【正文】 。柔性臂式坐標(biāo)測量機(jī)的誤差種類有很多 。 同時(shí)，本研究還有很多地方需要改進(jìn)： 1） 柔性測量臂系統(tǒng)的關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)還需進(jìn)一步優(yōu)化，以使其更加輕巧。最后文章還對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)做了一個(gè)簡單的精度分析， 根據(jù)柔性臂式測量機(jī)的串聯(lián)結(jié)構(gòu)特性， 提出了 除了提高加工裝配精度，使用高精度的軸承的方法外， 在使用 高精度角度編碼器的情況下可大大提高測量系統(tǒng)的精度 。 3） 對 柔性臂測量系統(tǒng)的誤差進(jìn)行了簡單的分析。 最后，我們對機(jī)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行了強(qiáng)度和剛度校核，以 驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性 。 首先 ， 文章 對測量機(jī)的測量空間進(jìn)行了 一個(gè)簡要的 介紹 ，指出了為避免出現(xiàn)“空腔”現(xiàn)象臂長所要滿足的條件 。 然而， 相對于其他三坐標(biāo)測量機(jī)而言，柔性臂式三坐標(biāo)測量機(jī) 本身 的機(jī)構(gòu)特性 決定了 它精度的 不易保證 ， 和其他傳統(tǒng)的三坐標(biāo)測量機(jī)相 比其測量精度上 仍不占優(yōu)勢。在研制柔性坐標(biāo)測量機(jī)時(shí)，不僅 要使用高精度的軸承以使結(jié)構(gòu)達(dá)到穩(wěn)定性，還要盡可能的選擇精度高的角度傳感器，來提高測量機(jī)的精度。 通過 DH 方程， 關(guān)節(jié)上微分運(yùn)動(dòng)的 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換 和參數(shù)誤差的變換，可以建立測量機(jī)誤差的數(shù)學(xué)模型，以通過軟件進(jìn)行補(bǔ)償 。首先闡述了誤差分析與提高中國計(jì)量學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 23 精度對于 三坐標(biāo) 測量機(jī)的重要性。 柔性坐標(biāo)測量機(jī)由六個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)來實(shí)現(xiàn)六自由度的旋轉(zhuǎn) ， 每個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)均安裝了角度編碼器來測量旋轉(zhuǎn)角度值 ， 通過對旋轉(zhuǎn)角度的測量來實(shí)現(xiàn)最終的坐標(biāo)測量 。 結(jié)構(gòu)的精度分析 三坐標(biāo)測量機(jī)是一種以精密機(jī)械為基礎(chǔ)的高效率高精度的測量設(shè)備。又因?yàn)椋? ??? ? ? () 有： dAi= ??????? ? ?? ? ?? () 對 化簡有： Ai2=Ai+dAi。在實(shí)際中，我們要選用P2 級的高精度雙軸承來進(jìn)行結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，來減少 承的徑向跳動(dòng) 、 軸向竄動(dòng) 、 以及角 度的擺動(dòng) [5]。即相對于坐標(biāo)系 OXYZ 移動(dòng)(dx,dy,dz),并繞 OXYZ 的 X， Y， Z 軸轉(zhuǎn)動(dòng) δ x,δ y,δ z。這兩種誤差是 三坐標(biāo)測量機(jī)的主要誤差 來 源。系統(tǒng)誤差補(bǔ)償有兩種方法 , 一是通過提高機(jī)械制造裝配精度對機(jī)器環(huán)境加以改造 , 但此方法成本高 , 且有一定的限度。因此 , 產(chǎn)生的誤差有系統(tǒng)誤差和隨機(jī)性誤差兩種。即由軟件建模的準(zhǔn)確性和外界干擾信號(hào)所引起的誤差。 包括桿件有效長度誤差 ,相鄰關(guān)節(jié)軸線不垂直產(chǎn)生的誤差及偏置量誤差 。 關(guān)節(jié)臂通常在自重和操作力的作用下 所產(chǎn)中國計(jì)量學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 19 生的 彎曲變形 引起的誤差。 柔性臂坐標(biāo)測量機(jī) 系統(tǒng) 主要 誤差源 關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測量機(jī)的誤差可以分為兩類 ，即 系統(tǒng)誤差 和 隨機(jī)誤差。 柔性臂坐標(biāo)測量機(jī) 系統(tǒng) 主要 誤 差 測量機(jī)測頭的位置是通過一系列坐標(biāo)變換得到的 ， 由于各項(xiàng)誤差因素的存在 ， 坐標(biāo)系產(chǎn)生了微分運(yùn)動(dòng) ， 坐標(biāo)變換中的轉(zhuǎn)換矩陣與實(shí)際的轉(zhuǎn)換矩陣有偏差 ，從而導(dǎo)致最終的測量結(jié)果存在誤差 。 本章還給出了本次設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)裝備總圖， 以圖片形式介紹了六自由度柔性臂的設(shè)計(jì)方案。 基座是 坐標(biāo)測量機(jī)的支承件，起著支撐測量機(jī)上所有部件，并保證精度的作用。 圖 縱關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)圖 六自由度柔性臂結(jié)構(gòu)裝備總圖 六自由度柔性臂的結(jié)構(gòu)裝備總 圖如 所示。 具體設(shè)計(jì)如圖 。它們構(gòu)成的整體 分別連接兩個(gè)相鄰的臂身?xiàng)U件 ,關(guān)節(jié)連接套的回轉(zhuǎn)軸線與臂身?xiàng)U件的軸線垂直 。 它要求 結(jié)構(gòu)緊湊 ,轉(zhuǎn)動(dòng)靈活 ,相應(yīng)的轉(zhuǎn)軸強(qiáng)度高 ,剛性大 ,彈性變形小 。因此，支承件必須要有足夠的剛度、穩(wěn)定性好、熱變形小以及具有良好的抗震性。得出了最大應(yīng)力，應(yīng)變值，最大撓度均符合要求。測量臂的臂身為薄壁圓筒形結(jié)構(gòu)，材料的選擇對于測量臂的空間位置精度十分重要。 因此符合剛度要求。中國計(jì)量學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 為了使測量機(jī)達(dá)到較高精度，在選擇軸承時(shí) ， 我們使用了軸承內(nèi)圈最大徑向跳動(dòng)為 的 P2 級高 精度 軸承。因此也滿足要求。 遠(yuǎn)小于牌號(hào)為 7075T6511，屈服極限為 503MPa，拉伸強(qiáng)度為 572MPa 的鋁合金。 根據(jù)其他參考資料和以往三坐標(biāo)測量機(jī)設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，可知當(dāng)選用一般普通尺寸編碼器的情況下，可知空心軸 III 上所承受的重量不大于 6kg[22,5]。 考慮到關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測量機(jī)的實(shí)際機(jī)械結(jié)構(gòu)， 可知在實(shí)現(xiàn)無限旋轉(zhuǎn)的豎關(guān)節(jié)中，受力最大的是第三關(guān)節(jié)，而受力最大的橫關(guān)節(jié)是第四關(guān)節(jié)。 空心軸的強(qiáng)度校核與剛度校核 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中 ,為了保證梁具有足夠的安全裕度 ,梁的危險(xiǎn)截面上的最大正應(yīng)力必須小于許用應(yīng)力 ,許用應(yīng)力等于 σ s或 σ b除以一個(gè)大于 1的安全系數(shù) 。 本例中因 d3+d5=1100mm。 根據(jù) ?xp,?yp,?zp與 a2， a4， d3， d5的以及 6 個(gè)角度參數(shù)θ i（ i=1,2? 6）關(guān)系 ,可將優(yōu)化模型變?yōu)?[26]： …………………………………………………… .() 選用一些常用的測量角度 ， 即 選擇測量機(jī)的常用工作區(qū)間 ， 在該常用的工作區(qū)間選取一些離散的測點(diǎn) ， 就可以對這些點(diǎn)進(jìn)行研究 ， 使得測量機(jī)在這些點(diǎn)上的測得值達(dá)到最優(yōu)的效果。 關(guān)節(jié)偏置量為 d3+d5=1100mm 為常數(shù) 。在 測量機(jī)的測量范圍給定的情況下，不同的設(shè)計(jì)參數(shù)會(huì)對測量機(jī)精度產(chǎn)生不同的影響。與普通鋼相比，碳纖維的比強(qiáng)度 （ 材料的強(qiáng)度與其密度之比 ）高達(dá) 2020Mpa/(g/cm3)。 但其成本高，不易加工，并不是臂身材料的最好選擇。由于測量臂較長 ,， 且在其兩端 需要 支承關(guān)節(jié) 。 關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)如 圖 ，圖 （藍(lán)色部分表示運(yùn)用螺紋連接） ： 圖 橫關(guān)節(jié)的零件設(shè)計(jì)爆炸圖 圖 橫關(guān)節(jié)的零件設(shè)計(jì)爆炸圖 測量機(jī)的六個(gè)關(guān)節(jié)將相鄰的測量臂進(jìn)行連接，測量臂才得以在空間內(nèi)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，從而完成測量動(dòng)作。 綜 上 所述 ,為 使測量空間中不存在測量死角 ,對 a4， d3和 d5來說 它們必須要 滿足的 大小 關(guān)系為 [5]： ………… ..…… ………………………………… .… …… .…( ) 關(guān)節(jié)和臂長設(shè)計(jì) 測量機(jī)的關(guān)節(jié)部分主要用于連接各個(gè) 相鄰的 桿件 ，使得測量機(jī)的測頭能做空間回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)六自由度的測量。 通過圖 中的圖解法可得知 ,當(dāng)桿件有效長度與關(guān)節(jié)偏置量為圖中所示的關(guān)系時(shí) ,測量機(jī)在理想球體內(nèi)出現(xiàn)測量死角 ,也即出現(xiàn) “ 空腔 ” 區(qū)域 ,在區(qū)域內(nèi)測頭無法探測到 。各個(gè)關(guān)節(jié)變量 θ i的實(shí)際取值范圍如下 : … …………… .……………… …() 由于整個(gè)結(jié)構(gòu)的對稱性 ,測量機(jī)的測量空間為一個(gè)完整的球體 ,不難得出該球體的半徑 d3+d5+l。即為當(dāng) 測量機(jī)正常工作時(shí) ,測頭坐標(biāo)系的原點(diǎn)能在空間探測到的最大范圍。 從坐標(biāo)系 O6逐次到坐標(biāo)系 O0的齊次坐標(biāo)變換公式分別是 、 、 、 、和 。θ i 為兩相鄰桿件相對位置的變化量 ,當(dāng)兩桿件以旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)相連時(shí) ,即為安裝在各關(guān)節(jié)中的角度傳感器的輸出 。為了測量機(jī)的整體平衡 ,還 可以設(shè)計(jì)平衡桿機(jī)構(gòu) [17]。但其 主要 結(jié)構(gòu) 組成基本相似（ 如圖 所示 ） ，大體有基座，關(guān)節(jié)部件，臂中國計(jì)量學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 伸桿件，測頭，平衡部件 五個(gè)部件 組成 。 （ 4）介紹了本論文選題的意義，研究內(nèi)容與擬解決的主要問題。 本章小結(jié) （ 1）介紹了選題的背景與意義，介紹了三坐標(biāo)測量機(jī) 的基本狀況以及三坐標(biāo)測量機(jī) 在工業(yè)生產(chǎn)科學(xué)研究中的重要作用 。對關(guān)節(jié)部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求是 :結(jié)構(gòu)緊湊， 轉(zhuǎn)動(dòng)靈活，相應(yīng)的轉(zhuǎn)軸強(qiáng)度高，剛性大，彈性變形?。桓麝P(guān)節(jié)之間垂直連接，回轉(zhuǎn)部分的徑向跳動(dòng)小，同軸度高 [15]。 二、 基座部件設(shè)計(jì)。 進(jìn)行機(jī)械臂的設(shè)計(jì)， 首先 要 確定測量臂的總體設(shè)計(jì)方案， 然后重點(diǎn)分 析機(jī)械結(jié)構(gòu)的詳細(xì)設(shè)計(jì) 。 擬解決主要問題 本論文所研究的主要內(nèi)容包括： 掌握六自由度柔性機(jī)械臂的應(yīng)用場合、工作原理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；制定六自由度柔性臂的總體設(shè)計(jì)方案。 研究內(nèi)容與擬解決主要問題 課題研究內(nèi)容 柔性坐標(biāo)測量機(jī)是一種應(yīng)用傳感器技術(shù)的接觸式或非接觸式三維測量裝置。 也首先取決于軟件，測量機(jī)每一項(xiàng)新技術(shù)的發(fā)展，都必須有相應(yīng)配套的軟件技術(shù)。 我們要合理運(yùn)用這一特點(diǎn)，加大這方面的研究。 控制系統(tǒng)的改進(jìn) 控制系統(tǒng)的改進(jìn)在現(xiàn)代制造系統(tǒng)中，測量的目的 不 僅僅局限于成品驗(yàn)收檢中國計(jì)量學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 驗(yàn)，而是向整個(gè)制造系統(tǒng)提供有關(guān)制造過程的信息， 為控制提供依據(jù)。 測量機(jī)測頭的發(fā)展 測 量 機(jī)測頭的 發(fā)展三坐標(biāo)測最機(jī)除了機(jī)械本體外，測頭 是坐標(biāo)測盆機(jī)的核心 ，也是測盤機(jī)達(dá)到高精度的關(guān)鍵 。 新材料和新技術(shù)的應(yīng)用 新材料和新技術(shù)的應(yīng)用為確?？煽扛咚俚臏y量功能，國外十分重視研究機(jī)體原材料的選用 。 另外 ,受結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和加工的限制 ,國內(nèi)研制出的樣機(jī)稍顯笨重 ,操作不夠靈活 ,旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)只能在一定范圍內(nèi)回轉(zhuǎn) 。 國內(nèi)柔性坐標(biāo)測量機(jī)的研究起步比較晚 ,主要是部 分高校在從事這方面的研究 ,其中推出產(chǎn)品的較少 。 青島前哨與 HEXAGON 集團(tuán)合資的?？怂箍禍y量技術(shù)青島有限公司 是實(shí)力最強(qiáng)的一 家 ,年銷售數(shù)量接近 400 臺(tái) ,占國產(chǎn)三坐標(biāo)測量機(jī)份額的一半左右 [1011]。 目前國際上規(guī)模較大的柔性坐標(biāo)測量機(jī)生產(chǎn)商主要有法如 （ Faro） [8]、 ?？怂箍?(Cimcore、 Romer)[9]。 與其他測量機(jī)不同的是，此測量機(jī)沒有轉(zhuǎn)臺(tái)，在測量一些回轉(zhuǎn)件時(shí)，靠探頭和軟件的幫助來完成。 國外測量機(jī)生產(chǎn)廠家主要有四個(gè)較大的集團(tuán)， 分別 是 美 國的 BROWNamp。因此，關(guān)節(jié)臂式測量機(jī)使用更加靈活、快捷 [35]。 中國計(jì)量學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 (三 )運(yùn)動(dòng)靈活、活動(dòng)部分質(zhì)量小，可以探測 其他方法 不能探及的位置點(diǎn)。 如 各臂的長度總和 只要 超 過 3m，就能測量 3m范圍內(nèi)的點(diǎn) 。它通過安裝在各關(guān)節(jié)及桿件內(nèi)部的光電角度編碼器獲得各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角， 并結(jié)合機(jī)械臂的機(jī)械參數(shù) ， 應(yīng)用空間支導(dǎo)線測量的原理計(jì)算出測量點(diǎn)的三維坐標(biāo)。這些特點(diǎn)都是傳統(tǒng)的正交三坐標(biāo)測量機(jī)所不具備的。同時(shí)由于傳統(tǒng)的正交三坐標(biāo)測量機(jī)往往比較笨重，搬運(yùn)較 不 方便 。作為一種新型精密的測量儀，三坐標(biāo)測量機(jī)在航空航天，汽車，船舶，重型機(jī)械等領(lǐng)域有著十分重要的作用。 最后對本文進(jìn)行了總結(jié)和展望。 給出了包括基座，橫縱關(guān)節(jié)，臂身在內(nèi)的具體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 。 首先 介紹了柔性臂式三坐標(biāo)測量機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理 ， 給出了整體的 機(jī)械 設(shè)計(jì) 方案。柔性機(jī)械臂式 非正交 測量機(jī) 正是在這種情況下產(chǎn)生的。對本論文所涉及的研究工作做出貢獻(xiàn)的其他個(gè)人和集體，均已在文中以明確的方式標(biāo)明。盡我所知，除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本學(xué)位論文的研究成果不包含他人享有著作權(quán)的內(nèi)容。工業(yè)生產(chǎn)對于測量的要求也越來越高，傳統(tǒng)的正交直角測量機(jī)已經(jīng)不能完全滿足測量的需求。 本文重點(diǎn)對柔性臂測量機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。 并對薄弱的環(huán)節(jié)進(jìn)行了強(qiáng)度和剛度的校核，以確保設(shè)計(jì)的方案符合要求。 提出了提高精度的一些方法。s the summarizes and prospects of this paper. Keyword: flexible arm, coordinate measuring machine, structure design, error analysis Classification: TH721 III 目 次 摘要： .............................................................................................................................. I Abstract: .......................................................................................................................... II 目 次 .......................................................................................................................... III 1 引言 ............................................................................................................................. 1 選題的背景與意義 ..................................................................................................... 1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 .................................................................................................