六自由度多关节坐标测量仪机械结构设计

1、哈尔滨工业大学课程设计说明书（论文）Harbin Institute of Technology课程设计说明书（论文）课程名称： 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机械结构设计 院 系： 班 级： 设 计 者： 学 号： 指导教师： 设计时间： 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）： 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：1800mml 分辨力：0.01mml 点坐标重复精度：±0.03m

2、ml 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（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、

3、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 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 日哈尔滨工业大学课程设计说明书（论文）目录一、 概述1.背景介绍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

4、研制和生产出来，并受到机械设计制造业者的广泛注意,很快在很多机械制造领域得到应用同时，由于生产效率和加工精度的提高，对测量技术提出了更高的要求，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公司首先提出坐标测量这一概念，在同年夏天在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，在世界几何量测量领域引起了巨大震动。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不断进步，坐标测量机及其技术也取得了日新月异的飞速发展。不断推出的新产品，在测量精度、机械结构形式、软件功能和柔性等方面取得了质的飞跃目前，现代三坐标测量机

5、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盒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。2.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。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 笛卡尔坐标测量机采用三个互相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方向上的运动是相互独立的，因此，测头在空

6、间的运动位置（坐标值）可以直接由长光栅传感器给出。2) 长度测量基准 大部分都采用长光栅测量系统作为X、Y、Z轴的方向上的长度基准, 少数也有采用磁栅传感器、感应同步器和激光干涉仪等。3) 测量精度高 不确定度可达到级。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，这必然导致坐标测量机构的结构庞大，占地面积大，成本急剧增大，精度降低。5) 体积大、笨重、不灵活、不便于移动由于上面提到的4、5两点不足，传统的笛卡尔坐标测量仪再扩大量程已十分困难，必须寻求新的解决途径，因此，便携式的大量程三维测量系统的研究和开发成为现代测量技术的研究热点之一。其中，美国FARO公司

7、研制开发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13.基本测量原理由图1所示可知，六自由度关节式坐标测量仪的结构示意图如图2所示。图2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2) 结构简单3) 测量范围大4) 可对内表面进行测量3.1 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

8、量表示测头接近被测表面的方向，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。结合上式和D-H方法，得到测头位姿相对于基座坐标系的运动学方程二、 机械结构设计1. 总体设计1) 由测量范围要求1800，可确定测量臂长度+=900，取=450，含轴部分估为120，按实心硬铝合金计算，测头初扰动力F按3kg计算，查询45号钢弹性模量E=200GN/。2) 旋转轴系的配置：用簧片将编码器轴与轴相联接，编码器外壳与轴外壳相联接。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。

9、关节1、2外径不大于80，其他关节外径不大于50。5) 本设计关节1、关节2处轴外伸出轴承10mm，空心轴内径15mm、外径20mm，轴承均采用型号为7204c的角接触球轴承，关节外壳外径均为60mm。6) 为了设计方便，关节3、5和4、6处的各部分结构采用相同的尺寸与型号，空心轴内径10mm，外径15mm，轴外伸出轴承10mm，外壳外径47mm，轴承均采用型号为7202c的角接触球轴承。7) 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。8) 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

10、丝材料制作，簧丝直径为d=6mm，中径D=78mm，圈数n=11。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。9) 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。2. 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。它的连接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的硬铝合金，各个关节的连接采用了相同的固定方式：圆柱与圆柱相贯的连接方式。这样既有利于测量仪的牢固，又有利于仪器本身的灵活性。同

11、时也要考虑以下几点：1) 轴采用空心轴，便于电气线路穿过；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；3) 选择轴承（考虑轴承的精度和承载能力），一般选择角接触轴承，另外，注意角接触轴承的安装方向以及缩紧装置的设计；4) 对于底下两个关节来说，由于受力最大，为减少轴的形变，可以加1到2个端面止推轴承；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、垂直度等位置公差，以便测量仪的结构参数准确。3.编码器的选择编码器作为坐标测量仪的重要组成部分，是实现坐标测量仪功能的核心部件，在该器件的选择上，我选择使用了如下图

12、所示的编码器，其与轴与壳间的连接简单，且型号多样适合作为本设计的使用器件。三、关键结构及设计1.轴结构的设计关节1轴的下端与编码器相连，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盘头螺钉固定。轴的内外径要保证0.003mm的同轴度，圆盘与轴外壁保证0.005mm的垂直度。如下图：首先确定轴2的直径：臂采用空心铝合金管，选择壁厚为3mm的铝合金管，直径定为50mm。臂的质量：体积密度质量关节看做实心硬铝材料，直径为50mm。关节的质量：体积密度质量轴2的计算过程（

13、1）水平力矩 （2）上臂力矩 (3)关节1力矩 (4)关节2力矩 （5）前臂力矩 （6）关节5 （7）关节6 综上： 将计算结果代入挠度计算公式：又有D-d=5mm，将d=D-5代入方程，化简为关于D的一元四次方程，使用Matlib求解，解得D=18mm，所以d=13mm.轴1轴3计算过程（1）水平力矩（2）关节4力矩（3）上臂力矩（4）关节5力矩（5）关节6力矩综上： 将计算结果代入挠度计算公式：又有D-d=5mm，将d=D-5代入方程，化简为关于D的一元四次方程，使用Matlib求解，解得D=14.7mm，所以d=9.7mm轴2外壳轴4计算过程（1）水平力矩（2）前臂力矩（3）关节5力矩（

14、4）关节6力矩综上： 将计算结果代入挠度计算公式：又有D-d=5mm，将d=D-5代入方程，化简为关于D的一元四次方程，使用Matlib求解，解得D=14.4mm，所以d=9.4mm 轴头连接件轴1的过程（1）水平力矩 (2)上臂（3）关节3（4）关节4（5）前臂（6）关节5（7）关节6综上： 将计算结果代入挠度计算公式：又有D-d=5mm，将d=D-5代入方程，化简为关于D的一元四次方程，使用Matlib求解，解得D=18.8mm，所以d=13.8mm 关节1轴壳连接件2扭簧的校正：1) 根据工作情况，选用类弹簧，工作扭转角度为0°180°。弹簧受力曲线如图4.2-2所示

15、。在和处两线相交，相应的交点纵坐标：2) 选择旋绕比C=13，并计算曲度系数3) 扭簧的拉伸强度极限：查表取4) 最大工作扭矩：扭转角为180°时，弹簧的扭矩最大，由线性方程求得：5) 根据刚度条件试算弹簧钢丝直径：6) 计算弹簧的基本集合参数：取扭簧相邻两圈间距为0.5mm；7) 按刚度条件计算弹簧的工作圈数。由弹簧材料及其许用应力表知，工作圈数，取n=11圈8) 计算自由高度，取，则：四、结构工艺及技术要求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1800mm。4) 轴和轴承的安装：将轴承1、套筒、轴承2一次放入外壳中

16、，再插入轴，轴另一侧用盘头螺钉拧紧，最后用螺钉将编码器固定在轴和外壳上。5) 扭簧的安装：将扭簧放入扭簧盖内固定，在将其放在关节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。2. 加工工艺要求1) 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J7，与轴配合，轴公差带k5。3) 各个零件加工时锐棱倒钝。五、总结 通过这次课程设计，完成了对六自由度多关节坐标测量仪的设计工作。理论上可以达到测量坐标的

17、功能，测量范围，机械强度符合要求。全部设计过程有三周，除去答辩和周末共九天，但为了保证质量地完成任务，我们在晚上下课后和周末也在教室里进行设计和画图工作，过程是劳累的，可结果是令人兴奋的。在这三周中，我们体会到了设计的乐趣：用自己的方案解决实际问题，这是一种前所未有的体验。我们在设计的过程中也遇到了很多困难，不过最终还是找到了合适的解决方法。另外，在这次的设计过程中，理论计算部分是我们小组成员共同完成的，是大家共同努力的结果，这次经历告诉我们团队合作是很重要的。 我们的设计仍存在很多不足，利用网络，我找到了已经商品化的坐标测量仪的图片，发现我们的作品与商品还有很大差距，结构上有很多弊端。在机械结构设计中，因为能力有限，整个装置还是显得有些笨重。