精密机械学基础课程设计.docx

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精密机械学基础课程设计

精密机械学基础课程设计

HarbinInstituteofTechnology

课程设计说明书〔论文〕

课程称号：

精细机械学基础课程设计

设计标题：

六自在度多关节坐标测量仪

院系：

航天学院控制迷信与工程系

班级：

设计者：

学号：

指点教员：

设计时间：

2020.1.10至2020.1.21

哈尔滨工业大学

哈尔滨工业大学课程设计义务书

姓名：

院〔系〕：

航天学院控制迷信与工程系

专业：

班号：

义务起至日期：

2020年01月10日至2020年01月21日

课程设计标题：

六自在度多关节坐标测量仪机械结构设计

技术参数和设计要求：

●空间测量范围：

1200mm

●分辨力：

0.01mm

●点坐标重复精度：

≤±0.03mm

●长度测量不确定度〔2σ〕：

≤±0.05mm

●测量臂直径：

≤Φ50mm

●测杆及测头长度：

≤150mm

●具有力平衡装置

●传感器数据线不能暴露在仪器外面，须从外部〝走线〞

●整台仪器轻巧、灵敏

任务量：

●计算关键零件的结构尺寸，并验证其强度及刚度

●完成测量仪的总装配图〔1号图纸1张〕

●完成关键零件图〔3号/4号图纸4张〕

●课程设计说明书1份〔8000字〕

任务方案布置：

11.01.10上课，布置课程设计内容，预备制图工具〔尺、图板等〕

11.01.11—01.12总体设计，实际计算，绘制草图，反省停顿状况

11.01.13—01.17绘制总装配图，进度反省，反省总装配图

11.01.18—01.19关键零件图设计，并反省

11.01.20—01.20编写课程设计说明书

11.01.21争辩，最终反省〔一切图纸、设计说明书〕

指点教员签字___________________

年月日

教研室主恣意见：

教研室主任签字___________________

年月日

1、概述

2、总体设计

3、关节结构设计

3.1轴结构的选择

3.2对轴强度与刚度的校正

3.2.1对关节1、2轴停止刚度与强度的校正

3.2.2对关节3~6轴停止刚度与强度的校正

3.3外壳的设计

3.4轴承的选择

3.5旋转轴系与外购传感器的衔接

3.6对位置公差的要求

4、关键结构件设计

4.1各关节衔接的设计

4.1.1轴臂衔接机构

4.1.2测头衔接件机构

4.2力平衡装置的设计

4.3测头处结合及其按键的设计

5、装配要求

6、总结

6.1存在的效果及处置方法

6.2心得体会

7、参考文献

1、概述

坐标测量技术是随着数控加工技术的兴起而开展起来的一种新型〝模型化测量技术〞。

在五十年代中期，随着电子技术的开展和计算机技术的出现，一种高精度，高效率和高柔韧性的机械数控加工设备被研制和消费出来，并遭到机械制造业者的普遍留意，和快在许多机械制造业范围失掉运用。

同时，由于消费效率和加工精度的提高，对测量技术有了更高的要求，而传统的〝比拟式〞测量技术无法满足这一要求。

于是，在1959年，以研制并消费数控机床为主的英国Ferranti公司首先提出了〝坐标测量〞这一概念，在同年夏天于法国召开的国际机床博览会上展出了世界上第一台测头可数字化移动的三坐标测量仪，在世界几图1-1

何测量范围惹起了庞大惊动。

从此以后的五十年里，随着计算机技术，电子技术和控制技术的飞速开展，坐标测量仪及其技术也取得了一日千里的飞跃。

以德国的CarlZaiss公司，美国的Brown&Sharp公司和Sheffield公司，意大利DEA公司等为代表的五十多家公司不时推出新产品，在测量精度，机械结构型式，软件功用测量效率和柔性等方面取得了质的飞跃。

目前，现代三坐标测量仪已开展为一种集机械，光学，数控技术和计算机技术为一体的大型精细智能化量仪，成为航天，航空，船舶，汽车等工业范围中检测和质量控制中不可缺少的大型万能测量装备，主要完成对零部件的几何尺寸以及相互位置的高精度测量。

三坐标测量仪主要由三个相互垂直的导轨〔构成一个笛卡尔坐标系〕，支撑系统，测头，长光栅传感器，数控系统，计算机系统和软件系统等组成。

在结构上，依据运用范围对它的测量范围，精度，本钱和效率的不同要求，对三个导轨的放置位置发生不同的配置方式，目前罕见的几种结构型式有如下几种：

1.直线型导轨结构笛卡尔坐标测量机采用三个相互垂直的直线导轨结构，三根导轨的运动方向区分对应于笛卡尔坐标系中X、Y、Z轴的方向。

在X、Y、Z方向上的运动时相互独立的，因此，侧头在空间的运动位置可以直接由长光栅传感器给出。

2.长度测量基准都采用长光栅测量系统作为X、Y、Z三个方向上的长度基准，少数也有采用磁棚传感器、感应同步传感器和激光干预仪等。

3.测量精度高都采用无需时效又易于加工的自然花岗岩床身和支撑系统，还有导向精度高摩擦力极小的气浮导轨，另外，近几年，一些厂家采用了高强度轻型资料作为运动权衡和权衡上的运动部件。

关于计量型坐标测量机测量不确定度普通在〔0.5+L/500〕；关于车间性测量不确定度在〔2.5+L/200〕；关于大尺寸坐标测量机测量不确定度为〔20+L/50〕。

这里，L是测量长度，单位为mm。

4.测量范围受直线导轨结构的限制为扩展其测量范围，须加长各直线导轨的长度，这必将招致坐标测量机的结构庞大，占空中积大，本钱急剧增大，精度降低。

5.体积大，轻巧，不灵敏，方便于移动近二十年来，大尺寸、大空间的现成高精度坐标测量技术不时是计量学的难点之一。

传统的笛卡尔坐标测量机由于下面提到的4、5两点的缺乏，使得再扩展难度添加，特别是在制造和装置现场运用遭到限制，必需寻求新的处置方法，因此，便携式的少量程〔几米到几十米〕三维测量系统的研讨和开发成为现代坐标测量技术研讨的热点之一。

目前，世界上各种结构方式的便携式左边测量设备如雨后春笋般的开展起来。

其中，美国的FARO公司研制开发的一种成为〝SPACEARM〞的坐标测量设备，在汽车、飞机、航天等范围失掉了普遍的运用。

图1FARO公司的SpaceArm产品外观图如图1所示的便携式坐标测量仪采用了六个高精度光学编码器，是一种新型的笛卡尔坐标测量系统，依据仿生学原理，模拟人的腰关节、肩关节、肘关节和腕关节的结构，将一系列杆件经过具有旋转导轨的杆件衔接起来，以角度基准取代长度基准，从而具无机械结构相对复杂、测量范围较大、体积小、可便携移动等优点。

可以较好的处置大型的零件和零件装置调试中的三维坐标测量效果，也可以处置虚拟设计制造中的原型数据获取和物理模拟实验中的测量建模等效果，有普遍的运用前景和迷信意义。

，目前，FARO公司消费的产品，测量范围从1200mm到3600mm，测量不确定度0.025mm到0.168mm。

该坐标测量仪优点是机械结构复杂、测量范围大、本钱低、体积小、可便携。

本次课程设计的义务就是模拟FARO公司的产品，停止六自在度关节式坐标测量仪机械结构设计，以培育先生综合运用工程力学和机械学的基本知识停止机械结构设计和剖析的实际才干。

2、总体设计

六自在度关节式坐标测量仪由底座、六个关节、两个臂管及测尖等局部组成，测量仪底座、关节外壳、臂管、及其衔接件均采用铝合金资料制造、各关节轴采用45号钢资料制造。

六自在度关节式坐标测量仪结构表示图如右。

本设计要求测量范围为1200mm，因此关节2中心线与关节4中心线距离L1及关节4中心线与关节6中心线距离L2之和应为600mm，即L1+L2=600mm，本设计取L1=L2=300mm。

本设计关节1、关节2处轴外伸出轴承8mm，空心轴内径11mm、外径15mm，轴承均采用型号为7202c的角接触球轴承，关节外壳外径均为50mm。

为了设计方便，关节3、4、5、6处的图2-1

各局部结构均采用相反的尺寸与型号，空心轴内径11mm，外径15mm，轴外伸出轴承8mm，外壳外径44mm，轴承均采用型号为7002c的角接触球轴承。

测量仪每个关节处均有一个编码器，共六个编码器，编码器轴与关节钢轴用套筒相连，并用紧定螺钉固定；编码器外壳用弹性钢片与关节外壳相连。

为了平衡由于重力发生的力矩，本设计在关节2处装有扭簧，扭簧采用琴钢丝资料制造，簧丝直径为d=5mm，中径D=65mm，圈数n=7。

扭簧固定在两块扭簧盖上，扭簧盖区分固定在关节2外壳及轴臂衔接件上，并使扭簧具有一定的预紧力。

测量仪测头处用测头衔接件将测头外壳与关节6外壳相连，测尖运用螺纹衔接与测头外壳相连，测头处的按键用带有螺纹的挡圈将按键固定。

另外，为了保证装置结实性，本设计中M4、M5的螺钉均采用内六角螺钉，增强了预紧力。

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、其他衔接件组成。

3.1轴结构的设计

为了便于电气线路经过以及减轻重量，提高灵敏度，轴采用空心轴。

关节1轴的下端〔右端〕与编码器相连，由于受轴向与径向力较小，用2个锥端紧定螺钉固定。

左端轴的右侧有一个圆盘形突台，他与轴承隔圈配合使轴承没有轴向移动，再往左的圆盘上有4个对称的螺纹孔，它们与下面的轴壁衔接机构用内六角圆柱头螺钉固定〔一切轴与轴壁衔接机构都用内六角圆柱头螺钉〕。

轴的内外径要保证0.01mm的同轴度，圆盘与轴外壁保证0.005mm的垂直度。

采用基孔置配合H7/h6，如以下图3.1-1。

图3.1-1

3.2对轴强度与刚度的校正

本设计轴的资料选用45号钢，轴外伸出轴承8mm，内径11mm，外径15mm。

下面对轴区分停止刚度与强度的验证。

3.2.1对关节1、2轴停止刚度与强度的校正

〔1〕刚度的校正

由于两轴承之间的距离远大于8mm，所以可以将轴视为悬臂梁来计算。

对轴停止受力剖析，轴主要受关节3~6的重力带来的压力及外力矩F=M*L的作用。

轴受的压力等于关节3~6的重力，其中关节3~6的质量为

1、臂管资料：

铝合金，长度300mm，外径44mm，厚度3mm，

个数2---------------------------------------m1=0.996kg

2、轴承型号7002c内径15mm外径32mm个数8-----m2=0.029*8=0.232kg

3、轴资料：

钢，内径11mm，外径15mm，长度80mm，个数4----m3=0.3kg

4、外壳资料：

铝合金，外径44mm，内径32mm，长度80，个数4--m4=0.7kg

5、编码器个数4----------------------------------------m5=0.4kg

由上有m=m1+m2+m3+m4+m5=2.63kg

由于关节上还有一些编码器盖、螺钉、测头号结构，因此取m=3kg

所以F=mg=30N

轴受外力矩F=M*L=20*0.6=12N*M

所以由以下式：

F=20N，L=0.6m，M=1.2N

mM=F

L————

〔1〕

————

〔2〕

————

〔3〕

————

〔4〕

查参考书可以知道E=206Gpa；d=15mm；厚度d-

=2mm；l=8mm；另外思索到测量臂的自重，由前面预算可知F=30N

此时I=

；

；

；

所以

<2um阅历证契合要求。

（2）

强度的校正

将轴的外伸端视为悬臂梁来计算：

其受力如图

Fq=30N①

Mq=-GL-M=37.6X-12.3②

由上式知，当x=0时，

Mq最大此时有Mq=12.3NM

由

其中d=0.015m，di=0.011m代入得σ=52.3MPa<600Mpa=[σ],强度契合要求

3.2.2对关节3~6轴停止刚度与强度的校正

由以上知关节1，2处用d=11mm，D=15mm的钢轴，轴外伸出轴承8mm，其在F=20N作用下，满足挠度v<=2um的要求以及刚度要求，关节3，4，5,6处，我们异样用d=11mm，D=15mm的钢轴，轴外伸出轴承8mm，由于关节3~6处M=F*L及G均较关节1,2处小，所以可以判定关节3~6处轴均契合技术要求。

3.3外壳的设计

图3.3-1为第二节轴承外壳。

左端与编码器外壳相连，右端与轴衔接件衔接。

轴壁内40°凹槽走线用。

上端螺纹孔用于衔接扭簧外壳。

轴外壳的两侧与A面即外壳外壁保证0.01mm的同轴度。

图3.3-1

3.4轴承的选择

关节1、2处选择轴承型号为7202c的向心角接触球轴承，其内径15mm，外径35mm，宽度为11mm。

关节3~6处选择选择轴承型号为7002c的向心角接触球轴承，其内径15mm，外径32mm，宽度为9mm。

3.5旋转轴系与外购传感器的衔接

测量仪每个关节处均有一个编码器，共六个编码器，编码器轴与关节钢轴用联轴器相连，并用紧定螺钉固定；编码器外壳用弹性钢片与关节外壳相连，从而保证编码器外壳不随轴而转动。

其结构如右图：

3.6对位置公差的要求图3.5-1

保证同轴度、垂直度、平行度等位置公差，以便整个测量仪的结构参数准确，使设计满足测量仪的精度要求。

4、关键结构件设计

4.1各关节衔接的设计

各关节的衔接设计是垂直衔接，即需采用圆柱与圆柱相贯的衔接方式，

4.1.1轴臂衔接机构：

如图4.1-1所示，此部位用一个U型爪钳住轴外壳，并用4个圆周对称的螺钉停止紧固定位〔图示与竖直线成20°角的通孔〕，在异样用4个圆周对称的螺钉（内六角圆柱头螺钉）衔接第一轴。

U型爪可以与轴是小的间隙配合，以保证装置的方便。

左面带螺钉通孔的平面要与A面坚持垂直度0.05mm，大圆要与A面保证0.01垂直度。

图4.1-1

4.1.2测头衔接件机构

如图4.1-2所示，测头衔接件也为一个U型爪钳住轴外壳，并用4个圆周对称的螺钉停止紧固定位〔图示与竖直线成20°角的通孔〕，在异样用4个圆周对称的螺钉（内六角圆柱头螺钉）衔接第一轴。

U型爪可以与轴是小的间隙配合，以保证装置的方便。

左面带螺钉通孔的平面要与A面坚持垂直度0.05mm，大圆要与A面保证0.01垂直度。

图4.1-2

4.2力平衡装置的设计

为了平衡由于重力发生的力矩，本设计在关节2处装有扭簧，扭簧采用琴钢丝资料制造，簧丝直径为d=5mm，中径D=65mm，圈数n=7。

扭簧固定在两块扭簧盖上，扭簧盖区分固定在关节2外壳及轴臂衔接件上，并使扭簧具有一定的预紧力。

扭簧结构及装置图如下：

图4.2-1

扭簧的校正：

（1）螺旋改动弹簧的结构型式：

单臂弯曲改动弹簧。

〔2〕扭簧材为料琴钢丝G1组。

查资料手册得，弹性模量E=196*103Mpa,剪应力=1422-1679Mpa,选定其为1679MPa。

〔3〕按载荷条件和适用范围选择Ⅰ类载荷，所以剪应力为840Mpa。

〔4〕计算工件运用时的最大转矩为：

T=G.L=9,其中G=30N.M,L=0.3M；

（5）设计簧丝直径d=5mm，由扭簧转矩与转角特性曲线与工件转矩与转角特性曲线设定两条曲线的交点为：

工件转角为10°和120°时的两点。

所以预紧力T0=1.9399N.M，Tmax=9.695N.M。

图如下：

图4.2-2

〔6〕实际簧丝直径d的计算：

d3=10.3*K*T/剪应力，其中K=1，T=9.695N.M，剪应力=840Mpa；

d=4.9mm,与设计值基本相等。

〔7〕结构设计的中径D=65mm,旋绕比C=13,大径D1=70mm,小径D2=60mm.

〔8〕扭簧的刚度计算KT=70.5N.mm。

〔9〕扭簧圈数n的设计：

由公式

其中a=120°,E=196*103Mpa,d=5mm,Tmax=9.695N.M,D1=70mm。

带入数值计算的n=7.3圈,取n=7.5圈。

〔10〕扭簧刚度校核：

由公式KT=E*I/180*D*n=68.52N.mm.契合设计值。

〔11〕扭簧的转角28°-141°。

4.3测头处结合及其按键的设计

测量仪测头处用测头衔接件将测头外壳与关节6外壳相连，测尖运用螺纹衔接与测头外壳相连，测头处的按键用带有螺纹的挡圈将按键固定。

如图：

图4.3-1

5、装配要求

1、轴，轴承，衔接器，外套筒严密衔接。

2、各关节处转动灵敏，无清楚阻力。

3、测量范围：

1200mm

4、轴和轴承的装置：

将大挡圈与轴的外壳紧定，放入轴承隔圈，轴，将小挡圈与轴拧紧，最后用顶尖衔接周与编码器。

5、扭簧的装置：

将扭簧放在扭簧盖内固定，再将其套在关节2上，用螺钉将其固定。

预紧扭矩1.94N.m，最大扭矩9.7N.m。

6、底座衔接的板子要与第一周外壳保证0.01mm的垂直度。

7、角接触球轴承采用了〝背靠背〞装置方式，并采用预紧装置的方法，保证了旋转副的刚度和旋转精度;

6、总结

6.1存在的效果及处置方法

（1）扭簧不能满足手臂在空间恣意一点坚持力平衡，这是由于扭簧力矩不是线性的。

处置方法：

在风险的位置〔角度〕加制动装置。

（2）装配图中M2的螺钉由于太小，表达不太明晰准确，应尽量选择直径大一点的螺钉，这样不只便于画图，还可以添加固定强度。

6.2心得体会

7、参考文献

«精细机械学基础»--------------------迷信出版社

«〝机械学基础〞综合训练图册»---------迷信出版社

«轴承手册»

«新编紧固件手册»