課程設計--六自由度多關(guān)節(jié)坐標測量儀機械結(jié)構(gòu)設計(編輯修改稿)
2025-02-13 04:41 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 設備如雨后春筍般的發(fā)展起來。其中，美國FARO公司研制開發(fā)的一種稱為“SpaceArm”的坐標測量設備，在汽車、飛機、航天等領(lǐng)域得到廣泛應用。FARO公司的典型產(chǎn)品如圖1所示。 圖 1 FARO公司的角度測量儀產(chǎn)品——Space Arm圖一所示的便攜式坐標測量儀采用了六個高精度光學編碼器，是一種新型的非笛卡爾坐標測量系統(tǒng)，根據(jù)仿生學原理，模仿人的腰關(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（臂）通過具有旋轉(zhuǎn)導軌的關(guān)節(jié)連接起來，以角度基準取代長度基準，從而具有機械結(jié)構(gòu)相對簡單、測量范圍大、體積小、可便攜移動等優(yōu)點?？梢暂^好的解決大型零件和整機安裝調(diào)試中的工程三維坐標測量問題，也可以解決虛擬設計制造中的原型數(shù)據(jù)獲取和物理模擬實驗中的測量建模等科學問題，有廣泛的應用前景和重要的科學意義。本次課程設計的任務就是模仿FARO公司的產(chǎn)品Space Arm，進行六自由度關(guān)節(jié)式坐標測量儀機械結(jié)構(gòu)設計，以培養(yǎng)學生綜合運用工程力學與機械學的基本知識進行機械結(jié)構(gòu)分析與設計的實踐能力。由圖1所示的FARO公司的Space Arm可知，六自由度關(guān)節(jié)式坐標測量儀的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。圖 2 六自由度多關(guān)節(jié)坐標測量儀結(jié)構(gòu)示意圖由圖2可以看出，六自由度多關(guān)節(jié)坐標測量儀是由多桿件通過旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)串聯(lián)而成的空間開放式連桿機構(gòu)。其特點如下：1) 運動學模型比較復雜 在傳統(tǒng)的笛卡爾坐標測量機的測量過程中，測頭的空間位置直接由相互垂直的長度基準給定，因此其運動學模型非常簡單：在多關(guān)節(jié)坐標測量機中，以測頭為原點的動坐標系相對于參考坐標系的位置是通過各桿件坐標系的齊次變換獲得，是一個非常復雜的非線性方程。2) 結(jié)構(gòu)簡單 不同于一般機器人結(jié)構(gòu)設計，采用了相鄰關(guān)節(jié)軸線相互垂直的機械結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點是：是機械結(jié)構(gòu)簡單，方便操作，簡化了運動學建模；特別是避免了桿件相互“干涉”，減小了測量“盲區(qū)”。3) 測量范圍大 其測量范圍理論上可無限擴大。一方面，可加長上臂和前臂的長度來擴大測量范圍，但精度將急劇降低；另一方面，可移動多關(guān)節(jié)坐標測量機，在不同的位置對大型物體進行坐標測量。4) 可對內(nèi)表面進行測量 由于采用了六自由度關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，因此可以靈活方便的從不同方位測量物體表面，并可深入物體內(nèi)部對內(nèi)表面進行測量。多關(guān)節(jié)坐標測量儀的各桿件及測頭都可當作剛體來處理。三維空間中，剛體的位姿由其在空間所處的位置和姿態(tài)來描述，如圖3所示。圖 3 測頭的位姿 圖3中在測量儀末端測頭上設置一個描述其位姿的坐標系，由三個相互垂直的單位矢量所規(guī)定，其中向量表示測頭接近被測表面的方向，向量平行于相鄰的關(guān)節(jié)軸線。向量、和完全確定了側(cè)頭或桿件的空間位姿。 Denavit和Harten在1955年提出了對兩個相互連接且相互運動的構(gòu)建建立兩個特殊坐標系的方法，并給出了著名的DenavitHarten（簡稱DH）齊次變換矩陣，給兩構(gòu)件相對運動關(guān)系的研究帶來方便。，可以得到測頭位姿相對于基座坐標系的運動學方程 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2kg計算，查詢45號鋼彈性模量E=200GN/。2) 旋轉(zhuǎn)軸系的配置：編碼器軸與關(guān)節(jié)鋼軸用套筒相連，并用螺釘固定；編碼器外殼用彈性鋼片與關(guān)節(jié)外殼相連。
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