【文章內(nèi)容簡介】 們開發(fā)的三坐標(biāo)測量機(jī) ,雖然精度不是很高但它的價(jià)格較低 并 能提供 便捷快速的售后服務(wù) ,他們的產(chǎn)品適于 一些測量精度要求不高的企業(yè)。 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 。 國內(nèi)進(jìn)行柔性坐標(biāo)測量機(jī)研究的主要單位有哈爾濱工業(yè)大學(xué) 、 天津大學(xué) 、 華中科技大學(xué) 、 浙江大學(xué) 、 合肥工業(yè)大學(xué) 、 西安愛德華公司等 。 在這幾家機(jī)構(gòu)中， 合肥工業(yè)大學(xué) 、 西安愛德華公司 己經(jīng)研制出樣機(jī) 。 與國外柔性坐標(biāo)測量機(jī)相比 ,國內(nèi)已推出的樣機(jī)精度偏低 。 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) 。 柔性臂測量機(jī)未來的發(fā)展趨勢 普及高速測量 普及高速 測量 與效率一直是衡量各種機(jī)器性能、生產(chǎn)過程優(yōu)劣的兩項(xiàng)主要指標(biāo)。傳 統(tǒng)的概念為了保證 測量機(jī)的 測量精度， 測量機(jī) 測量速度不宜過高。 但 隨著生產(chǎn)節(jié)奏不斷加快，用戶在 要求 測量機(jī)保證測量精度的同時(shí)， 對(duì) CMM的測量速度(Measuring Speed)也 提出 了 越來越 高的要求。 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 。 最近合金、石材、陶瓷等新材料 被紛紛用作測量機(jī)的材料來取代傳統(tǒng)合金 。世界上的主要三坐標(biāo)測 量機(jī) 制造廠商，大 部分都 采用了重量輕、剛性好、導(dǎo)熱性強(qiáng)的合金材料，來制造測量機(jī)上的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)部件。鋁合金、陶瓷材料以及各 種合成材料在三坐標(biāo)測量機(jī)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。 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 。與其他各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)相比，提高測頭的性能指標(biāo)難度最大。理想測頭最主要的性能指標(biāo)是測頭接近零件能力的參數(shù) :在同等精度指標(biāo)下，測頭端部的測頭體直徑 D與測桿長度 L的長徑比為 L/D。其值愈大，其性能愈好。 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)。從這一要求出發(fā)，必須要求測量機(jī)具有開放式控制系統(tǒng)，具有更大的柔性。為此，要盡可能利用發(fā)展迅速的新的電子工業(yè)技術(shù)，設(shè)計(jì)新的高性 。 近年來，計(jì)算機(jī)價(jià)格一直在降低，而性能愈來愈好。 我們要合理運(yùn)用這一特點(diǎn)，加大這方面的研究。 另外，為了降低成本， 也可以用復(fù)雜的控制系統(tǒng)進(jìn)行緊湊設(shè)計(jì)。 軟件技術(shù)的革新 軟件技術(shù)的革新測量機(jī)的功能主要由軟件決定。三坐標(biāo)測童機(jī)的操作、使用的方便性 。 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)。最終形成基于同一種平臺(tái)開發(fā)的測最軟件族也成為軟件 革新的一種必然趨勢。可以說測 量 機(jī)軟件是三坐標(biāo)測 量 機(jī)中發(fā)展最為迅速的一項(xiàng)技術(shù)。軟件的發(fā)展將使三坐標(biāo)測量機(jī)向智能化的方向發(fā)展，它至少將包括能進(jìn)行自動(dòng)編程、測 量 優(yōu)化、故障自動(dòng)診斷等方面的內(nèi)容 [1214]。 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。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，再結(jié)合機(jī)械臂的機(jī)械參數(shù) (臂長、關(guān)節(jié)厚度等 )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)。 柔性機(jī)械測量臂是柔性三坐標(biāo)測量 機(jī)的最重要部件， 它是測量機(jī)的主要工作部分。同時(shí)，柔性機(jī)械臂的設(shè)計(jì) 也是 柔性 三坐標(biāo)測量機(jī)設(shè)計(jì)的最主要部分。 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。完成六自由度柔性機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括機(jī)械臂的總裝圖及主要零部件圖紙，做出必要的設(shè)計(jì)分析 。對(duì)六自由度柔性機(jī)械臂進(jìn)行誤差分析， 尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)，并 給出相應(yīng)的解決方案。其中機(jī)械臂的 設(shè)計(jì)是本論文所主要討論的問題。 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) 。總體設(shè)計(jì)，我們可參考國外的幾種柔性測量機(jī)的主流設(shè)計(jì)方案。其主要解決的問題 以 及設(shè)計(jì)流程及方案如下： 一、自由度的選擇。柔性機(jī)械測量臂的設(shè)計(jì)在結(jié)構(gòu)上模仿了關(guān)節(jié)式機(jī)器人的“關(guān)節(jié)”形式 只 是去掉了機(jī)器人結(jié)構(gòu)中的驅(qū)動(dòng)裝置和控制機(jī)構(gòu)，而改為由人來完成測量機(jī)的手動(dòng) 操作 [15]。 二、 基座部件設(shè)計(jì)?；蓤A套筒、內(nèi)螺母、轉(zhuǎn)盤、角接觸軸承、底座、滑環(huán)支架、滑環(huán)等零件組成。 中國計(jì)量學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 三、 橫關(guān)節(jié)部件設(shè)計(jì)。測量機(jī)中的橫關(guān)節(jié)部件主要用于連接相鄰的兩個(gè)臂身?xiàng)U件，且實(shí)現(xiàn)兩桿件的高精度回轉(zhuǎn)。對(duì)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]。 四、 臂身?xiàng)U件設(shè)計(jì)。臂身?xiàng)U件的主要參數(shù)是桿長，使測量機(jī)達(dá)到預(yù)定的測量范圍且在規(guī)定的測量半徑空間范圍內(nèi)，無測量死角 [16]。 五、精度分析和誤差補(bǔ)償?shù)脑O(shè)計(jì)計(jì)算，對(duì)柔性測量臂進(jìn)行誤差分析。 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 。 （ 2）介紹了 三坐標(biāo)測量機(jī)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀。 國內(nèi)外各個(gè)品牌各自的優(yōu)勢，以及我國三坐標(biāo)測量機(jī)行業(yè) 現(xiàn)階段所存在的問題及不足。 （ 3）介紹了柔性臂測量機(jī) 未來 的發(fā)展趨勢，主要有普及高速測量 、 新材料和新技術(shù)的應(yīng)用 、 測量機(jī)測頭的發(fā)展 、 控制系統(tǒng)的改進(jìn) 、 軟件技術(shù)的革新 五個(gè)方面。 （ 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。確立了本文的主要研究內(nèi)容：柔性測量機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與誤差分析。 2 六自由度柔性臂的設(shè)計(jì)原理 柔性 坐標(biāo)測量機(jī)的基本 結(jié)構(gòu) 1基座， 2關(guān)節(jié)部件， 3臂伸桿件， 4測頭， 5平衡部件 圖 柔性坐標(biāo)測量機(jī)由 機(jī)械系統(tǒng) 、 信號(hào)采集系統(tǒng) 、軟件系統(tǒng) 三大系統(tǒng)組成。 不同品牌的三坐標(biāo) 測量機(jī)的在外觀上會(huì)有差異，它們的主要差異是關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)和平衡系統(tǒng)。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 。 圖 中兩臺(tái)關(guān)節(jié)式三坐標(biāo)測量機(jī)均 為Cimcore 的 產(chǎn)品， 其中 左圖為 型 高精度關(guān)節(jié)臂測量機(jī) 。 一般的柔性關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測量機(jī) 由 3 根測量臂 , 6 個(gè)活動(dòng)關(guān)節(jié)和 1 個(gè) 接觸測頭組成。 3 根臂互相連接 ,其中 1個(gè)為固定臂 ,它安裝于任意基座上支持測量機(jī)的其他部件 ,另外 2 個(gè)活動(dòng)臂可運(yùn)動(dòng)于空間任意位置 ,以適應(yīng)測量需要 ,測頭安裝在末端臂的尾端 , 2 個(gè)測 量臂之間為關(guān)節(jié)式連接 ,可作空間回轉(zhuǎn) ,而每個(gè)活動(dòng)關(guān)節(jié)裝有相互垂直的回轉(zhuǎn)角傳感器 ,當(dāng)計(jì)算機(jī)接收到觸發(fā)測量信號(hào)后 ,立即讀取傳感器測得的角度值 ,運(yùn)行程序輸出被測點(diǎn)的三維坐標(biāo)值。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]。 圖 三維測量機(jī)三維圖 柔性 坐標(biāo)測量機(jī) 的測量原理 從圖 可以看出 ,柔性坐標(biāo)測量機(jī)類似于工業(yè)中常見的機(jī)器人手臂 ,使用機(jī)器人常用的 DenavitHartenberg 方法 [18]建模 (即 DH 方法 ) ,柔性坐標(biāo)測量機(jī)可抽象為多個(gè)具有獨(dú)立運(yùn)動(dòng)桿件以旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)組成的機(jī)械系統(tǒng) [19],要在空間描述每個(gè)桿件的位置及方向 , 需要建立以下的直角坐標(biāo)系 : 基座坐標(biāo)系 ； 桿件坐標(biāo)系 ； 測量機(jī)測頭坐標(biāo)系。不同于工業(yè)機(jī)器人的是測量機(jī)測頭的姿態(tài)一般無需考慮。 中國計(jì)量學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 圖 桿件坐標(biāo)關(guān)系轉(zhuǎn)換圖 按照 DH方法在各個(gè)關(guān)節(jié)處建立桿件坐標(biāo)系 ,所得的轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖 ,從圖 ,共建立了 7個(gè)坐標(biāo)系 ,基座坐標(biāo)系為 O0X0Y0Z0,各個(gè)關(guān)節(jié) i上建立坐標(biāo)系 OiXiYiZi (i=1, 2,? ,6),轉(zhuǎn)換矩陣為 : …… … ..… … .… … () 其中 , li 為兩關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸軸線之間的最短距離 ,即兩軸線之間公垂線的長度 。θ i 為兩相鄰桿件相對(duì)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 。di 為關(guān)節(jié)偏置量 (即相鄰桿長線在關(guān)節(jié)上截取的距離 )。α i為相鄰關(guān)節(jié)軸線相對(duì)扭轉(zhuǎn)角度 。l 為測量機(jī)測頭長度。 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 。 由于無需討論測頭相對(duì)于基準(zhǔn)坐標(biāo)系 O0X0Y0Z0的姿態(tài) ,只要 給出坐標(biāo)原點(diǎn) O6， 測頭 P在基準(zhǔn)坐標(biāo)系中的位置即可確定。則有 ： …… ……… ……………… .…… ……… () 中國計(jì)量學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 柔性坐標(biāo)測量機(jī)測頭 P 在基準(zhǔn)坐標(biāo)系 O0X0Y0Z0里 的坐標(biāo)方程為： …… …………………………………………………………………………………………… ..() 其中 ,li、 di、 α i均 為 機(jī)械結(jié)構(gòu)所確定的已知參數(shù) ,只要測得 6 個(gè)旋轉(zhuǎn)角度值θ i,就 可獲得測頭末端在基坐標(biāo)系中的空間三維坐標(biāo)值。 柔性坐標(biāo)測量機(jī)總體方案 測量空間 工業(yè)機(jī)器人的工作空間是從幾何方面討論 機(jī)器人末端執(zhí)行器的工作性能 [20],相對(duì)于機(jī)器人的工作空間概念 ,柔性坐標(biāo)測量機(jī)的 測量空間這一類似概念。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。顯然 ,測量空間受測量機(jī)結(jié)構(gòu)的影響。 從圖 中可看出 ,測量空間范圍主要受結(jié)構(gòu)參數(shù) l d l d5， h 和 測頭長度 l影響。在理想情況下 ,柔性坐標(biāo)測量機(jī)的 所有 關(guān)節(jié)變量 θ i均能夠在 [0, 2 ]范圍內(nèi)任意旋轉(zhuǎn) ,但是由于實(shí)際機(jī)械結(jié)構(gòu)的限制 ,測量機(jī)的關(guān)節(jié)并不能任意旋轉(zhuǎn)。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(duì)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。 對(duì)于關(guān)節(jié)扭轉(zhuǎn)角 ,本課題采用的是垂直正交連接 ,各扭轉(zhuǎn)角均為 90186。,理論上也能實(shí)現(xiàn)空間球體任意點(diǎn)的探測 。 因此 ,空間測量死角的存在僅與測量機(jī)中桿件的有效長度 ai和相鄰關(guān)節(jié)的偏置量 di的值有關(guān) 。 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 。 中國計(jì)量學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 圖 圖 左側(cè) 中的 結(jié)構(gòu)關(guān)系可得出出現(xiàn)測量死角時(shí) ,測頭長度 a,關(guān)節(jié)偏置量d3， d5及桿長 a4存在如下的關(guān)系 ……………………………… ………… ..……… …… .…( ) 此時(shí)的空腔區(qū)域如圖 左側(cè) 的陰影 部分 所示 ， 空腔球體的半徑約為 : 。 當(dāng) 時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生如圖 。空腔的半徑約 為： 。 綜 上 所述 ,為 使測量空間中不存在測量死角 ,對(duì) 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。關(guān)節(jié)的靈活性和精度直接影響測量機(jī)的整體性能，是測量機(jī)中十分重要的部分。因此我們要求測量機(jī)的關(guān)節(jié)必須符合結(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，彈性形變小等特點(diǎn)。 材料選 用 強(qiáng)度中國計(jì)量學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 航空鋁合金，有助于減輕結(jié)構(gòu)形變量 。 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。 臂身?xiàng)U件的主要參數(shù)是桿長 ， 只有選擇合適的桿長才能使測量機(jī)達(dá)到預(yù)定的測量范圍 ，并 且在規(guī)定的測量 內(nèi)，沒有測量死角。 同時(shí)要求臂身結(jié) 構(gòu)緊湊 ,桿件的最大外徑應(yīng)該適宜手持操作 ,回轉(zhuǎn)部分的徑向竄動(dòng)要小 。 為了簡便，測量臂取薄壁圓筒結(jié)構(gòu)，其設(shè)計(jì)基本方案如 圖 ： 中國計(jì)量學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 圖 臂身的基本設(shè)計(jì)圖 臂身材料的選擇 測量機(jī)臂身材料的選擇對(duì)于臂身設(shè)計(jì)來說十分關(guān)鍵。由于測量臂較長 ,， 且在其兩端 需要 支承關(guān)節(jié) 。 為了減小變形 、 減輕整個(gè)系統(tǒng)的重量 、 保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性等 ， 需要測量臂有較高的強(qiáng)度和剛度且重量輕 、 熱穩(wěn)定性好。 從 目前 來看，鈦合金與 碳纖維是 種 較為符合柔性坐標(biāo)測量機(jī)測量臂要求的材 料 [21]。 鈦合金外觀 似鋼， 具有 強(qiáng)度大 （ 抗拉強(qiáng)度為 180kg/mm3） 、密度小、 硬度大 、高溫強(qiáng)度好 、 低溫韌性優(yōu)異 、 耐熱性好 、 熱導(dǎo)率 低 、 耐腐蝕 、 熱膨脹系數(shù)低 等優(yōu)點(diǎn)比較適合臂身材料。 但其成本高，不易加工，并不是臂身材料的最好選擇。 碳纖維