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文檔簡介
1、哈爾濱工業(yè)大學課程設(shè)計說明書(論文)Harbin Institute of Technology課程設(shè)計說明書(論文)課程名稱:機械學基礎(chǔ) 設(shè)計題目:六自由度多關(guān)節(jié)坐標測量儀 院 系:電氣工程及其自動化 班 級:1206102 設(shè) 計 者:孫赫 學 號:1120610212 指導教師:郭玉波 設(shè)計時間:2014/6/232014/7/6 哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學課程設(shè)計任務(wù)書 姓 名:孫赫 院 (系):電氣學院 專 業(yè):電氣工程及其自動化 班 號:1206102 任務(wù)起至日期: 2014年 06月 23日至 2014年 07月 06日 課程設(shè)計題目:六自由度多關(guān)節(jié)坐標測量儀機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 已
2、知技術(shù)參數(shù)和設(shè)計要求:l 空間測量范圍:1200mml 分辨力:0.01mml 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(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(guān)鍵零件圖(3號圖紙4張)l 課程設(shè)計說明書1份(10000字) 工作計劃安排:2014/6/23 下午:上課,安排課程設(shè)計內(nèi)容,準備制圖工具(丁字尺、圖板等),查閱資料;晚上:總體設(shè)計、理論計算;20
3、14/6/24 總體設(shè)計、理論計算;2014/6/25 總體設(shè)計、理論計算;2014/6/27、28、29、30、7/1繪制總裝配圖;2014/7/2、3上午: 檢查總裝配圖,簽字;繪制零件圖; 3下午: 零件圖簽字;2014/7/4、5 全天、6上午:編寫設(shè)計說明書;2014/7/6 下午:答辯、檢查所有圖紙、設(shè)計說明書。 同組設(shè)計者及分工: 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3哈爾濱工業(yè)大學課程設(shè)計說明書(論文)目 錄一 概述 1.背景介紹62.特點6二 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 81.總體設(shè)計82.關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計93.編碼器的選擇9三 關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)及其設(shè)計101.軸
4、結(jié)構(gòu)的設(shè)計102.扭簧的校正16四 結(jié)構(gòu)工藝及技術(shù)要求181.裝配要求182.加工工藝要求19五 總結(jié)19六 參考文獻20一、 概述1.背景介紹坐標測量技術(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)”。在二十世紀五十年代中期,隨著電子技術(shù)的發(fā)展和計算機技術(shù)的出現(xiàn),一種高精度、高效率和高柔性的機械數(shù)控加工設(shè)備被研制和生產(chǎn)出來,并受到機械設(shè)計制造業(yè)者的廣泛注意,很快在很多機械制造領(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)提出了更高的要求,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)控機床為主的英國公司首先提出坐標測量這一概念,在同年夏
5、天在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,在世界幾何量測量領(lǐng)域引起了巨大震動。從此以后的五十年里,隨著計算機技術(shù)、電子技術(shù)和控制技術(shù)的不斷進步,坐標測量機及其技術(shù)也取得了日新月異的飛速發(fā)展。不斷推出的新產(chǎn)品,在測量精度、機械結(jié)構(gòu)形式、軟件功能和柔性等方面取得了質(zhì)的飛躍目前,現(xiàn)代三坐標測量機已發(fā)展為一種集機械、光學、數(shù)控技術(shù)和計算機技術(shù)為一體的大型精密智能化測量儀,成為航天、航空、船舶、汽車等工業(yè)領(lǐng)域中檢測盒質(zhì)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。2.特點傳統(tǒng)的三坐標測量儀主要由三個相互垂直的導軌(構(gòu)成一個笛
6、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。常見的結(jié)構(gòu)形式有移動橋式、懸壁式等。三坐標測量儀的主要特點如下:1) 直線型導軌結(jié)構(gòu) 笛卡爾坐標測量機采用三個互相垂直的直線導軌結(jié)構(gòu),三根導軌的運動方向分別對應(yīng)于笛卡爾坐標系中X,Y,Z軸的方向在X,Y,Z方向上的運動是相互獨立的,因此,測頭在空間的運動位置(坐標值)可以直接由長光柵傳感器給出。2) 長度測量基準 大部分都采用長光柵測量系統(tǒng)作為X、Y、Z軸的方向上的長度基準, 少數(shù)也有采用磁柵傳感器、感應(yīng)同步器和激光干涉儀等。3) 測量精度高 不確定度可達到級。4) 測量范圍受直線導軌結(jié)構(gòu)的限制 為擴大其測量范圍
7、,須加長各直線導軌的長度,這必然導致坐標測量機構(gòu)的結(jié)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、不便于移動由于上面提到的4、5兩點不足,傳統(tǒng)的笛卡爾坐標測量儀再擴大量程已十分困難,必須尋求新的解決途徑,因此,便攜式的大量程三維測量系統(tǒng)的研究和開發(fā)成為現(xiàn)代測量技術(shù)的研究熱點之一。其中,美國FARO公司研制開發(fā)的坐標測量設(shè)備在汽車、飛機、航天等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。FARO公司的典型產(chǎn)品如圖1所示。圖 1 坐標測量儀 二、 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計1. 總體設(shè)計1) 由測量范圍要求1200,可確定測量臂長度+=600,取=300,含軸部分估為120,按實心硬鋁合金計算,測頭初擾動力F按
8、2kg計算,查詢45號鋼彈性模量E=200GN/。2) 旋轉(zhuǎn)軸系的配置:用簧片將編碼器軸與軸相聯(lián)接,編碼器外殼與軸外殼相聯(lián)接。3) 根據(jù)整個裝置的剛度和重量要求,測量臂選用鋁合金,軸選用45號鋼,其他部分(外殼,聯(lián)接件等)選用硬鋁合金。4) 為了增大承載力,最下兩個關(guān)節(jié)直徑適當增加。關(guān)節(jié)1、2外徑不大于80,其他關(guān)節(jié)外徑不大于50。5) 本設(shè)計關(guān)節(jié)1、關(guān)節(jié)2處軸外伸出軸承10mm,空心軸內(nèi)徑12mm、外徑17mm,軸承均采用型號為7203c的角接觸球軸承,關(guān)節(jié)外殼外徑均為56mm。6) 為了設(shè)計方便,關(guān)節(jié)3、5和4、6處的各部分結(jié)構(gòu)采用相同的尺寸與型號,空心軸內(nèi)徑10mm,外徑15mm,軸外伸
9、出軸承10mm,外殼外徑51mm,軸承均采用型號為7202c的角接觸球軸承。7) 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。8) 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=5.5mm,中徑D=82.5mm,圈數(shù)n=11。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緊力。9) 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。2. 關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計關(guān)
10、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。它的連接直接影響了測量儀的靈活性,所以,關(guān)節(jié)的外殼選擇了密度較小的硬鋁合金,各個關(guān)節(jié)的連接采用了相同的固定方式:圓柱與圓柱相貫的連接方式。這樣既有利于測量儀的牢固,又有利于儀器本身的靈活性。同時也要考慮以下幾點:1) 軸采用空心軸,便于電氣線路穿過;2) 選擇軸的材料,對軸進行受力分析,根據(jù)分析結(jié)果,確定空心軸的外徑、內(nèi)徑和軸的支承點;3) 選擇軸承(考慮軸承的精度和承載能力),一般選擇角接觸軸承,另外,注意角接觸軸承的安裝方向以及縮緊裝置的設(shè)計;4) 對于底下兩個關(guān)節(jié)來說,由于受力最大,為減少
11、軸的形變,可以加1到2個端面止推軸承;5) 考慮旋轉(zhuǎn)軸系與外購傳感器的聯(lián)接;6) 其他連接件與軸的聯(lián)接,重點考慮如何保證同軸度、垂直度等位置公差,以便測量儀的結(jié)構(gòu)參數(shù)準確。3.編碼器的選擇編碼器作為坐標測量儀的重要組成部分,是實現(xiàn)坐標測量儀功能的核心部件,在該器件的選擇上,我選擇使用了如下圖所示的編碼器(DKE40S系列編碼器),其與軸與殼間的連接簡單,且型號多樣適合作為本設(shè)計的使用器件。圖2 DKE40S系列編碼器三、關(guān)鍵結(jié)構(gòu)及設(shè)計1.軸結(jié)構(gòu)的設(shè)計關(guān)節(jié)1軸的下端與編碼器相連,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(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
12、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(gòu)用內(nèi)盤頭螺釘固定。軸的內(nèi)外徑要保證0.003mm的同軸度,圓盤與軸外壁保證0.005mm的垂直度。如下圖:首先確定軸2的直徑:臂采用空心鋁合金管,選擇壁厚為3mm的鋁合金管,直徑定為50mm。臂的質(zhì)量:體積V=(252-222)3.14300=132822mm3密度質(zhì)量m=V=0.359kg關(guān)節(jié)看做實心硬鋁材料,直徑為50mm。關(guān)節(jié)的質(zhì)量:體積密度=2.78g/cm3質(zhì)量m=0.655kg軸2的計算過程(1)水平力矩M1= FL=29.8600mm=11.76Nm (2)上臂力矩M2=FL=0.3599.877.5mm=0.273Nm (3
13、)關(guān)節(jié)1力矩M3 =FL=0.6559.877.5=0.497Nm (4)關(guān)節(jié)2力矩M4 =FL=0.6559.8(77.5+70)=0.947Nm (5)前臂力矩M5 =FL=0.3599.8(77.5+70)=0.519Nm (6)關(guān)節(jié)5M6 =0.6559.877.5+70=0.947Nm (7)關(guān)節(jié)6M7 =0.6559.8(77.5+140)mm0.5=0.698Nm 綜上:M合=M1+M2+M7=15.641Nm F合=4.5G關(guān)節(jié)+2G臂=4.50.6559.8+20.3599.8=35.922N將計算結(jié)果代入撓度計算公式:又有D-d=5mm,將d=D-5代入方程,化簡為關(guān)于D的
14、一元四次方程,解得D=16mm,所以d=11mm.圖3 軸1軸3計算過程(1)水平力矩M1 =29.80.3=5.88Nm(2)關(guān)節(jié)4力矩M2 =0.6559.80.07=0.449Nm(3)上臂力矩M3 =0.3599.80.07=0.246Nm(4)關(guān)節(jié)5力矩M4 =0.6559.80.07=0.449Nm(5)關(guān)節(jié)6力矩M5 =0.6559.80.140.5=0.449Nm綜上:M合=M1+M2+M5=7.473Nm F合=29.8=19.6N將計算結(jié)果代入撓度計算公式:又有D-d=5mm,將d=D-5代入方程,化簡為關(guān)于D的一元四次方程,解得D=13mm,所以d=8mm圖4 軸2外殼軸
15、4計算過程(1)水平力矩M1= FL=29.80.3=5.88Nm(2)前臂力矩M2 =0.3599.80.03=0.106Nm(3)關(guān)節(jié)5力矩M3 =0.6559.80.03=0.193Nm(4)關(guān)節(jié)6力矩M4 =0.6559.80.10.5=0.301Nm綜上:M合=M1+M2+M3+M4=6.48Nm F合=(1.50.655+0.359)9.8=13.147N將計算結(jié)果代入撓度計算公式:又有D-d=5mm,將d=D-5代入方程,化簡為關(guān)于D的一元四次方程,解得D=12mm,所以d=7mm圖5 軸殼聯(lián)接件 軸1的計算過程(1)水平力矩M1 =29.80.6=11.76Nm (2)上臂M2
16、= FL=0.3599.80.2=0.704Nm(3)關(guān)節(jié)2M3 =0.3521.852.789.8103(0.1852-0.045)=0.001Nm(4)關(guān)節(jié)3M4 =0.6559.80.2=1.284Nm(5)關(guān)節(jié)4M5 =0.6559.80.27=1.733Nm(6)前臂M6 =0.3599.80.27=0.950Nm(7)關(guān)節(jié)5 M7 =0.6559.80.27=1.733Nm (8)關(guān)節(jié)6 M8 =0.6559.80.340.5=1.091Nm 綜上: M合=M1+M2+M8=19.256Nm F合=29.8=19.6N將計算結(jié)果代入撓度計算公式:又有D-d=5mm,將d=D-5代入
17、方程,化簡為關(guān)于D的一元四次方程,解得D=16mm,所以d=11mm圖6 關(guān)節(jié)1軸殼聯(lián)接件 綜上,結(jié)合角接觸軸承國家標準GB/T292-1994,對于軸1和軸2,選擇角接觸軸承7203C,其參數(shù)為D=40mmd=17mm對于軸3和軸4,選擇角接觸軸承7202AC,其參數(shù)為D=35mmd=15mm2扭簧的校正:1) 根據(jù)工作情況,選用類彈簧,工作扭轉(zhuǎn)角度為0180。彈簧受力曲線如圖所示。在20和120處兩線相交,相應(yīng)的交點縱坐標:圖7 力矩曲線 T1=F總lsin20=35.9220.3sin20=3.69NT2=F總lsin120=35.9220.3sin120=9.33N2) 選擇旋繞比C=
18、15,并計算曲度系數(shù)K1=4C-14C-4=1.0533) 扭簧的拉伸強度極限:查表取B=1710MPa b=0.5B=855MPa4) 最大工作扭矩:扭轉(zhuǎn)角為180時,彈簧的扭矩最大,由線性方程求得:TMAX =12.714N5) 根據(jù)剛度條件試算彈簧鋼絲直徑:d3K1Tmax0.1b=5.39mm 取d=5.5mm6) 計算彈簧的基本集合參數(shù):D=Cd=155.5=82.5mmD1=D-d=77mmD2=D+d=88mm取扭簧相鄰兩圈間距為0.5mm;7) 按剛度條件計算彈簧的工作圈數(shù)。由彈簧材料及其許用應(yīng)力表知,E=2105MPaI=D464=44.92工作圈數(shù),n=EI180TD=21
19、0544.92(120-20)180(9330-3690)82.5=10.73取n=11圈圖8 扭簧結(jié)構(gòu)圖四、結(jié)構(gòu)工藝及技術(shù)要求1. 裝配要求1) 軸、軸承、聯(lián)軸器、套筒緊密相連。2) 各關(guān)節(jié)處轉(zhuǎn)動靈活,無明顯阻力。3) 測量范圍為1200mm。4) 軸和軸承的安裝:將軸承1、套筒、軸承2一次放入外殼中,再插入軸,軸另一側(cè)用盤頭螺釘擰緊,最后用螺釘將編碼器固定在軸和外殼上。5) 扭簧的安裝:將扭簧放入扭簧蓋內(nèi)固定,在將其放在關(guān)節(jié)2上,用緊定螺釘將其固定。6) 限位裝置的安裝:在將軸放入外殼之前把限位鋼珠放進軸側(cè)面的半圓槽內(nèi)。2. 加工工藝要求1) 表面粗糙度:軸、外殼、連接件間相互配合的平面算術(shù)平均偏差0.8,不需要配合的平面算術(shù)平均偏差3.2。2) 配合:查詢國家標準確定軸承和軸及外殼配合的公差帶。向心角接觸球軸承與外殼配合,外殼公差帶H7,與軸配合,軸公差帶k6。3) 各個零件加工時銳棱倒鈍。五
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