关节臂式坐标测量机的结构设计

哈尔滨工程大学本科生毕业论文I摘 要关节臂式坐标测量机是一种新型的多自由度非笛卡尔式坐标测量系统。此系统采用高精度角度传感器测量各个关节的旋转角度，再依据各关节臂的长度，通过坐标变换得出测头的中心坐标。它具有体积小、重量轻、运动灵活、方便进行现场测量、价格较便宜等优点，因此具有广阔的应用前景。本论文研究的内容包括以下几个部分：首先，阐述了坐标测量机的发展历程，指出了传统三坐标测量机的局限性，介绍了国内外对关节臂式坐标测量机的研究状况；其次，对关节臂式坐标测量机进行了整体的研究分析，给出了 6 自由度关节臂式坐标测量机的总体结构，并详细介绍了系统各个部分的零部件设计以及关键元件的选用；再次，利用 Unigraphics NX 软件对设计的结构进行了强度和刚度分析，同时结合理论计算验证了分析结果；最后，用 Unigraphics NX 软件建立了各零件的三维模型，并对其进行装配，经检查没有零件干涉，在此基础上对整机做了运动仿真，得出了测量机空间运动轨迹。关键词：关节臂式；坐标测量机；结构设计哈尔滨工程大学本科生毕业论文IIABSTRACTThe articulated arm CMMs (coordinate measuring machines) is a new type of multiple degree and non-Cartesian system. In articulated arm CMMs, high-accuracy angle measuring sensors are utilized to measure the rotation angles of knuckles, and the center coordinates of gauge head are calculated through coordinate transformation. It possesses the advantages of large measuring range , small volume, low weight and portability, moreover it is convenient to setup on site in production line, and it has extensive application and important significance. The main contents of this thesis are as follows: firstly, the history of CMMs was introduced, and the limitation of traditional three-coordinate measuring machine was given, the development in the articulated arm CMMs at home and abroad was reviewed. Secondly, a whole research and analysis on the articulated arm CMMs and the overall mechanical structure were introduced in this thesis. Then each part of the articulated arm CMMs was designed in detail and the key components were chosen. Thirdly, the stiffness and intensity of the structure were analyzed by Unigraphics NX software and the result was checked by theoretical computation at the same time. Lastly, the three-dimensional models of each part were built and assembled，after inspecting, there was no interference. Then the motion simulation of the complete machine was setup and the movement simulation was output by Unigraphics NX software.Key words: articulated arm; coordinate measuring machine; structural design哈尔滨工程大学本科生毕业论文I目 录第 1 章 绪论 .11.1 引言 .11.2 国内外三坐标测量机的研究现状 .11.2.1 传统三坐标测量机的研究现状 .11.2.2 关节臂式坐标测量机的研究现状 .21.2.3 关节臂式坐标测量机与传统三坐标测量机的比较 .41.3 本课题研究的目的与意义 .51.4 本文研究的内容 .6第 2 章 总体方案的设计 .72.1 设计要求 .72.2 设计原则 .72.3 设计思路 .72.4 自由度个数的选择 .82.5 关节臂长度的确定 .92.6 角度传感器的选择 .102.7 测头的选择 .122.8 本章小结 .13第 3 章 机械结构的详细设计与关键部件校核 .143.1 机械结构的详细设计 .143.1.1 基座部件设计 .143.1.2 横关节部件设计 .173.1.3 臂身杆件设计 .183.1.4 测头部件设计 .193.1.5 平衡系统设计 .203.1.6 其它设计 .24哈尔滨工程大学本科生毕业论文II3.2 关键零件强度和刚度的校核 .243.2.1 空心轴强度的校核 .253.2.2 空心轴刚度的校核 .313.3 本章小结 .36第 4 章 Unigraphics NX 建模 .374.1 Unigraphics NX 简介 .374.2 主要零件三维模型的建立 .384.3 零件装配与爆炸视图 .404.4 运动仿真 .424.5 本章小结 .43结论 .44参考文献 .45致谢 .46哈尔滨工程大学本科生毕业论文1第 1 章 绪论1.1 引言中国能够实现经济的高速发展，在很大程度上取决于中国制造业的迅猛发展。制造业对国民经济的发展起着至关重要的作用，其中，机械制造业的规模和水平又是衡量一个国家国防实力的重要标志。随着科技的发展，先进制造技术的形成已经打破了传统单纯机械加工的概念，它集机械工程技术、电子技术、自动化技术、信息技术等多种技术于一体，是一个国家取得国际竞争优势的必要条件 1。著名科学家钱学森明确指出： “信息技术包括测量技术、计算机技术和通信技术。测量技术是关键和基础。”检测技术与仪器是国民经济的倍增器。资料显示，美国 90 年代仪器仪表只占工业总产值4，但它对国民经济的影响面却占 66 2。1.2 国内外三坐标测量机的研究现状传统三坐标测量机作为先进制造技术不可缺少的重要组成部分，越来越显示出它的重要性和广阔的应用前景。但是由于其自身的一些特点，决定了其应用的局限性，由此而产生的一种新型坐标测量系统关节臂式坐标测量系统，在一定程度上弥补了它的不足。1.2.1 传统三坐标测量机的研究现状传统三坐标测量机的发展始于 50 年代末期 3。1959 年，英国 Ferranti公司在法国巴黎召开的国际机床博览会上展出的原型样机成为三坐标测量机的原始模型。经过 50 年的发展，三坐标测量机已经成一种集机械、光学、电子、数控技术和计算机技术为一体的大型精密智能化测量仪器，并且成为现代工业检测、质量控制和制造技术中不可缺少的重要测量设备 4。目前，比较著名的三坐标测量机国外生产厂家有美国的 HExAooN 计量产业集团、德国的 Zeiss 公司、英国的 LK 公司、日本的 Mitutoy 公司。其中美国的 HExAooN 计量产业集团产品系列齐全，基本上覆盖了当今全球各哈尔滨工程大学本科生毕业论文2种测量机型号，德国的 Zeiss 公司生产的测量机则以高精度著称。最高测量精度能够达到 0.4+L/900 。国内的三坐标测量机起步比较晚，目前国内m三坐标测量机企业中，实力最强大的是青岛前哨与 HEXAGON 集团合资的海克斯康测量技术(青岛)有限公司，年销售数量接近 400 台，约占国产三坐标份额的一半左右;其次是北京航空精密机械研究所，约占国内三坐标测量机份额的五分之一。尽管我国的三坐标测量技术获得了一定的成果，但是企业的产品技术和质量一直未达到能够进行国际竞争的水平，在国外高技术、高质量的测量机产品的严重冲击下，市场占有率相对比较少 5。1.2.2 关节臂式坐标测量机的研究现状1.国外关节臂式坐标测量机的研究现状国外关节式坐标测量机的发展将近有 20 年的历史，它相对于传统的三坐标测量系统，是一种新型的非笛卡尔坐标测量系统，也称为柔性坐标测量系统或非笛卡尔坐标测量系统。它模拟人的关节结构，将一系列杆件通过具有旋转或摆动的关节联接起来，从而以角度测量基准取代了长度测量基准。它是依据仿生运动学原理设计而成，在工业机械臂的技术基础上发展起来的一种多自由度的空间测量系统。其自由度一般由旋转关节构成，形成一个球体测量空间。这种坐标测量机具有机械结构简单，运动灵活，测量范围大，便携性好等特点。改善了正交坐标测量机在测量柔性、测量效率、测头灵活性等方面的性能，能适应社会化大生产的要求。目前，在国际上生产关节臂式坐标测量机最著名的有美国的海克斯康（Cimcore、Romer)公司与法如 Faro 公司 6。Faro 公司是世界上最大的关节臂式坐标测量机的供应商，号称生产出世界上第一台关节臂式坐标测量机，市场占有率在 80%以上。关节和机械臂分别采用高硬度航空铝合金和碳素纤维制造，关节臂中有温度敏感元件，能够对测量机的变形进行实时补偿，使整部机器具有较高的精度和可靠性。其产品轻巧方便，最大测量范围达到3.7m，单点重复精度最高为0.005mm，一般测量范围的精度为哈尔滨工程大学本科生毕业论文30.02mm。其生产的产品如图 1.1 所示。图 1.1 FARO Fusion FaroArm 系列测量机海克斯康有 Cimcore 和 Romer 两个品牌，市场占有率在逐年上升。 其产品主要有 ROMER 绝对关节臂、Infinite 2.0、STINGERIIi、Multi Gage 系列。其新一代的 ROMER 绝对关节臂采用绝对编码器，开机无需复位就可以进行测量。Infinite 2.0 系类测量臂使用滑环进行导线连接，可以实现空间无限旋转，其单点重复精度能够达到0.013mm。其生产的产品如图 1.2 所示。从上述两家公司生产的产品可以看出，平衡系统的不同是其结构的最大区别，FARO 产品的平衡系统是内置式弹簧平衡系统，而海克斯康的产品大都采用的是外置的力矩平衡系统。多自由度的关节臂式坐标测量机的指标在国际上还没有一个统一的评定标准。这两家公司均采用单点重复精度与空间长度测量精度作为测量机的精度评定指标。哈尔滨工程大学本科生毕业论文4图 1.2 海克斯康 Infinite 2.0 2.国内关节臂式坐标测量机的研究现状国内关节臂式坐标测量机的起步比较晚，研究相关技术的单位或人员有：天津大学的叶声华院士和张国雄教授、哈尔滨工业大学的车仁生教授和叶东博士、西安交通大学、华中科技大学、合肥工业大学的费业泰教授、西安爱德华公司等。其中费教授已经完成几个版本的柔性关节臂式测量机的研制，最新的研究成果是整机测量不确定度达到 0.07mm，测量范围 2400mm。通过 4a 的研制，初步完成了技术的产业化进程，目前产品已小批量投放市场，仪器的精度指标已稳定地达到进口中高档产品的水准 7。这些研究填补了国内对于关节臂式坐标测量机发展的空白，但是目前的研究成果精度仍低于国际平均水平，有待进一步提高。1.2.3 关节臂式坐标测量机与传统三坐标测量机的比较与传统的三坐标测量机相比，关节臂式坐标测量机的优点非常突出，它哈尔滨工程大学本科生毕业论文5是针对大型零部件的现场灵活检验而研制的。它可以围绕比自身大的被测物体实现任意一点的三维检测，计算被测物体的尺寸、形状和位置坐标值。又可与 CAD/CAM/CAE 等软件接口，为装备生产线、制造车间、大范围坐标测量和装配定位、虚拟设计制造、逆向工程扫描提供一种简单、轻便的坐标测量工具。关节臂式坐标测量机与传统三坐标测量机的比较如表 1.1 所示。表 1.1 关节臂式坐标测量机与传统三坐标测量机的比较原理 应用场合及特点 优点 缺点传统三坐标测量机笛卡尔坐标系测量尺寸较小的工件，可以进行接触式测量，一般在室内进行测量通用性强、精度高、性能比较稳定系统制造复杂、价格昂贵、测量范围受限制、体积和重量大、工作环境要求严格、安装复杂关节臂式坐标测量机非笛卡尔坐标系关节臂式三坐标测量机具有六个自由度，因此无测量死角，可提高精度机械结构简单、体积小、重量轻、测量范围大、可以方便的在现场进行测量、运动灵活、价格适中、效率高关节臂式坐标测量机的关节和杆件配置比一般机器人要复杂，测量精度偏低1.3 本课题研究的目的与意义随着柔性测量技术的需求加大，传统的三坐标测量机因受到使用环境和测量范围的限制，在很多场合无法使用。关节臂式坐标测量机在制造和装配现场发挥的功能能够很好的解决这些难题。它的应用领域十分广泛，包括航空航天、汽车、船舶、电力、军事等领域。目前，由于关节臂式坐标测量机与传统三坐标系的测量机相比精度偏低，主要用于逆向工程领域，用于具有三维复杂曲面造型设计和模具加工等行业，如汽车、飞机、船舶、叶轮、家用电器、轻工产品的工业设计制造，并已拓展到服装、家具、皮鞋的三维打样和款式设计，以及人体外貌、雕刻艺术和工艺品的复制等。目前国内的关节臂式坐标测量机市场全部是由国外产品一统天下的格局，哈尔滨工程大学本科生毕业论文6虽然国内已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。本论文是对低成本、中高精度、操作便捷的关节臂式测量机结构设计的一种尝试，重点讨论提高其精度的措施，包括材料的选取，机械结构的设计、强度的校核等。1.4 本文研究的内容本课题首先根据关节臂式坐标测量机的功能要求，确定总体结构方案，包括机械结构的关节自由度数及关节连接方式。在以上工作的基础上，进行基座部件、横关节部件、臂身杆件、测头部件和平衡系统的详细设计。然后，对薄弱零件进行静力学强度校核。最后完成关节臂式坐标测量机的整体装配图和重要自制零部件的设计图。总结如下：1）. 查阅资料，阅读文献，明确课题研究内容；2）. 关节臂式坐标测量机的总体结构方案设计；3）. 基座部件和横关节部件的详细设计；4）. 臂身杆件和测头部件的详细设计；5）. 平衡系统的设计；6）. 关键部件的结构静力学分析。哈尔滨工程大学本科生毕业论文7第 2 章 总体方案的设计2.1 设计要求目前，国外知名关节臂式坐标测量机生产厂家生产的主要系列仪器最大测量半径从 1000mm 到 3700mm 不等，最高单点重复精度可达0.005mm。在国内，其中合肥工业大学的费业泰教授已经完成几个版本样机的研制，最新的研究成果是整机测量不确定度达到 0.07mm，测量范围 2400mm。由于本课题只涉及机械结构部分的设计，所以不包括单点重复精度的指标。本课题的拟设计目标：空间测量半径1200mm。2.2 设计原则决定关节臂式坐标测量机设计成败的最主要因素就是它的测量精度。本课题在设计的过程中，首先考虑满足关节臂式坐标测量机的基本使用功能，然后结合现有零部件和可获得的材料，力求使其经济、美观、使用方便。在设计的过程中应该遵循以下几点设计原则：（1）以关节臂式坐标测量机的测量精度为前提，做到关节旋转的安全可靠，整机外形美观；（2）关节臂可以实现对球半径空间范围内任意点的坐标测量，无测量盲区；（3）对关键部件进行刚度、强度的校核，在设计允许的条件下尽可能的降低整机的重量，以缩小仪器所占用的空间体积，便于携带；（4）设计要尽可能地便于操作，使用起来轻便省力，符合人机工程的要求。2.3 设计思路关节臂式三坐标测量机是一种典型的仿生设计模型，它的结构仿照人的上臂、前臂和手腕，与工业机器手有着相似之处，如图 2.1(a)所示。将其简哈尔滨工程大学本科生毕业论文8化以后得到如图 2.1(b)所示的模型，包括手部、腕部、臂部和机身 8。关节臂式坐标测量机已经有二十多年的发展时间，在技术上比较成熟，并得到了广泛的应用。优化后的关节臂的腰关节可以实现 360的旋转，肩关节和肘关节的旋转幅度也得到进一步扩大。这种结构具有结构紧凑、所占空间小、便于携带（如图 2.2 所示） 、相对运动空间大等优点。（a） （b）图 2.1 工业机器手及模型图 2.2 海克斯康关节臂式坐标测量机便携箱2.4 自由度个数的选择自由度是指各运动部件在三维空间相对于参考坐标系所具有的独立运动哈尔滨工程大学本科生毕业论文9数目，包括直线运动、旋转运动和摆动运动。哈尔滨工业大学的叶东在博士论文中曾运用工作空间的参数方程分析了在测量空间中，若想实现空间八个象限点的测量，至少需要四个关节数。但同时也提出，三关节的结构也会保证测量空间的完整无“空洞” ，但只能覆盖参考坐标系的四个象限。如今的关节臂式坐标测量机一般都用四个或者六个自由度。目前市场上的三大品牌（美国的 Faro 及海克斯康的 Romer 与 Cimcore）的关节臂式坐标测量机也大都采用六个自由度的设计方式。在保证仪器在测量过程中不出现测量“盲点”且能实现对被测物体内外表面的灵活测量的基础上，本课题选择六个自由度的设计方式，以减小在测量过程中误差传递和放大的级数，提高仪器的测量精度，降低测量机的硬件成本。六自由度的关节臂式坐标测量机的各关节结构示意图如图 2.3 所示。其中关节的命名从离基座最近的关节起，至离基座最远的关节依次编号为关节1、关节 2、关节 3、关节 4、关节 5 和关节 6。其中关节 1、3、5 可以做将近180的旋转，关节 2、4、6 可以做90摆动。图 2.3 六自由度关节臂式坐标测量机结构简图哈尔滨工程大学本科生毕业论文102.5 关节臂长度的确定关节臂 1 和关节臂 2 的长度之和称为关节臂式坐标测量机的测量范围。根据天津大学王学影在博士学位论文中提出的关于关节臂式坐标测量机臂长比例的优化设计，以空间的测量体积大小为标准，优化出六自由度关节臂式坐标测量机的关节臂 1、关节臂 2 与测头的最佳长度比例为 9，12:按此模型对本课题的设计要求 1.2m 进行尺寸分配,可求得,关节臂 1 长度为700mm,关节臂 2 长度为 500mm,测头的长度为 206mm。本课题在结构设计的过程中以此作为重要参考依据。2.6 角度传感器的选择本课题设计的关节臂式坐标测量机由六个旋转关节组成，整个系统至少需要六个角度测量元件。测量系统就是通过记录并计算这六个角度测量值确定被测点的空间坐标值。目前，用于测量角度的高精度元器件主要有高精度度盘、角度编码器、多齿分度盘、感应同步器、圆光栅等。这些角度测量元器件的性能如下所述 10：(1)高精度度盘：多用于测角仪器和度盘检测仪器，度盘的间隔为 5 秒、10 秒等，通过细分可以进一步提高其分辨率，但高精度度盘多用于角度及圆分度误差的静态测量。(2)角编码器：分辨率可达到0.1 秒，能够自动定心、操作简单、寿命长，但只能实现静态测量。(3)感应同步器：具有较高的精度与分辨率，精度可达士 l 秒，分辨率可达到 0.05 秒，但其测量精度受印制电路绕组加工精度的影响较大。另外，感应同步器还具有抗干扰能力强、使用寿命长、维护简单、工艺性好、成本低等优点，被广泛应用于机床及精密转台等。(4)圆光栅：光栅分为直光栅和圆光栅，它是利用光的莫尔条纹现象进行测量。在圆度和角位移连续测量方面，光栅式传感器的测量精度最高。它不仅有大量程，还具有较高的分辨率。另外，光栅具有较好的抗干扰能力和哈尔滨工程大学本科生毕业论文11便利的安装方式，可实现动态测量，易于实现数据处理的自动化。关节臂式坐标测量机属于高精密测量仪器，所以本课题选择了圆光栅作为角度测量元件。圆光栅又分为增量式圆光栅和绝对式圆光栅，增量式圆光栅配有一个读头和一个零位，在开机以后要首先对仪器进行复位操作。绝对式光栅带有一个绝对读头，开机以后无需进行复位操作就可以直接测量，但价格相对增量式的圆光栅要高一些。英国 Renishaw 公司在计量领域有着绝对领先的地位，其生产的产品包含了三坐标机用测量系统、激光尺、机床测头、光栅、光谱产品、测头、测针等领域，它的圆光栅产品具有精度高和稳定性好的特点。本课题根据结构设计要求和测量精度要求选择了该公司生产的 RESA 系列两种绝对式圆光栅，如图 2.4 所示。并同时选择了相应的 la_9553_0220_a 绝对读数头 11，光栅的具体参数如表 2.1 所示。图 2.4 RESA 系列绝对式圆光栅和读头表 2.1 圆光栅的参数外径（mm） 分辨率位数 分辨率（nm） 系统误差（）52 26 2 0.575 32 0.1 0.5该系列光栅有“A”型和“B”型两种安装面，如图 2.5 所示。其中哈尔滨工程大学本科生毕业论文12“B”型安装是柱面安装，这种方式不能保证光栅安装的同轴度，对轴的加工精度要求较高。 “A”型安装面是一个 30的锥面，通过调整光栅不同位置螺钉的深度就可以减小或者消除安装偏心误差，同时对热变形以及振动都有非常好的稳定性。因此，优先选用“A”型安装方式 12。除此以外，安装光栅的轴也要满足光栅的安装要求，包括对轴的尺寸公差和形位公差两方面的要求。读数头与光栅的相对安装位置及要求如图 2.6 所示。图 2.5 光栅的两种安装方式图 2.6 光栅及读数头的安装要求2.7 测头的选择测头按其结构可分为机械式、光学式和电气式测头等。机械式主要用于哈尔滨工程大学本科生毕业论文13手动测量，对物体表面的颜色和光照没有要求，测量精度高；光学式多用于非接触测量，对表面较软的物体具有相对好的测量精度；电气式多用于接触式的自动测量。按照测量精度从高到低的顺序排列，分别为：触发式测头、连续扫描式测头、点激光测头、线结构光测头、CCD 图像分析法。按照操作的简易性从简到难的顺序排列分别是：触发式测头、连续扫描式测头、点激光测头、线结构光测头、CCD 图像分析法。按其测量的可靠性，从低到高排列分别是：CCD 图像分析法、线结构光测头、点激光测头、连续扫描式测头、触发式测头 10。由此可见，无论从测量精度，操作的简易性，还是测量的可靠性上分析，触发式测头都是首选。因此本课题选择了Renishaw 公司的触发式直测头。该测头编号 M2 STY D2R L20 EWL14，测球为红宝石，测球直径 2mm，总长度 10mm，测杆直径 1.4mm，测杆材料为不锈钢。尺寸要素如图 2.7 所示。A-测球直径 B-总长度C-测杆直径 D-有效工作长度图 2.7 测头的尺寸要素 2.8 本章小结本章明确了设计要求和设计原则，确定了所设计的关节臂式坐标测量机的自由度个数，介绍了各关节臂长度的确定方法，选取了圆光栅作为角度测量元件，给出了关节臂式坐标测量机的总体结构简图。哈尔滨工程大学本科生毕业论文14第 3 章 机械结构的详细设计与关键部件校核3.1 机械结构的详细设计机械结构是关节臂式坐标测量系统实现测量功能的硬件基础。本课题设计的机械结构主要由基座、臂身杆件、横关节部件、测头部件及平衡系统五大部分组成，各部分命名如图 3.1 所示。三个横关节通过两个关节臂连接在一起，测头与基座通过与横关节的连接组成一个整体。图 3.1 关节臂式坐标测量机各部件命名3.1.1 基座部件设计关节臂式坐标测量机的基座支撑着测量机上的所有部件，同时还用于安装与上位机进行连接的接口，因而整个部件应该具有一定的重量和较好的支撑刚度 4，保证其安装的稳定性和在旋转过程中不易发生形变。本课题设计的基座部件主要包括底座体、底座轴和滚动轴承，其平面结构和三维模型如图 3.2（a）和 3.2（b）所示。哈尔滨工程大学本科生毕业论文15（a） (b)图 3.2 基座部件结构与底座模型机械加工中比较重要零件的常用材料主要是优质碳素钢和合金钢。它们之中的代表分别是 45 钢和 40Cr，45 钢经济实用，强度、刚度、塑性和韧性都比较好，具有较高的综合机械性能。进行适当的热处理，还可以提高某些机械性能，应用较为广泛；40Cr 具有较高的机械性能，实用于强度、刚度都要求较高的地方，特别常用于重要的轴。由于底座只需要具有较高的强度和刚度，以及一定的重量，无其它要求，因而选用 45 钢，调质处理。45 钢的化学成分为碳：0.420.50%，硅：0.170.37%，锰：0.500.80%，铬：0.25%，镍： 0.30%，在 20下，弹性模量是 200220MPa，剪切模量 81MPa。 底座轴要求有很好的强度和刚度，以及传动的精密性，以保证机器的测量精度，因此选用合金钢 40Cr。40Cr 的化学成分为碳：0.370.45% ，硅：0.170.37%，锰：0.500.80%，铬：0.801.10% ，硫：0.030%，磷：0.030%，镍： 0.03% ，铜：0.030%。屈服极限 353MPa，强度极限哈尔滨工程大学本科生毕业论文16598MPa13。本课题设计的底座的内径为 79mm，外径为 108mm，重量约为 18kg。底座轴的内径 23mm，外径 43mm，重量约为 2.5kg。关节臂式坐标测量机有六个自由度，每个自由度的实现都是依靠轴和套筒的相对转动，所以在轴和套筒之间必须有轴承进行支撑。轴承的精度高低会直接影响到测量机的回转精度从而影响到整个测量机的精度，因此，轴承的类型和精度选择变得十分重要。滚动轴承相对于滑动轴承具有标准化高、成本低、精度高、使用和维修方便、能够同时承受径向和轴向载荷等优点，又因关节臂式坐标测量机承受的载荷较小，无大的冲击和振动，所以优先选用滚动轴承。滚动轴承又分为深沟球轴承、调心球轴承、圆柱滚子轴承、调心滚子轴承、圆锥滚子轴承、推力轴承、角接触球轴承等等。由于关节臂式坐标测量机对轴的旋转精度要求较高，所以需要通过预紧来消除轴承游隙 14。而基座上的轴承不仅承受径向力也承受轴向力。所以通过比较分析，圆柱滚子轴承和角接触球轴承都能满足上述要求。但是同直径的角接触球轴承的径向尺寸和轴向尺寸都较小，且能充分满足其轴向的承载能力，所以选择了成对安装的角接触球轴承作为基座及各横关节的轴支撑元件。成对安装的角接触球轴承有“串联” 、 “背对背”和“面对面”三种安装方式，其中“背对背”的安装方式支撑中心距离最大，且有利于定位和预紧。又考虑其回转精度要求较高，所以选择了最高级 P2 级角接触球轴承进行“背对背”安装。基座轴及横关节 1 的轴承代号为 7022 AC/DB，基本额定载荷 155kN，极限转速（脂润滑）2400r/min，重量约等于 3.9kg。横关节 2和横关节 3 轴承代号为 7004AC/DB，基本额定载荷 17kN，极限转速9500r/min，重量约等于 0.128kg。轴承内圈与轴的配合采用基孔制配合，配合精度为 js3。轴承外圈与套筒的配合采用基轴制配合，配合精度为 JS415。轴承采用两个圆螺母预紧，预紧力要适当。为了减小摩擦和减轻磨损，滚动轴承必须维持良好的润滑。此外，润滑还具有防止锈蚀，加速散热，吸收振动，减小噪声等作用。关节臂式坐标测哈尔滨工程大学本科生毕业论文17量机中轴承的转速较低，温度不高，所以采用脂润滑的方式。脂润滑不易渗漏，不需要经常添加补充，密封简单，维护保养方便，且具有防尘、防潮能力，所以非常适合于关节臂式坐标测量机的润滑。3.1.2 横关节部件设计横关节用于连接测头、关节臂和基座，同时还要安装记录关节相对转角的圆光栅，是关节臂式坐标测量机中最为重要的机械结构。其关节处的精度和误差会通过测量臂的杆长成几十倍的放大。因而要保证横关节的精度，又要使横关节具有一定的刚度。对横关节部件的设计要求是：结构紧凑，转动灵活，相应的转轴强度高，刚性大，弹性变形小；各关节之间垂直连接，回转部分的径向跳动小，同轴度高 16。横关节主要由空心轴、轴承、关节连接套、角度传感器等零件组成。除了第一横关节的尺寸较大以外，测量机三个横关节的功能基本相同，所以横关节 2 和横关节 3 采用了相同的结构，其大部分零件可以实现互换，这样也降低了关节臂式坐标测量机的经济成本。经过设计，测量机的横关节结构如图 3.3 所示。图 3.3 横关节结构哈尔滨工程大学本科生毕业论文18由于关节头体积较大，为了降低关节臂式坐标测量机的总体重量，同时又要保证测量机的测量精度，这里选用了高硬度航空铝合金作为关节头的材料。高硬度铝合金牌号 7075-T6511，化学成分铝：余量，硅：0.40%，铜：1.2%2.0%，镁：2.1%2.9%，锌：5.1%6.1%，锰：0.30%，钛：0.20%，铬：0.18%0.28%，铁： 0.50%，另外还含有少量的锆元素。抗拉强度（）： 572MPa，屈服强度（ ）：503MPa，密度 2.7 ，导热率b2.03cm/g120w/mk。为了将测量机基座远端的导线从测量机内部引入基座，每个关节头上都设计了通线孔。内嵌轴、交叉轴和内嵌轴套筒使用了和底座轴同样的材料（40Cr） 。由材料力学不同截面惯性矩相关理论可知，在相同截面积的情况下，空心圆柱形的抗弯惯性矩与抗扭惯性矩都比较大 17，因此在设计的时候将交叉轴和内嵌轴全部设计为空心轴，在尺寸允许范围内尽量增大其外径，以增强其抗弯能力，空心轴的孔同时还可以作为导线的通道。横关节部件中零件的连接属于可拆连接，为了便于零件的拆装，同时保证连接的强度和刚度，关节头与内嵌轴之间、关节轴与内嵌轴套筒之间和关节轴与交叉轴之间分别用了 8 个内六角螺钉进行连接。为了保证连接精度，此处螺钉均采用精密安装。横关节与关节臂的连接采用螺纹连接。螺纹连接又分为粗牙螺纹连接和细牙螺纹连接。粗牙螺纹的螺距和螺纹深度都较大，主要用于强度要求较高的连接场合。细牙螺纹升角较小，自锁性好，连接精度较高 18。由于此处连接不需要太高的强度，而需要重点保证其连接精度，所以选择了细牙螺纹作为连接方式。3.1.3 臂身杆件设计关节臂式坐标测量机中两个关节臂的长度决定了测量机的测量范围。在已经拟定的关节臂长度的基础上减去横关节部件在该方向上所占的尺寸就得出所选臂身杆件的长度。对臂身杆件的设计要求是：重量轻、热变形小、弯曲变形与弹性变形小，结构紧凑，杆件的最大外径应该适宜手持操作，回转哈尔滨工程大学本科生毕业论文19部分的径向窜动要小 19。铝合金是一种通用的复合材料，密度小，强度高，工艺性好，但美中不足的是热温度系数太大，容易受温度变化的影响。碳素纤维是一种强度大、密度小、耐腐蚀、耐高温的新型材料，被广泛应用于航天、航空、化工、电子及体育器材等领域。常用的镁合碳纤维的复合材料，抗拉强度为1200MPa，是硬铝合金的 2.5 倍；杨氏模量为 570GPa；弹性模量（E）为700GPa，是硬铝合金的 8 倍；密度 1.761.96g/cm ，比铝小；热稳定性是3铝的 25 倍，沿纤维方向的热膨胀率几乎为零（线膨胀系数 0.7410 /） ，6散热性好。具有“轻而强，轻而硬，尺寸稳定性好”的力学性能，因此，碳纤维非常适合作为测量臂的材料 9。臂身杆件的结构非常简单，只是一个薄壁空心柱，两端攻细牙螺纹用于和横关节的连接。两个杆件的内径均为 68mm，外径 86mm，其强度足够用于支撑横关节的重量。3.1.4 测头部件设计测头用于感知被测物体并传回电信号，测头按其结构可分为机械式、光学式和电气式等。本文选择的是 Renishaw 公司生产的触发式直测头。该测头是由红宝石制成的宝石盲孔球，其尺寸极限偏差小、圆度好、表面粗糙度最高可达 13 级，是目前坐标测量中首选的测头类型。为了便于操作人员的测量，本课题设计了测头的安装座，材料为 7075-T6511，其结构如图 3.4 所示。测头安装座手持部位的直径 60mm，长度62mm，方便抓握。其上还设计了三个开关按钮，分别完成三种不同的操作。开关 1 用于确定系列特征点的采样，开关 2 用于删除上一采样点，开关 3 用于确定点的采样。安装座内部为一个空腔，可用于安放开关和测头的固定装置，同时作为各种导线的通道。哈尔滨工程大学本科生毕业论文20图 3.4 测头的结构简图3.1.5 平衡系统设计关节臂式坐标测量机本身没有驱动装置，其在测量过程中测量臂和测头都要通过人手控制，这样横关节 2、横关节 3、测头以及两个臂身杆件的大部分重量都要作用在人手上，操作人员会因此疲劳而影响到测量精度，尽管可以通过减少机械结构的组成部件和选用轻型的材料来减轻测量机的重量，但不能无限的使其减小，即不能从根本上解决这个问题。并且，当不进行测量时，测量机的两测量臂、测头以及关节会在自重的作用下自然下垂，使整个测量机的大部分重量偏向一边，为使整个测量机不翻到，就需要基座的重量很大并且固定非常牢固，这不仅使测量机的重量大大增加，而且使测量机的固定较为困难。因此，就很有必要在关节臂式坐标测量机上安装一套平衡系统。目前，常用的平衡机构有重锤平衡机构、弹簧平衡机构、气压平衡机构和力矩平衡机构。重锤平衡机构是用一个重锤的重量来平衡此测量机中两测量臂、两关节以及测头的重量。这种平衡方式能够平衡掉测量机大部分的重哈尔滨工程大学本科生毕业论文21量，机构简单、加工方便，但它的致命缺点是几乎使整个测量机的重量增加了一倍，给测量机的便携性造成了一定的影响。弹簧平衡机构是用弹簧的拉力代替重锤来平衡整个系统，这种平衡机构重量较轻，但整个平衡机构的体积较大，并且弹簧的选择、凸轮形状的设计较复杂。气压平衡机构是利用了汽缸活塞两端充入不同的气体，产生不同的压强，两者之间的压力差使得移动部件可以承受一定压力，并且在移动部件移动过程中，随着压力差的改变来改变所承受的力。这种平衡机构具有体积小、质量轻、结构简单的优点，但气缸和移动部件的设计和加工较为困难。力矩平衡机构是利用了杠杆原理，这种平衡机构需要气弹簧、转盘和支撑架，能够随着第一关节的旋转而同步转动。目前，市场上气弹簧产品已经非常成熟，不仅有已有型号可以选择，而且还可以根据气压、行程参数进行订制，成本很低。此外这种平衡机构还有一个突出的优点，即不仅能在某一个位置起到平衡作用，而且能在一定范围内平衡 16。本课题选择的是力矩平衡结构，该结构主要由转筒、气弹簧和支架等零件组成。转筒通过成对安装的角接触球轴承与基座相连接。支架通过螺钉固定在关节 2 的关节头上，气弹簧一端通过球形头安放在转筒上，上面用球面盖进行约束；另一端通过铰链与支架相连。支架上安有可调节沿轴向方向的丝杠，可以通过调节安装在丝杠上滑块的位置调节气缸在关节头上作用力的位置。整体结构如图 3.5 所示。该平衡系统的作用原理如图 3.6 所示，以关节 2 的中心轴线为支点，关节臂 1,、关节臂 2、横关节 2、横关节 3、测头及其它右侧元器件的自重为,取上述部件的总重量为 13kg，即， =130N。重心作用点到关节 2 的2FF中心线的距离为 ，取 =700mm。气弹簧上端力的作用点到关节 2 的中L心线的距离为 ，取 =100mm，气弹簧垂直方向的力为 。由力矩平衡1 1F原理 1LF2即哈尔滨工程大学本科生毕业论文22N91037012LF由于该平衡系统用两个气弹簧，所以每个气弹簧需要提供的力为N452910F图 3.5 平衡系统结构简图 图 3.6 力矩平衡原理空气弹簧的选取要依据其力度大小和应用类型。