六自由度柔性机械臂的结构设计毕业设计论文(编辑修改稿)

六自由度柔性机械臂的结构设计毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

三坐标测量机份额的一半左右 [1011]。 国外关于正交的坐标测量机的发展历史 较久 ,目前该类产品己比较成熟 、 完中国计量学院本科毕业设计（论文） 3 善。 国内的三坐标测量机起步比较晚 ，然而 随着越来越多的学者和科研人员研究的不断深入 研究 ,国内的三坐标测量技术 ,在理论研究和 产品开发方面 ,都有了一定的发展。 青岛前哨机械公司以花岗岩平板 在业界较为知名， 他们开发的三坐标测量机 ,虽然精度不是很高但它的价格较低 并 能提供 便捷快速的售后服务 ,他们的产品适于 一些测量精度要求不高的企业。 国内柔性坐标测量机的研究起步比较晚 ,主 要是部分高校在从事这方面的研究 ,其中推出产品的较少。 国内进行柔性坐标测量机研究的主要单位有哈尔滨工业大学 、 天津大学 、 华中科技大学 、 浙江大学 、 合肥工业大学 、 西安爱德华公司等。 在这几家机构中， 合肥工业大学 、 西安爱德华公司 己经研制出样机。 与国外柔性坐标测量机相比 ,国内已推出的样机精度偏低。 另外 ,受结构设计和加工的限制 ,国内研制出的样机稍显笨重 ,操作不够灵活 ,旋转关节只能在一定范围内回转。 柔性臂测量机未来的发展趋势 普及高速测量 普及高速 测量 与效率一直是衡量各种机器性能、生产过程优劣的两项主要指标。 传统的概念为了保证 测量机的 测量精度， 测量机 测量速度不宜过高。 但 随着生产节奏不断加快，用户在 要求 测量机保证测量精度的同时， 对 CMM 的测量速度(Measuring Speed)也 提出 了 越来越 高的要求。 新材料和新技术的应用 新材料和新技术的应用为确保可靠高速的测量功能，国外十分重视研究机体原材料的选用。 最近合金、石材、陶瓷等新材料 被纷纷用作测量机的材料来取代传统合金。 世界上的主要三坐标测 量机 制造厂商，大 部分都 采用了重量轻、刚性好、导热性强的合金材料，来制造测量机上的运动机构部件。 铝合金、陶瓷材料以及各种合成材料在三坐标测量机中得到了越来越广泛的应用。 测量机测头的发展 测 量 机测头的 发展三坐标测最机除了机械本体外，测头 是坐标测盆机的核心 ，也是测盘机达到高精度的关键。 与其他各项技术指标相比，提高测头的性能指标难度最大。 理想测头最主要的性能指标是测头接近零件能力的参数 :在同等精度指标下，测头端部的测头体直径 D与测杆长度 L的长径比为 L/D。 其值愈大，其性能愈好。 控制系统的改进 控制系统的改进在现代制造系统中，测量的目的 不 仅仅局限于成品验收检中国计量学院本科毕业设计（论文） 4 验，而是向整个制造系统提供有关制造过程的 信息，为控制提供依据。 从这一要求出发，必须要求测量机具有开放式控制系统，具有更大的柔性。 为此，要尽可能利用发展迅速的新的电子工业技术，设计新的高性。 近年来，计算机价格一直在降低，而性能愈来愈好。 我们要合理运用这一特点，加大这方面的研究。 另外，为了降低成本， 也可以用复杂的控制系统进行紧凑设计。 软件技术的革新 软件技术的革新测量机的功能主要由软件决定。 三坐标测童机的操作、使用的方便性。 也首先取决于软件，测量机每一项新技术的发展，都必须有相应配套的软件技术。 最终形成基于同一种平台开发的测最软件族也成 为软件革新的一种必然趋势。 可以说测 量 机软件是三坐标测 量 机中发展最为迅速的一项技术。 软件的发展将使三坐标测量机向智能化的方向发展，它至少将包括能进行自动编程、测 量 优化、故障自动诊断等方面的内容 [1214]。 研究内容与拟解决主要问题 课题研究内容 柔性坐标测量机是一种应用传感器技术的接触式或非接触式三维测量装置。 它通过安装在各关节及杆件内部的光电角度编码器获得各关节转角，再结合机械臂的机械参数 (臂长、关节厚度等 )应用空间支导线测量的原理计算出测量点的三维坐标。 柔性机械测量臂是柔性三坐 标测量机的最重要部件， 它是测量机的主要工作部分。 同时，柔性机械臂的设计 也是 柔性 三坐标测量机设计的最主要部分。 拟解决主要问题 本论文所研究的主要内容包括： 掌握六自由度柔性机械臂的应用场合、工作原理和结构特点；制定六自由度柔性臂的总体设计方案。 完成六自由度柔性机械臂的结构设计，包括机械臂的总装图及主要零部件图纸，做出必要的设计分析。 对六自由度柔性机械臂进行误差分析， 尺寸优化设计，并 给出相应的解决方案。 其中机械臂的 设计是本论文所主要讨论的问题。 进行机械臂的设计， 首先 要 确定测量臂的总体设计方案， 然后 重点分析机械结构的详细设计。 总体设计，我们可参考国外的几种柔性测量机的主流设计方案。 其主要解决的问题 以 及设计流程及方案如下： 一、自由度的选择。 柔性机械测量臂的设计在结构上模仿了关节式机器人的“关节”形式 只 是去掉了机器人结构中的驱动装置和控制机构，而改为由人来完成测量机的手动 操作 [15]。 二、 基座部件设计。 基座由圆套筒、内螺母、转盘、角接触轴承、底座、滑环支架、滑环等零件组成。 中国计量学院本科毕业设计（论文） 5 三、 横关节部件设计。 测量机中的横关节部件主要用于连接相邻的两个臂身杆件，且实现两杆件的高精度回转。 对关节部件结构设计要求是 :结构 紧凑，转动灵活，相应的转轴强度高，刚性大，弹性变形小；各关节之间垂直连接，回转部分的径向跳动小，同轴度高 [15]。 四、 臂身杆件设计。 臂身杆件的主要参数是杆长，使测量机达到预定的测量范围且在规定的测量半径空间范围内，无测量死角 [16]。 五、精度分析和误差补偿的设计计算，对柔性测量臂进行误差分析。 本章小结 （ 1）介绍了选题的背景与意义，介绍了三坐标测量机 的基本状况以及三坐标测量机 在工业生产科学研究中的重要作用。 （ 2）介绍了 三坐标测量机的国内外研究现状。 国内外各个品牌各自的优势，以及我国三坐标测量 机行业现阶段所存在的问题及不足。 （ 3）介绍了柔性臂测量机 未来 的发展趋势，主要有普及高速测量 、 新材料和新技术的应用 、 测量机测头的发展 、 控制系统的改进 、 软件技术的革新 五个方面。 （ 4）介绍了本论文选题的意义，研究内容与拟解决的主要问题。 确立了本文的主要研究内容：柔性测量机械臂的结构设计与误差分析。 2 六自由度柔性臂的设计原理 柔性 坐标测量机的基本 结构 1基座， 2关节部件， 3臂伸杆件， 4测头， 5平衡部件 图 柔性坐标测量机由 机械系统 、 信号采集系统 、软件系统 三大系统组成。 不同品牌的 三坐标测量机的在外观上会有差异，它们的主要差异是关节结构和平衡系统。 但其 主要 结构 组成基本相似（ 如图 所示 ） ，大体有基座，关节部件，臂中国计量学院本科毕业设计（论文） 6 伸杆件，测头，平衡部件 五个部件 组成。 图 为Cimcore 的 产品， 其中 左图为 型 高精度关节臂测量机。 一般的柔性关节式坐标测量机 由 3 根测量臂 , 6 个活动关节和 1 个 接触测头组成。 3 根臂互相连接 ,其中 1 个为固定臂 ,它安装于任意基座上支持测量机的其他部件 ,另外 2 个活动臂可运动于空间任意位置 ,以适应测量需要 ,测头安装在末端臂的尾端 , 2 个测量臂之间为关节式连接 ,可作空间回转 ,而每个活动关节装有相互垂直的回转角传感器 ,当计算机接收到触发测量信号后 ,立即读取传感器测得的角度值 ,运行程序输出被测点的三维坐标值。 为了测量机的整体平衡 ,还 可以设计平衡杆机构 [17]。 图 三维测量机三维图 柔性 坐标测量机 的测量原理 从图 可以看出 ,柔性坐标测量机类似于工业中常见的机器人手臂 ,使用机器人常用的 DenavitHartenberg 方法 [18]建模 (即 DH 方法 ) ,柔性坐标测量机可抽象为多个具有独立运动杆件以旋转关节组成的机械 系统 [19],要在空间描述每个杆件的位置及方向 , 需要建立以下的直角坐标系 : 基座坐标系 ； 杆件坐标系 ； 测量机测头坐标系。 不同于工业机器人的是测量机测头的姿态一般无需考虑。 中国计量学院本科毕业设计（论文） 7 图 杆件坐标关系转换图 按照 DH方法在各个关节处建立杆件坐标系 ,所得的转换关系如图 ,从图 ,共建立了 7个坐标系 ,基座坐标系为 O0X0Y0Z0,各个关节 i上建立坐标系 OiXiYiZi (i=1, 2,„ ,6),转换矩阵为 : …… … ..… … .… … () 其中 , li 为两关节转轴轴线之间的最 短距离 ,即两轴线之间公垂线的长度。 θ i 为两相邻杆件相对位置的变化量 ,当两杆件以旋转关节相连时 ,即为安装在各关节中的角度传感器的输出。 di 为关节偏置量 (即相邻杆长线在关节上截取的距离 )。 α i为相邻关节轴线相对扭转角度。 l 为测量机测头长度。 从坐标系 O6逐次到坐标系 O0的齐次坐标变换公式分别是 、 、 、 、和。 由于无需讨论测头相对于基准坐标系 O0X0Y0Z0的姿态 ,只要给出坐标原点 O6， 测头 P 在基准坐标系中的位置即可确定。 则有 ： …… ……… ……………… .…… ……… () 中国计量学院本科毕业设计（论文） 8 柔性坐标测量机测头 P在基准坐标系 O0X0Y0Z0里 的坐标方程为： …… …………………………………………………………………………………………… ..() 其中 ,li、 di、 α i均 为 机械结构所确定的已知参数 ,只要测得 6个旋转角度值θ i,就 可获得测头末端在基坐标系中的空间三维坐标值。 柔性坐标测量机总体方案 测量空间 工业机器人的工作空间是从几何方面讨论机器人末端执行器的工作性能 [20],相对于机器人的工作空间概念 ,柔性坐标测量机的 测量空间这一类似概念。 即为当 测量机正常工作时 ,测头坐标系的原点能在空间探测到的最大范围。 显然 ,测量空间受测量机结构的影响。 从图 中可看出 ,测量空间范围主要受结构参数 l d l d5， h 和 测头长度 l影响。 在理想情况下 ,柔性坐标测量机的 所有 关节变量 θ i均能够在 [0, 2 ]范围内任意旋转 ,但是由于实际机械结构的限制 ,测量机的关节并不能任意旋转。 各个关节变量 θ i的实际取值范围如下 : … …………… .……………… …() 由于整个结构的对称性 ,测量机的测量空间为一个完整的球体 ,不难得出该球体的半径 d3+d5+l。 对于关节扭转角 ,本课题采用的是垂直正交连接 ,各扭转角均为 90186。 ,理论上也能实现空间球体任意点的探测。 因此 ,空间测量死角的存在仅与测量机中杆件的有效长度 ai和相邻关节的偏置量 di的值有关。 通过图 中的图解法可得知 ,当杆件有效长度与关节偏置量为图中所示的关系时 ,测量机在理想球体内出现测量死角 ,也即出现 “ 空腔 ” 区域 ,在区域内测头无法探测到。 中国计量学院本科毕业设计（论文） 9 图 图 左侧 中的结构关系可得出出现测量死角时 ,测头长度 a,关节偏置量d3， d5及杆长 a4存在如下的关系 ……………………………… ………… ..……… …… .…( ) 此时的空腔区域如图 左侧 的阴影 部分 所示 ， 空腔球体的半径约为 :。 当 时，也会产生如图 右图所示的空腔。 空腔的半径约 为：。 综 上 所述 ,为 使测量空间中不存在测量死角 ,对 a4， d3和 d5来说 它们必须要 满足的 大小 关系 为 [5]： ………… ..…… ………………………………… .… …… .…( ) 关节和臂长设计 测量机的关节部分主要用于连接各个 相邻的 杆件 ，使得测量机的测头能做空间回转运动，实现六自由度的测量。 关节的灵活性和精度直接影响测量机的整体性能，是测量机中十分重要的部分。 因此我们要求测量机的关节必须符合结构紧凑，转动灵活，相应的转轴强度高，刚性大，弹性形变小等特点。 材料选 用 强度中国计量学院本科毕业设计（论文） 10 航空铝合金，有助于减轻结构形变量。 关节的设计如 图 ，图 （蓝色部分表示运用螺纹连接） ： 图 横关节的零件设计爆炸图 图 横关节的零件设计爆炸图 测量机的六个关节将相邻的测量臂进行连接，测量臂才得以在空间内进行旋转，从而完成测量动作。 臂身杆件的主要参数是杆长 ， 只有选择合适的杆长才能使测量机达到预定的测量范围 ，并 且在规定的测量 内，没有测量死角。 同时要求臂身结 构紧凑 ,杆件的最大外径应该适宜手持操作 ,回转部分的径向窜动要小。 为了简便，测量臂取薄壁圆筒结构，其设计基本方案如 图 ： 中国计量学院本科毕业设计（论文） 11 图 臂身的基本设计图 臂身材料的选择 测量机臂身材料的选择对于臂身设计来说十分关 键。 由于测量臂较长 ,， 且在其两端 需要 支承关节。 为了减小变形 、 减轻整个系统的重量 、 保持系统的稳定性等 ， 需要测量臂有较高的强度和刚度且重量轻 、 热稳定性好。 从 目前 来看，钛合金与 碳纤维是 种 较为符合柔性坐标测量机测量臂要求的材 料 [21]。 钛合金。