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1、指导老师指导老师:王洪喜王洪喜 梁文宏梁文宏汇报学生汇报学生:龙龙 耀耀报告时间报告时间:201:2019 9.7 7.1717基于膜片导轨的三维扫描测头基于膜片导轨的三维扫描测头机械系统设计及优化机械系统设计及优化4 研究背景及意义研究背景及意义研究背景及意义研究背景及意义已完成内容及阶段性成果已完成内容及阶段性成果已完成内容及阶段性成果已完成内容及阶段性成果123待解决问题及措施待解决问题及措施待解决问题及措施待解决问题及措施 后期后期后期后期工作计划和研究内容工作计划和研究内容工作计划和研究内容工作计划和研究内容5目录目录 论文工作进展情况论文工作进展情况论文工作进展情况论文工作进展情况
2、1.1.研究背景及意义研究背景及意义 通过查阅国内外有关通过查阅国内外有关三维扫描测头三维扫描测头文献，文献，了解到目前世界上已产品化的三维扫描测头中，了解到目前世界上已产品化的三维扫描测头中，导向机构导向机构基本采用了基本采用了平行簧片机构和柔性铰链平行簧片机构和柔性铰链机构机构，它们都存在，它们都存在机械耦合误差机械耦合误差，从而对测头，从而对测头系统的测量精度产生系统的测量精度产生不利影响不利影响。因此，本课题研究、设计因此，本课题研究、设计从原理上消除机械从原理上消除机械耦合误差耦合误差的柔性导向机构，并开展的柔性导向机构，并开展三维解耦型三维解耦型扫描测头扫描测头机械结构设计，以此来
3、提高测头系统机械结构设计，以此来提高测头系统的测量精度。的测量精度。图图a.a.柔性铰链柔性铰链 、平行簧片、平行簧片图图b.b.机械耦合误差（余弦误差）机械耦合误差（余弦误差）2.2.论文工作进展情况论文工作进展情况1 1342 已完成内容已完成内容3.3.已完成内容及阶段性成果已完成内容及阶段性成果3.1 3.1 膜片膜片导向机构刚度导向机构刚度分析计算分析计算3.2 3.2 膜片导向机构膜片导向机构的结构参数优化的结构参数优化3.3 3.3 三维扫描测头机械结构设计三维扫描测头机械结构设计3.4 3.4 三维扫描测头机械三维扫描测头机械系统误差分析系统误差分析3.1 3.1 膜片膜片导向
4、机构刚度导向机构刚度分析计算分析计算螺旋槽型螺旋槽型膜片导向机构膜片导向机构3.3.已完成内容及阶段性成果已完成内容及阶段性成果1 1陈楠.大冷量斯特林制冷机用动磁式直线压缩机关键部件及整机性能研究D.上海交通大学,2007.（博士论文）2 23.1 3.1 膜片膜片导向机构刚度导向机构刚度分析计算分析计算正交正交直线臂直线臂膜片导向机构膜片导向机构3.3.已完成内容及阶段性成果已完成内容及阶段性成果33.1 3.1 膜片膜片导向机构刚度导向机构刚度分析计算分析计算折叠梁型折叠梁型膜片导向机构膜片导向机构3.3.已完成内容及阶段性成果已完成内容及阶段性成果3.1 3.1 膜片膜片导向机构刚度导
5、向机构刚度分析计算分析计算弧形槽弧形槽结构膜片导向机构结构膜片导向机构3.3.已完成内容及阶段性成果已完成内容及阶段性成果4 4n=3,n=4,n=5,3.1 3.1 膜片膜片导向机构刚度导向机构刚度分析计算分析计算3.3.已完成内容及阶段性成果已完成内容及阶段性成果弧形槽弧形槽膜片理论轴向刚度膜片理论轴向刚度随随弧形槽层数及角度弧形槽层数及角度变化曲面图变化曲面图3.1 3.1 膜片膜片导向机构刚度导向机构刚度分析计算分析计算3.3.已完成内容及阶段性成果已完成内容及阶段性成果弧形槽弧形槽膜片弹簧结构参数膜片弹簧结构参数理论计算理论计算刚度刚度有限元分有限元分析刚度析刚度相对相对误差误差弧形
6、槽层数弧形槽层数n膜片厚度t/mm弧形槽跨度角/弧形槽宽度b/mm30.11202851.1798.46.2%135501.9490.82.2%150310.08316.42.1%40.11202578.9560.23.2%135311.8310.60.4%150179.4180.80.8%50.11201.4421.9409.82.9%135209.8209.20.3%150115.3113.31.7%0.21203333.33252.02.5%1351666.71632.72.1%150919.5892.93.0%有限元方法验证有限元方法验证3.1 3.1 膜片膜片导向机构刚度导向机构刚度
7、分析计算分析计算3.3.已完成内容及阶段性成果已完成内容及阶段性成果轴向刚度测试装置（弹簧拉压仪）轴向刚度实验值与理论计算值对比图结论：轴向刚度实验值与有限元分析值误差小于10%。实验验证实验验证3.2 3.2 膜片导向机构膜片导向机构结构参数优化结构参数优化优化对象：优化对象：四种膜片导向机构（外径、中心圆孔径、切割起始圆直径、切割终止圆直径均相同）(a)(a)螺旋槽螺旋槽型型 (b)(b)正交直线臂型正交直线臂型 (c)(c)折叠梁型折叠梁型 (d)(d)弧形槽型弧形槽型3.3.已完成内容及阶段性成果已完成内容及阶段性成果径向刚度无法用理论计算，故借助有限元软件进行分析。膜片导向机构膜片导
8、向机构3.2 3.2 膜片导向机构膜片导向机构结构参数优化结构参数优化3.3.已完成内容及阶段性成果已完成内容及阶段性成果膜片轴向变形图 膜片径向变形图膜片应力分布云图3.2 3.2 膜片导向机构膜片导向机构结构参数优化结构参数优化3.3.已完成内容及阶段性成果已完成内容及阶段性成果四种膜片结构参数优化结果（四种膜片结构参数优化结果（轴向位移为0mm时的刚度比曲线）(a)(a)正交臂长度与刚度比之间的关系正交臂长度与刚度比之间的关系正交直线臂型正交直线臂型 (b)(b)折叠梁折叠梁长度与刚度比之间的关系长度与刚度比之间的关系折叠梁型折叠梁型3.2 3.2 膜片导向机构膜片导向机构结构参数优化结
9、构参数优化3.3.已完成内容及阶段性成果已完成内容及阶段性成果四种膜片结构参数优化结果（四种膜片结构参数优化结果（轴向位移为0mm时的刚度比曲线）（c c）涡涡旋槽宽度旋槽宽度与与刚度比之间的关系刚度比之间的关系涡旋线型涡旋线型 (d)(d)弧形槽弧形槽跨度角跨度角与刚度比与刚度比之间的关系之间的关系弧形槽型弧形槽型3.2 3.2 膜片导向机构膜片导向机构结构参数优化结构参数优化3.3.已完成内容及阶段性成果已完成内容及阶段性成果四种膜片分析结果对比四种膜片分析结果对比结构结构径轴向径轴向刚度比刚度比旋转变形旋转变形正交直线臂型膜片正交直线臂型膜片结构复杂、加工困难径轴向刚度比最小400无旋转
10、变形折叠梁型膜片折叠梁型膜片结构复杂、加工困难径轴向刚度比次小2500无旋转变形涡旋涡旋槽槽型膜片型膜片结构简单、加工方便径轴向刚度比次大3200在工作过程中，易产生较大的旋转变形弧形槽型膜片弧形槽型膜片结构简单、结构简单、加工方便加工方便径轴向刚度比径轴向刚度比最大最大52005200无无旋转变形旋转变形3.2 3.2 膜片导向机构膜片导向机构结构参数优化结构参数优化3.3.已完成内容及阶段性成果已完成内容及阶段性成果膜片物理结构示意图膜片物理结构示意图结结构构尺尺寸寸：膜片的外径D1设定为40mm，中心圆孔径D2设定为6mm，切割区域起始位置直径D3为12mm，切割区域终止位置直径D4为3
11、2mm，轴向加载区直径D5为8mm。膜片导轨的材料选择为常用的304不锈钢，其力学性能为：弹性模量为194GPa，泊松比为0.3，密度为7.93g/cm，屈服强度为205MPa，抗拉强度为520MPa。弧形槽弧形槽膜片结构参数膜片结构参数优化优化3.2 3.2 膜片导向机构膜片导向机构结构参数优化结构参数优化3.3.已完成内容及阶段性成果已完成内容及阶段性成果径向刚度径向刚度随轴向位移随轴向位移变化曲线变化曲线 由曲线可知膜片导轨径向刚度存在刚刚度弱化现象度弱化现象，故需要分析膜片导轨在轴向最大行程1mm时对应的径向刚度。弧形槽弧形槽膜片结构参数膜片结构参数优化优化3.2 3.2 膜片导向机构
12、膜片导向机构结构参数优化结构参数优化3.3.已完成内容及阶段性成果已完成内容及阶段性成果弧形槽弧形槽膜片结构参数膜片结构参数优化优化（轴向位移为1mm时的刚度比曲线）(a)(a)刚度比随跨度角变化曲线刚度比随跨度角变化曲线(b)(b)刚度比随槽宽变化曲线刚度比随槽宽变化曲线3.2 3.2 膜片导向机构膜片导向机构结构参数优化结构参数优化3.3.已完成内容及阶段性成果已完成内容及阶段性成果弧形槽弧形槽膜片结构参数膜片结构参数优化优化（轴向位移为1mm时的刚度比曲线）(c)(c)刚度比随导轨厚度变化曲线刚度比随导轨厚度变化曲线 (d)(d)最大应力随弧形槽端孔径变化曲线最大应力随弧形槽端孔径变化曲
13、线3.2 3.2 膜片导向机构膜片导向机构结构参数优化结构参数优化3.3.已完成内容及阶段性成果已完成内容及阶段性成果弧形槽弧形槽膜片结构参数膜片结构参数优化优化膜片膜片径径轴向刚度轴向刚度之比随之比随弧形槽层数及角度弧形槽层数及角度变化变化关系关系图图3.2 3.2 膜片导向机构膜片导向机构结构参数优化结构参数优化3.3.已完成内容及阶段性成果已完成内容及阶段性成果弧形槽弧形槽膜片结构参数膜片结构参数优化优化3.3 3.3 三维扫描测头三维扫描测头系统系统机械结构设计机械结构设计3.3.已完成内容及阶段性成果已完成内容及阶段性成果方方案案设设计计：采采用用三三组组相相互互垂垂直直安安装装的的
14、膜膜片片作作为为测测头头的的导导向向机机构构，构构成成三三个个相相对对独独立立的的运运动动单单元元，每每个个运运动动单单元元中中安安装装有有一一个个电电感感传传感感器器，用用于于测测量量该方向的位移。该方向的位移。测头机械结构方案图测头机械结构方案图3.3 3.3 三维扫描测头三维扫描测头系统系统机械结构设计机械结构设计3.3.已完成内容及阶段性成果已完成内容及阶段性成果构构型型设设计计：在在满满足足测测头头整整体体平平衡衡以以及及便便于于加加工工、安安装装、调调试试等等要要求求下下，采采用用串串联联式式嵌嵌套套结结构构布布局局，使使测测头头在在三三个个测测量量方方向向上上实现解耦。实现解耦。
15、测头机械结构三维模型测头机械结构三维模型3.4 3.4 三维扫描测头机械系统误差分析三维扫描测头机械系统误差分析3.3.已完成内容及阶段性成果已完成内容及阶段性成果径向误差分析径向误差分析3.3.已完成内容及阶段性成果已完成内容及阶段性成果计算出和导向机构运动示意图导向机构运动示意图导向机构受力分析图导向机构受力分析图3.4 3.4 三维扫描测头机械系统误差分析三维扫描测头机械系统误差分析计算出 1和 2已完成的学术成果已完成的学术成果1 12发明专利发明专利：一种三维解耦型扫描测头一种三维解耦型扫描测头（已受理已受理）论文：一种膜片导轨的力学特性分析论文：一种膜片导轨的力学特性分析（已收录）
16、（已收录）论文：预应力薄壁圆筒的力学特性分析论文：预应力薄壁圆筒的力学特性分析（已收录）（已收录）论文：论文：弧形槽膜片弹簧刚度计算及有限元分析弧形槽膜片弹簧刚度计算及有限元分析（准备投稿）（准备投稿）33.3.已完成内容及阶段性成果已完成内容及阶段性成果44.4.待解决问题及措施待解决问题及措施（1 1）减小三维扫描测头的）减小三维扫描测头的动态误差，降低测头在快速测量时的动态误差，降低测头在快速测量时的随机振随机振 动，提高测头系统的稳定性动，提高测头系统的稳定性 通过对两层膜片之间加弹性橡胶片，增加三维扫描测头运动方向的阻尼，使测头系统的随机振动降低，稳定性提高。（2 2）三维扫描测头有
17、限元仿真分析）三维扫描测头有限元仿真分析 利用Solidworks建立三维扫描测头的三维几何模型，并将其导入 AnsysWorkbench中对测头进行整体模态分析以及对测头的关键部件进行静态特性分析。5.5.后期工作计划及研究内容后期工作计划及研究内容2019.072019.08完成测头二维图绘制；完成测头二维图绘制；2019.092019.10研究研究三维扫描测头系统三维扫描测头系统的动态误差的动态误差,提出提出 减小系统随机振动的措施；减小系统随机振动的措施；2019.112019.12完成三维扫描测头有限元仿真分析；完成三维扫描测头有限元仿真分析；2020.012020.02撰写毕业论文，准备毕业答辩。撰写毕业论文，准备毕业答辩。中期报告汇报结束，谢谢！中期报告汇报结束，谢谢！中期报告汇报结束，谢谢！中期报告汇报结束，谢谢！