便携式机器人精度测量系统设计毕业设计论文(编辑修改稿)

便携式机器人精度测量系统设计毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

PA 即               232323232222222221212121zzyyxxlzzyyxxlzzyyxxl （ 31） 三个方程三个未知数， 由上式即可解出机器人末端 点 P 的坐标（ x,y,z）。 3． 3 低惯量密绕装置 的设计 低惯量密绕系统的工作原理及组成 低惯量 密绕装置是整个 系统 设计的关键之处，直接影响着测量系统的精度。 拉绳是机器人精度的测量介质， 所采用拉绳的直径为。 拉绳缠绕在密绕装置上时 要保证 不能重叠缠绕，否则会使测量数据产生误差。 本设计中采用了特殊 螺距 的螺纹结构， 使密绕装置沿轴向上下运动。 而且螺纹的螺 距与拉线的直径相等， 这样使得拉绳每缠绕一周，密绕装置在竖直方向上向上或者向下移动拉绳直径那么大的距离即 ,这样便保证细绳平铺 缠绕在密绕装置上。 低惯量密绕系统主要包括以下几部分：主轴、鼓、直线轴承 与滚动轴承 、导向轴和钢质螺纹套。 主轴的设计 主轴是 系统中最主要的回转部件，主轴首先要求较低的惯量，其次由于主轴是一个细长轴，也要求有一定的刚度，防止出现主轴弯曲而产生测量误差的现象。 综合以上对主轴的性能要求，拟采用铝合金材料制造主轴。 查阅市面上相关的铝合金牌照，经过相关比较，选取 2A20xx 铝合金。 河北工业大学 20xx 届本科毕业设计说明书 10 图 主轴三维模型图 2A11 铝合金 别称标准硬铝， 具有中等强度，在退火、刚淬火和热状态下可塑性尚好，可热处理强化，在淬火和自然时效状态下使用，点焊焊接性良好，进行气焊及氩弧焊时有裂纹倾向；可切削在淬火时效状态下尚好，在退火状态时不良。 如图 32 是主轴的三维模型，主轴的上部和中部的阶梯处安装滚动轴承，主轴最下部开有宽度为 的窄槽，用来安装发条弹簧。 主轴所受力很小，仅仅受到发条弹簧施加在主轴上的恢复力，大小约为 7N，因此在此选取主轴的轴径小径处为8mm,大径处 为 12mm，主轴全长 123mm。 轴径 8mm 处与滚动轴承配合，此处宜选择过度配合，精度等级选择 js6 级。 主轴两侧设计有伸出端，形似两只胳膊，在此将其称之为主轴臂。 主轴臂的总体厚度为 4mm,中间部分加厚以防止主轴臂弯曲。 主轴臂部末端有两个小孔，小孔孔径为 3mm,与导向轴相配合。 初步拟选择过盈 配合使 导向轴固定在主轴上， 但导向轴长度为 40mm,如果选择过盈配合的话，很难保证装配时导向轴的直线度。 因此此处采用间隙配合，导向轴依靠两端的轴用弹性挡圈固定在主轴臂的小孔中。 由于主轴的形状不规则，若采用一体式的加工难度较大而且浪费原材料。 因此考虑使主 轴和主轴臂分开加工，由于 2A1 1 铝合金材质具有良好的焊接性能，此处采取焊接的方式固定在一起形成整体的主轴。 但是采取焊接的方式会产生应力，使主轴臂发生变形，造成小孔垂直度误差。 此处采用的工序是 :先进行焊接，焊接完成后进行时效处理，去除应力，最后加工主轴臂上的小孔。 这样可以消除焊接带来的变形造成的误差。 河北工业大学 20xx 届本科毕业设计说明书 11 钢丝绳 与编码器的 选型 此 机器人精度测量系统是以拉绳为介质测量机器人末端的位置，因此对测量介质即拉绳的要求较高，拉绳要满足以下两个条件：第一，拉绳具有较高的韧性，能够很容易地缠绕在鼓上。 第 二，拉绳要有较高的弹性模量，在发条施加一定恢复力的状态下，其伸长量可以忽略不计。 经过查阅相关资料，主要筛选出两种线材可供考虑：尼龙绳和钢丝绳。 通过相关的比较，本装置中最终选择 7 7 股 304 不锈钢钢丝绳作为 测量介质，每根钢丝绳由7 股钢丝捻成，每股钢丝里又包含 7 股细丝。 因为不锈钢钢丝绳材质有更高的杨氏弹性模量，抵抗伸长变形的能力更强。 本设计中选取的钢丝绳的主要参数如下： 直径 d= 材质 304 不锈钢 杨氏弹性模量 E=200GPa 长度 L 3m 最大承重 15kg 图 光电编码 器图 便携式的机器人精度测量系统是通过编码器 记录的转角来计算出钢丝绳运动的距离，因此光电编码器的精度与质量对最终的测量结果有着直接的影响。 本设计中采用增量型光电编码器即可。 考虑到精度的要求、编码器的外形尺寸以及安装方式这些因素，对比市面上能够买到的多个厂家及多个型号的编码器，最终选择的编码器参数如下： 品牌：海德汉（ HEIDENHAIN） 安装孔：通孔型 Φ 8mm 型号： ERN430 线数 :3600 线 河北工业大学 20xx 届本科毕业设计说明书 12 系统精度： 1/20 光栅周期 额定电压： 12V 直流 质量：约 鼓 的 设计 图 鼓三维模型图 如上图 是钢丝绳缠绕壳体的三维模型，由于其外观形似一张鼓，以下称其为“鼓”。 鼓的形状不规则，本身为薄金属圆柱形壳体，内侧有两个伸出端，由于其外形好像两个耳朵，以下称其为“耳”。 钢丝绳直接缠绕在鼓上， 鼓是低惯量密绕系统的主要组成部分，其惯量的大小直接决定着密绕系统惯量的大小。 显然，鼓的质量必须较小，才能使鼓具有较小的惯量，运动起来才能轻便灵活，保证系统对机器人末端运动的跟随性好，响应快。 选择铝合金2A11 材料制造，其密度为 ，质量小，强度高，惯量小。 鼓的主要参数如下： 材料： 2A11 直径 : 60mm 壁厚： 3mm 高度： 30mm 由于两个耳的存在，鼓一体化加工难度较大。 因此采用焊接的方式，将两个耳焊接到鼓上。 但是焊接存在较大的应力和变形，容易造成上下直线轴承安装孔之间不同轴。 为解决这一问题，采用先焊接，经过时效处理去除残余应力，再钻孔的方法，以保正上下孔之间较高的同轴度。 耳上和鼓上平面开有孔，孔径为 7mm， 4 个孔与直线轴承外径相配合。 为 了便于安装，孔与直线轴承外径采用间隙配合的方式，孔直径 φ河北工业大学 20xx 届本科毕业设计说明书 13 6mm，公差等级 H7。 初步考虑在上端面设计有一个 φ 24mm的孔，孔中有 M24 的内螺纹与上壳体上的螺纹相配合。 然而，查阅机械设计手册发现 M24 的螺纹其螺距有 2mm、 、 1mm。 而 本设计中 鼓 采用的是螺距 的 非标 铝制螺纹， 由于其螺距较小而且铝合金的强度较低，在使用过程中螺纹容易磨损磨损失效。 为了解决这一问题，采用分体式设计，做成两个零件，新设计一个钢质的螺纹套，螺纹套和鼓以螺钉相连接。 这样即使螺纹由于长时间使用而发生磨损，只需更换一个新的钢质螺纹套即可。 螺纹套的设计如下 所述 钢螺纹套的设计 图 钢螺纹套三维模型图 如 上图是钢螺纹 套三维模型图。 材料选择 45 钢，调制处理，以达到较高硬度和强度，延长螺纹的使用寿命。 中间 φ 24mm 的孔中有非标内螺纹 M24 ，与上壳体伸出端的外螺纹 相配合。 两端的耳部 有沉孔，通过 4 个 的螺钉与鼓相连接。 当达到一定的使用寿命，螺纹产生磨损或者失效时，可直接更换新的钢螺纹套，减少了使用和维修的成本。 导向轴和直线轴承的选型与设计 图 直线轴承 与导向轴 直线轴承沿着主轴在 z 轴方向上垂直移动。 直线轴承和导向轴都是可以直接购买河北工业大学 20xx 届本科毕业设计说明书 14 的，直线轴承和导向轴是相互配合的，有现成的参数， 只需根据系统的相关要求选型即可。 直线轴承如 上 图所示， 为了减少重量，节省空间，本设计中直线轴承 选 用 4 个 内径 φ 3mm 微型两面切割法兰直线轴承 ，从米思米上采购。 直线 轴承上带有法兰，圆法兰两侧面已切割，因此可以减轻自身重量，节省 其安装所占用空间。 法兰上带有双安装孔，通过 M2mm 的内六角圆柱头螺钉与鼓的上端面预留的螺纹孔连接。 直线轴承的相关参数如下： 型号 米思米 LHFC3 外径 7mm 长度 10mm 润滑 脂润滑 基本额定动负载 69N 导向轴如 上 图所示， 轴径 3mm，长度为 40mm。 其材质为 45 钢，表面镀铬，保证其有较高的刚度和较好的表面质量，表面粗糙度为 ，减小了导向轴与直线轴承间的摩擦力。 同时导向轴公差等级 g6，与直线轴承孔为间隙配合方式，因此鼓在垂直方向上能够快速低阻力地移动。 初步考虑采用过盈配合的方式将其安装到主轴预留孔上， 但是导向轴的较长，过盈配合会给装配带来很大的困难。 因此，最终采用轴用弹性垫圈（即卡簧）将导向轴固定到主轴的孔中。 采购来的导向光轴要加工出两个槽，用来安装两侧的 M3mm 的轴用弹性垫圈。 低惯量密绕装置 干涉的 检验 本装置 是便携式机器人精度测量系统，为突出其便携性，内部结构设计的十分紧凑。 但是因为设计中大量使用采购的标准件，比如直线轴承，其长度为 10mm，冗余的长度要占据一定的空间。 在设计时，不仅要为鼓的垂直方向上的移动距离预留出空间，还要为 直线轴承的冗余长度留出空间，防止 鼓与与壳体发生干涉以及 直线轴承的末端与主轴的臂部发生干涉。 以下是干涉情况的初步计算，在第 章中，会通过三维软件的运动仿真来详细实现低惯量密绕系统的干涉状况检验。 钢丝绳缠绕 圈数 3 0 0 0  mmmmdLn  （ 32） 河北工业大学 20xx 届本科毕业设计说明书 15 上式 中， L=3m表示系统的量程； d=60mm表示鼓的直径； 为了保证一定的精度，还要在初始处预留出圈不参与测量的钢丝绳，为了方便起见，此处取为 4 圈，即总的圈数为 N=20 圈。 那么鼓在垂直方向上必要的移动距离 S=p N= 20=10mm (33) 式 34 中， p= 表示非标螺纹的螺距； 上壳体腔体的总高度至少为 mmSHHH  法兰鼓 (34) 设计中上壳体内部空腔的高度为 47mm，经检验不会产生干涉现象。 3． 4 弹簧张紧装置 的设计 弹簧张紧装置主要有两个作用：一是提供低惯量密绕系统的回复力，二是保持钢丝绳始终 处于张紧拉直的状态。 弹簧装置提供的回复力要适中，如果弹力太大，会使钢丝绳产生额外的变形，影响测量的精度。 如果弹力太小，钢丝绳难以快速地伸缩以跟随机器人末端的运动，响应速度会大打折扣。 另外，张紧装置提供的回复力在一定范围内可认为是恒定的，在主轴的转动范围内不能变化太大，否则会使钢丝绳在缠绕在 鼓上时产生偏差。 弹簧张紧装置主要有两种选择 :螺旋式的弹簧和涡卷式的发条。 显然，发条优势更大，发条和主轴更易。