課程設(shè)計--六自由度多關(guān)節(jié)坐標(biāo)測量儀機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計

1、<p>　　課程設(shè)計說明書（論文）</p><p>　　課程名稱： 機(jī)械學(xué)基礎(chǔ) </p><p>　　設(shè)計題目：六自由度多關(guān)節(jié)坐標(biāo)測量儀 </p><p>　　院 系： </p><p>　　班 級：

2、 </p><p>　　設(shè) 計 者： </p><p>　　學(xué) 號： </p><p>　　指導(dǎo)教師： </p><p>　　設(shè)計時間： 2014/2/17—2014/3/7 <

3、/p><p><b>　　大學(xué)課程設(shè)計任務(wù)書</b></p><p>　　*注：此任務(wù)書由課程設(shè)計指導(dǎo)教師填寫。</p><p><b>　　目 錄 </b></p><p>　　1 概述 ……………………………………………………………………5</p><p>　　

4、坐標(biāo)測量需求 …………………………………………………………5</p><p>　　1.2坐標(biāo)測量儀特點…………………………………………………………5</p><p>　　1.3基本測量原理 ………………………………………………………… 7</p><p>　　1.3.1結(jié)構(gòu)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(shè)計 ……………………………………………………………9</p><p>　　2.1 總體設(shè)計原則 …………………………………………………………9</p>

6、<p>　　2.2 關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計 …………………………………………………………10</p><p>　　2.3 力平衡裝置設(shè)計 ………………………………………………………11</p><p>　　2.4 限位裝置設(shè)計 …………………………………………………………11</p><p>　　2.5 軸殼聯(lián)接件 ……………………………………………………………11

7、</p><p>　　2.6測頭的設(shè)計 ……………………………………………………………12</p><p>　　2.7 螺釘?shù)脑O(shè)計 ……………………………………………………………12</p><p>　　3 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)及設(shè)計 …………………………………………………………13</p><p>　　3.1 軸承的選擇 ………………………………………

8、……………………13</p><p>　　3.1.1 軸1結(jié)構(gòu)設(shè)計 ……………………………………………………13</p><p>　　3.1.2 軸2結(jié)構(gòu)設(shè)計……………………………………………………14</p><p>　　3.1.3 軸3 結(jié)構(gòu)設(shè)計……………………………………………………15</p><p>　　3.1.4 軸4 結(jié)構(gòu)設(shè)計…

9、…………………………………………………16</p><p>　　3.2 扭簧的選擇 ……………………………………………………………16</p><p>　　4 結(jié)構(gòu)工藝及技術(shù)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(jié) ……………………………………………………………………19</p><p>　　6 參考文獻(xiàn)…………………………………………………………………20</p><p><b>　　1.概述</b></p><p><b>　

11、　1.1坐標(biāo)測量需求</b></p><p>　　坐標(biāo)測量技術(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)備被研制和生產(chǎn)出來，并受到機(jī)械設(shè)計制造業(yè)者的廣泛注意，很快在許多機(jī)械制造領(lǐng)域得到應(yīng)用。同時，由于生產(chǎn)效率和加工工藝的提高，對測量技術(shù)提出了更高要求，而傳統(tǒng)的“比較式”測量技術(shù)

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(jī)床為主的英國Ferranti公司首先提出了“坐標(biāo)測量”這一概念，并在同年夏季法國巴黎召開的國際機(jī)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(biāo)測量機(jī)，這在世界幾何量測量領(lǐng)域引起了巨大的震動。從此以后的五十年里，坐標(biāo)測量機(jī)及其技術(shù)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(jī)械結(jié)構(gòu)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(biāo)測量儀已發(fā)展為一種集機(jī)械、光學(xué)、數(shù)控技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)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(biāo)測量儀特點</p><p>　　傳統(tǒng)的三坐標(biāo)測量儀主要由三個相互垂直的導(dǎo)軌（構(gòu)成一個笛卡爾坐標(biāo)系）、支撐系統(tǒng)、測頭、長光柵傳感器、數(shù)控系統(tǒng)、計算機(jī)系統(tǒng)和軟

14、件系統(tǒng)等組成。在結(jié)構(gòu)上，根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域?qū)λ臏y量范圍、精度、成本和效率的不同要求，對三個導(dǎo)軌的放置位置產(chǎn)生不同的配置方式，目前常見的結(jié)構(gòu)形式有移動橋式、懸壁式等。三坐標(biāo)測量儀的主要特點如下：</p><p><b>　　直線型導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)；</b></p><p>　　長度測量基準(zhǔn)：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(biāo)準(zhǔn)；</p><

15、;p>　　測量精度高：不確定度可達(dá)到級；</p><p>　　測量范圍手直線導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)式的便攜式坐標(biāo)測量設(shè)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(biāo)測量設(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

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(biāo)測量儀采用了六個高精度光學(xué)編碼器，是一種新型的非笛卡爾坐標(biāo)測量系統(tǒng)，根據(jù)仿生學(xué)原理，模仿人的腰關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)，將一系列桿件（臂）通過具有旋轉(zhuǎn)導(dǎo)軌的關(guān)節(jié)連接起來，以角度基準(zhǔn)取代長度基準(zhǔn)，從而具有機(jī)械結(jié)構(gòu)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(jī)安裝調(diào)試中的工程三維坐標(biāo)測量問題，也可以解決虛擬設(shè)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(xué)問題，有廣泛的應(yīng)用前景和重要的科學(xué)意義。</p><p>　　本次課程設(shè)計的任務(wù)就是模仿FARO公司的產(chǎn)品Space Arm，進(jìn)行六自由度關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測量儀機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計，以培養(yǎng)學(xué)生綜合運用工程力學(xué)與機(jī)械學(xué)的基本知識進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)分析與設(shè)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(jié)構(gòu)模型</b></p><p>　　由圖1所示的FARO公司的Space Arm可知，六自由度關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測量儀的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。</p><p>　　圖 2 六自由度多關(guān)節(jié)坐標(biāo)測量儀結(jié)構(gòu)示意圖</p>

19、<p>　　由圖2可以看出，六自由度多關(guān)節(jié)坐標(biāo)測量儀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)。其特點如下：</p><p>　　運動學(xué)模型比較復(fù)雜 在傳統(tǒng)的笛卡爾坐標(biāo)測量機(jī)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(zhǔn)給定，因此其運動學(xué)模型非常簡單：在多關(guān)節(jié)坐標(biāo)測量機(jī)中，以測頭 為原點的動坐標(biāo)系相對于參考坐標(biāo)系 的位置是通過各桿件坐標(biāo)系的齊次變換獲得，是一個非常復(fù)雜的非線性方程。<

20、/p><p>　　結(jié)構(gòu)簡單 不同于一般機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計，采用了相鄰關(guān)節(jié)軸線相互垂直的機(jī)械結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點是：是機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單，方便操作，簡化了運動學(xué)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(kuò)大。一方面，可加長上臂和前臂的長度來擴(kuò)大測量范圍，但精度將急劇降低；另一方面，可移動多關(guān)節(jié)坐標(biāo)測量機(jī)，在不同的位置對大型物體進(jìn)行坐標(biāo)測量。&l

21、t;/p><p>　　可對內(nèi)表面進(jìn)行測量 由于采用了六自由度關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，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(jìn)行測量。</p><p>　　1.3.2測頭位姿的描述</p><p>　　多關(guān)節(jié)坐標(biāo)測量儀的各桿件及測頭都可當(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。</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(shè)置一個描述其位姿的坐標(biāo)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(guān)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(xué)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(gòu)建建立兩個特殊坐標(biāo)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(gòu)件相對運動關(guān)系的研究帶來方便。</p><p>　　結(jié)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(biāo)系的運動學(xué)方程</p><p&g

24、t;<b>　　1.2</b></p><p><b>　　2.總體設(shè)計</b></p><p><b>　　2.1總體設(shè)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(guān)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(guān)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(guān)節(jié)直徑適當(dāng)增加。關(guān)節(jié)1、2外徑不大于80，其他關(guān)節(jié)外徑不大于50。</p><p><b>　　2.2關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計</b></p><p>　　關(guān)節(jié)部件是整個六自由度測量儀的關(guān)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(guān)節(jié)的外殼選擇了密度較小、耐腐蝕的硬鋁合金，各

27、個關(guān)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(yīng)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(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、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(shè)計；</p><p>　　分析所設(shè)計的軸系的變形（彎曲，扭曲）情況，根據(jù)分析結(jié)果來修正設(shè)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(jié)構(gòu)參數(shù)準(zhǔn)確，測量精準(zhǔn)。</p>&l

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

30、，需要在每個關(guān)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(shè)計一個U型結(jié)構(gòu)鉗住外殼2，并用4個對

31、稱的螺釘進(jìn)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(guān)節(jié)1軸殼聯(lián)接件</p><p><b>　　2.6測頭的設(shè)計</b></p><p>　　測頭采用機(jī)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(shè)計</b></p><p>　　本設(shè)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(guān)鍵結(jié)構(gòu)及設(shè)計</b></p><p><b>　　3.1 軸承的選擇</b></p><p>　　3.1.1 軸1結(jié)構(gòu)設(shè)計</p><p><b>　　（1）受力分析</b></p><p>　　關(guān)節(jié)部分可視為 的硬鋁合金實心管，</p&g

34、t;<p><b>　　則關(guān)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(jié)構(gòu)設(shè)計</p><p><b>　　（1）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(jié)構(gòu)設(shè)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(jié)構(gòu)設(shè)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(jié)合角接觸軸承國家標(biāo)準(zhǔn)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(guān)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(guān)系可以求出</b></p><p>　　查詢彈性模量，計算許用彎曲應(yīng)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(jié)構(gòu)工藝及技術(shù)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(guān)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(guān)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(guān)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(guān)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(jìn)

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(shù)平均偏差0.8，不需要配合的平面算術(shù)平均偏差3.2。</p><p>　　配合：查詢國家標(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(jié) </b></p><p>　　課程設(shè)計在今天結(jié)束了，期間我付出了很多，也收獲了很多。在進(jìn)行課程設(shè)計的過程中，遇到了一系列的難題。時隔一年，在各種電學(xué)和光學(xué)知識的充斥下，機(jī)械學(xué)知識的淡忘是首要難題。因此我抓住晚上的時間，復(fù)習(xí)工程制圖和機(jī)械學(xué)基礎(chǔ)兩門課程。其次設(shè)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(jié)構(gòu)，最終確定了坐標(biāo)儀各部分的聯(lián)接方式。對于軸承的選擇和扭簧的設(shè)計這兩部分的計算過程中，小組幾名同學(xué)進(jìn)行激烈的討論，最終統(tǒng)一數(shù)據(jù)，比較結(jié)果，這讓我認(rèn)識到了團(tuán)隊合作的重要性。我認(rèn)為課程設(shè)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(wù)，繪制出了六自由度多關(guān)節(jié)坐標(biāo)測量儀的裝配圖和零件圖，同時，自身的機(jī)械設(shè)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(shè)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(xiàn)</b></p><p>　　尚元江，吳佩年，譚家祥，《工程制圖基礎(chǔ)》，2003；</p><p>　　蔣秀珍，《機(jī)械學(xué)