）關(guān)節(jié)6力矩綜上： 將計(jì)算結(jié)果代入撓度計(jì)算公式：又有D-d=5mm，將d=D-5代入方程，化簡(jiǎn)為關(guān)于D的一元四次方程，使用Matlib求解，解得D=14.7mm，所以d=9.7mm軸2外殼軸4計(jì)算過程（1）水平力矩（2）前臂力矩（3）關(guān)節(jié)5力矩（

14、4）關(guān)節(jié)6力矩綜上： 將計(jì)算結(jié)果代入撓度計(jì)算公式：又有D-d=5mm，將d=D-5代入方程，化簡(jiǎn)為關(guān)于D的一元四次方程，使用Matlib求解，解得D=14.4mm，所以d=9.4mm 軸頭連接件軸1的過程（1）水平力矩 (2)上臂（3）關(guān)節(jié)3（4）關(guān)節(jié)4（5）前臂（6）關(guān)節(jié)5（7）關(guān)節(jié)6綜上： 將計(jì)算結(jié)果代入撓度計(jì)算公式：又有D-d=5mm，將d=D-5代入方程，化簡(jiǎn)為關(guān)于D的一元四次方程，使用Matlib求解，解得D=18.8mm，所以d=13.8mm 關(guān)節(jié)1軸殼連接件2扭簧的校正：1) 根據(jù)工作情況，選用類彈簧，工作扭轉(zhuǎn)角度為0°180°。彈簧受力曲線如圖4.2-2所示

15、。在和處兩線相交，相應(yīng)的交點(diǎn)縱坐標(biāo)：2) 選擇旋繞比C=13，并計(jì)算曲度系數(shù)3) 扭簧的拉伸強(qiáng)度極限：查表取4) 最大工作扭矩：扭轉(zhuǎn)角為180°時(shí)，彈簧的扭矩最大，由線性方程求得：5) 根據(jù)剛度條件試算彈簧鋼絲直徑：6) 計(jì)算彈簧的基本集合參數(shù)：取扭簧相鄰兩圈間距為0.5mm；7) 按剛度條件計(jì)算彈簧的工作圈數(shù)。由彈簧材料及其許用應(yīng)力表知，工作圈數(shù)，取n=11圈8) 計(jì)算自由高度，取，則：四、結(jié)構(gòu)工藝及技術(shù)要求1. 裝配要求1) 軸、軸承、聯(lián)軸器、套筒緊密相連。2) 各關(guān)節(jié)處轉(zhuǎn)動(dòng)靈活，無明顯阻力。3) 測(cè)量范圍為1800mm。4) 軸和軸承的安裝：將軸承1、套筒、軸承2一次放入外殼中

16、，再插入軸，軸另一側(cè)用盤頭螺釘擰緊，最后用螺釘將編碼器固定在軸和外殼上。5) 扭簧的安裝：將扭簧放入扭簧蓋內(nèi)固定，在將其放在關(guān)節(jié)2上，用緊定螺釘將其固定。6) 限位裝置的安裝：在將軸放入外殼之前把限位鋼珠放進(jìn)軸側(cè)面的半圓槽內(nèi)。2. 加工工藝要求1) 表面粗糙度：軸、外殼、連接件間相互配合的平面算術(shù)平均偏差0.8，不需要配合的平面算術(shù)平均偏差3.2。2) 配合：查詢國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)確定軸承和軸及外殼配合的公差帶。向心角接觸球軸承與外殼配合，外殼公差帶J7，與軸配合，軸公差帶k5。3) 各個(gè)零件加工時(shí)銳棱倒鈍。五、總結(jié) 通過這次課程設(shè)計(jì)，完成了對(duì)六自由度多關(guān)節(jié)坐標(biāo)測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)工作。理論上可以達(dá)到測(cè)量坐標(biāo)的

17、功能，測(cè)量范圍，機(jī)械強(qiáng)度符合要求。全部設(shè)計(jì)過程有三周，除去答辯和周末共九天，但為了保證質(zhì)量地完成任務(wù)，我們?cè)谕砩舷抡n后和周末也在教室里進(jìn)行設(shè)計(jì)和畫圖工作，過程是勞累的，可結(jié)果是令人興奮的。在這三周中，我們體會(huì)到了設(shè)計(jì)的樂趣：用自己的方案解決實(shí)際問題，這是一種前所未有的體驗(yàn)。我們?cè)谠O(shè)計(jì)的過程中也遇到了很多困難，不過最終還是找到了合適的解決方法。另外，在這次的設(shè)計(jì)過程中，理論計(jì)算部分是我們小組成員共同完成的，是大家共同努力的結(jié)果，這次經(jīng)歷告訴我們團(tuán)隊(duì)合作是很重要的。 我們的設(shè)計(jì)仍存在很多不足，利用網(wǎng)絡(luò)，我找到了已經(jīng)商品化的坐標(biāo)測(cè)量?jī)x的圖片，發(fā)現(xiàn)我們的作品與商品還有很大差距，結(jié)構(gòu)上有很多弊端。在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，因?yàn)槟芰τ邢?，整個(gè)裝置還是顯得有些笨重。