发布时间 : 星期五 文章六自由度柔性机械臂的结构设计毕业(论文)设计论文更新完毕开始阅读fb45eb9b29ea81c758f5f61fb7360b4c2f3f2a5e
中国计量学院本科毕业设计（论文）
…………………….……….(2.7)
为使?xp,?yp,?zp的绝对值同时达到最小，在测量机实际情况下有如下约束条件：
1），测量半径为1.2m，测头长设为100mm。关节偏置量为d3+d5=1100mm为常数。
2），为避免出现“空腔”,根据2.3.1需满足
。
3），考虑加工方便，外形美观等因素，我们使a1与a2相等，a3，a5，a6与a4
相等。
可得到杆长优化模型：
……………………………………………..(2.8)
然而，由于关节偏置量d1的误差仅作用在测量值的z坐标上,对个关节变量的误差值基本上不会放大或缩小,因此优化模型中可忽略掉d1参数。
根据?xp,?yp,?zp与a2，a4，d3，d5的以及6个角度参数θi（i=1,2…6）关系,可将优化模型变为[26]：
…………………………………………………….(2.9)
选用一些常用的测量角度，即选择测量机的常用工作区间，在该常用的工作区间选取一些离散的测点，就可以对这些点进行研究，使得测量机在这些点上的测得值达到最优的效果。
通过以上的分析及计算，在测量机每一具体的测量点上，都有不同的最优解，但是对整个测量空间来说，结果是不确定的。但是，我们可知在测量臂的极限位
12
中国计量学院本科毕业设计（论文）
置时系统的稳定性最小，此时误差放大最大，实际测量时应该尽量规避掉这些极限位置。
d3，d5的取值虽在每组关节转角处都不尽相同,但当d3，d5的取值相近时,对整个系统误差影响最小。本例中因d3+d5=1100mm。我们取d3=600mm，d5=500mm。
对与a2、a4，它们对测头误差的影响是不确定的，因此它们的尺寸可根据具体设计要求和尺寸限制要求来确定[5，18]。我们取：a2=42，a4=37。 2.3.5 空心轴的强度校核与刚度校核
结构设计中,为了保证梁具有足够的安全裕度,梁的危险截面上的最大正应力必须小于许用应力,许用应力等于σs或σb除以一个大于1的安全系数。即:
……………………….………………………….……….…(2.10)
………………………………………………….….……….(2.11)
轴的强度校核与梁类似。式2.10，2.11即是梁上基于最大正应力时的弯曲强度条件。其中[σ]为弯曲许用应力，ns 与nb分别为对应于屈服极限和强度极限的安全因素。
考虑到关节式坐标测量机的实际机械结构，可知在实现无限旋转的竖关节中，受力最大的是第三关节，而受力最大的横关节是第四关节。由此可知，第三关节和第四关节的空心轴为工作中的最危险部件。对空心轴进行校核时，只需对这两个空心轴进行强度和刚度的校核即可。我们把这两个需校核的空心轴分别记为空心轴III和空心轴IV。
根据其他参考资料和以往三坐标测量机设计的经验，可知当选用一般普通尺寸编码器的情况下，可知空心轴III上所承受的重量不大于6kg[22,5]。由于有两个轴承承担其重量，每个轴承安装面上所承受的重力为：
=29.4N。
根据ANSYS有限元分析得出。空心轴III最大正应力为，476.8MPa。远小于牌号为7075-T6511，屈服极限为503MPa，拉伸强度为572MPa的铝合金。
对于轴IV。每个轴承安装面上的力24.5N。有限元分析出轴IV最大正应力为468.32MPa。因此也满足要求。
在对空心轴进行强度校核后，我们需对其进行刚度校核，将其截面最大挠度和转角限制在一定范围内，使其满足刚度条件：
,
。[ω]
和[θ]为许用挠度和许用转角。对于要求较高的轴，[ω]为0.0002l（l为轴长）。
13
中国计量学院本科毕业设计（论文）
为了使测量机达到较高精度，在选择轴承时，我们使用了轴承内圈最大径向跳动为0.002mm的P2级高精度轴承。因此，空心轴的许用挠度不应超过轴承内圈的径向跳动量0.002mm。
对零件进行有限元分析：轴III最大位移为：0.0012mm，轴IV最大位移为：0.00072mm。均小于最大挠度[ω]=0.002mm。因此符合刚度要求。
2.4 本章小结
本章提出了柔性坐标测量臂的设计原理和总体设计方案。测量机的测量空
间是一个半径为d3+d5+l的球体。
测量机总体的机械结构设计包括了测量臂的关节设计和臂长设计。测量臂的臂身为薄壁圆筒形结构，材料的选择对于测量臂的空间位置精度十分重要。我们选择了“轻而强，轻而硬，尺寸稳定性好”，力学性能好的碳纤维材料作为臂身的材料。选择合适的臂长，对臂长进行优化设计，可以避免测量机出现“空腔”现象并且能使测量机测头的位置误差降到最低。
此外，本章还对结构上最薄弱的空心轴进行了强度和刚度的校核。得出了最大应力，应变值，最大挠度均符合要求。
3 六自由度柔性臂的结构设计
3.1 基座部分的结构设计
基座是坐标测量机的支承件[27]，它与测量机的第一关节相连，起着支撑测量机上所有部件，并保证精度的作用。
支承件是整套系统的基础,支撑成着系统的各个零部件，因此不仅结构尺寸较大,而且自身重量重。由于各零部件装在支承件上，因此支承件件上需加工出孔或支承面、定位面等，而且加工精度和位置精度要求都较高，所以支承件的结构比较复杂[22]。因此，支承件必须要有足够的刚度、稳定性好、热变形小以及具有良好的抗震性。
基座由圆套筒、内螺母、转盘、角接触轴承、底座等零件组成。如图3.1。
14
中国计量学院本科毕业设计（论文）
图3.1 基座设计图
3.2 横关节部分的结构设计
测量机中的横关节即2,4,6关节部件主要用于连接相邻的两个臂身杆件，以实现高精度转动。它要求结构紧凑,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[28]。
横关节部件由关节连接套、空心轴、外套筒、轴承、角度传感器等零件组成。关节连接套上与空心轴配合，关节连接套下与外套筒配合。它们构成的整体分别连接两个相邻的臂身杆件,关节连接套的回转轴线与臂身杆件的轴线垂直。连接套的回转同时带动空心轴与外套筒一起回转,这里设计的关节连接套的回转角度范围为（-90 o,90 o）空心轴与外套筒之间有一对轴承,采用双轴承结构，可以减少单一轴承结构旋转时产生的径向跳动误差及偏转误差,提高回转精度。具体设计如图3.2。
15