课程设计六自由度多关节坐标测量仪机械结构设计

1、课程设计说明书（论文）课程名称： 机械学基础 设计题目：六自由度多关节坐标测量仪 院 系：班 级：设 计 者：学 号：指导教师：设计时间： 2014/2/172014/3/7 大学课程设计任务书 姓 名： 院 （系）： 专 业： 班 号： 任务起至日期： 2014年 02月 17日至 2014年 03月 07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：0.01mml 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

2、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6张）l 课程设计说明书1份（10000字）工作计划安排：2014/2/17 上午:上课，安排课程设计内容，准备制图工具；下午:查阅资料，总体设计、理论计算；2014/2/18 总体设计、理论计算；2014/2/19 上午:绘制草图；下午:检查进展情况，包括理论计算、草图等；2014/2/20、21、24、25、26绘制总装配图；2014/2/27 检查总装配图，签字； 2014/2/28、3/3、3/4

3、 绘制零件图；签字；2014/3/5、3/6 编写设计说明书；签字；2014/3/7 答辩、检查所有图纸、设计说明书。 同组设计者及分工： 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*注：此任务书由课程设计指导教师填写。目 录1概述51.1 坐标测量需求 51.2坐标测量仪特点51.3基本测量原理 71.3.1结构模型 71.3.2测头位姿的描述 81.3.3测量系统运动模型 92 总体设计 92.1 总体设计原则92.2 关节结构设计 102.3 力平衡装置设计 112.4 限位装置设计 112.5 轴壳联接件112.6测头的设计122.7 螺钉的设计123

4、关键结构及设计 133.1 轴承的选择133.1.1 轴1结构设计133.1.2 轴2结构设计143.1.3 轴3 结构设计153.1.4 轴4 结构设计163.2 扭簧的选择164 结构工艺及技术要求184.1 装配要求 184.2 加工工艺要求 195 总结 196 参考文献201.概述1.1坐标测量需求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”。在二十世纪五十年代中期，随着电子技术的发展和计算机技术的出现，一种高精度、高效率和高柔性的机械数控加工设备被研制和生产出来，并受到机械设计制造业者的广泛注意，很快在许多机械制造领域得到应用。同时，由于生产效率和加工

5、工艺的提高，对测量技术提出了更高要求，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“坐标测量”这一概念，并在同年夏季法国巴黎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机，这在世界几何量测量领域引起了巨大的震动。从此以后的五十年里，坐标测量机及其技术也取得了日新月异的飞速发展。以德国的Carl Zaiss公司、美国的Brown Sharp公司和Shefffied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、机械结构形式、软件功能、测量效率和柔性等方面取得了质的飞跃。目

6、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测量仪，成为航天、航空、船舶、汽车等工业领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。1.2坐标测量仪特点传统的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，目前常见的结构形式有移动桥式、悬壁式等。三坐标测量仪的主要特点如下：（1） 直线型导轨结构；（2） 长度测

7、量基准：大部分都采用长光栅测量系统作为X、Y、Z轴的方向上的长度标准；（3） 测量精度高：不确定度可达到级；（4） 测量范围手直线导轨结构限制；（5） 体积大、笨重、不灵活、不便于移动。目前，世界上各种结构式的便携式坐标测量设备如雨后春笋般的发展起来。其中，美国FARO公司研制开发的一种称为“SpaceArm”的坐标测量设备，在汽车、飞机、航天等领域得到广泛应用。FARO公司的典型产品如图1所示。 图 1 FARO公司的角度测量仪产品Space Arm图一所示的便携式坐标测量仪采用了六个高精度光学编码器，是一种新型的非笛卡尔坐标测量系统，根据仿生学原理，模仿人的腰关节、肩关节、肘关节和腕关节的

8、结构，将一系列杆件（臂）通过具有旋转导轨的关节连接起来，以角度基准取代长度基准，从而具有机械结构相对简单、测量范围大、体积小、可便携移动等优点。可以较好的解决大型零件和整机安装调试中的工程三维坐标测量问题，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科学问题，有广泛的应用前景和重要的科学意义。本次课程设计的任务就是模仿FARO公司的产品Space Arm，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与机械学的基本知识进行机械结构分析与设计的实践能力。1.3基本测量原理1.3.1结构模型由图1所示的FARO公司的Space Arm可知，六自由度关节式

9、坐标测量仪的结构示意图如图2所示。图 2 六自由度多关节坐标测量仪结构示意图由图2可以看出，六自由度多关节坐标测量仪是由多杆件通过旋转关节串联而成的空间开放式连杆机构。其特点如下：1) 运动学模型比较复杂 在传统的笛卡尔坐标测量机的测量过程中，测头的空间位置直接由相互垂直的长度基准给定，因此其运动学模型非常简单：在多关节坐标测量机中，以测头为原点的动坐标系相对于参考坐标系的位置是通过各杆件坐标系的齐次变换获得，是一个非常复杂的非线性方程。2) 结构简单 不同于一般机器人结构设计，采用了相邻关节轴线相互垂直的机械结构，其优点是：是机械结构简单，方便操作，简化了运动学建模；特别是避免了杆件相互“干

10、涉”，减小了测量“盲区”。3) 测量范围大 其测量范围理论上可无限扩大。一方面，可加长上臂和前臂的长度来扩大测量范围，但精度将急剧降低；另一方面，可移动多关节坐标测量机，在不同的位置对大型物体进行坐标测量。4) 可对内表面进行测量 由于采用了六自由度关节结构，因此可以灵活方便的从不同方位测量物体表面，并可深入物体内部对内表面进行测量。1.3.2测头位姿的描述多关节坐标测量仪的各杆件及测头都可当作刚体来处理。三维空间中，刚体的位姿由其在空间所处的位置和姿态来描述，如图3所示。图 3 测头的位姿 图3中在测量仪末端测头上设置一个描述其位姿的坐标系，由三个相互垂直的单位矢量所规定，其中向量表示测头接

11、近被测表面的方向，向量平行于相邻的关节轴线。向量、和完全确定了侧头或杆件的空间位姿。 1.11.3.3测量系统运动学模型Denavit和Harten在1955年提出了对两个相互连接且相互运动的构建建立两个特殊坐标系的方法，并给出了著名的Denavit-Harten（简称D-H）齐次变换矩阵，给两构件相对运动关系的研究带来方便。结合式1.1和著名的D-H变换矩阵法，可以得到测头位姿相对于基座坐标系的运动学方程 1.22.总体设计2.1总体设计原则1) 由测量范围要求1200，可确定测量臂长度+=600，取=300，含轴部分估为120，按实心硬铝合金计算，测头初扰动力F按2kg计算，查询45号钢弹

12、性模量E=200GN/。2) 旋转轴系的配置：编码器轴与关节钢轴用套筒相连，并用螺钉固定；编码器外壳用弹性钢片与关节外壳相连。图2.1 光电编码器实物3) 根据整个装置的刚度和重量要求，测量臂选用铝合金，轴选用45号钢，其他部分（外壳，联接件等）选用硬铝合金。4) 为了增大承载力，最下两个关节直径适当增加。关节1、2外径不大于80，其他关节外径不大于50。2.2关节结构设计关节部件是整个六自由度测量仪的关键，它是一个旋转轴系统，由轴、轴承、外壳、光电编码器、联轴器以及其他连接件组成。它的连接与性能直接影响了测量仪的灵活性，所以，关节的外壳选择了密度较小、耐腐蚀的硬铝合金，各个关节的连接则采用了

13、相同的圆柱与圆柱相贯的连接方式。这样既有利于测量仪的稳定与牢固，又有利于仪器的灵活性。同时也要考虑以下几点：1) 轴应该采用空心轴，便于电气线路从中穿过；2) 选择轴的材料，对轴进行受力分析，根据分析结果，确定空心轴的外径、内径和轴的支承点、轴承位置；3) 选择轴承（考虑轴承的精度和承载能力），选择角接触轴承，另外，注意角接触轴承的安装方向以及缩紧装置的设计；4) 分析所设计的轴系的变形（弯曲，扭曲）情况，根据分析结果来修正设计参数；5) 考虑旋转轴系与外购传感器的联接；6) 其他连接件与轴的联接，重点考虑如何保证同轴度、垂直度、平行度等位置公差，以保证测量仪的结构参数准确，测量精准。2.3力

14、平衡装置设计在第二个关节上加装一个扭簧，用以平衡测量臂和上面4个关节的重量，减轻在测量时人施加的力，减轻人的负担。扭簧设计的详细过程在之后的关键零件设计中会提到。2.4限位装置设计为了防止关节的轴持续向某一方向旋转导致内部电气线路缠绕损坏，需要在每个关节处添加限位装置来限制每个轴的旋转角度范围。在轴1、3、4、5、6加装限位装置（轴2因为有力平衡装置，可起到角度限制作用，可以不用额外添加限位装置），在轴和外壳分别制作出、的半圆槽放置限位装置的钢珠，这样将轴和外壳转动的相对角度限制在内。2.5轴壳联接件设计一个U型结构钳住外壳2，并用4个对称的螺钉进行紧固定位（与竖直方向成20角的通孔），再同样

15、用4个圆周对称的开槽圆柱头螺钉联接轴1。所有需要用较大力的地方的联接均用开槽圆柱头螺钉。图 2.5关节1轴壳联接件2.6测头的设计测头采用机械式硬测头，通过侧头连接件上的按键控制测量的开始与停止。按键用螺纹连接装在测头连接件外壳上，测头用螺纹装配在测头连接件上，方便拆卸与更换。图2.6 测头2.7螺钉的设计 本设计中装置内部螺钉均采用开槽圆柱头螺钉，而外壳上的螺钉选用开槽沉头螺钉，防止刮伤。3.关键结构及设计3.1轴承的选择3.1.1 轴1结构设计（1）受力分析关节部分可视为 的硬铝合金实心管，则关节重量：测量臂可视为长，测量臂重量：测头重量：测头初附加力： 受力情况 （2） 力矩分析（3）轴

16、径选择挠度分析：其中解得 3.1.2 轴2结构设计（1）力矩分析（2）轴径选择挠度分析：其中解得 3.1.3 轴3结构设计（1）力矩分析（2） 同理根据挠度条件 解得： 3.1.4 轴4的结构设计（1）力矩分析 (2) 根据挠度条件 解得 综上，结合角接触轴承国家标准GB/T292-1994，对于轴1和轴2，选择角接触轴承7004AC，其参数为对于轴3和轴4，选择角接触轴承7202AC，其参数为3.2 扭簧的选择图 3.2.1扭转弹簧扭矩计算图线 选取簧丝材料为碳素弹簧钢D级，按III类载荷计算相关参数。工作扭转角度为。弹簧受力曲线如图3.2.1所示。 由线性关系可以求出 查询弹性模量，计算许

17、用弯曲应力 曲度系数： 计算弹簧丝直径取，则。计算其他参数：按刚度条件确定弹簧工作圈数：则n取11圈。4结构工艺及技术要求4.1装配要求1) 轴、轴承、联轴器、套筒紧密相连。2) 各关节处转动灵活，无明显阻力。3) 测量范围为1200mm。4) 轴和轴承的安装：将关节外壳、轴承盖相联，再将轴、轴承、轴承紧固件安装在轴上，然后将轴装入外壳中，用套筒联轴器将编码器的轴和关节的轴连接在一起，最后用弹性簧片将编码器与外壳相连。5) 扭簧的安装：将扭簧放入扭簧盖内固定，在将整体其放在关节2上，用紧定螺钉将其固定。6) 限位装置的安装：在将轴放入外壳之前把限位钢珠放进轴侧面的半圆槽内。4.2加工工艺要求1

18、) 表面粗糙度：轴、外壳、连接件间相互配合的平面算术平均偏差0.8，不需要配合的平面算术平均偏差3.2。2) 配合：查询国家标准确定轴承和轴及外壳配合的公差带。向心角接触球轴承与外壳配合，外壳公差带H7，与轴配合，轴公差带h6。3) 各个零件加工时锐棱倒钝。5总结课程设计在今天结束了，期间我付出了很多，也收获了很多。在进行课程设计的过程中，遇到了一系列的难题。时隔一年，在各种电学和光学知识的充斥下，机械学知识的淡忘是首要难题。因此我抓住晚上的时间，复习工程制图和机械学基础两门课程。其次设计参考资料的缺少是又一难题，我和其他组员讨论，去网上查资料，了解了编码器的种类和结构，最终确定了坐标仪各部分的联接方式。对于轴承的选择和扭簧的设计这两部分的计算过程中，小组几名同学进行激烈