1、哈爾濱工業大學課程設計說明書（論文）Harbin Institute of Technology課程設計說明書（論文）課程名稱： 機械學基礎課程設計 設計題目：六自由度多關節坐標測量儀機械結構設計 院 系： 班 級： 設 計 者： 學 號： 指導教師： 設計時間： 哈爾濱工業大學哈爾濱工業大學課程設計任務書 姓 名： 院 （系）： 專 業： 班 號： 任務起至日期： 2014年 02月 17日至 2014年 03月 07日 課程設計題目：六自由度多關節坐標測量儀機械結構設計 已知技術參數和設計要求：l 空間測量范圍：1800mml 分辨力：0.01mml 點坐標重復精度：±0.03m

2、ml 長度測量不確定度（2）：±0.05mml 測量臂直徑：50mml 測桿及測頭長度：150mml 具有力平衡裝置l 傳感器數據線不能暴露在儀器外面，須從內部“走線”l 整臺儀器輕便、靈活 工作量：l 計算關鍵零件的結構尺寸，并驗證其強度及剛度l 完成測量儀的總裝配圖（1號圖紙1張）l 完成關鍵零件圖（3號/4號圖紙4張）l 課程設計說明書1份（10000字） 工作計劃安排：2014/2/17 上午:上課，安排課程設計內容，準備制圖工具；下午:查閱資料，總體設計、理論計算；2014/2/18 總體設計、理論計算；2014/2/19 上午:繪制草圖；下午:檢查進展情況，包括理論計算、

3、草圖等；2014/2/20、21、24、25、26繪制總裝配圖；2014/2/27 檢查總裝配圖，簽字； 2014/2/28、3/3、3/4 繪制零件圖；簽字；2014/3/5、3/6 編寫設計說明書；簽字；2014/3/7 答辯、檢查所有圖紙、設計說明書。 同組設計者及分工： 指導教師簽字_ 年 月 日 教研室主任意見： 教研室主任簽字_ 年 月 日哈爾濱工業大學課程設計說明書（論文）目錄一、 概述1.背景介紹坐標測量技術是隨著數控加工技術的興起而發展起來的一種新型“模型化測量技術”。在二十世紀五十年代中期，隨著電子技術的發展和計算機技術的出現，一種高精度、高效率和高柔性的機械數控加工設備被

4、研制和生產出來，并受到機械設計制造業者的廣泛注意,很快在很多機械制造領域得到應用同時，由于生產效率和加工精度的提高，對測量技術提出了更高的要求，而傳統的比較式測量技術無法滿足這一要求。于是，在1959年，以研制并生產數控機床為主的英國公司首先提出坐標測量這一概念，在同年夏天在法國召開的國際機床博覽會上展出了世界上第一臺測頭可數字化移動的三坐標測量儀，在世界幾何量測量領域引起了巨大震動。從此以后的五十年里，隨著計算機技術、電子技術和控制技術的不斷進步，坐標測量機及其技術也取得了日新月異的飛速發展。不斷推出的新產品，在測量精度、機械結構形式、軟件功能和柔性等方面取得了質的飛躍目前，現代三坐標測量機

5、已發展為一種集機械、光學、數控技術和計算機技術為一體的大型精密智能化測量儀，成為航天、航空、船舶、汽車等工業領域中檢測盒質量控制中不可缺少的大型萬能測量裝備，主要實現對零部件的幾何尺寸以及相互位置的高精度測量。2.特點傳統的三坐標測量儀主要由三個相互垂直的導軌（構成一個笛卡爾坐標系）、支撐系統、測頭、長光柵傳感器、數控系統、計算機系統和軟件系統等組成。常見的結構形式有移動橋式、懸壁式等。三坐標測量儀的主要特點如下：1) 直線型導軌結構 笛卡爾坐標測量機采用三個互相垂直的直線導軌結構，三根導軌的運動方向分別對應于笛卡爾坐標系中X,Y，Z軸的方向在X,Y,Z方向上的運動是相互獨立的，因此，測頭在空

6、間的運動位置（坐標值）可以直接由長光柵傳感器給出。2) 長度測量基準 大部分都采用長光柵測量系統作為X、Y、Z軸的方向上的長度基準, 少數也有采用磁柵傳感器、感應同步器和激光干涉儀等。3) 測量精度高 不確定度可達到級。4) 測量范圍受直線導軌結構的限制 為擴大其測量范圍，須加長各直線導軌的長度，這必然導致坐標測量機構的結構龐大，占地面積大，成本急劇增大，精度降低。5) 體積大、笨重、不靈活、不便于移動由于上面提到的4、5兩點不足，傳統的笛卡爾坐標測量儀再擴大量程已十分困難，必須尋求新的解決途徑，因此，便攜式的大量程三維測量系統的研究和開發成為現代測量技術的研究熱點之一。其中，美國FARO公司

7、研制開發的坐標測量設備在汽車、飛機、航天等領域得到廣泛應用。FARO公司的典型產品如圖1所示。 圖13.基本測量原理由圖1所示可知，六自由度關節式坐標測量儀的結構示意圖如圖2所示。圖2由圖2可以看出，六自由度多關節坐標測量儀是由多桿件通過旋轉關節串聯而成的空間開放式連桿機構。其特點如下：1) 運動學模型比較復雜2) 結構簡單3) 測量范圍大4) 可對內表面進行測量3.1 測頭位姿的描述多關節坐標測量儀的各桿件及測頭都可當作剛體來處理。三維空間中，剛體的位姿由其在空間所處的位置和姿態來描述，如圖3所示。圖3圖3中在測量儀末端測頭上設置一個描述其位姿的坐標系，由三個相互垂直的單位矢量所規定，其中向

8、量表示測頭接近被測表面的方向，向量平行于相鄰的關節軸線。向量、和完全確定了側頭或桿件的空間位姿。結合上式和D-H方法，得到測頭位姿相對于基座坐標系的運動學方程二、 機械結構設計1. 總體設計1) 由測量范圍要求1800，可確定測量臂長度+=900，取=450，含軸部分估為120，按實心硬鋁合金計算，測頭初擾動力F按3kg計算，查詢45號鋼彈性模量E=200GN/。2) 旋轉軸系的配置：用簧片將編碼器軸與軸相聯接，編碼器外殼與軸外殼相聯接。3) 根據整個裝置的剛度和重量要求，測量臂選用鋁合金，軸選用45號鋼，其他部分（外殼，聯接件等）選用硬鋁合金。4) 為了增大承載力，最下兩個關節直徑適當增加。

9、關節1、2外徑不大于80，其他關節外徑不大于50。5) 本設計關節1、關節2處軸外伸出軸承10mm，空心軸內徑15mm、外徑20mm，軸承均采用型號為7204c的角接觸球軸承，關節外殼外徑均為60mm。6) 為了設計方便，關節3、5和4、6處的各部分結構采用相同的尺寸與型號，空心軸內徑10mm，外徑15mm，軸外伸出軸承10mm，外殼外徑47mm，軸承均采用型號為7202c的角接觸球軸承。7) 測量儀每個關節處均有一個編碼器，共六個編碼器，編碼器軸與關節鋼軸用套筒相連，并用緊定螺釘固定；編碼器外殼用彈性鋼片與關節外殼相連。8) 為了平衡由于重力產生的力矩，本設計在關節2處裝有扭簧，扭簧采用琴鋼

10、絲材料制作，簧絲直徑為d=6mm，中徑D=78mm，圈數n=11。扭簧固定在兩塊扭簧蓋上，扭簧蓋分別固定在關節2外殼及軸臂連接件上，并使扭簧具有一定的預緊力。9) 測量儀測頭處用測頭連接件將測頭外殼與關節6外殼相連，測尖使用螺紋連接與測頭外殼相連，測頭處的按鍵用帶有螺紋的擋圈將按鍵固定。2. 關節結構設計關節部件是整個測量儀的關鍵，它是一個旋轉軸系統，由軸、軸承、外殼、光電編碼器、連軸結、其他連接件組成。它的連接直接影響了測量儀的靈活性，所以，關節的外殼選擇了密度較小的硬鋁合金，各個關節的連接采用了相同的固定方式：圓柱與圓柱相貫的連接方式。這樣既有利于測量儀的牢固，又有利于儀器本身的靈活性。同

11、時也要考慮以下幾點：1) 軸采用空心軸，便于電氣線路穿過；2) 選擇軸的材料，對軸進行受力分析，根據分析結果，確定空心軸的外徑、內徑和軸的支承點；3) 選擇軸承（考慮軸承的精度和承載能力），一般選擇角接觸軸承，另外，注意角接觸軸承的安裝方向以及縮緊裝置的設計；4) 對于底下兩個關節來說，由于受力最大，為減少軸的形變，可以加1到2個端面止推軸承；5) 考慮旋轉軸系與外購傳感器的聯接；6) 其他連接件與軸的聯接，重點考慮如何保證同軸度、垂直度等位置公差，以便測量儀的結構參數準確。3.編碼器的選擇編碼器作為坐標測量儀的重要組成部分，是實現坐標測量儀功能的核心部件，在該器件的選擇上，我選擇使用了如下圖

12、所示的編碼器，其與軸與殼間的連接簡單，且型號多樣適合作為本設計的使用器件。三、關鍵結構及設計1.軸結構的設計關節1軸的下端與編碼器相連，因為受軸向與徑向力較小，用2個錐端緊定螺釘固定。左端軸的右側有一個圓盤形突臺，他與軸承隔圈配合使軸承沒有軸向移動，再往左的圓盤上有4個對稱的螺紋孔，它們與上面的軸壁連接機構用內盤頭螺釘固定。軸的內外徑要保證0.003mm的同軸度，圓盤與軸外壁保證0.005mm的垂直度。如下圖：首先確定軸2的直徑：臂采用空心鋁合金管，選擇壁厚為3mm的鋁合金管，直徑定為50mm。臂的質量：體積密度質量關節看做實心硬鋁材料，直徑為50mm。關節的質量：體積密度質量軸2的計算過程（

13、1）水平力矩 （2）上臂力矩 (3)關節1力矩 (4)關節2力矩 （5）前臂力矩 （6）關節5 （7）關節6 綜上： 將計算結果代入撓度計算公式：又有D-d=5mm，將d=D-5代入方程，化簡為關于D的一元四次方程，使用Matlib求解，解得D=18mm，所以d=13mm.軸1軸3計算過程（1）水平力矩（2）關節4力矩（3）上臂力矩（4）關節5力矩（5）關節6力矩綜上： 將計算結果代入撓度計算公式：又有D-d=5mm，將d=D-5代入方程，化簡為關于D的一元四次方程，使用Matlib求解，解得D=14.7mm，所以d=9.7mm軸2外殼軸4計算過程（1）水平力矩（2）前臂力矩（3）關節5力矩（

14、4）關節6力矩綜上： 將計算結果代入撓度計算公式：又有D-d=5mm，將d=D-5代入方程，化簡為關于D的一元四次方程，使用Matlib求解，解得D=14.4mm，所以d=9.4mm 軸頭連接件軸1的過程（1）水平力矩 (2)上臂（3）關節3（4）關節4（5）前臂（6）關節5（7）關節6綜上： 將計算結果代入撓度計算公式：又有D-d=5mm，將d=D-5代入方程，化簡為關于D的一元四次方程，使用Matlib求解，解得D=18.8mm，所以d=13.8mm 關節1軸殼連接件2扭簧的校正：1) 根據工作情況，選用類彈簧，工作扭轉角度為0°180°。彈簧受力曲線如圖4.2-2所示

15、。在和處兩線相交，相應的交點縱坐標：2) 選擇旋繞比C=13，并計算曲度系數3) 扭簧的拉伸強度極限：查表取4) 最大工作扭矩：扭轉角為180°時，彈簧的扭矩最大，由線性方程求得：5) 根據剛度條件試算彈簧鋼絲直徑：6) 計算彈簧的基本集合參數：取扭簧相鄰兩圈間距為0.5mm；7) 按剛度條件計算彈簧的工作圈數。由彈簧材料及其許用應力表知，工作圈數，取n=11圈8) 計算自由高度，取，則：四、結構工藝及技術要求1. 裝配要求1) 軸、軸承、聯軸器、套筒緊密相連。2) 各關節處轉動靈活，無明顯阻力。3) 測量范圍為1800mm。4) 軸和軸承的安裝：將軸承1、套筒、軸承2一次放入外殼中

16、，再插入軸，軸另一側用盤頭螺釘擰緊，最后用螺釘將編碼器固定在軸和外殼上。5) 扭簧的安裝：將扭簧放入扭簧蓋內固定，在將其放在關節2上，用緊定螺釘將其固定。6) 限位裝置的安裝：在將軸放入外殼之前把限位鋼珠放進軸側面的半圓槽內。2. 加工工藝要求1) 表面粗糙度：軸、外殼、連接件間相互配合的平面算術平均偏差0.8，不需要配合的平面算術平均偏差3.2。2) 配合：查詢國家標準確定軸承和軸及外殼配合的公差帶。向心角接觸球軸承與外殼配合，外殼公差帶J7，與軸配合，軸公差帶k5。3) 各個零件加工時銳棱倒鈍。五、總結 通過這次課程設計，完成了對六自由度多關節坐標測量儀的設計工作。理論上可以達到測量坐標的

17、功能，測量范圍，機械強度符合要求。全部設計過程有三周，除去答辯和周末共九天，但為了保證質量地完成任務，我們在晚上下課后和周末也在教室里進行設計和畫圖工作，過程是勞累的，可結果是令人興奮的。在這三周中，我們體會到了設計的樂趣：用自己的方案解決實際問題，這是一種前所未有的體驗。我們在設計的過程中也遇到了很多困難，不過最終還是找到了合適的解決方法。另外，在這次的設計過程中，理論計算部分是我們小組成員共同完成的，是大家共同努力的結果，這次經歷告訴我們團隊合作是很重要的。 我們的設計仍存在很多不足，利用網絡，我找到了已經商品化的坐標測量儀的圖片，發現我們的作品與商品還有很大差距，結構上有很多弊端。在機械結構設計中，因為能力有限，整個裝置還是顯得有些笨重。