精密机械设计基础课程设计六自由度多关节坐标测量仪

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： 精密机械设计基础课程设计 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： 叶东 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）：至 2011年 01月 13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：2400mml 分辨力：0.01mml 点坐标重复精度：0.04mml 长度测量不确定度（2）：0.08mml 测量臂直径：80mml 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： 11.01.01 上课，安排课程设计内容，准备制图工具（尺、图板等）11.01.0201.03 总体设计，理论计算，绘制草图，检查进展情况11.01.0401.08 绘制总装配图，进度检查，检查总装配图11.01.0901.11 关键零件图设计，并检查11.01.1201.12 编写课程设计说明书11.01.13 答辩，最终检查（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 日目录1. 概述1 1.1设计背景1 1.2技术参数和设计要求22. 总体设计23. 关节结构设计3 3.1轴径选择3 3.1.1轴2受力分析3 3.1.2轴2弯曲挠度分析3 3.1.3其余轴径选择4 3.2轴承选择4 3.3轴壳尺寸的确定44. 关键结构件设计4 4.1关节联接结构设计4 4.1.1轴臂联接机构5 4.2力平衡机构设计5 4.3测头机械结构设计75. 装配要求76. 总结7 6.1结论7 6.2存在问题8 6.2.1螺钉的相关画法8 6.2.2编码器杯盖的有关问题8 6.3心得体会8参考文献81.概述1.1设计背景1.概述1.1设计背景坐标测量仪是近几十年来迅速发展起来的新型精密测量仪器，它用途广泛，可用于多种制造业的各种零件形体几何参数测量。本次课程设计的任务就是模仿FARO公司的SpaceArm产品，进行六自由度关节式坐标测量仪机械结构设计。FARO公司的产品相比其他公司在测量臂外增加了外壳，可以减少与外界接触而引起的热变形，减少灰尘的影响，同时外形看起来更加美观、小巧，但从测量范围上看要小一些,在1200mm-3600mm。其产品外观图如图1-1-1所示。图1-1-1 FARO公司的SpaceArm产品外观图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，具有有以下特点：运动学模型比较复杂；结构简单；测量范围大；可对表面进行测量。可以通过采用D-H方法对坐标测量仪进行建模，建立测量系统运动学模型。测头末端位姿是各关节变量的非线性函数，简记为如下函数形式：1.2技术参数和设计要求：（1）空间测量范围：2400mm（2）分辨力：0.01mm（3）点坐标重复精度：0.04mm（4）长度测量不确定度（2）：0.08mm（5）测量臂直径：80mm（6）测杆及测头长度：150mm（7）具有力平衡装置（8）传感器数据线不能暴露在仪器外面，须从内部“走线”整台仪器轻便、灵活2.总体设计参考FARO公司的产品外形图、老师给的样图及设计任务书的要求，可知，总体结构示意图为：总体设计原则为：在满足测量范围和精度的情况下，尽量使整个结构外形较小，灵活且轻便简单。（1） 测量臂：由于测量范围要求2400mm，可确定+=1200mm，为使它的结构简单，减小成本，取=600mm，含轴部分估为120mm，按实心铝计算，测头初扰动力F按5kg计算，查询钢弹性模量E=200GN/。其直径要求小于50mm。（2） 联接件：在轴的联结部分设计符合要求的U型爪。（3） 布线：由于要在内部走线，所以所有的轴都采用空心的，且在相联的轴之间设计走线用的孔。（4） 传感器：传感器为外购件，使用时应将它的外壳与轴的外壳相联，它的轴与轴相联。在与外壳相联时采用簧片，与轴相联时采用紧定螺钉。（5） 轴承：由于要求转动灵活，故选择滚动轴承；又由于它受到轴向力，所以用相心角接触球轴承。采用背靠背形式，以减小最大的轴向力。（6） 扭簧：为使臂在不使用时不至直接下垂，且减小使用时加在臂上的力，是整个仪器更加灵活，设计一个扭簧，最佳工作转角定为30和130。（7） 螺钉：在满足强度要求的情况下，尽量使螺钉小多采用沉头和内六角螺钉。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。其中轴采用空心轴，便于电气线路穿过。3.1轴径选择： 为使轴有一定的强度、刚度并且从应用广泛的角度考虑，轴的材料我们选用了45号钢。3.1.1轴2受力分析：首先确定轴壳的质量。轴壳采用空心铝合金管，查阅表GB/T 4436-1995，选择壁厚为3mm的铝合金管，直径初步定为50 mm，两个臂的长度都为600mm。计算其质量为：然后确定轴头的质量。计算时将轴头看做为实心的铝合金，长度为120mm，直径初步定为50mm。计算其中一段的质量为：（实心铝的密度为）：总质量为：重力为=53.0N3.1.2轴2弯曲挠度分析当仪器在扰动作用下，接触处挠度时进行弯曲挠度分析：将轴按悬臂梁模型计算，估算除1、2以外部分质心所在垂线距悬臂梁端点为120mm，自由端距端点为8mm。作用在悬臂梁上的弯矩M=5*9.8*1.2+53.0*0.1265.16N.m按挠度计算公式：=和技术要求2m,其中M=65.16N.m，l=0.008m，F=53.0N，E=2*解得：I5.30*又 其中为外径，为内径取，解得20.8mm，安全考虑，并且使整个器械稳定性较好，取=21mm，=25。轴的配合选用基孔制k5。3.1.3其余轴径选择与前述确定轴2直径计算方法相似，可确定其他轴直径（取自由端距端点8mm）。轴3、4、5、6可取相似直径，因为4承受力矩较小，只要3轴满足条件即可。经过和前面类似的计算，得： 采用数据进行计算取，解得12mm ，考虑安全因素，取=17mm ，=14mm。3.2轴承选择考虑到轴承的精度和承载能力，由上述确定的轴径根据国家标准选择轴承。由于受到径向力，所以选用向心角接触滚动轴承由轴的外径选择对心角接触滚动轴承7005C和对心角接触滚动轴承7003C。7005C作为1、2轴的支承，7003C作为3、4、5、6轴的支承。3.3轴壳尺寸的确定由轴径大小和轴承型号（即轴承外壳的直径）并且考虑安装螺钉的方便确定轴壳尺寸。设计轴壳1、2的外径为65mm，壁厚为9mm，即内径为47mm，轴壳3、4、5、6的外径为47mm，壁厚为6mm，即内径为35mm。 轴壳的内部与轴承的配合选用基轴制H7。4.关键结构件设计4.1关节联接结构设计4.1.1轴臂联接结构如图4-1-2-1所示，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），再同样用4个圆周对称的内六角螺钉联接轴1。所有需要用较大力的地方的联接均用内六角螺钉。4.2力平衡机构设计4.3测头机械结构设计为保证整个测量仪的力平衡以及移动测量臂不费力，一定要考虑力平衡装置。在第二个关节上加装一个扭簧，以平衡测量臂和上面四个关节的重量。扭簧的受力示意图如图4-2-1所示。交点为横坐标为30和130。(1)弹簧材料选用碳素弹簧钢丝D级，。由弹簧材料及许用应力表查得,估取弹簧钢丝直径为；由弹簧钢丝的拉伸强度极限表取，则。(2)选择旋绕比并计算曲度系数和最大最小工作扭矩。，其中，故 (3)根据强度条件试算钢丝直径。原值(4)计算弹簧的基本几何参数。(5)按刚度条件计算弹簧的工作圈数。因为所以，弹簧圈数 圈取圈。扭簧处机械结构示意图如图4-2-2所示4.3测头机械结构设计探头主要采用机械式硬探头，通过“按键”发出测量（采样）信号。测头采用螺钉联接的方式与外壳相联，确保测量仪在使用时，探头平稳。5.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2400mm。（4） 轴和轴承的安装：将轴承挡圈与轴的外壳拧紧，放入轴承、隔圈、轴将挡圈与轴拧紧，最后用紧定螺钉连接轴与编码器。（5） 扭簧的安装：将扭簧放入扭簧盖内固定，在讲其放在关节2上，用紧定螺钉将其固定。弹簧预紧扭矩10.79，扭转角100，最大扭矩为21.143。6.总结6.1结论六自由度多关节坐标测量仪具有机械结构简单，测量范围大，成本低，体积小，可便携等优点。随着技术日新月异的飞速发展，它已成为航天、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万能测量设备。通过课程设计，完成测量仪的总装配图1张（1号图纸），关键零件图4张（3号图纸）和课程设计说明书。6.2存在问题6.2.1螺钉的相关画法在画图过程中还存在着螺钉画法不够规范的问题。以及存在部分沉头螺钉处剖视时少线的问题。6.2.2结构上的有关问题设计时，未设计不使用仪器时，臂的固定件，使得弹簧一直受力，并且臂受震动影响较大，影响弹簧和臂的寿命。另外没有设计限制关节转动圈数的结构，使关节可无限角度转动，这样可能会破坏内部的绕线，严重时可能将线拧坏。6.3心得体会这次课程设计让我们对机械课程中所学的知识有有了更深刻的了解，对所学知识有了更加深刻的认识，课设中由于给出了样图，整体设计的难度大大降低，但结构依然较为复杂。在分析结构和计算的过程中我们了解了团队的重要性。另外虽然设计前大家都已经集体分析，但画图时，我们仍然发现有一些细节的地方难以确定，在一些线上的有没有上也发生了分歧，这就考验了我们的空间想象能力。还有在课设之前我的换图能力很差，螺钉画的更是很不规范，这次课设中，虽然螺钉画的还是不是很好，但自我感觉已有很大进步。这两周过得非常充实。参考文献1 尚 平，费业泰.柔性关节式坐标测量机的结构设计分析.合肥：合肥工 业大学学报，2008.2 叶 东，黄庆成，车仁生.六自由度关节式坐标测量机关节零位偏差的标定算法.哈尔滨：工具技术，1998.14