精密機械學基礎課程設計論文(doc 18頁).doc

Harbin Institute of Technology課程設計說明書（論文）課程名稱： 精密機械學基礎課程設計 設計題目：六自由度多關節(jié)坐標測量儀 院 系： 航天學院控制科學與工程系 班 級： 設 計 者： 學 號： 指導教師： 設計時間： 2011.1.10至2011.1.21 哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學課程設計任務書 姓 名： 院 （系）：航天學院控制科學與工程系 專 業(yè)： 班 號： 任務起至日期： 2011年 01月 10日至 2011年 01月 21日 課程設計題目：六自由度多關節(jié)坐標測量儀機械結構設計 已知技術參數(shù)和設計要求：l 空間測量范圍：1200mml 分辨力：0.01mml 點坐標重復精度：0.03mml 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(shù)據(jù)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（8000字） 工作計劃安排： 11.01.10 上課，安排課程設計內容，準備制圖工具（尺、圖板等）11.01.1101.12 總體設計，理論計算，繪制草圖，檢查進展情況11.01.1301.17 繪制總裝配圖，進度檢查，檢查總裝配圖11.01.1801.19 關鍵零件圖設計，并檢查11.01.2001.20 編寫課程設計說明書11.01.21 答辯，最終檢查（所有圖紙、設計說明書） 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 目錄1、 概述2、 總體設計3、關節(jié)結構設計3.1 軸結構的選擇3.2 對軸強度與剛度的校正3.2.1對關節(jié)1、2 軸進行剛度與強度的校正3.2.2 對關節(jié)36 軸進行剛度與強度的校正3.3外殼的設計3.4軸承的選擇3.5 旋轉軸系與外購傳感器的連接3.6 對位置公差的要求4、關鍵結構件設計4.1 各關節(jié)連接的設計4.1.1 軸臂連接機構4.1.2測頭連接件機構4.2 力平衡裝置的設計4.3 測頭處聯(lián)結及其按鍵的設計5、裝配要求6、總結6.1存在的問題及解決方法6.2 心得體會7、參考文獻1、 概述坐標測量技術是隨著數(shù)控加工技術的興起而發(fā)展起來的一種新型“模型化測量技術”。在五十年代中期，隨著電子技術的發(fā)展和計算機技術的出現(xiàn)，一種高精度，高效率和高柔韌性的機械數(shù)控加工設備被研制和生產(chǎn)出來，并受到機械制造業(yè)者的廣泛注意，和快在許多機械制造業(yè)領域得到應用。同時，由于生產(chǎn)效率和加工精度的提高，對測量技術有了更高的要求，而傳統(tǒng)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(chǎn)數(shù)控機床為主的英國Ferranti公司首先提出了“坐標測量”這一概念，在同年夏天于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(shù)字化移動的三坐標測量儀，在世界幾 圖1-1何測量領域引起了巨大轟動。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飛速發(fā)展，坐標測量儀及其技術也取得了日新月異的飛躍。以德國的Carl Zaiss公司，美國的Brown&Sharp公司和Sheffield公司，意大利DEA公司等為代表的五十多家公司不斷推出新產(chǎn)品，在測量精度，機械結構型式，軟件功能測量效率和柔性等方面取得了質的飛躍。目前，現(xiàn)代三坐標測量儀已發(fā)展為一種集機械，光學，數(shù)控技術和計算機技術為一體的大型精密智能化量儀，成為航天，航空，船舶，汽車等工業(yè)領域中檢測和質量控制中不可缺少的大型萬能測量裝備，主要實現(xiàn)對零部件的幾何尺寸以及相互位置的高精度測量。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(tǒng)，測頭，長光柵傳感器，數(shù)控系統(tǒng)，計算機系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)等組成。在結構上，根據(jù)應用領域對它的測量范圍，精度，成本和效率的不同要求，對三個導軌的放置位置產(chǎn)生不同的配置方式，目前常見的幾種結構型式有如下幾種：1. 直線型導軌結構 笛卡爾坐標測量機采用三個相互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方向上的運動時相互獨立的，因此，側頭在空間的運動位置可以直接由長光柵傳感器給出。2.長度測量基準 都采用長光柵測量系統(tǒng)作為X、Y、Z三個方向上的長度基準，少數(shù)也有采用磁棚傳感器、感應同步傳感器和激光干涉儀等。3. 測量精度高 都采用無需時效又易于加工的天然花崗巖床身和支撐系統(tǒng)，還有導向精度高摩擦力極小的氣浮導軌，另外，近幾年，一些廠家采用了高強度輕型材料作為運動衡量和衡量上的運動部件。對于計量型坐標測量機測量不確定度一般在（0.5+L/500）；對于車間性測量不確定度在（2.5+L/200）；對于大尺寸坐標測量機測量不確定度為（20+L/50）。這里，L是測量長度，單位為mm。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，這必將導致坐標測量機的結構龐大，占地面積大，成本急劇增大，精度降低。5. 體積大，笨重，不靈活，不便于移動近二十年來，大尺寸、大空間的現(xiàn)成高精度坐標測量技術一直是計量學的難點之一。傳統(tǒng)的笛卡爾坐標測量機由于上面提到的4、5兩點的不足，使得再擴大難度增加，特別是在制造和安裝現(xiàn)場使用受到限制，必須尋求新的解決辦法，因此，便攜式的大量程（幾米到幾十米）三維測量系統(tǒng)的研究和開發(fā)成為現(xiàn)代坐標測量技術研究的熱點之一。目前，世界上各種結構形式的便攜式左邊測量設備如雨后春筍般的發(fā)展起來。其中，美國的FARO公司研制開發(fā)的一種成為“SPACEARM”的坐標測量設備，在汽車、飛機、航天等領域得到了廣泛的應用。 圖1 FARO公司的SpaceArm產(chǎn)品外觀圖 如圖1所示的便攜式坐標測量儀采用了六個高精度光學編碼器，是一種新型的笛卡爾坐標測量系統(tǒng)，根據(jù)仿生學原理，模擬人的腰關節(jié)、肩關節(jié)、肘關節(jié)和腕關節(jié)的結構，將一系列桿件通過具有旋轉導軌的桿件連接起來，以角度基準取代長度基準，從而具有機械結構相對簡單、測量范圍較大、體積小、可便攜移動等優(yōu)點。可以較好的解決大型的零件和整機安裝調試中的三維坐標測量問題，也可以解決虛擬設計制造中的原型數(shù)據(jù)獲取和物理模擬實驗中的測量建模等問題，有廣泛的應用前景和科學意義。，目前，F(xiàn)ARO公司生產(chǎn)的產(chǎn)品，測量范圍從1200mm到3600mm，測量不確定度0.025mm到0.168mm。該坐標測量儀優(yōu)點是機械結構簡單、測量范圍大、成本低、體積小、可便攜。本次課程設計的任務就是模仿FARO公司的產(chǎn)品，進行六自由度關節(jié)式坐標測量儀機械結構設計，以培養(yǎng)學生綜合運用工程力學和機械學的基本知識進行機械結構設計和分析的實踐能力。2、總體設計六自由度關節(jié)式坐標測量儀由底座、六個關節(jié)、兩個臂管及測尖等部分組成，測量儀底座、關節(jié)外殼、臂管、及其連接件均采用鋁合金材料制作、各關節(jié)軸采用45號鋼材料制作。六自由度關節(jié)式坐標測量儀結構示意圖如右。本設計要求測量范圍為1200mm，因此關節(jié)2中心線與關節(jié)4中心線距離L1及關節(jié)4中心線與關節(jié)6中心線距離L2之和應為600mm，即L1+L2=600mm，本設計取L1=L2=300mm。本設計關節(jié)1、關節(jié)2處軸外伸出軸承8mm，空心軸內徑11mm、外徑15mm，軸承均采用型號為7202c的角接觸球軸承，關節(jié)外殼外徑均為50mm。為了設計方便，關節(jié)3、4、5、6處的 圖2-1各部分結構均采用相同的尺寸與型號，空心軸內徑11mm，外徑15mm，軸外伸出軸承8mm，外殼外徑44mm，軸承均采用型號為7002c的角接觸球軸承。測量儀每個關節(jié)處均有一個編碼器，共六個編碼器，編碼器軸與關節(jié)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(jié)外殼相連。為了平衡由于重力產(chǎn)生的力矩，本設計在關節(jié)2處裝有扭簧，扭簧采用琴鋼絲材料制作，簧絲直徑為d=5mm，中徑D=65mm，圈數(shù)n=7。扭簧固定在兩塊扭簧蓋上，扭簧蓋分別固定在關節(jié)2外殼及軸臂連接件上，并使扭簧具有一定的預緊力。測量儀測頭處用測頭連接件將測頭外殼與關節(jié)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。另外，為了保證安裝牢固性，本設計中M4、M5的螺釘均采用內六角螺釘，增強了預緊力。3、 關節(jié)結構設計關節(jié)部件是整個測量儀的關鍵，它是一個旋轉軸系統(tǒng)，由軸、軸承、外殼、光電編碼器、連軸結、其他連接件組成。3.1 軸結構的設計為了便于電氣線路經(jīng)過以及減輕重量，提高靈活度，軸采用空心軸。關節(jié)1軸的下端（右端）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六角圓柱頭螺釘固定（所有軸與軸壁連接機構都用內六角圓柱頭螺釘）。軸的內外徑要保證0.01mm的同軸度，圓盤與軸外壁保證0.005mm的垂直度。采用基孔置配合H7/h6，如下圖3.1-1。圖3.1-13.2 對軸強度與剛度的校正本設計軸的材料選用45號鋼，軸外伸出軸承8mm，內徑11mm，外徑15mm。下面對軸分別進行剛度與強度的驗證。3.2.1對關節(jié)1、2 軸進行剛度與強度的校正（1）剛度的校正 由于兩軸承之間的距離遠大于8mm，所以可以將軸視為懸臂梁來計算。對軸進行受力分析，軸主要受關節(jié)36的重力帶來的壓力及外力矩F=M*L的作用。軸受的壓力等于關節(jié)36的重力，其中關節(jié)36的質量為1、 臂管 材料：鋁合金，長度300mm，外徑44mm，厚度3mm， 個數(shù)2-m1=0.996kg2、 軸承 型號7002c內徑15mm外徑32mm個數(shù)8-m2=0.029*8=0.232 kg3、 軸 材料：鋼，內徑11mm，外徑15mm，長度80mm，個數(shù)4-m3=0.3kg4、 外殼 材料：鋁合金，外徑44mm，內徑32mm，長度80，個數(shù)4-m4=0.7kg5、 編碼器 個數(shù)4-m5= 0.4 kg 由上有m=m1+m2+m3+m4+m5=2.63kg由于關節(jié)上還有一些編碼器蓋、螺釘、測頭等結構，因此取m=3kg 所以 F=mg=30N軸受外力矩 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）查參考書可以知道E=206Gpa；d=15mm；厚度d-=2mm；l=8mm；另外考慮到測量臂的自重，由前面估算可知F=30N此時I=；所以 2um 經(jīng)驗證符合要求。 A G B M （2） 強度的校正將軸的外伸端視為懸臂梁來計算：其受力如圖Fq=30N Mq=-GL-M=37.6X-12.3 由上式知，當x=0時，Mq最大此時有Mq=12.3NM由 其中d=0.015m，di=0.011m代入得=52.3MPa600Mpa=,強度符合要求3.2.2 對關節(jié)36 軸進行剛度與強度的校正由以上知關節(jié)1，2處用d=11mm，D=15mm的鋼軸，軸外伸出軸承8mm，其在F=20N作用下，滿足撓度v=2um的要求以及剛度要求，關節(jié)3，4，5,6處，我們同樣用d=11mm，D=15mm的鋼軸，軸外伸出軸承8mm，由于關節(jié)36處M=F*L及G均較關節(jié)1,2處小，所以可以斷定關節(jié)36處軸均符合技術要求。3.3外殼的設計圖3.3-1為第二節(jié)軸承外殼。左端與編碼器外殼相連，右端與軸連接件連接。軸壁內40凹槽走線用。上端螺紋孔用于連接扭簧外殼。軸外殼的兩側與A面即外殼外壁保證0.01mm的同軸度。圖3.3-13.4軸承的選擇關節(jié)1、2處選擇軸承型號為7202c的向心角接觸球軸承，其內徑15mm，外徑35mm，寬度為11mm。關節(jié)36處選擇選擇軸承型號為7002c的向心角接觸球軸承，其內徑15mm，外徑32mm，寬度為9mm。3.5 旋轉軸系與外購傳感器的連接測量儀每個關節(jié)處均有一個編碼器，共六個編碼器，編碼器軸與關節(jié)鋼軸用聯(lián)軸器相連，并用緊定螺釘固定；編碼器外殼用彈性鋼片與關節(jié)外殼相連，從而保證編碼器外殼不隨軸而轉動。其結構如右圖：3.6 對位置公差的要求 圖3.5-1保證同軸度、垂直度、平行度等位置公差，以便整個測量儀的結構參數(shù)準確，使設計滿足測量儀的精度要求。 4、 關鍵結構件設計4.1 各關節(jié)連接的設計各關節(jié)的連接設計是垂直連接，即需采用圓柱與圓柱相貫的連接方式，4.1.1 軸臂連接機構：如圖4.1-1所示，此部位用一個U型爪鉗住軸外殼，并用4個圓周對稱的螺釘進行緊固定位（圖示與豎直線成20角的通孔），在同樣用4個圓周對稱的螺釘(內六角圓柱頭螺釘)連接第一軸。U型爪可以與軸是小的間隙配合，以保證安裝的方便。右面帶螺釘通孔的平面要與A面保持垂直度0.05mm，大圓要與A面保證0.01垂直度。圖4.1-14.1.2測頭連接件機構如圖4.1-2所示，測頭連接件也為一個U型爪鉗住軸外殼，并用4個圓周對稱的螺釘進行緊固定位（圖示與豎直線成20角的通孔），在同樣用4個圓周對稱的螺釘(內六角圓柱頭螺釘)連接第一軸。U型爪可以與軸是小的間隙配合，以保證安裝的方便。右面帶螺釘通孔的平面要與A面保持垂直度0.05mm，大圓要與A面保證0.01垂直度。 圖4.1-2 4.2 力平衡裝置的設計為了平衡由于重力產(chǎn)生的力矩，本設計在關節(jié)2處裝有扭簧，扭簧采用琴鋼絲材料制作，簧絲直徑為d=5mm，中徑D=65mm，圈數(shù)n=7。扭簧固定在兩塊扭簧蓋上，扭簧蓋分別固定在關節(jié)2外殼及軸臂連接件上，并使扭簧具有一定的預緊力。扭簧結構及安裝圖如下： 圖4.2-1扭簧的校正：（1） 螺旋扭轉彈簧的結構型式：單臂彎曲扭轉彈簧。（2）扭簧材為料琴鋼絲G1組。查材料手冊得，彈性模量E=196*103Mpa,剪應力=1422-1679Mpa,選定其為1679MPa。（3）按載荷條件和適用范圍選擇類載荷，所以剪應力為840 Mpa。（4）計算工件使用時的最大轉矩為：T=G.L=9,其中G=30N.M,L=0.3M；（5） 設計簧絲直徑d=5mm，由扭簧轉矩與轉角特性曲線與工件轉矩與轉角特性曲線設定兩條曲線的交點為：工件轉角為10和120時的兩點。所以預緊力T0=1.9399N.M，Tmax=9.695N.M。圖如下： 圖4.2-2（6）理論簧絲直徑d的計算：d3=10.3*K*T/剪應力，其中K=1，T=9.695N.M，剪應力=840 Mpa；d=4.9mm,與設計值基本相等。（7）結構設計的中徑D=65mm,旋繞比C=13,大徑D1=70mm,小徑D2=60mm.（8）扭簧的剛度計算KT=70.5N.mm。（9）扭簧圈數(shù)n的設計：由