課程設計--六自由度多關節(jié)坐標測量儀機械結構設計

1、<p>　　課程設計說明書（論文）</p><p>　　課程名稱： 機械學基礎 </p><p>　　設計題目：六自由度多關節(jié)坐標測量儀 </p><p>　　院 系： </p><p>　　班 級：

2、 </p><p>　　設 計 者： </p><p>　　學 號： </p><p>　　指導教師： </p><p>　　設計時間： 2014/2/17—2014/3/7 <

3、/p><p><b>　　大學課程設計任務書</b></p><p>　　*注：此任務書由課程設計指導教師填寫。</p><p><b>　　目 錄 </b></p><p>　　1 概述 ……………………………………………………………………5</p><p>　　

4、坐標測量需求 …………………………………………………………5</p><p>　　1.2坐標測量儀特點…………………………………………………………5</p><p>　　1.3基本測量原理 ………………………………………………………… 7</p><p>　　1.3.1結構模型……………………………………………………………… 7</p><p&g

5、t;　　1.3.2測頭位姿的描述……………………………………………………… 8</p><p>　　1.3.3測量系統(tǒng)運動模型…………………………………………………… 9</p><p>　　2 總體設計 ……………………………………………………………9</p><p>　　2.1 總體設計原則 …………………………………………………………9</p>

6、<p>　　2.2 關節(jié)結構設計 …………………………………………………………10</p><p>　　2.3 力平衡裝置設計 ………………………………………………………11</p><p>　　2.4 限位裝置設計 …………………………………………………………11</p><p>　　2.5 軸殼聯(lián)接件 ……………………………………………………………11

7、</p><p>　　2.6測頭的設計 ……………………………………………………………12</p><p>　　2.7 螺釘?shù)脑O計 ……………………………………………………………12</p><p>　　3 關鍵結構及設計 …………………………………………………………13</p><p>　　3.1 軸承的選擇 ………………………………………

8、……………………13</p><p>　　3.1.1 軸1結構設計 ……………………………………………………13</p><p>　　3.1.2 軸2結構設計……………………………………………………14</p><p>　　3.1.3 軸3 結構設計……………………………………………………15</p><p>　　3.1.4 軸4 結構設計…

9、…………………………………………………16</p><p>　　3.2 扭簧的選擇 ……………………………………………………………16</p><p>　　4 結構工藝及技術要求……………………………………………………18</p><p>　　4.1 裝配要求 ………………………………………………………………18</p><p>　　4.2

10、加工工藝要求 …………………………………………………………19</p><p>　　5 總結 ……………………………………………………………………19</p><p>　　6 參考文獻…………………………………………………………………20</p><p><b>　　1.概述</b></p><p><b>　

11、　1.1坐標測量需求</b></p><p>　　坐標測量技術是隨著數(shù)控加工技術的興起而發(fā)展起來的一種新型“模型化測量技術”。在二十世紀五十年代中期，隨著電子技術的發(fā)展和計算機技術的出現(xiàn)，一種高精度、高效率和高柔性的機械數(shù)控加工設備被研制和生產(chǎn)出來，并受到機械設計制造業(yè)者的廣泛注意，很快在許多機械制造領域得到應用。同時，由于生產(chǎn)效率和加工工藝的提高，對測量技術提出了更高要求，而傳統(tǒng)的“比較式”測量技術

12、無法滿足這一要求。于是在1959年，以研制并生產(chǎn)數(shù)控機床為主的英國Ferranti公司首先提出了“坐標測量”這一概念，并在同年夏季法國巴黎召開的國際機床博覽會上展出了世界上第一臺測頭可數(shù)字化移動的三坐標測量機，這在世界幾何量測量領域引起了巨大的震動。從此以后的五十年里，坐標測量機及其技術也取得了日新月異的飛速發(fā)展。以德國的Carl Zaiss公司、美國的Brown ＆Sharp公司和Shefffied公司、意大利DEA公司等為代表的五十

13、多家公司不斷推出新產(chǎn)品，在測量精度、機械結構形式、軟件功能、測量效率和柔性等方面取得了質(zhì)的飛躍。目前，現(xiàn)代三坐標測量儀已發(fā)展為一種集機械、光學、數(shù)控技術和計算機技術為一體的大型精密智能化測量儀，成為航天、航</p><p>　　1.2坐標測量儀特點</p><p>　　傳統(tǒng)的三坐標測量儀主要由三個相互垂直的導軌（構成一個笛卡爾坐標系）、支撐系統(tǒng)、測頭、長光柵傳感器、數(shù)控系統(tǒng)、計算機系統(tǒng)和軟

14、件系統(tǒng)等組成。在結構上，根據(jù)應用領域?qū)λ臏y量范圍、精度、成本和效率的不同要求，對三個導軌的放置位置產(chǎn)生不同的配置方式，目前常見的結構形式有移動橋式、懸壁式等。三坐標測量儀的主要特點如下：</p><p><b>　　直線型導軌結構；</b></p><p>　　長度測量基準：大部分都采用長光柵測量系統(tǒng)作為X、Y、Z軸的方向上的長度標準；</p><

15、;p>　　測量精度高：不確定度可達到級；</p><p>　　測量范圍手直線導軌結構限制；</p><p>　　體積大、笨重、不靈活、不便于移動。</p><p>　　目前，世界上各種結構式的便攜式坐標測量設備如雨后春筍般的發(fā)展起來。其中，美國FARO公司研制開發(fā)的一種稱為“SpaceArm”的坐標測量設備，在汽車、飛機、航天等領域得到廣泛應用。FARO公司的

16、典型產(chǎn)品如圖1所示。</p><p>　　圖 1 FARO公司的角度測量儀產(chǎn)品——Space Arm</p><p>　　圖一所示的便攜式坐標測量儀采用了六個高精度光學編碼器，是一種新型的非笛卡爾坐標測量系統(tǒng)，根據(jù)仿生學原理，模仿人的腰關節(jié)、肩關節(jié)、肘關節(jié)和腕關節(jié)的結構，將一系列桿件（臂）通過具有旋轉(zhuǎn)導軌的關節(jié)連接起來，以角度基準取代長度基準，從而具有機械結構相對簡單、測量范圍大、體積小、

17、可便攜移動等優(yōu)點?？梢暂^好的解決大型零件和整機安裝調(diào)試中的工程三維坐標測量問題，也可以解決虛擬設計制造中的原型數(shù)據(jù)獲取和物理模擬實驗中的測量建模等科學問題，有廣泛的應用前景和重要的科學意義。</p><p>　　本次課程設計的任務就是模仿FARO公司的產(chǎn)品Space Arm，進行六自由度關節(jié)式坐標測量儀機械結構設計，以培養(yǎng)學生綜合運用工程力學與機械學的基本知識進行機械結構分析與設計的實踐能力。</p>

18、<p><b>　　1.3基本測量原理</b></p><p><b>　　1.3.1結構模型</b></p><p>　　由圖1所示的FARO公司的Space Arm可知，六自由度關節(jié)式坐標測量儀的結構示意圖如圖2所示。</p><p>　　圖 2 六自由度多關節(jié)坐標測量儀結構示意圖</p>

19、<p>　　由圖2可以看出，六自由度多關節(jié)坐標測量儀是由多桿件通過旋轉(zhuǎn)關節(jié)串聯(lián)而成的空間開放式連桿機構。其特點如下：</p><p>　　運動學模型比較復雜 在傳統(tǒng)的笛卡爾坐標測量機的測量過程中，測頭的空間位置直接由相互垂直的長度基準給定，因此其運動學模型非常簡單：在多關節(jié)坐標測量機中，以測頭 為原點的動坐標系相對于參考坐標系 的位置是通過各桿件坐標系的齊次變換獲得，是一個非常復雜的非線性方程。<

20、/p><p>　　結構簡單 不同于一般機器人結構設計，采用了相鄰關節(jié)軸線相互垂直的機械結構，其優(yōu)點是：是機械結構簡單，方便操作，簡化了運動學建模；特別是避免了桿件相互“干涉”，減小了測量“盲區(qū)”。</p><p>　　測量范圍大 其測量范圍理論上可無限擴大。一方面，可加長上臂和前臂的長度來擴大測量范圍，但精度將急劇降低；另一方面，可移動多關節(jié)坐標測量機，在不同的位置對大型物體進行坐標測量。&l

21、t;/p><p>　　可對內(nèi)表面進行測量 由于采用了六自由度關節(jié)結構，因此可以靈活方便的從不同方位測量物體表面，并可深入物體內(nèi)部對內(nèi)表面進行測量。</p><p>　　1.3.2測頭位姿的描述</p><p>　　多關節(jié)坐標測量儀的各桿件及測頭都可當作剛體來處理。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。</p><p>

22、;<b>　　圖 3 測頭的位姿</b></p><p>　　圖3中在測量儀末端測頭上設置一個描述其位姿的坐標系，由三個相互垂直的單位矢量所規(guī)定，其中向量表示測頭接近被測表面的方向，向量平行于相鄰的關節(jié)軸線。向量、、和完全確定了側(cè)頭或桿件的空間位姿。</p><p><b>　　1.1</b></p><p>　　1.3.

23、3測量系統(tǒng)運動學模型</p><p>　　Denavit和Harten在1955年提出了對兩個相互連接且相互運動的構建建立兩個特殊坐標系的方法，并給出了著名的Denavit-Harten（簡稱D-H）齊次變換矩陣，給兩構件相對運動關系的研究帶來方便。</p><p>　　結合式1.1和著名的D-H變換矩陣法，可以得到測頭位姿相對于基座坐標系的運動學方程</p><p&g

24、t;<b>　　1.2</b></p><p><b>　　2.總體設計</b></p><p><b>　　2.1總體設計原則</b></p><p>　　由測量范圍要求1200，可確定測量臂長度+=600，取==300，含軸部分估為120，按實心硬鋁合金計算，測頭初擾動力F按2kg計算，查詢45號

25、鋼彈性模量E=200GN/。</p><p>　　旋轉(zhuǎn)軸系的配置：編碼器軸與關節(jié)鋼軸用套筒相連，并用螺釘固定；編碼器外殼用彈性鋼片與關節(jié)外殼相連。</p><p>　　圖2.1 光電編碼器實物</p><p>　　根據(jù)整個裝置的剛度和重量要求，測量臂選用鋁合金，軸選用45號鋼，其他部分（外殼，聯(lián)接件等）選用硬鋁合金。</p><p>　　為了

26、增大承載力，最下兩個關節(jié)直徑適當增加。關節(jié)1、2外徑不大于80，其他關節(jié)外徑不大于50。</p><p><b>　　2.2關節(jié)結構設計</b></p><p>　　關節(jié)部件是整個六自由度測量儀的關鍵，它是一個旋轉(zhuǎn)軸系統(tǒng)，由軸、軸承、外殼、光電編碼器、聯(lián)軸器以及其他連接件組成。它的連接與性能直接影響了測量儀的靈活性，所以，關節(jié)的外殼選擇了密度較小、耐腐蝕的硬鋁合金，各

27、個關節(jié)的連接則采用了相同的圓柱與圓柱相貫的連接方式。這樣既有利于測量儀的穩(wěn)定與牢固，又有利于儀器的靈活性。同時也要考慮以下幾點：</p><p>　　軸應該采用空心軸，便于電氣線路從中穿過；</p><p>　　選擇軸的材料，對軸進行受力分析，根據(jù)分析結果，確定空心軸的外徑、內(nèi)徑和軸的支承點、軸承位置；</p><p>　　選擇軸承（考慮軸承的精度和承載能力），選擇

28、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計；</p><p>　　分析所設計的軸系的變形（彎曲，扭曲）情況，根據(jù)分析結果來修正設計參數(shù)；</p><p>　　考慮旋轉(zhuǎn)軸系與外購傳感器的聯(lián)接；</p><p>　　其他連接件與軸的聯(lián)接，重點考慮如何保證同軸度、垂直度、平行度等位置公差，以保證測量儀的結構參數(shù)準確，測量精準。</p>&l

29、t;p>　　2.3力平衡裝置設計</p><p>　　在第二個關節(jié)上加裝一個扭簧，用以平衡測量臂和上面4個關節(jié)的重量，減輕在測量時人施加的力，減輕人的負擔。扭簧設計的詳細過程在之后的關鍵零件設計中會提到。</p><p><b>　　2.4限位裝置設計</b></p><p>　　為了防止關節(jié)的軸持續(xù)向某一方向旋轉(zhuǎn)導致內(nèi)部電氣線路纏繞損壞

30、，需要在每個關節(jié)處添加限位裝置來限制每個軸的旋轉(zhuǎn)角度范圍。在軸1、3、4、5、6加裝限位裝置（軸2因為有力平衡裝置，可起到角度限制作用，可以不用額外添加限位裝置），在軸和外殼分別制作出、的半圓槽放置限位裝置的鋼珠，這樣將軸和外殼轉(zhuǎn)動的相對角度限制在內(nèi)。 </p><p><b>　　2.5軸殼聯(lián)接件</b></p><p>　　設計一個U型結構鉗住外殼2，并用4個對

31、稱的螺釘進行緊固定位（與豎直方向成20°角的通孔），再同樣用4個圓周對稱的開槽圓柱頭螺釘聯(lián)接軸1。所有需要用較大力的地方的聯(lián)接均用開槽圓柱頭螺釘。</p><p>　　圖 2.5 關節(jié)1軸殼聯(lián)接件</p><p><b>　　2.6測頭的設計</b></p><p>　　測頭采用機械式硬測頭，通過側(cè)頭連接件上的按鍵控制測量的開始與停止

32、。按鍵用螺紋連接裝在測頭連接件外殼上，測頭用螺紋裝配在測頭連接件上，方便拆卸與更換。</p><p><b>　　圖2.6 測頭</b></p><p><b>　　2.7螺釘?shù)脑O計</b></p><p>　　本設計中裝置內(nèi)部螺釘均采用開槽圓柱頭螺釘，而外殼上的螺釘選用開槽沉頭螺釘，防止刮傷。</p>&l

33、t;p><b>　　3.關鍵結構及設計</b></p><p><b>　　3.1 軸承的選擇</b></p><p>　　3.1.1 軸1結構設計</p><p><b>　?。?）受力分析</b></p><p>　　關節(jié)部分可視為 的硬鋁合金實心管，</p&g

34、t;<p><b>　　則關節(jié)重量：</b></p><p><b>　　測量臂可視為長，</b></p><p><b>　　測量臂重量：</b></p><p><b>　　測頭重量：</b></p><p>　　測頭初附加力：

35、 </p><p>　　受力情況 </p><p><b>　　力矩分析</b></p><p><b>　?。?）軸徑選擇</b></p><p><b>　　撓度分析：</b></p><p><b>　　其中

36、</b></p><p>　　解得 </p><p>　　3.1.2 軸2結構設計</p><p><b>　?。?）力矩分析</b></p><p><b>　?。?）軸徑選擇</b></p><p><b>

37、　　撓度分析：</b></p><p><b>　　其中</b></p><p>　　解得 </p><p>　　3.1.3 軸3結構設計</p><p><b>　?。?）力矩分析</b></p><p><b>　　同理

38、根據(jù)撓度條件</b></p><p>　　解得： </p><p>　　3.1.4 軸4的結構設計</p><p><b>　?。?）力矩分析</b></p><p>　　(2) 根據(jù)撓度條件</p><p><b>　　解得 </b><

39、/p><p>　　綜上，結合角接觸軸承國家標準GB/T292-1994，</p><p>　　對于軸1和軸2，選擇角接觸軸承7004AC，其參數(shù)為</p><p>　　對于軸3和軸4，選擇角接觸軸承7202AC，其參數(shù)為</p><p><b>　　3.2 扭簧的選擇</b></p><p>　　圖

40、3.2.1扭轉(zhuǎn)彈簧扭矩計算圖線</p><p>　　選取簧絲材料為碳素彈簧鋼D級，按III類載荷計算相關參數(shù)。工作扭轉(zhuǎn)角度為。彈簧受力曲線如圖3.2.1所示。</p><p><b>　　由線性關系可以求出</b></p><p>　　查詢彈性模量，計算許用彎曲應力</p><p><b>　　曲度系數(shù)：

41、 </b></p><p><b>　　計算彈簧絲直徑</b></p><p><b>　　取 ，則 。</b></p><p><b>　　計算其他參數(shù)：</b></p><p>　　按剛度條件確定彈簧工作圈數(shù)：</p><p><

42、b>　　則n取11圈。</b></p><p>　　4結構工藝及技術要求</p><p><b>　　4.1裝配要求</b></p><p>　　軸、軸承、聯(lián)軸器、套筒緊密相連。</p><p>　　各關節(jié)處轉(zhuǎn)動靈活，無明顯阻力。</p><p>　　測量范圍為1200mm。&l

43、t;/p><p>　　軸和軸承的安裝：將關節(jié)外殼、軸承蓋相聯(lián)，再將軸、軸承、軸承緊固件安裝在軸上，然后將軸裝入外殼中，用套筒聯(lián)軸器將編碼器的軸和關節(jié)的軸連接在一起，最后用彈性簧片將編碼器與外殼相連。</p><p>　　扭簧的安裝：將扭簧放入扭簧蓋內(nèi)固定，在將整體其放在關節(jié)2上，用緊定螺釘將其固定。。</p><p>　　限位裝置的安裝：在將軸放入外殼之前把限位鋼珠放進

44、軸側(cè)面的半圓槽內(nèi)。</p><p><b>　　4.2加工工藝要求</b></p><p>　　表面粗糙度：軸、外殼、連接件間相互配合的平面算術平均偏差0.8，不需要配合的平面算術平均偏差3.2。</p><p>　　配合：查詢國家標準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H7，與軸配合，軸公差帶h6。</

45、p><p>　　各個零件加工時銳棱倒鈍。</p><p><b>　　5總結 </b></p><p>　　課程設計在今天結束了，期間我付出了很多，也收獲了很多。在進行課程設計的過程中，遇到了一系列的難題。時隔一年，在各種電學和光學知識的充斥下，機械學知識的淡忘是首要難題。因此我抓住晚上的時間，復習工程制圖和機械學基礎兩門課程。其次設計參考資料的缺

46、少是又一難題，我和其他組員討論，去網(wǎng)上查資料，了解了編碼器的種類和結構，最終確定了坐標儀各部分的聯(lián)接方式。對于軸承的選擇和扭簧的設計這兩部分的計算過程中，小組幾名同學進行激烈的討論，最終統(tǒng)一數(shù)據(jù)，比較結果，這讓我認識到了團隊合作的重要性。我認為課程設計中最有趣和最難忘的，是裝配圖的繪制過程，如何高效率高質(zhì)量的完成裝配圖，大家都小心翼翼，全神貫注地繪制圖紙。</p><p>　　經(jīng)過三周的努力，我們成功完成了老師布

47、置的任務，繪制出了六自由度多關節(jié)坐標測量儀的裝配圖和零件圖，同時，自身的機械設計、分析與繪制圖紙的能力也得到了很大的提高。我想這次課程設計將是我一生都難以忘懷的回憶和一次受益匪淺的經(jīng)歷。</p><p><b>　　6參考文獻</b></p><p>　　尚元江，吳佩年，譚家祥，《工程制圖基礎》，2003；</p><p>　　蔣秀珍，《機械學