【文章內(nèi)容簡介】 PA???? 即? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ??????????????????????????232323232222222221212121zzyyxxlzzyyxxlzzyyxxl （ 31） 三個方程三個未知數(shù)， 由上式即可解出機器人末端 點 P 的坐標（ x,y,z） 。 3． 3 低慣量密繞裝置 的設(shè)計 低慣量密繞系統(tǒng)的工作原理及組成 低慣量 密繞裝置是整個 系統(tǒng) 設(shè)計的關(guān)鍵之處，直接影響著測量系統(tǒng)的精度。拉繩是機器人精度的測量介質(zhì)， 所采用拉繩的直徑為 。 拉繩纏繞在密繞裝置上時 要保證 不能重疊纏繞，否則會使測量數(shù)據(jù)產(chǎn)生誤差。 本設(shè)計中采用了特殊 螺距 的螺紋結(jié)構(gòu)， 使密繞裝置沿軸向上下運動 。而且螺紋的螺 距與拉線的直徑相等， 這樣使得拉繩每纏繞一周，密繞裝置在豎直方向上向上或者向下移動拉繩直徑那么大的距離即 ,這樣便保證細繩平鋪 纏繞在密繞裝置上。 低慣量密繞系統(tǒng)主要包括以下幾部分：主軸、鼓、直線軸承 與滾動軸承 、導向軸和鋼質(zhì)螺紋套。 主軸的設(shè)計 主軸是 系統(tǒng)中最主要的回轉(zhuǎn)部件，主軸首先要求較低的慣量，其次由于主軸是一個細長軸，也要求有一定的剛度，防止出現(xiàn)主軸彎曲而產(chǎn)生測量誤差的現(xiàn)象。綜合以上對主軸的性能要求，擬采用鋁合金材料制造主軸。查閱市面上相關(guān)的鋁合金牌照，經(jīng)過相關(guān)比較，選取 2A20xx 鋁合金。 河北工業(yè)大學 20xx 屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書 10 圖 主軸三維模型圖 2A11 鋁合金 別稱標準硬鋁， 具有中等強度，在退火、剛淬火和熱狀態(tài)下可塑性尚好，可熱處理強化，在淬火和自然時效狀態(tài)下使用，點焊焊接性良好，進行氣焊及氬弧焊時有裂紋傾向；可切削在淬火時效狀態(tài)下尚好，在退火狀態(tài)時不良。 如圖 32 是主軸的三維模型，主軸的上部和中部的階梯處安裝滾動軸承，主軸最下部開有寬度為 的窄槽，用來安裝發(fā)條彈簧。主軸所受力很小，僅僅受到發(fā)條彈簧施加在主軸上的恢復力，大小約為 7N，因此在此選取主軸的軸徑小徑處為8mm,大徑處 為 12mm，主軸全長 123mm。軸徑 8mm 處與滾動軸承配合，此處宜選擇過度配合，精度等級選擇 js6 級。 主軸兩側(cè)設(shè)計有伸出端，形似兩只胳膊，在此將其稱之為主軸臂。 主軸臂的總體厚度為 4mm,中間部分加厚以防止主軸臂彎曲。 主軸臂部末端有兩個小孔，小孔孔徑為 3mm,與導向軸相配合。初步擬選擇過盈 配合使 導向軸固定在主軸上， 但導向軸長度為 40mm,如果選擇過盈配合的話，很難保證裝配時導向軸的直線度。因此此處采用間隙配合，導向軸依靠兩端的軸用彈性擋圈固定在主軸臂的小孔中。 由于主軸的形狀不規(guī)則，若采用一體式的加工難度較大而且浪費原材料。因此考慮使主 軸和主軸臂分開加工，由于 2A1 1 鋁合金材質(zhì)具有良好的焊接性能，此處采取焊接的方式固定在一起形成整體的主軸。 但是采取焊接的方式會產(chǎn)生應(yīng)力，使主軸臂發(fā)生變形，造成小孔垂直度誤差。此處采用的工序是 :先進行焊接，焊接完成后進行時效處理，去除應(yīng)力，最后加工主軸臂上的小孔。這樣可以消除焊接帶來的變形造成的誤差。 河北工業(yè)大學 20xx 屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書 11 鋼絲繩 與編碼器的 選型 此 機器人精度測量系統(tǒng)是以拉繩為介質(zhì)測量機器人末端的位置，因此對測量介質(zhì)即拉繩的要求較高，拉繩要滿足以下兩個條件：第一，拉繩具有較高的韌性，能夠很容易地纏繞在鼓上。第 二，拉繩要有較高的彈性模量，在發(fā)條施加一定恢復力的狀態(tài)下，其伸長量可以忽略不計。 經(jīng)過查閱相關(guān)資料，主要篩選出兩種線材可供考慮：尼龍繩和鋼絲繩。通過相關(guān)的比較，本裝置中最終選擇 7 7 股 304 不銹鋼鋼絲繩作為 測量介質(zhì)，每根鋼絲繩由7 股鋼絲捻成，每股鋼絲里又包含 7 股細絲。因為不銹鋼鋼絲繩材質(zhì)有更高的楊氏彈性模量，抵抗伸長變形的能力更強。本設(shè)計中選取的鋼絲繩的主要參數(shù)如下： 直徑 d= 材質(zhì) 304 不銹鋼 楊氏彈性模量 E=200GPa 長度 L 3m 最大承重 15kg 圖 光電編碼 器圖 便攜式的機器人精度測量系統(tǒng)是通過編碼器 記錄的轉(zhuǎn)角來計算出鋼絲繩運動的距離，因此光電編碼器的精度與質(zhì)量對最終的測量結(jié)果有著直接的影響。本設(shè)計中采用增量型光電編碼器即可。考慮到精度的要求、編碼器的外形尺寸以及安裝方式這些因素，對比市面上能夠買到的多個廠家及多個型號的編碼器，最終選擇的編碼器參數(shù)如下： 品牌：海德漢（ HEIDENHAIN） 安裝孔：通孔型 Φ 8mm 型號： ERN430 線數(shù) :3600 線 河北工業(yè)大學 20xx 屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書 12 系統(tǒng)精度： 1/20 光柵周期 額定電壓： 12V 直流 質(zhì)量：約 鼓 的 設(shè)計 圖 鼓三維模型圖 如上圖 是鋼絲繩纏繞殼體的三維模型，由于其外觀形似一張鼓，以下稱其為“鼓”。 鼓的形狀不規(guī)則，本身為薄金屬圓柱形殼體，內(nèi)側(cè)有兩個伸出端，由于其外形好像兩個耳朵，以下稱其為“耳”。 鋼絲繩直接纏繞在鼓上， 鼓是低慣量密繞系統(tǒng)的主要組成部分，其慣量的大小直接決定著密繞系統(tǒng)慣量的大小。 顯然，鼓的質(zhì)量必須較小，才能使鼓具有較小的慣量，運動起來才能輕便靈活，保證系統(tǒng)對機器人末端運動的跟隨性好，響應(yīng)快。選擇鋁合金2A11 材料制造，其密度為 ，質(zhì)量小，強度高，慣量小。 鼓的主要參數(shù)如下： 材料： 2A11 直徑 : 60mm 壁厚： 3mm 高度： 30mm 由于兩個耳的存在，鼓一體化加工難度較大。因此采用焊接的方式，將兩個耳焊接到鼓上。但是焊接存在較大的應(yīng)力和變形，容易造成上下直線軸承安裝孔之間不同軸。為解決這一問題，采用先焊接，經(jīng)過時效處理去除殘余應(yīng)力，再鉆孔的方法，以保正上下孔之間較高的同軸度。 耳上和鼓上平面開有孔，孔徑為 7mm， 4 個孔與直線軸承外徑相配合。為 了便于安裝，孔與直線軸承外徑采用間隙配合的方式，孔直徑 φ河北工業(yè)大學 20xx 屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書 13 6mm，公差等級 H7。初步考慮在上端面設(shè)計有一個 φ 24mm的孔，孔中有 M24 的內(nèi)螺紋與上殼體上的螺紋相配合。然而，查閱機械設(shè)計手冊發(fā)現(xiàn) M24 的螺紋其螺距有 2mm、 、 1mm。 而 本設(shè)計中 鼓 采用的是螺距 的 非標 鋁制螺紋， 由于其螺距較小而且鋁合金的強度較低，在使用過程中螺紋容易磨損磨損失效。為了解決這一問題，采用分體式設(shè)計，做成兩個零件，新設(shè)計一個鋼質(zhì)的螺紋套，螺紋套和鼓以螺釘相連接。這樣即使螺紋由于長時間使用而發(fā)生磨損，只需更換一個新的鋼質(zhì)螺紋套即可。螺紋套的設(shè)計如下 所述 鋼螺紋套的設(shè)計 圖 鋼螺紋套三維模型圖 如 上圖是鋼螺紋 套三維模型圖。材料選擇 45 鋼，調(diào)制處理，以達到較高硬度和強度，延長螺紋的使用壽命。中間 φ 24mm 的孔中有非標內(nèi)螺紋 M24 ，與上殼體伸出端的外螺紋 相配合。兩端的耳部 有沉孔，通過 4 個 的螺釘與鼓相連接。當達到一定的使用壽命，螺紋產(chǎn)生磨損或者失效時，可直接更換新的鋼螺紋套，減少了使用和維修的成本。 導向軸和直線軸承的選型與設(shè)計 圖 直線軸承 與導向軸 直線軸承沿著主軸在 z 軸方向上垂直移動。 直線軸承和導向軸都是可以直接購買河北工業(yè)大學 20xx 屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書 14 的，直線軸承和導向軸是相互配合的，有現(xiàn)成的參數(shù)， 只需根據(jù)系統(tǒng)的相關(guān)要求選型即可。 直線軸承如 上 圖所示， 為了減少重量，節(jié)省空間，本設(shè)計中直線軸承 選 用 4 個 內(nèi)徑 φ 3mm 微型兩面切割法蘭直線軸承 ，從米思米上采購 。 直線 軸承上帶有法蘭，圓法蘭兩側(cè)面已切割，因此可以減輕自身重量，節(jié)省 其安裝所占用空間。法蘭上帶有雙安裝孔，通過 M2mm 的內(nèi)六角圓柱頭螺釘與鼓的上端面預(yù)留的螺紋孔連接。直線軸承的相關(guān)參數(shù)如下： 型號 米思米 LHFC3 外徑 7mm 長度 10mm 潤滑 脂潤滑 基本額定動負載 69N 導向軸如 上 圖所示， 軸徑 3mm，長度為 40mm。其材質(zhì)為 45 鋼，表面鍍鉻，保證其有較高的剛度和較好的表面質(zhì)量，表面粗糙度為 ，減小了導向軸與直線軸承間的摩擦力 。 同時導向軸公差等級 g6，與直線軸承孔為間隙配合方式，因此鼓在垂直方向上能夠快速低阻力地移動。 初步考慮采用過盈配合的方式將其安裝到主軸預(yù)留孔上， 但是導向軸的較長，過盈配合會給裝配帶來很大的困難。因此，最終采用軸用彈性墊圈（即卡簧）將導向軸固定到主軸的孔中 。采購來的導向光軸要加工出兩個槽，用來安裝兩側(cè)的 M3mm 的軸用彈性墊圈。 低慣量密繞裝置 干涉的 檢驗 本裝置 是便攜式機器人精度測量系統(tǒng)，為突出其便攜性，內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計的十分緊湊。但是因為設(shè)計中大量使用采購的標準件，比如直線軸承，其長度為 10mm，冗余的長度要占據(jù)一定的空間。在設(shè)計時，不僅要為鼓的垂直方向上的移動距離預(yù)留出空間，還要為 直線軸承的冗余長度留出空間，防止 鼓與與殼體發(fā)生干涉以及 直線軸承的末端與主軸的臂部發(fā)生干涉。以下是干涉情況的初步計算，在第 章中，會通過三維軟件的運動仿真來詳細實現(xiàn)低慣量密繞系統(tǒng)的干涉狀況檢驗。 鋼絲繩纏繞 圈數(shù) 3 0 0 0 ???? mmmmdLn ? （ 32） 河北工業(yè)大學 20xx 屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書 15 上式 中， L=3m表示系統(tǒng)的量程； d=60mm表示鼓的直徑； 為了保證一定的精度，還要在初始處預(yù)留出圈不參與測量的鋼絲繩，為了方便起見，此處取為 4 圈，即總的圈數(shù)為 N=20 圈。 那么鼓在垂直方向上必要的移動距離 S=p N= 20=10mm (33) 式 34 中， p= 表示非標螺紋的螺距； 上殼體腔體的總高度至少為 mmSHHH ????????? 法蘭鼓 (34) 設(shè)計中上殼體內(nèi)部空腔的高度為 47mm，經(jīng)檢驗不會產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。 3． 4 彈簧張緊裝置 的設(shè)計 彈簧張緊裝置主要有兩個作用：一是提供低慣量密繞系統(tǒng)的回復力，二是保持鋼絲繩始終 處于張緊拉直的狀態(tài)。彈簧裝置提供的回復力要適中，如果彈力太大，會使鋼絲繩產(chǎn)生額外的變形，影響測量的精度。如果彈力太小，鋼絲繩難以快速地伸縮以跟隨機器人末端的運動，響應(yīng)速度會大打折扣。另外，張緊裝置提供的回復力在一定范圍內(nèi)可認為是恒定的，在主軸的轉(zhuǎn)動范圍內(nèi)不能變化太大，否則會使鋼絲繩在纏繞在 鼓上時產(chǎn)生偏差。彈簧張緊裝置主要有兩種選擇 :螺旋式的彈簧和渦卷式的發(fā)條。顯然，發(fā)條優(yōu)勢更大，發(fā)條和主軸更易