精密机械学基础课程设计

1、Harbin Institute of Technology课程设计说明书（论文）课程名称： 精密机械学基础课程设计 设计题目：六自由度多关节坐标测量仪 院 系： 航天学院控制科学与工程系 班 级： 设 计 者： 学 号： 指导教师： 设计时间： 2011.1.10至2011.1.21 哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学课程设计任务书 姓 名： 院 （系）：航天学院控制科学与工程系 专 业： 班 号： 任务起至日期： 2011年 01月 10日至 2011年 01月 21日 课程设计题目：六自由度多关节坐标测量仪机械结构设计 已知技术参数和设计要求：l 空间测量范围：1200mml 分辨力：0.01

2、mml 点坐标重复精度：0.03mml 长度测量不确定度（2）：0.05mml 测量臂直径：50mml 测杆及测头长度：150mml 具有力平衡装置l 传感器数据线不能暴露在仪器外面，须从内部“走线”l 整台仪器轻便、灵活 工作量：l 计算关键零件的结构尺寸，并验证其强度及刚度l 完成测量仪的总装配图（1号图纸1张）l 完成关键零件图（3号/4号图纸4张）l 课程设计说明书1份（8000字） 工作计划安排： 11.01.10 上课，安排课程设计内容，准备制图工具（尺、图板等）11.01.1101.12 总体设计，理论计算，绘制草图，检查进展情况11.01.1301.17 绘制总装配图，进度检查

3、，检查总装配图11.01.1801.19 关键零件图设计，并检查11.01.2001.20 编写课程设计说明书11.01.21 答辩，最终检查（所有图纸、设计说明书） 指导教师签字_ 年 月 日 教研室主任意见： 教研室主任签字_ 年 月 日 目录1、 概述2、 总体设计3、关节结构设计3.1 轴结构的选择3.2 对轴强度与刚度的校正3.2.1对关节1、2 轴进行刚度与强度的校正3.2.2 对关节36 轴进行刚度与强度的校正3.3外壳的设计3.4轴承的选择3.5 旋转轴系与外购传感器的连接3.6 对位置公差的要求4、关键结构件设计4.1 各关节连接的设计4.1.1 轴臂连接机构4.1.2测头连

4、接件机构4.2 力平衡装置的设计4.3 测头处联结及其按键的设计5、装配要求6、总结6.1存在的问题及解决方法6.2 心得体会7、参考文献1、 概述坐标测量技术是随着数控加工技术的兴起而发展起来的一种新型“模型化测量技术”。在五十年代中期，随着电子技术的发展和计算机技术的出现，一种高精度，高效率和高柔韧性的机械数控加工设备被研制和生产出来，并受到机械制造业者的广泛注意，和快在许多机械制造业领域得到应用。同时，由于生产效率和加工精度的提高，对测量技术有了更高的要求，而传统的“比较式”测量技术无法满足这一要求。于是，在1959年，以研制并生产数控机床为主的英国Ferranti公司首先提出了“坐标测

5、量”这一概念，在同年夏天于法国召开的国际机床博览会上展出了世界上第一台测头可数字化移动的三坐标测量仪，在世界几 图1-1何测量领域引起了巨大轰动。从此以后的五十年里，随着计算机技术，电子技术和控制技术的飞速发展，坐标测量仪及其技术也取得了日新月异的飞跃。以德国的Carl Zaiss公司，美国的Brown&Sharp公司和Sheffield公司，意大利DEA公司等为代表的五十多家公司不断推出新产品，在测量精度，机械结构型式，软件功能测量效率和柔性等方面取得了质的飞跃。目前，现代三坐标测量仪已发展为一种集机械，光学，数控技术和计算机技术为一体的大型精密智能化量仪，成为航天，航空，船舶，汽车等工业领

6、域中检测和质量控制中不可缺少的大型万能测量装备，主要实现对零部件的几何尺寸以及相互位置的高精度测量。三坐标测量仪主要由三个相互垂直的导轨（构成一个笛卡尔坐标系），支撑系统，测头，长光栅传感器，数控系统，计算机系统和软件系统等组成。在结构上，根据应用领域对它的测量范围，精度，成本和效率的不同要求，对三个导轨的放置位置产生不同的配置方式，目前常见的几种结构型式有如下几种：1. 直线型导轨结构 笛卡尔坐标测量机采用三个相互垂直的直线导轨结构，三根导轨的运动方向分别对应于笛卡尔坐标系中X、Y、Z轴的方向。在X、Y、Z方向上的运动时相互独立的，因此，侧头在空间的运动位置可以直接由长光栅传感器给出。2.长

7、度测量基准 都采用长光栅测量系统作为X、Y、Z三个方向上的长度基准，少数也有采用磁棚传感器、感应同步传感器和激光干涉仪等。3. 测量精度高 都采用无需时效又易于加工的天然花岗岩床身和支撑系统，还有导向精度高摩擦力极小的气浮导轨，另外，近几年，一些厂家采用了高强度轻型材料作为运动衡量和衡量上的运动部件。对于计量型坐标测量机测量不确定度一般在（0.5+L/500）；对于车间性测量不确定度在（2.5+L/200）；对于大尺寸坐标测量机测量不确定度为（20+L/50）。这里，L是测量长度，单位为mm。4. 测量范围受直线导轨结构的限制 为扩大其测量范围，须加长各直线导轨的长度，这必将导致坐标测量机的结

8、构庞大，占地面积大，成本急剧增大，精度降低。5. 体积大，笨重，不灵活，不便于移动近二十年来，大尺寸、大空间的现成高精度坐标测量技术一直是计量学的难点之一。传统的笛卡尔坐标测量机由于上面提到的4、5两点的不足，使得再扩大难度增加，特别是在制造和安装现场使用受到限制，必须寻求新的解决办法，因此，便携式的大量程（几米到几十米）三维测量系统的研究和开发成为现代坐标测量技术研究的热点之一。目前，世界上各种结构形式的便携式左边测量设备如雨后春笋般的发展起来。其中，美国的FARO公司研制开发的一种成为“SPACEARM”的坐标测量设备，在汽车、飞机、航天等领域得到了广泛的应用。 图1 FARO公司的Spa

9、ceArm产品外观图 如图1所示的便携式坐标测量仪采用了六个高精度光学编码器，是一种新型的笛卡尔坐标测量系统，根据仿生学原理，模拟人的腰关节、肩关节、肘关节和腕关节的结构，将一系列杆件通过具有旋转导轨的杆件连接起来，以角度基准取代长度基准，从而具有机械结构相对简单、测量范围较大、体积小、可便携移动等优点。可以较好的解决大型的零件和整机安装调试中的三维坐标测量问题，也可以解决虚拟设计制造中的原型数据获取和物理模拟实验中的测量建模等问题，有广泛的应用前景和科学意义。，目前，FARO公司生产的产品，测量范围从1200mm到3600mm，测量不确定度0.025mm到0.168mm。该坐标测量仪优点是机

10、械结构简单、测量范围大、成本低、体积小、可便携。本次课程设计的任务就是模仿FARO公司的产品，进行六自由度关节式坐标测量仪机械结构设计，以培养学生综合运用工程力学和机械学的基本知识进行机械结构设计和分析的实践能力。2、总体设计六自由度关节式坐标测量仪由底座、六个关节、两个臂管及测尖等部分组成，测量仪底座、关节外壳、臂管、及其连接件均采用铝合金材料制作、各关节轴采用45号钢材料制作。六自由度关节式坐标测量仪结构示意图如右。本设计要求测量范围为1200mm，因此关节2中心线与关节4中心线距离L1及关节4中心线与关节6中心线距离L2之和应为600mm，即L1+L2=600mm，本设计取L1=L2=3

11、00mm。本设计关节1、关节2处轴外伸出轴承8mm，空心轴内径11mm、外径15mm，轴承均采用型号为7202c的角接触球轴承，关节外壳外径均为50mm。为了设计方便，关节3、4、5、6处的 图2-1各部分结构均采用相同的尺寸与型号，空心轴内径11mm，外径15mm，轴外伸出轴承8mm，外壳外径44mm，轴承均采用型号为7002c的角接触球轴承。测量仪每个关节处均有一个编码器，共六个编码器，编码器轴与关节钢轴用套筒相连，并用紧定螺钉固定；编码器外壳用弹性钢片与关节外壳相连。为了平衡由于重力产生的力矩，本设计在关节2处装有扭簧，扭簧采用琴钢丝材料制作，簧丝直径为d=5mm，中径D=65mm，圈数

12、n=7。扭簧固定在两块扭簧盖上，扭簧盖分别固定在关节2外壳及轴臂连接件上，并使扭簧具有一定的预紧力。测量仪测头处用测头连接件将测头外壳与关节6外壳相连，测尖使用螺纹连接与测头外壳相连，测头处的按键用带有螺纹的挡圈将按键固定。另外，为了保证安装牢固性，本设计中M4、M5的螺钉均采用内六角螺钉，增强了预紧力。3、 关节结构设计关节部件是整个测量仪的关键，它是一个旋转轴系统，由轴、轴承、外壳、光电编码器、连轴结、其他连接件组成。3.1 轴结构的设计为了便于电气线路经过以及减轻重量，提高灵活度，轴采用空心轴。关节1轴的下端（右端）与编码器相连，因为受轴向与径向力较小，用2个锥端紧定螺钉固定。左端轴的右

13、侧有一个圆盘形突台，他与轴承隔圈配合使轴承没有轴向移动，再往左的圆盘上有4个对称的螺纹孔，它们与上面的轴壁连接机构用内六角圆柱头螺钉固定（所有轴与轴壁连接机构都用内六角圆柱头螺钉）。轴的内外径要保证0.01mm的同轴度，圆盘与轴外壁保证0.005mm的垂直度。采用基孔置配合H7/h6，如下图3.1-1。图3.1-13.2 对轴强度与刚度的校正本设计轴的材料选用45号钢，轴外伸出轴承8mm，内径11mm，外径15mm。下面对轴分别进行刚度与强度的验证。3.2.1对关节1、2 轴进行刚度与强度的校正（1）刚度的校正 由于两轴承之间的距离远大于8mm，所以可以将轴视为悬臂梁来计算。对轴进行受力分析，

14、轴主要受关节36的重力带来的压力及外力矩F=M*L的作用。轴受的压力等于关节36的重力，其中关节36的质量为1、 臂管 材料：铝合金，长度300mm，外径44mm，厚度3mm， 个数2-m1=0.996kg2、 轴承 型号7002c内径15mm外径32mm个数8-m2=0.029*8=0.232 kg3、 轴 材料：钢，内径11mm，外径15mm，长度80mm，个数4-m3=0.3kg4、 外壳 材料：铝合金，外径44mm，内径32mm，长度80，个数4-m4=0.7kg5、 编码器 个数4-m5= 0.4 kg 由上有m=m1+m2+m3+m4+m5=2.63kg由于关节上还有一些编码器盖、

15、螺钉、测头等结构，因此取m=3kg 所以 F=mg=30N轴受外力矩 F=M*L=20*0.6=12N*M所以由以下式：F=20N，L=0.6m，M=1.2Nm M=FL（1） （2） （3） （4）查参考书可以知道E=206Gpa；d=15mm；厚度d-=2mm；l=8mm；另外考虑到测量臂的自重，由前面估算可知F=30N此时I=；所以 2um 经验证符合要求。 A G B M （2） 强度的校正将轴的外伸端视为悬臂梁来计算：其受力如图Fq=30N Mq=-GL-M=37.6X-12.3 由上式知，当x=0时，Mq最大此时有Mq=12.3NM由 其中d=0.015m，di=0.011m代入得

16、=52.3MPa600Mpa=,强度符合要求3.2.2 对关节36 轴进行刚度与强度的校正由以上知关节1，2处用d=11mm，D=15mm的钢轴，轴外伸出轴承8mm，其在F=20N作用下，满足挠度v=2um的要求以及刚度要求，关节3，4，5,6处，我们同样用d=11mm，D=15mm的钢轴，轴外伸出轴承8mm，由于关节36处M=F*L及G均较关节1,2处小，所以可以断定关节36处轴均符合技术要求。3.3外壳的设计图3.3-1为第二节轴承外壳。左端与编码器外壳相连，右端与轴连接件连接。轴壁内40凹槽走线用。上端螺纹孔用于连接扭簧外壳。轴外壳的两侧与A面即外壳外壁保证0.01mm的同轴度。图3.3

17、-13.4轴承的选择关节1、2处选择轴承型号为7202c的向心角接触球轴承，其内径15mm，外径35mm，宽度为11mm。关节36处选择选择轴承型号为7002c的向心角接触球轴承，其内径15mm，外径32mm，宽度为9mm。3.5 旋转轴系与外购传感器的连接测量仪每个关节处均有一个编码器，共六个编码器，编码器轴与关节钢轴用联轴器相连，并用紧定螺钉固定；编码器外壳用弹性钢片与关节外壳相连，从而保证编码器外壳不随轴而转动。其结构如右图：3.6 对位置公差的要求 图3.5-1保证同轴度、垂直度、平行度等位置公差，以便整个测量仪的结构参数准确，使设计满足测量仪的精度要求。 4、 关键结构件设计4.1

18、各关节连接的设计各关节的连接设计是垂直连接，即需采用圆柱与圆柱相贯的连接方式，4.1.1 轴臂连接机构：如图4.1-1所示，此部位用一个U型爪钳住轴外壳，并用4个圆周对称的螺钉进行紧固定位（图示与竖直线成20角的通孔），在同样用4个圆周对称的螺钉(内六角圆柱头螺钉)连接第一轴。U型爪可以与轴是小的间隙配合，以保证安装的方便。右面带螺钉通孔的平面要与A面保持垂直度0.05mm，大圆要与A面保证0.01垂直度。图4.1-14.1.2测头连接件机构如图4.1-2所示，测头连接件也为一个U型爪钳住轴外壳，并用4个圆周对称的螺钉进行紧固定位（图示与竖直线成20角的通孔），在同样用4个圆周对称的螺钉(内六

19、角圆柱头螺钉)连接第一轴。U型爪可以与轴是小的间隙配合，以保证安装的方便。右面带螺钉通孔的平面要与A面保持垂直度0.05mm，大圆要与A面保证0.01垂直度。 图4.1-2 4.2 力平衡装置的设计为了平衡由于重力产生的力矩，本设计在关节2处装有扭簧，扭簧采用琴钢丝材料制作，簧丝直径为d=5mm，中径D=65mm，圈数n=7。扭簧固定在两块扭簧盖上，扭簧盖分别固定在关节2外壳及轴臂连接件上，并使扭簧具有一定的预紧力。扭簧结构及安装图如下： 图4.2-1扭簧的校正：（1） 螺旋扭转弹簧的结构型式：单臂弯曲扭转弹簧。（2）扭簧材为料琴钢丝G1组。查材料手册得，弹性模量E=196*103Mpa,剪应

20、力=1422-1679Mpa,选定其为1679MPa。（3）按载荷条件和适用范围选择类载荷，所以剪应力为840 Mpa。（4）计算工件使用时的最大转矩为：T=G.L=9,其中G=30N.M,L=0.3M；（5） 设计簧丝直径d=5mm，由扭簧转矩与转角特性曲线与工件转矩与转角特性曲线设定两条曲线的交点为：工件转角为10和120时的两点。所以预紧力T0=1.9399N.M，Tmax=9.695N.M。图如下： 图4.2-2（6）理论簧丝直径d的计算：d3=10.3*K*T/剪应力，其中K=1，T=9.695N.M，剪应力=840 Mpa；d=4.9mm,与设计值基本相等。（7）结构设计的中径D=65mm,旋绕比C=13,大径D1=70mm,小径D2=60mm.（8）扭簧的刚度计算KT=70.5N.mm。（9）扭簧圈数n的设计：由