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-在線瀏覽
2024-08-03 07:39本頁面
【正文】 字化移動的三坐標測量機，這在世界幾何量測量領(lǐng)域引起了巨大的震動。 以德國的 Carl Zaiss 公司、 美國的 Brown ＆ Sharp公司和 Shefffied 公司 、 意大利 DEA 公司等為代表的五十多家公司不斷推出新產(chǎn)品， 在測量精度 、 機械結(jié)構(gòu)形式 、 軟件功能 、 測量效率和柔性 等方面取得了質(zhì)的飛躍。 坐標測量儀特點 傳統(tǒng)的 三坐標測量儀主要 由 三個相互垂直的導軌（ 構(gòu)成一個 笛卡爾坐標系） 、 支撐系統(tǒng)、 測頭 、長光柵傳感器、數(shù)控系統(tǒng)、計算機系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)等組成 。 三坐標測量儀 的主要特點 如下 ： （ 1） 直線型導軌結(jié)構(gòu)； 6 （ 2） 長度測量基準：大部分都采用長光柵測量系統(tǒng)作為 X、 Y、Z軸的方向上的長度標準； （ 3） 測量精度高：不確定度可達到 m? 級； （ 4） 測量范圍手直線導軌結(jié)構(gòu)限制； （ 5） 體積大、笨重、不靈活、不便于移動。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。 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。 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。 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) 。 為原點的動坐標系相對于參考坐標系 錯誤 !未找到引用源。 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 8 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) ” 。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。 測頭位姿 的描述 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。 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 a 表示 測頭接近被測表面的方向， 向量 o 平行于 相鄰的關(guān)節(jié)軸線 。 9 0 0 0 10 0 0 1x x x xy y y yz z z zn o a pn o a p n o a pTn o a p???? ???? ???????? 測量系統(tǒng) 運動學模型 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。 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。 4) 為了 增大承載力，最下兩個關(guān)節(jié)直徑適當增加。 關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設計 關(guān)節(jié)部件是整個六自由度測量儀的關(guān)鍵，它是一個旋轉(zhuǎn)軸系統(tǒng)，由軸、軸承、外殼、光電編碼器、聯(lián)軸器以及其他連接件組成。這樣既有利于測量儀的穩(wěn)定與牢固，又有利于儀器的靈活性。 力平衡 裝置 設計 在 第二個關(guān)節(jié)上 加裝 一個扭簧，用以平衡測量臂和上面 4個 關(guān)節(jié)的重量 ， 減輕在測量時 人施加的力， 減輕人的負擔。 限位裝置 設計 為了 防止 關(guān)節(jié)的軸持續(xù) 向某一方向旋轉(zhuǎn) 導致 內(nèi)部電氣線路纏繞損壞，需要在每個關(guān)節(jié)處添加限位 裝置 來限制 每個 軸 的旋轉(zhuǎn)角度范圍 。 軸殼聯(lián)接件 設計一個 U 型結(jié)構(gòu)鉗住外殼 2，并用 4 個對稱的螺釘進行緊固定位（與豎直方向成 20176。所有需要用較大力的地方的聯(lián)接均用開 槽圓柱頭螺釘。按鍵 用螺紋連接裝在 測頭 連接件 外殼上，測頭用螺紋裝配在 測 頭 連接件 上，方便 拆卸與 更換。 軸承 的選擇 軸 1結(jié)構(gòu)設計 （ 1）受力分析 關(guān)節(jié)部分可視為 mmmm 12050 ，長? 的硬鋁合金實
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