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： 精密機械設計基礎課程設計 </p><p>　　設計題目： 六自由度多關節(jié)坐標測量儀 </p><p><b>　　院 系： </b></p><p>　　班 級： </p><p>　　

2、設 計 者： </p><p>　　學 號： </p><p>　　指導教師： </p><p>　　設計時間： </p><p><b>　　課程設計任務書</b></p><p>

3、;<b>　　目錄</b></p><p><b>　　1. 概述1</b></p><p><b>　　1.1設計背景1</b></p><p>　　1.2技術參數和設計要求2</p><p><b>　　2. 總體設計2</b></p&g

4、t;<p>　　3. 關節(jié)結構設計3</p><p><b>　　3.1軸徑選擇3</b></p><p>　　3.1.1軸2受力分析3</p><p>　　3.1.2軸2彎曲撓度分析3</p><p>　　3.1.3其余軸徑選擇4</p><p><b>　　3

5、.2軸承選擇4</b></p><p>　　3.3軸殼尺寸的確定4</p><p>　　4. 關鍵結構件設計4</p><p>　　4.1關節(jié)聯接結構設計4</p><p>　　4.1.1軸臂聯接機構5</p><p>　　4.2力平衡機構設計5</p><p>　　4.

6、3測頭機械結構設計7</p><p><b>　　5. 裝配要求7</b></p><p><b>　　6. 總結7</b></p><p><b>　　6.1結論7</b></p><p><b>　　6.2存在問題8</b></p>

7、;<p>　　6.2.1螺釘的相關畫法8</p><p>　　6.2.2編碼器杯蓋的有關問題8</p><p><b>　　6.3心得體會8</b></p><p><b>　　參考文獻8</b></p><p><b>　　1.概述</b></p&

8、gt;<p><b>　　1.1設計背景</b></p><p><b>　　1.概述</b></p><p><b>　　1.1設計背景</b></p><p>　　坐標測量儀是近幾十年來迅速發(fā)展起來的新型精密測量儀器，它用途廣泛，可用于多種制造業(yè)的各種零件形體幾何參數測量。本次課程設

9、計的任務就是模仿FARO公司的SpaceArm產品，進行六自由度關節(jié)式坐標測量儀機械結構設計。FARO公司的產品相比其他公司在測量臂外增加了外殼，可以減少與外界接觸而引起的熱變形，減少灰塵的影響，同時外形看起來更加美觀、小巧，但從測量范圍上看要小一些,在1200mm-3600mm。其產品外觀圖如圖1-1-1所示。</p><p>　　圖1-1-1 FARO公司的SpaceArm產品外觀圖</p>&

10、lt;p>　　六自由度多關節(jié)坐標測量儀是由多桿件通過旋轉關節(jié)串聯而成的空間開放式連桿機構，具有有以下特點：①運動學模型比較復雜；②結構簡單；③測量范圍大；④可對表面進行測量。</p><p>　　可以通過采用D-H方法對坐標測量儀進行建模，建立測量系統運動學模型。測頭末端位姿是各關節(jié)變量的非線性函數，簡記為如下函數形式：</p><p>　　1.2技術參數和設計要求：</p&g

11、t;<p>　?。?）空間測量范圍：2400mm</p><p>　　（2）分辨力：0.01mm</p><p>　?。?）點坐標重復精度：≤±0.04mm</p><p>　　（4）長度測量不確定度（2σ）：≤±0.08mm</p><p>　?。?）測量臂直徑：≤Φ80mm</p><

12、p>　　（6）測桿及測頭長度：≤150mm</p><p>　?。?）具有力平衡裝置</p><p>　?。?）傳感器數據線不能暴露在儀器外面，須從內部“走線”整臺儀器輕便、靈活</p><p><b>　　2.總體設計</b></p><p>　　參考FARO公司的產品外形圖、老師給的樣圖及設計任務書的要求，可知

13、，總體結構示意圖為：</p><p>　　總體設計原則為：在滿足測量范圍和精度的情況下，盡量使整個結構外形較小，靈活且輕便簡單。</p><p>　　測量臂：由于測量范圍要求2400mm，可確定+=1200mm，為使它的結構簡單，減小成本，取==600mm，含軸部分估為120mm，按實心鋁計算，測頭初擾動力F按5kg計算，查詢鋼彈性模量E=200GN/。其直徑要求小于50mm。</p

14、><p>　　聯接件：在軸的聯結部分設計符合要求的U型爪。</p><p>　　布線：由于要在內部走線，所以所有的軸都采用空心的，且在相聯的軸之間設計走線用的孔。</p><p>　　傳感器：傳感器為外購件，使用時應將它的外殼與軸的外殼相聯，它的軸與軸相聯。在與外殼相聯時采用簧片，與軸相聯時采用緊定螺釘。</p><p>　　軸承：由于要求轉動靈

15、活，故選擇滾動軸承；又由于它受到軸向力，所以用相心角接觸球軸承。采用背靠背形式，以減小最大的軸向力。</p><p>　　扭簧：為使臂在不使用時不至直接下垂，且減小使用時加在臂上的力，是整個儀器更加靈活，設計一個扭簧，最佳工作轉角定為30°和130°。</p><p>　　螺釘：在滿足強度要求的情況下，盡量使螺釘小多采用沉頭和內六角螺釘。</p><

16、p><b>　　3.關節(jié)結構設計</b></p><p>　　關節(jié)部件是整個測量儀的關鍵，它是一個旋轉軸系統，由軸、軸承、外殼、光電編碼器、連軸結、其他連接件組成。其中軸采用空心軸，便于電氣線路穿過。</p><p><b>　　3.1軸徑選擇：</b></p><p>　　為使軸有一定的強度、剛度并且從應用廣泛的角

17、度考慮，軸的材料我們選用了45號鋼。</p><p>　　3.1.1軸2受力分析：</p><p>　　首先確定軸殼的質量。軸殼采用空心鋁合金管，查閱表GB/T 4436-1995，選擇壁厚為3mm的鋁合金管，直徑初步定為50 mm，兩個臂的長度都為600mm。</p><p><b>　　計算其質量為：</b></p><

18、p>　　然后確定軸頭的質量。計算時將軸頭看做為實心的鋁合金，長度為120mm，直徑初步定為50mm。</p><p>　　計算其中一段的質量為：</p><p>　?。▽嵭匿X的密度為）：</p><p><b>　　總質量為：</b></p><p><b>　　重力為</b></p&g

19、t;<p><b>　　=53.0N</b></p><p>　　3.1.2軸2彎曲撓度分析</p><p>　　當儀器在擾動作用下，接觸處撓度時進行彎曲撓度分析：</p><p>　　將軸按懸臂梁模型計算，估算除1、2以外部分質心所在垂線距懸臂梁端點為120mm，自由端距端點為8mm。</p><p>　

20、　作用在懸臂梁上的彎矩M=5*9.8*1.2+53.0*0.1265.16N.m</p><p>　　按撓度計算公式：=和技術要求2m,其中M=65.16N.m，l=0.008m，F=53.0N，E=2*</p><p><b>　　解得：</b></p><p><b>　　I5.30*</b></p>&

21、lt;p>　　又 其中為外徑，為內徑</p><p>　　取，解得20.8mm，安全考慮，并且使整個器械穩(wěn)定性較好，取=21mm，=25。</p><p>　　軸的配合選用基孔制k5。</p><p>　　3.1.3其余軸徑選擇</p><p>　　與前述確定軸2直徑計算方法相似，可確定其他軸直徑（取自由端距端點8mm）。軸3、4、5、

22、6可取相似直徑，因為4承受力矩較小，只要3軸滿足條件即可。經過和前面類似的計算，得：</p><p><b>　　采用數據進行計算</b></p><p>　　取，解得12mm ，考慮安全因素，取=17mm ，=14mm。</p><p><b>　　3.2軸承選擇</b></p><p>　　考慮

23、到軸承的精度和承載能力，由上述確定的軸徑根據國家標準選擇軸承。由于受到徑向力，所以選用向心角接觸滾動軸承</p><p>　　由軸的外徑選擇對心角接觸滾動軸承7005C和對心角接觸滾動軸承7003C。7005C作為1、2軸的支承，7003C作為3、4、5、6軸的支承。</p><p>　　3.3軸殼尺寸的確定</p><p>　　由軸徑大小和軸承型號（即軸承外殼的直

24、徑）并且考慮安裝螺釘的方便確定軸殼尺寸。設計軸殼1、2的外徑為65mm，壁厚為9mm，即內徑為47mm，軸殼3、4、5、6的外徑為47mm，壁厚為6mm，即內徑為35mm。</p><p>　　軸殼的內部與軸承的配合選用基軸制H7。</p><p><b>　　4.關鍵結構件設計</b></p><p>　　4.1關節(jié)聯接結構設計</p&

25、gt;<p>　　4.1.1軸臂聯接結構</p><p>　　如圖4-1-2-1所示，設計一個U型結構鉗住外殼2，并用4個對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個圓周對稱的內六角螺釘聯接軸1。所有需要用較大力的地方的聯接均用內六角螺釘。</p><p>　　4.2力平衡機構設計</p><p>　　4.3測頭機械結構

26、設計</p><p>　　為保證整個測量儀的力平衡以及移動測量臂不費力，一定要考慮力平衡裝置。在第二個關節(jié)上加裝一個扭簧，以平衡測量臂和上面四個關節(jié)的重量。</p><p>　　扭簧的受力示意圖如圖4-2-1所示。</p><p>　　交點為橫坐標為30°和130°。</p><p>　　(1)彈簧材料選用碳素彈簧鋼絲D級

27、，。由彈簧材料及許用應力表查得,估取彈簧鋼絲直徑為；由彈簧鋼絲的拉伸強度極限表取，則。</p><p>　　(2)選擇旋繞比并計算曲度系數和最大最小工作扭矩。</p><p><b>　　，其中，，，故</b></p><p>　　(3)根據強度條件試算鋼絲直徑。</p><p><b>　　原值</b&

28、gt;</p><p>　　(4)計算彈簧的基本幾何參數。</p><p>　　(5)按剛度條件計算彈簧的工作圈數。</p><p><b>　　因為所以，彈簧圈數</b></p><p><b>　　圈</b></p><p><b>　　取圈。</b>

29、;</p><p>　　扭簧處機械結構示意圖如圖4-2-2所示</p><p>　　4.3測頭機械結構設計</p><p>　　探頭主要采用機械式硬探頭，通過“按鍵”發(fā)出測量（采樣）信號。測頭采用螺釘聯接的方式與外殼相聯，確保測量儀在使用時，探頭平穩(wěn)。</p><p><b>　　5.裝配要求</b></p>

30、<p>　　軸、軸承、聯軸器、套筒緊密相連。</p><p>　　各關節(jié)處轉動靈活，無明顯阻力。</p><p>　　測量范圍為2400mm。</p><p>　　軸和軸承的安裝：將軸承擋圈與軸的外殼擰緊，放入軸承、隔圈、軸將擋圈與軸擰緊，最后用緊定螺釘連接軸與編碼器。</p><p>　　扭簧的安裝：將扭簧放入扭簧蓋內固定，在

31、講其放在關節(jié)2上，用緊定螺釘將其固定。彈簧預緊扭矩10.79，扭轉角100°，最大扭矩為21.143。</p><p><b>　　6.總結</b></p><p><b>　　6.1結論</b></p><p>　　六自由度多關節(jié)坐標測量儀具有機械結構簡單，測量范圍大，成本低，體積小，可便攜等優(yōu)點。隨著技術日新

32、月異的飛速發(fā)展，它已成為航天、航空、船舶、汽車等工業(yè)領域中檢測和質量控制中不可缺少的萬能測量設備。</p><p>　　通過課程設計，完成測量儀的總裝配圖1張（1號圖紙），關鍵零件圖4張（3號圖紙）和課程設計說明書。</p><p><b>　　6.2存在問題</b></p><p>　　6.2.1螺釘的相關畫法</p><

33、p>　　在畫圖過程中還存在著螺釘畫法不夠規(guī)范的問題。以及存在部分沉頭螺釘處剖視時少線的問題。</p><p>　　6.2.2結構上的有關問題</p><p>　　設計時，未設計不使用儀器時，臂的固定件，使得彈簧一直受力，并且臂受震動影響較大，影響彈簧和臂的壽命。另外沒有設計限制關節(jié)轉動圈數的結構，使關節(jié)可無限角度轉動，這樣可能會破壞內部的繞線，嚴重時可能將線擰壞。</p>

34、<p><b>　　6.3心得體會</b></p><p>　　這次課程設計讓我們對機械課程中所學的知識有有了更深刻的了解，對所學知識有了更加深刻的認識，課設中由于給出了樣圖，整體設計的難度大大降低，但結構依然較為復雜。在分析結構和計算的過程中我們了解了團隊的重要性。另外雖然設計前大家都已經集體分析，但畫圖時，我們仍然發(fā)現有一些細節(jié)的地方難以確定，在一些線上的有沒有上也發(fā)生了分

35、歧，這就考驗了我們的空間想象能力。還有在課設之前我的換圖能力很差，螺釘畫的更是很不規(guī)范，這次課設中，雖然螺釘畫的還是不是很好，但自我感覺已有很大進步。這兩周過得非常充實。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 尚 平，費業(yè)泰.柔性關節(jié)式坐標測量機的結構設計分析.合肥：合肥工 業(yè)大學學報，200