六自由度柔性机械臂的结构设计毕业设计论文.doc

中国计量学院本科毕业设计（论文）六自由度柔性机械臂的结构设计structure design of six-degree of freedom flexiblemechanical arms6毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 郑 重 声 明本人呈交的毕业设计论文，是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，所有数据、图片资料真实可靠。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。本学位论文的知识产权归属于培养单位。学生签名： 日期： 分类号： th721 密 级： 公开 udc： 62 学校代码： 10356 中国计量学院 本科毕业设计（论文） 六自由度柔性机械臂的结构设计structure design of six-degree of freedom flexiblemechanical arms申请学位 工学学士 指导教师 学科专业 机械电子工程 培养单位 中国计量学院 答辩委员会主席 评 阅 人 2011 年 6 月六自由度柔性机械臂的结构设计摘要：随着工业的发展，三坐标测量机在现代制造工程领域中的应用越来越广泛。工业生产对于测量的要求也越来越高，传统的正交直角测量机已经不能完全满足测量的需求。柔性机械臂式非正交测量机正是在这种情况下产生的。本文研究的六自由度柔性机械测量臂即是基于以上产生的。柔性机械臂式测量机拥有结构简单、测量范围大、灵活轻便等优点，并能进行现场测量，可以解决很多以往传统三坐标测量机不能解决的问题。本文重点对柔性臂测量机的机械结构设计进行了研究。首先介绍了柔性臂式三坐标测量机的基本结构和工作原理，给出了整体的机械设计方案。简单介绍了测量机的测量空间及相关概念。根据要测量臂系统的特点择了臂身材料，并对臂长进行了优化设计。并对薄弱的环节进行了强度和刚度的校核，以确保设计的方案符合要求。给出了包括基座，横纵关节，臂身在内的具体结构的设计。对柔性测量臂系统进行了误差分析，分析了其主要的误差及误差源。并对关节晃动和杆件参数导致的误差建立了误差模型并对其进行了分析。提出了提高精度的一些方法。最后对本文进行了总结和展望。 关键词： 柔性臂 三坐标测量机 机械结构设计 误差分析 中图分类号：th721 structure design of six-degree of freedom flexiblemechanical armsabstract:with the development of industrial special, 3-coordinate measuring machine is being used in the modern manufacturing engine more and more widely. the requirements for the measurement of industrial production have become more sophisticated, the traditional right-angle measuring machine is not orthogonal to fully meet the needs of measurement.flexible three coordinate measuring machine is generated in this case. in this paper, six degrees of freedom mechanical measuring arm that is generated based on the above. flexible three coordinate measuring machine has a simple structure, wide measurement range, light and flexible, etc., and can carry out site survey, can solve a lot of traditional coordinate measuring machine cannot solve the problem.this article focuses on the study of the mechanical structure design of flexible arm measuring machine . first we introduced the flexible arm cmms basic structure, working principle and the overall mechanical design. briefly introduces the measuring space and related concepts of cmm. according to characteristics of the measuring arm system selecting the arm body materials, and arm length is optimized. and checking the strength and stiffness of the weakest link, to ensure that the program meets the requirements of the design. given, including base, vertical and horizontal joints, the arm itself, including the design of the concrete structure. error analysis on flexible measuring arm systems, analysis of its main source of errors and error. establishing joint bars with shaking error and parameter error model and making a preliminary analysis. proposed some methods to improve the accuracy of the measuring machine.finally, its the summarizes and prospects of this paper.keyword: flexible arm, coordinate measuring machine, structure design, error analysis classification: th721目 次摘要：iabstract:ii目 次iii1引言11.1选题的背景与意义11.2 国内外研究现状21.2.1 国外概况21.2.2 国内概况21.3 柔性臂测量机未来的发展趋势31.3.1普及高速测量31.3.2 新材料和新技术的应用31.3.3 测量机测头的发展31.3.4 控制系统的改进31.3.5 软件技术的革新41.4 研究内容与拟解决主要问题41.4.1 课题研究内容41.4.2 拟解决主要问题41.5 本章小结52 六自由度柔性臂的设计原理52.1 柔性坐标测量机的基本结构52.2 柔性坐标测量机的测量原理62.3 柔性坐标测量机总体方案82.3.1 测量空间82.3.2 关节和臂长设计92.3.3臂身材料的选择112.3.4 杆长的优化设计112.3.5 空心轴的强度校核与刚度校核132.4 本章小结143 六自由度柔性臂的结构设计143.1 基座部分的结构设计143.2 横关节部分的结构设计153.3 纵关节部分的结构设计163.4 六自由度柔性臂结构装备总图163.5本章小结184 柔性臂坐标测量机的误差分析与精度分析184.1 误差分析184.1.1 柔性臂坐标测量机系统主要误差184.1.2 柔性臂坐标测量机系统主要误差源184.2 误差的补偿194.2.1关节晃动导致的误差194.2.1杆件参数导致的误差214.3结构的精度分析224.4 本章小结225总结与展望235.1 总结235.2 展望246.主要参考文献25附录：27学位论文数据35中国计量学院本科毕业设计（论文）1引言1.1选题的背景与意义三坐标测量机在现代制造工程领域中的应用十分广泛。作为一种新型精密的测量仪，三坐标测量机在航空航天，汽车，船舶，重型机械等领域有着十分重要的作用。近些年来，由于科学技术水平的不断提高，在生产过程中对三坐标测量技术的要求也越来越高。由于传统的正交三坐标测量机是以正交坐标系为基础的，它有固定的工作台面，对被测工件进行测量时，正交三坐标测量的三根相互垂直的运动轴及其标尺，这导致运动轴及标尺必须比被测工件尺寸范围长。然而，由于长标尺和直线导轨加工比较复杂，制作成本较高，测量机的价格会随着量程的增大急剧上升。同时由于传统的正交三坐标测量机往往比较笨重，搬运较不方便。对被测物进行测量时必须先将被测的物体搬到测量机上，然而有些测量必须是在加工现场进行的，现实中根本无法搬运。这种现象造成了测量上的很多不便，无法满足大型工件现场快速测量的需要1-2。另外由于在生产和科研活动中，常常需要用到结构简单、精度高、价格低廉、安装简单、易于操作、能够在测量现场方便地进行测量的大量程的便携式三坐标测量系统。这些特点都是传统的正交三坐标测量机所不具备的。随着数字化逆向设计技术的发展。为了适应不断提高的测量要求，具有人手臂的关节形式多个关节的非正交系坐标测量机已经成为三坐标测量机的一个新的发展趋势。柔性坐标测量机是一种应用传感器技术的接触式或非接触式三维测量装置。它通过安装在各关节及杆件内部的光电角度编码器获得各关节转角，并结合机械臂的机械参数，应用空间支导线测量的原理计算出测量点的三维坐标。和传统的三坐标测量机相比，柔性关节式坐标测量机有很多优势3-4： (一) 体积小、量程大、重量轻。对于传统的正交式三坐标测量机，必须使测量机的运动轴和标尺足够长才能测量较大的工件。而关节臂式柔性三坐标测量机可以将臂进行折叠，放入箱子里以便于携带，它的测量范围可以达到较大的水平。如各臂的长度总和只要超过3m，就能测量3m范围内的点。只要保证自由度足够，没有一个臂的长度需要超过其它臂的长度总和，在理论上可以探及半径为3m的空间球域内的任意点 5。 (二)可以方便地在现场进行测量，甚至还能够装在被测工件或机器上。这是关节臂式柔性三坐标测量机与传统正交三坐标测量机相比的最大优势，它是由其定位方便和便携性的特点共同决定的。 (三)运动灵活、活动部分质量小，可以探测其他方法不能探及的位置点。 (四)价格较为便宜。和同等测量范围的正交式三坐标测量机相比关节臂式测量机的价格仅为前者的几分之一。(五)由于其柔性的特点和采用人手操作，与正交式三坐标测量机相比，测量速度快，且无需考虑路径优化等问题。因此，关节臂式测量机使用更加灵活、快捷3-5。目前国内的柔性坐标测量机市场全部是国外产品一统天下的格局，虽然国内己有研究机构在做相关的研究，并有样机推出，但精度与国外相比偏低，市场推广较难5。本论文提出研制低成本、中高精度、操作便捷的柔性坐标测量机，重点研究探讨其结构设计问题，包括模型建立、强度校核、结构优化等 6。1.2 国内外研究现状1.2.1 国外概况目前, 美、英、德、日、意等工业发达国家都在竞相开发各种类型规格的三坐标测量机,以满足不同场合的需要。国外测量机生产厂家主要有四个较大的集团，分别是美国的brown&sharpe集团(包括德国leitz和意大利dea的公司)、德国的zeiss集团、日本三丰公司di，di-ddi，ai-dai ，i-di。又因为：(4.3)有：dai=(4.4)对4.2化简有：ai2=ai+dai。定义：=(4.5)则: (4.6)ii-1为关节坐标系除去基座坐标系i相对前一坐标系i-1的微分转换矩阵。式4.5,4.6即为综合考虑关节晃动，杆件几何参数引起的微分转换矩阵。将其带入式2.3，即是最后修正后的综合测量方程。4.3结构的精度分析三坐标测量机是一种以精密机械为基础的高效率高精度的测量设备。测量机的精度是衡量一台机器好坏的重要指标。要使测量机具有高的测量精度，其系统结构首先要稳定，即测量机的随机误差要小，这样即使系统误差较大，也能在后续的处理中修正掉，但随机误差是不确定的，会严重阻碍测量精度的进一步提高，因此要保证整个系统结构的稳定性，即机械结构的各部分要具有稳定性，包括各部分的连接。其次是三坐标测量机的定位等要牢固，不能产生松动，各回转轴的回转精度要高，且力变形和热变形要较小电气部分的各测量元件的测量精度以及处理电路的精度都要满足一定的要求软件部分的数据处理也要保证一定的精度21。柔性坐标测量机由六个旋转关节来实现六自由度的旋转，每个旋转关节均安装了角度编码器来测量旋转角度值，通过对旋转角度的测量来实现最终的坐标测量。因此,角度测量的精度将直接影响最终的测量精度,并且,由于整个测量系统是串联结构,角度误差会通过长度传递并进一步放大,从而对最终的测量精度造成更大影响。所以,角度的测量误差对整个测量机精度的影响很大,除了选用高精度光栅传感器以外,还需对角度测量进行测试,进一步消除系统误差的影响,从而提高测量精度。4.4 本章小结本章主要讨论了柔性臂坐标测量机的误差分析。首先阐述了误差分析与提高精度对于三坐标测量机的重要性。分析了柔性臂坐标测量系统的主要误差系统误差和随机误差，以及由于测量机的特点导致其主要误差来源的7个主要误差来源。在4.2节，我们重点对由关节晃动导致的误差和杆件参数导致的误差进行了阐述和介绍。这两种误差是臂式测量机的最主要误差。通过d-h方程，关节上微分运动的坐标转换和参数误差的变换，可以建立测量机误差的数学模型，以通过软件进行补偿。在4.3节，我们对测量臂结构进行了简单的精度分析。测量机的精度是衡量一台机器好坏的重要指标。由于测量机为串联结构，角度测量误差会随着长度的传递而放大，直接影响精度。在研制柔性坐标测量机时，不仅要使用高精度的轴承以使结构达到稳定性，还要尽可能的选择精度高的角度传感器，来提高测量机的精度。5总结与展望5.1 总结三坐标测量机在工业生产中的地位十分重要。本文从介绍三坐标测量机开始，介绍了三坐标测量机的国内外发展现状和发展趋势以及各种三坐标测量机的优缺点。其中，柔性臂式三坐标测量机作为一种先进的测量仪器，以其体积轻，灵活，使用方便，测量空间大等特点相比于其他传统测量机相比有着无可比拟的优势。然而，相对于其他三坐标测量机而言，柔性臂式三坐标测量机本身的机构特性决定了它精度的不易保证，和其他传统的三坐标测量机相比其测量精度上仍不占优势。目前柔性臂式坐标测量机的技术仍不是很成熟，本文根据国内外已有的技术经验和研究成果，重点对柔性臂的机械结构设计进行了简单的研究，并对其精度问题进行了简单的介绍。本文的主要内容可总结为以下几个方面：1）介绍了柔性臂式三坐标测量机的基本结构和工作原理。借鉴了国内外的先进技术和已有的研究，确定了测量臂的整体设计方案。首先，文章对测量机的测量空间进行了一个简要的介绍，指出了为避免出现“空腔”现象臂长所要满足的条件。然后，具体介绍了测量臂的机械设计方案，包括了测量臂的关节和臂长的设计。在臂身的材料选择上我们选择强度大，密度小，热稳定性好的碳纤维作为臂身的材料，以使臂身具有重量轻强度高，抗热变性好的特点。同时，本文还对杆长进行了优化设计，选择合适的参数以使其误差达到最小，并避免测量空腔的产生。最后，我们对机构的薄弱环节进行了强度和刚度校核，以验证设计的合理性。2）对柔性臂的机械结构进行了具体的设计。主要包括了基座部分的设计，横关节部分的设计和纵关节部分的设计。给出了具体的设计尺寸参数和机