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1、Harbbin Insstittutee off Teechnnoloogy课程设计计说明书书（论文文）课程名称称：精密密机械学学基础课课程设计计设计题目目：六自自由度多多关节坐坐标测量量仪院 系：航天学学院控制制科学与与工程系系班 级：设 计 者：学 号：指导教师师：设计时间间：20011.1.110至220111.1.21哈尔滨工工业大学学哈尔滨工工业大学学课程设设计任务务书 姓 名： 院 （系系）：航航天学院院控制科科学与工工程系 专 业： 班 号号： 任务起起至日期期： 20111年 011月 110日至至 220111年 01月月 211日课程设计计题目：六自由由度多关关节坐标标测量
2、仪仪机械结结构设计计已知技术术参数和和设计要要求：l 空间测量量范围：12000mmml 分辨力：0.001mmml 点坐标重重复精度度：0.003mmml 长度测量量不确定定度（22）：0.005mmml 测量臂直直径：500mml 测杆及测测头长度度：1500mml 具有力平平衡装置置l 传感器数数据线不不能暴露露在仪器器外面，须须从内部部“走线”l 整台仪器器轻便、灵灵活工作量：l 计算关键键零件的的结构尺尺寸，并并验证其其强度及及刚度l 完成测量量仪的总总装配图图（1号号图纸11张）l 完成关键键零件图图（3号号/4号号图纸44张）l 课程设计计说明书书1份（880000字）工作计划划
3、安排： 11.01.10 上课课，安排排课程设设计内容容，准备备制图工工具（尺尺、图板板等）11.001.11101.12 总体体设计，理理论计算算，绘制制草图，检检查进展展情况11.001.11301.17 绘制制总装配配图，进进度检查查，检查查总装配配图11.001.11801.19 关键键零件图图设计，并并检查11.001.22001.20 编写写课程设设计说明明书11.001.221 答辩，最最终检查查（所有有图纸、设设计说明明书） 指指导教师师签字_ 年 月 日 教教研室主主任意见见： 教教研室主主任签字字_ 年 月 日目录1、 概述2、 总体设计计3、关节节结构设设计3.1 轴结构
4、构的选择择3.2 对轴轴强度与与刚度的的校正3.2.1对关关节1、22 轴进进行刚度度与强度度的校正正3.2.2 对关节节366 轴进进行刚度度与强度度的校正正3.3外外壳的设计计3.4轴轴承的选选择3.5 旋转轴轴系与外外购传感感器的连连接3.6 对位置置公差的的要求4、关键键结构件件设计4.1 各关节节连接的的设计4.1.1 轴轴臂连接接机构4.1.2测头头连接件件机构4.2 力平衡衡装置的的设计4.3 测头头处联结结及其按按键的设设计5、装配配要求6、总结结6.1存存在的问问题及解解决方法法6.2 心得体体会7、参考考文献1、 概述坐标测量量技术是是随着数数控加工工技术的的兴起而而发展起
5、起来的一一种新型型“模型化化测量技技术”。在五五十年代代中期，随随着电子子技术的的发展和和计算机机技术的的出现，一一种高精精度，高高效率和和高柔韧韧性的机机械数控控加工设设备被研研制和生生产出来来，并受受到机械械制造业业者的广广泛注意意，和快快在许多多机械制制造业领领域得到到应用。同同时，由由于生产产效率和和加工精精度的提提高，对对测量技技术有了了更高的的要求，而而传统的的“比较式式”测量技技术无法法满足这这一要求求。于是是，在119599年，以以研制并并生产数数控机床床为主的的英国FFerrrantti公司司首先提提出了“坐标测测量”这一概概念，在在同年夏夏天于法法国召开开的国际际机床博博览
6、会上上展出了了世界上上第一台台测头可可数字化化移动的的三坐标标测量仪仪，在世世界几 图图1-11何测量领领域引起起了巨大大轰动。从从此以后后的五十十年里，随随着计算算机技术术，电子子技术和和控制技技术的飞飞速发展展，坐标标测量仪仪及其技技术也取取得了日日新月异异的飞跃跃。以德德国的CCarll Zaaisss公司，美美国的BBrowwn&SSharrp公司司和Shhefffielld公司司，意大大利DEEA公司司等为代代表的五五十多家家公司不不断推出出新产品品，在测测量精度度，机械械结构型型式，软软件功能能测量效效率和柔柔性等方方面取得得了质的的飞跃。目目前，现现代三坐坐标测量量仪已发发展为一
7、一种集机机械，光光学，数数控技术术和计算算机技术术为一体体的大型型精密智智能化量量仪，成成为航天天，航空空，船舶舶，汽车车等工业业领域中中检测和和质量控控制中不不可缺少少的大型型万能测测量装备备，主要要实现对对零部件件的几何何尺寸以以及相互互位置的的高精度度测量。三三坐标测测量仪主主要由三三个相互互垂直的的导轨（构构成一个个笛卡尔尔坐标系系），支支撑系统统，测头头，长光光栅传感感器，数数控系统统，计算算机系统统和软件件系统等等组成。在在结构上上，根据据应用领领域对它它的测量量范围，精精度，成成本和效效率的不不同要求求，对三三个导轨轨的放置置位置产产生不同同的配置置方式，目目前常见见的几种种结构
8、型型式有如如下几种种：1. 直线型导导轨结构构 笛笛卡尔坐坐标测量量机采用用三个相相互垂直直的直线线导轨结结构，三三根导轨轨的运动动方向分分别对应应于笛卡卡尔坐标标系中XX、Y、ZZ轴的方方向。在在X、YY、Z方方向上的的运动时时相互独独立的，因因此，侧侧头在空空间的运运动位置置可以直直接由长长光栅传传感器给给出。22.长度度测量基基准 都采用用长光栅栅测量系系统作为为X、YY、Z三三个方向向上的长长度基准准，少数数也有采采用磁棚棚传感器器、感应应同步传传感器和和激光干干涉仪等等。3. 测量精度度高 都采用用无需时时效又易易于加工工的天然然花岗岩岩床身和和支撑系系统，还还有导向向精度高高摩擦力
9、力极小的的气浮导导轨，另另外，近近几年，一一些厂家家采用了了高强度度轻型材材料作为为运动衡衡量和衡衡量上的的运动部部件。对对于计量量型坐标标测量机机测量不不确定度度一般在在（0.5+LL/5000）；对于车车间性测测量不确确定度在在（2.5+LL/2000）；对于大大尺寸坐坐标测量量机测量量不确定定度为（220+LL/500）。这这里，LL是测量量长度，单单位为mmm。4. 测量范围围受直线线导轨结结构的限限制 为扩大大其测量量范围，须须加长各各直线导导轨的长长度，这这必将导导致坐标标测量机机的结构构庞大，占占地面积积大，成成本急剧剧增大，精精度降低低。5. 体积大，笨笨重，不不灵活，不不便于
10、移移动近二二十年来来，大尺尺寸、大大空间的的现成高高精度坐坐标测量量技术一一直是计计量学的的难点之之一。传传统的笛笛卡尔坐坐标测量量机由于于上面提提到的44、5两两点的不不足，使使得再扩扩大难度度增加，特特别是在在制造和和安装现现场使用用受到限限制，必必须寻求求新的解解决办法法，因此此，便携携式的大大量程（几几米到几几十米）三三维测量量系统的的研究和和开发成成为现代代坐标测测量技术术研究的的热点之之一。目前，世世界上各各种结构构形式的的便携式式左边测测量设备备如雨后后春笋般般的发展展起来。其其中，美美国的FFAROO公司研研制开发发的一种种成为“SPAACEAARM”的坐标标测量设设备，在在汽
11、车、飞飞机、航航天等领领域得到到了广泛泛的应用用。 图图1 FFAROO公司的的SpaaceAArm产产品外观观图 如图11所示的的便携式式坐标测测量仪采采用了六六个高精精度光学学编码器器，是一一种新型型的笛卡卡尔坐标标测量系系统，根根据仿生生学原理理，模拟拟人的腰腰关节、肩肩关节、肘肘关节和和腕关节节的结构构，将一一系列杆杆件通过过具有旋旋转导轨轨的杆件件连接起起来，以以角度基基准取代代长度基基准，从从而具有有机械结结构相对对简单、测测量范围围较大、体体积小、可可便携移移动等优优点。可可以较好好的解决决大型的的零件和和整机安安装调试试中的三三维坐标标测量问问题，也也可以解解决虚拟拟设计制制造
12、中的的原型数数据获取取和物理理模拟实实验中的的测量建建模等问问题，有有广泛的的应用前前景和科科学意义义。，目目前，FFAROO公司生生产的产产品，测测量范围围从12200mmm到336000mm，测测量不确确定度00.0225mmm到0.1688mm。该该坐标测测量仪优优点是机机械结构构简单、测测量范围围大、成成本低、体体积小、可可便携。本本次课程程设计的的任务就就是模仿仿FARRO公司司的产品品，进行行六自由由度关节节式坐标标测量仪仪机械结结构设计计，以培培养学生生综合运运用工程程力学和和机械学学的基本本知识进进行机械械结构设设计和分分析的实实践能力力。2、总体体设计六自由度度关节式式坐标测
13、测量仪由由底座、六六个关节节、两个个臂管及及测尖等等部分组组成，测测量仪底底座、关关节外壳壳、臂管管、及其其连接件件均采用用铝合金金材料制制作、各各关节轴轴采用445号钢钢材料制制作。六六自由度度关节式式坐标测测量仪结结构示意意图如右右。本设计要要求测量量范围为为12000mmm，因此此关节22中心线线与关节节4中心心线距离离L1及及关节44中心线线与关节节6中心心线距离离L2之之和应为为6000mm，即即L1+L2=6000mm，本本设计取取L1=L2=3000mm。本设计关关节1、关关节2处处轴外伸伸出轴承承8mmm，空心心轴内径径11mmm、外径115mmm，轴承承均采用用型号为为720
14、02c的的角接触触球轴承承，关节外外壳外径径均为550mmm。为了设计计方便，关关节3、44、5、66处的 图图2-11各部分结结构均采采用相同同的尺寸寸与型号号，空心心轴内径径11mmm，外外径155mm，轴外伸伸出轴承承8mmm，外壳壳外径444mmm，轴承承均采用用型号为为70002c的的角接触触球轴承承。测量仪每每个关节节处均有有一个编编码器，共共六个编编码器，编编码器轴轴与关节节钢轴用用套筒相相连，并并用紧定定螺钉固固定；编编码器外外壳用弹弹性钢片片与关节节外壳相相连。为了平衡衡由于重重力产生生的力矩矩，本设设计在关关节2处处装有扭扭簧，扭扭簧采用用琴钢丝丝材料制制作，簧簧丝直径径为
15、d=5mmm，中径径D=665mmm，圈数数n=77。扭簧簧固定在在两块扭扭簧盖上上，扭簧簧盖分别别固定在在关节22外壳及及轴臂连连接件上上，并使使扭簧具具有一定定的预紧紧力。测量仪测测头处用用测头连连接件将将测头外外壳与关关节6外外壳相连连，测尖尖使用螺螺纹连接接与测头头外壳相相连，测测头处的的按键用用带有螺螺纹的挡挡圈将按按键固定定。另外，为为了保证证安装牢牢固性，本本设计中中M4、MM5的螺螺钉均采采用内六六角螺钉钉，增强强了预紧紧力。3、 关节结构构设计关节部件件是整个个测量仪仪的关键键，它是是一个旋旋转轴系系统，由由轴、轴轴承、外外壳、光光电编码码器、连连轴结、其其他连接接件组成成。
16、3.1 轴结构构的设计计为了便于于电气线线路经过过以及减减轻重量量，提高高灵活度度，轴采采用空心心轴。关节1轴轴的下端端（右端端）与编编码器相相连，因因为受轴轴向与径径向力较较小，用用2个锥锥端紧定定螺钉固固定。左左端轴的的右侧有有一个圆圆盘形突突台，他他与轴承承隔圈配配合使轴轴承没有有轴向移移动，再再往左的的圆盘上上有4个个对称的的螺纹孔孔，它们们与上面面的轴壁壁连接机机构用内内六角圆圆柱头螺螺钉固定定（所有有轴与轴轴壁连接接机构都都用内六六角圆柱柱头螺钉钉）。轴轴的内外外径要保保证0.01mmm的同同轴度，圆圆盘与轴轴外壁保保证0.0055mm的的垂直度度。采用用基孔置配合合H7/h6，如
17、如下图33.1-1。图3.11-13.2 对轴轴强度与与刚度的的校正本设计轴轴的材料料选用455号钢，轴外伸伸出轴承承8mmm，内径径11mmm，外外径155mm。下下面对轴轴分别进进行刚度度与强度度的验证证。3.2.1对关关节1、22 轴进进行刚度度与强度度的校正正（1）刚刚度的校校正 由于两两轴承之之间的距距离远大大于8mmm，所所以可以以将轴视视为悬臂臂梁来计计算。对对轴进行行受力分分析，轴轴主要受受关节336的的重力带带来的压压力及外外力矩FF=M*L的作作用。轴受的压压力等于于关节336的的重力，其其中关节节366的质量量为1、 臂管 材材料：铝铝合金，长长度3000mmm，外径径4
18、4mmm，厚厚度3mmm， 个数22-m1=0.9996kkg2、 轴承 型型号70002cc内径115mmm外径332mmm个数88-mm2=00.0229*88=0.2322 kgg3、 轴 材料：钢，内内径111mm，外外径155mm，长长度800mm，个个数4-m3=0.33kg4、 外壳 材材料：铝铝合金，外外径444mm，内内径322mm，长长度800，个数数4-m4=0.77kg5、 编码器 个数44-m55= 00.4 kg 由上有mm=m11+m22+m33+m44+m55=2.63kkg由于关节节上还有有一些编编码器盖盖、螺钉钉、测头头等结构构，因此此取m=3kgg 所以
19、FF=mgg=300N轴受外力力矩 FF=M*L=220*00.6=12NN*M所以由以以下式：F=200N，LL=0.6m，MM=1.2Nmm M=FFL（11）（2）（3）（4）查参考书书可以知知道E=2066Gpaa；d=15mmm；厚厚度d-=2mmm；ll=8mmm；另另外考虑虑到测量量臂的自自重，由由前面估估算可知知F=330N此时I=；所以 2umm 经经验证符符合要求求。 A G B M （2） 强度的校校正将轴的外外伸端视视为悬臂臂梁来计计算：其其受力如如图Fq=330N Mq=-GL-M=337.66X-112.33 由上式知知，当xx=0时时，Mq最大大此时有有Mq=12
20、.3NMM由 其中d=0.0015mm，dii=0.0111m代入入得=522.3MMPa6000Mpaa=,强强度符合合要求3.2.2 对关节节366 轴进进行刚度度与强度度的校正正由以上知知关节11，2处处用d=11mmm，DD=155mm的的钢轴，轴轴外伸出出轴承88mm，其其在F=20NN作用下下，满足足挠度vv=22um的的要求以以及刚度度要求，关关节3，44，5,6处，我我们同样样用d=11mmm，DD=155mm的的钢轴，轴轴外伸出出轴承88mm，由由于关节节366处M=F*LL及G均均较关节节1,22处小，所所以可以以断定关关节36处轴轴均符合合技术要要求。3.3外外壳的设计计
21、图3.33-1为第二二节轴承承外壳。左左端与编编码器外外壳相连连，右端端与轴连连接件连连接。轴轴壁内440凹槽走走线用。上上端螺纹纹孔用于于连接扭扭簧外壳壳。轴外壳的的两侧与与A面即即外壳外外壁保证证0.001mmm的同轴轴度。图3.33-13.4轴轴承的选选择关节1、22处选择择轴承型型号为772022c的向向心角接接触球轴轴承，其其内径115mmm，外径径35mmm，宽宽度为111mmm。关节36处选选择选择择轴承型型号为770022c的向向心角接接触球轴轴承，其其内径115mmm，外径径32mmm，宽宽度为99mm。3.5 旋转轴轴系与外外购传感感器的连连接测量仪每每个关节节处均有有一个
22、编编码器，共共六个编编码器，编编码器轴轴与关节节钢轴用用联轴器器相连，并并用紧定定螺钉固固定；编编码器外外壳用弹弹性钢片片与关节节外壳相相连，从从而保证证编码器器外壳不不随轴而而转动。其结构如如右图：3.6 对位置置公差的的要求图图3.55-1保证同轴轴度、垂垂直度、平平行度等等位置公公差，以以便整个个测量仪仪的结构构参数准准确，使使设计满满足测量量仪的精精度要求求。 4、 关键结构构件设计计4.1 各关节节连接的的设计各关节的的连接设设计是垂垂直连接接，即需需采用圆圆柱与圆圆柱相贯贯的连接接方式，4.1.1 轴轴臂连接接机构：如图4.1-11所示，此此部位用用一个UU型爪钳钳住轴外外壳，并并
23、用4个个圆周对对称的螺螺钉进行行紧固定定位（图图示与竖竖直线成成20角的通通孔），在在同样用用4个圆圆周对称称的螺钉钉(内六六角圆柱柱头螺钉钉)连接接第一轴轴。U型型爪可以以与轴是是小的间间隙配合合，以保保证安装装的方便便。右面面带螺钉钉通孔的的平面要要与A面面保持垂垂直度00.055mm，大大圆要与与A面保保证0.01垂垂直度。图4.11-14.1.2测头头连接件件机构如图4.1-22所示，测测头连接接件也为为一个UU型爪钳钳住轴外外壳，并用44个圆周周对称的的螺钉进进行紧固固定位（图图示与竖竖直线成成20角的通通孔），在在同样用用4个圆圆周对称称的螺钉钉(内六六角圆柱柱头螺钉钉)连接接第一
24、轴轴。U型型爪可以以与轴是是小的间间隙配合合，以保保证安装装的方便便。右面面带螺钉钉通孔的的平面要要与A面面保持垂垂直度00.055mm，大大圆要与与A面保保证0.01垂垂直度。 图4.1-224.2 力平衡衡装置的的设计为了平衡衡由于重重力产生生的力矩矩，本设设计在关关节2处处装有扭扭簧，扭扭簧采用用琴钢丝丝材料制制作，簧簧丝直径径为d=5mmm，中径径D=665mmm，圈数数n=77。扭簧簧固定在在两块扭扭簧盖上上，扭簧簧盖分别别固定在在关节22外壳及及轴臂连连接件上上，并使使扭簧具具有一定定的预紧紧力。扭扭簧结构构及安装装图如下下： 图4.2-11扭簧的校校正：（1） 螺旋扭转转弹簧的的
25、结构型型式：单单臂弯曲曲扭转弹弹簧。（2）扭扭簧材为料琴钢钢丝G11组。查查材料手手册得，弹弹性模量量E=1196*1033Mpaa,剪应应力=114222-16679MMpa,选定其其为16679MMPa。（3）按按载荷条条件和适适用范围围选择类载荷荷，所以以剪应力力为8440 MMpa。（4）计计算工件件使用时时的最大大转矩为为：T=G.L=99,其中中G=330N.MM,L=0.33M；（5） 设计簧丝丝直径dd=5mmm，由由扭簧转转矩与转转角特性性曲线与与工件转转矩与转转角特性性曲线设设定两条条曲线的的交点为为：工件件转角为为10和1220时的两两点。所所以预紧紧力T00=1.939
26、99N.M，TTmaxx=9.6955N.MM。图如如下： 图4.2-22（6）理理论簧丝丝直径dd的计算算：d3=110.33*K*T/剪剪应力，其其中K=1，TT=9.6955N.MM，剪应应力=8840 Mpaa；d=4.9mmm,与设设计值基基本相等等。（7）结结构设计计的中径径D=665mmm,旋绕绕比C=13,大径DD1=700mm,小径DD2=600mm.（8）扭扭簧的刚刚度计算算KT=700.5NN.mmm。（9）扭扭簧圈数数n的设设计：由公式其中a=1200,E=1966*1003Mpaa, dd=5mmm, Tmaax=99.6995N.M, D1=700mm。带入数值值计
27、算的的n=7.3 圈,取取 nn=7.5圈。（10）扭簧刚刚度校核核：由公式KKT=E*I/1180*D*nn=688.522N.mmm.符符合设计计值。（11）扭簧的的转角228-1441。4.3 测头头处联结结及其按按键的设设计测量仪测测头处用用测头连连接件将将测头外外壳与关关节6外外壳相连连，测尖尖使用螺螺纹连接接与测头头外壳相相连，测测头处的的按键用用带有螺螺纹的挡挡圈将按按键固定定。如图图： 图图4.33-15、 装配要求求1、轴，轴轴承，连连接器，外外套筒紧紧密连接接。2、各关关节处转转动灵活活，无明明显阻力力。3、测量量范围：12000mmm4、轴和和轴承的的安装：将大挡挡圈与轴
28、轴的外壳壳紧定，放放入轴承承隔圈，轴轴，将小小挡圈与与轴拧紧紧，最后后用顶尖尖连接周周与编码码器。5、扭簧簧的安装装：将扭扭簧放在在扭簧盖盖内固定定，再将将其套在在关节22上，用用螺钉将将其固定定。预紧紧扭矩11.944 N.m， 最大扭扭矩9.7N.m。6、底座座连接的的板子要要与第一一周外壳壳保证00.011mm的的垂直度度。7、角接接触球轴轴承采用用了“背靠背背”安装方方式，并并采用预预紧安装装的方法法，保证证了旋转转副的刚刚度和旋旋转精度度;6、 总结6.1存存在的问问题及解解决方法法（1） 扭簧不能能满足手手臂在空空间任意意一点保保持力平平衡，这这是因为为扭簧力力矩不是是线性的的。解决决方法：在危险险的位置置（角度度）加制制动装置置。（2） 装配图中中M2的的螺钉由由于太小小，表达达不太清清晰准确确，应尽尽量选择择直径大大一点的的螺钉，这这样不仅仅便于画画图，还还可以增增加固定定强度。6.2 心得体体会7、 参考文献献精密机机械学基基础-科学学出版社社“机械械学基础础”综合训训练图册册-科学学出版社社轴承手手册新编紧紧固件手手册