精密機(jī)械學(xué)基礎(chǔ)課程設(shè)計

1、Harbin Institute of Technology課程設(shè)計說明書（論文）課程名稱： 精密機(jī)械學(xué)基礎(chǔ)課程設(shè)計 設(shè)計題目：六自由度多關(guān)節(jié)坐標(biāo)測量儀 院 系： 航天學(xué)院控制科學(xué)與工程系 班 級： 設(shè) 計 者： 學(xué) 號： 指導(dǎo)教師： 設(shè)計時間： 2011.1.10至2011.1.21 哈爾濱工業(yè)大學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)課程設(shè)計任務(wù)書 姓 名： 院 （系）：航天學(xué)院控制科學(xué)與工程系 專 業(yè)： 班 號： 任務(wù)起至日期： 2011年 01月 10日至 2011年 01月 21日 課程設(shè)計題目：六自由度多關(guān)節(jié)坐標(biāo)測量儀機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計 已知技術(shù)參數(shù)和設(shè)計要求：l 空間測量范圍：1200mml 分辨力：0.01

2、mml 點(diǎn)坐標(biāo)重復(fù)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(nèi)部“走線”l 整臺儀器輕便、靈活 工作量：l 計算關(guān)鍵零件的結(jié)構(gòu)尺寸，并驗(yàn)證其強(qiáng)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(guān)鍵零件圖（3號/4號圖紙4張）l 課程設(shè)計說明書1份（8000字） 工作計劃安排： 11.01.10 上課，安排課程設(shè)計內(nèi)容，準(zhǔn)備制圖工具（尺、圖板等）11.01.1101.12 總體設(shè)計，理論計算，繪制草圖，檢查進(jìn)展情況11.01.1301.17 繪制總裝配圖，進(jìn)度檢查

3、，檢查總裝配圖11.01.1801.19 關(guān)鍵零件圖設(shè)計，并檢查11.01.2001.20 編寫課程設(shè)計說明書11.01.21 答辯，最終檢查（所有圖紙、設(shè)計說明書） 指導(dǎo)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(shè)計3、關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計3.1 軸結(jié)構(gòu)的選擇3.2 對軸強(qiáng)度與剛度的校正3.2.1對關(guān)節(jié)1、2 軸進(jìn)行剛度與強(qiáng)度的校正3.2.2 對關(guān)節(jié)36 軸進(jìn)行剛度與強(qiáng)度的校正3.3外殼的設(shè)計3.4軸承的選擇3.5 旋轉(zhuǎn)軸系與外購傳感器的連接3.6 對位置公差的要求4、關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件設(shè)計4.1 各關(guān)節(jié)連接的設(shè)計4.1.1 軸臂連接機(jī)構(gòu)4.1.2測頭連

4、接件機(jī)構(gòu)4.2 力平衡裝置的設(shè)計4.3 測頭處聯(lián)結(jié)及其按鍵的設(shè)計5、裝配要求6、總結(jié)6.1存在的問題及解決方法6.2 心得體會7、參考文獻(xiàn)1、 概述坐標(biāo)測量技術(shù)是隨著數(shù)控加工技術(shù)的興起而發(fā)展起來的一種新型“模型化測量技術(shù)”。在五十年代中期，隨著電子技術(shù)的發(fā)展和計算機(jī)技術(shù)的出現(xiàn)，一種高精度，高效率和高柔韌性的機(jī)械數(shù)控加工設(shè)備被研制和生產(chǎn)出來，并受到機(jī)械制造業(yè)者的廣泛注意，和快在許多機(jī)械制造業(yè)領(lǐng)域得到應(yīng)用。同時，由于生產(chǎn)效率和加工精度的提高，對測量技術(shù)有了更高的要求，而傳統(tǒng)的“比較式”測量技術(shù)無法滿足這一要求。于是，在1959年，以研制并生產(chǎn)數(shù)控機(jī)床為主的英國Ferranti公司首先提出了“坐標(biāo)測

5、量”這一概念，在同年夏天于法國召開的國際機(jī)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(biāo)測量儀，在世界幾 圖1-1何測量領(lǐng)域引起了巨大轟動。從此以后的五十年里，隨著計算機(jī)技術(shù)，電子技術(shù)和控制技術(shù)的飛速發(fā)展，坐標(biāo)測量儀及其技術(shù)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(jī)械結(jié)構(gòu)型式，軟件功能測量效率和柔性等方面取得了質(zhì)的飛躍。目前，現(xiàn)代三坐標(biāo)測量儀已發(fā)展為一種集機(jī)械，光學(xué)，數(shù)控技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)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(lǐng)

6、域中檢測和質(zhì)量控制中不可缺少的大型萬能測量裝備，主要實(shí)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(biāo)測量儀主要由三個相互垂直的導(dǎo)軌（構(gòu)成一個笛卡爾坐標(biāo)系），支撐系統(tǒng)，測頭，長光柵傳感器，數(shù)控系統(tǒng)，計算機(jī)系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)等組成。在結(jié)構(gòu)上，根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域?qū)λ臏y量范圍，精度，成本和效率的不同要求，對三個導(dǎo)軌的放置位置產(chǎn)生不同的配置方式，目前常見的幾種結(jié)構(gòu)型式有如下幾種：1. 直線型導(dǎo)軌結(jié)構(gòu) 笛卡爾坐標(biāo)測量機(jī)采用三個相互垂直的直線導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)，三根導(dǎo)軌的運(yùn)動方向分別對應(yīng)于笛卡爾坐標(biāo)系中X、Y、Z軸的方向。在X、Y、Z方向上的運(yùn)動時相互獨(dú)立的，因此，側(cè)頭在空間的運(yùn)動位置可以直接由長光柵傳感器給出。2.長

7、度測量基準(zhǔn) 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(zhǔn)，少數(shù)也有采用磁棚傳感器、感應(yīng)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(dǎo)向精度高摩擦力極小的氣浮導(dǎo)軌，另外，近幾年，一些廠家采用了高強(qiáng)度輕型材料作為運(yùn)動衡量和衡量上的運(yùn)動部件。對于計量型坐標(biāo)測量機(jī)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(biāo)測量機(jī)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(dǎo)軌結(jié)構(gòu)的限制 為擴(kuò)大其測量范圍，須加長各直線導(dǎo)軌的長度，這必將導(dǎo)致坐標(biāo)測量機(jī)的結(jié)

8、構(gòu)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(biāo)測量技術(shù)一直是計量學(xué)的難點(diǎn)之一。傳統(tǒng)的笛卡爾坐標(biāo)測量機(jī)由于上面提到的4、5兩點(diǎn)的不足，使得再擴(kuò)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(biāo)測量技術(shù)研究的熱點(diǎn)之一。目前，世界上各種結(jié)構(gòu)形式的便攜式左邊測量設(shè)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(biāo)測量設(shè)備，在汽車、飛機(jī)、航天等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。 圖1 FARO公司的Spa

9、ceArm產(chǎn)品外觀圖 如圖1所示的便攜式坐標(biāo)測量儀采用了六個高精度光學(xué)編碼器，是一種新型的笛卡爾坐標(biāo)測量系統(tǒng)，根據(jù)仿生學(xué)原理，模擬人的腰關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)，將一系列桿件通過具有旋轉(zhuǎn)導(dǎo)軌的桿件連接起來，以角度基準(zhǔn)取代長度基準(zhǔn)，從而具有機(jī)械結(jié)構(gòu)相對簡單、測量范圍較大、體積小、可便攜移動等優(yōu)點(diǎn)?？梢暂^好的解決大型的零件和整機(jī)安裝調(diào)試中的三維坐標(biāo)測量問題，也可以解決虛擬設(shè)計制造中的原型數(shù)據(jù)獲取和物理模擬實(shí)驗(yàn)中的測量建模等問題，有廣泛的應(yīng)用前景和科學(xué)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(biāo)測量儀優(yōu)點(diǎn)是機(jī)

10、械結(jié)構(gòu)簡單、測量范圍大、成本低、體積小、可便攜。本次課程設(shè)計的任務(wù)就是模仿FARO公司的產(chǎn)品，進(jìn)行六自由度關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測量儀機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計，以培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用工程力學(xué)和機(jī)械學(xué)的基本知識進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計和分析的實(shí)踐能力。2、總體設(shè)計六自由度關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測量儀由底座、六個關(guān)節(jié)、兩個臂管及測尖等部分組成，測量儀底座、關(guān)節(jié)外殼、臂管、及其連接件均采用鋁合金材料制作、各關(guān)節(jié)軸采用45號鋼材料制作。六自由度關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測量儀結(jié)構(gòu)示意圖如右。本設(shè)計要求測量范圍為1200mm，因此關(guān)節(jié)2中心線與關(guān)節(jié)4中心線距離L1及關(guān)節(jié)4中心線與關(guān)節(jié)6中心線距離L2之和應(yīng)為600mm，即L1+L2=600mm，本設(shè)計取L1=L2=3

11、00mm。本設(shè)計關(guān)節(jié)1、關(guān)節(jié)2處軸外伸出軸承8mm，空心軸內(nèi)徑11mm、外徑15mm，軸承均采用型號為7202c的角接觸球軸承，關(guān)節(jié)外殼外徑均為50mm。為了設(shè)計方便，關(guān)節(jié)3、4、5、6處的 圖2-1各部分結(jié)構(gòu)均采用相同的尺寸與型號，空心軸內(nèi)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(guān)節(jié)處均有一個編碼器，共六個編碼器，編碼器軸與關(guān)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(guān)節(jié)外殼相連。為了平衡由于重力產(chǎn)生的力矩，本設(shè)計在關(guān)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)

12、n=7。扭簧固定在兩塊扭簧蓋上，扭簧蓋分別固定在關(guān)節(jié)2外殼及軸臂連接件上，并使扭簧具有一定的預(yù)緊力。測量儀測頭處用測頭連接件將測頭外殼與關(guān)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(shè)計中M4、M5的螺釘均采用內(nèi)六角螺釘，增強(qiáng)了預(yù)緊力。3、 關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計關(guān)節(jié)部件是整個測量儀的關(guān)鍵，它是一個旋轉(zhuǎn)軸系統(tǒng)，由軸、軸承、外殼、光電編碼器、連軸結(jié)、其他連接件組成。3.1 軸結(jié)構(gòu)的設(shè)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(guān)節(jié)1軸的下端（右端）與編碼器相連，因?yàn)槭茌S向與徑向力較小，用2個錐端緊定螺釘固定。左端軸的右

13、側(cè)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(jī)構(gòu)用內(nèi)六角圓柱頭螺釘固定（所有軸與軸壁連接機(jī)構(gòu)都用內(nèi)六角圓柱頭螺釘）。軸的內(nèi)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(qiáng)度與剛度的校正本設(shè)計軸的材料選用45號鋼，軸外伸出軸承8mm，內(nèi)徑11mm，外徑15mm。下面對軸分別進(jìn)行剛度與強(qiáng)度的驗(yàn)證。3.2.1對關(guān)節(jié)1、2 軸進(jìn)行剛度與強(qiáng)度的校正（1）剛度的校正 由于兩軸承之間的距離遠(yuǎn)大于8mm，所以可以將軸視為懸臂梁來計算。對軸進(jìn)行受力分析，

14、軸主要受關(guān)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(guān)節(jié)36的重力，其中關(guān)節(jié)36的質(zhì)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(nèi)徑15mm外徑32mm個數(shù)8-m2=0.029*8=0.232 kg3、 軸 材料：鋼，內(nèi)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(nèi)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(guān)節(jié)上還有一些編碼器蓋、

15、螺釘、測頭等結(jié)構(gòu)，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(yàn)證符合要求。 A G B M （2） 強(qiáng)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(dāng)x=0時，Mq最大此時有Mq=12.3NM由 其中d=0.015m，di=0.011m代入得

16、=52.3MPa600Mpa=,強(qiáng)度符合要求3.2.2 對關(guān)節(jié)36 軸進(jìn)行剛度與強(qiáng)度的校正由以上知關(guān)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(guān)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(guān)節(jié)36處M=F*L及G均較關(guān)節(jié)1,2處小，所以可以斷定關(guān)節(jié)36處軸均符合技術(shù)要求。3.3外殼的設(shè)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(nèi)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(cè)與A面即外殼外壁保證0.01mm的同軸度。圖3.3

17、-13.4軸承的選擇關(guān)節(jié)1、2處選擇軸承型號為7202c的向心角接觸球軸承，其內(nèi)徑15mm，外徑35mm，寬度為11mm。關(guān)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(nèi)徑15mm，外徑32mm，寬度為9mm。3.5 旋轉(zhuǎn)軸系與外購傳感器的連接測量儀每個關(guān)節(jié)處均有一個編碼器，共六個編碼器，編碼器軸與關(guān)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(guān)節(jié)外殼相連，從而保證編碼器外殼不隨軸而轉(zhuǎn)動。其結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)參數(shù)準(zhǔn)確，使設(shè)計滿足測量儀的精度要求。 4、 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件設(shè)計4.1

18、各關(guān)節(jié)連接的設(shè)計各關(guān)節(jié)的連接設(shè)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(jī)構(gòu)：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(jìn)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(nèi)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(jī)構(gòu)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(jìn)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(nèi)六

19、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(shè)計為了平衡由于重力產(chǎn)生的力矩，本設(shè)計在關(guān)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(guān)節(jié)2外殼及軸臂連接件上，并使扭簧具有一定的預(yù)緊力。扭簧結(jié)構(gòu)及安裝圖如下： 圖4.2-1扭簧的校正：（1） 螺旋扭轉(zhuǎn)彈簧的結(jié)構(gòu)型式：單臂彎曲扭轉(zhuǎn)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(yīng)

20、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(yīng)力為840 Mpa。（4）計算工件使用時的最大轉(zhuǎn)矩為：T=G.L=9,其中G=30N.M,L=0.3M；（5） 設(shè)計簧絲直徑d=5mm，由扭簧轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)角特性曲線與工件轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)角特性曲線設(shè)定兩條曲線的交點(diǎn)為：工件轉(zhuǎn)角為10和120時的兩點(diǎn)。所以預(yù)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(yīng)力，其中K=1，T=9.695N.M，剪應(yīng)力=840 Mpa；d=4.9mm,與設(shè)計值基本相等。（7）結(jié)構(gòu)設(shè)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(shè)計：由