六自由度柔性机械臂的结构毕业设计

'本科毕业设计（论文）六自由度柔性机械臂的结构设计StructureDesignofSix-degreeoffreedomFlexible MechanicalArms学生姓名学号0700107227学生专业机械电子工程班级07机电2班二级学院机电工程学院指导教师中国计量学院2011年6月6 郑重声明本人呈交的毕业设计论文，是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，所有数据、图片资料真实可靠。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。本学位论文的知识产权归属于培养单位。学生签名：日期：6 分类号：TH721密级：公开UDC：62学校代码：10356中国计量学院本科毕业设计（论文）六自由度柔性机械臂的结构设计StructureDesignofSix-degreeoffreedomFlexible MechanicalArms作者曹世仑学号0700107227申请学位工学学士指导教师徐立军学科专业机械电子工程培养单位中国计量学院答辩委员会主席许昌评阅人2011年6月6 六自由度柔性机械臂的结构设计摘要：随着工业的发展，三坐标测量机在现代制造工程领域中的应用越来越广泛。工业生产对于测量的要求也越来越高，传统的正交直角测量机已经不能完全满足测量的需求。柔性机械臂式非正交测量机正是在这种情况下产生的。本文研究的六自由度柔性机械测量臂即是基于以上产生的。柔性机械臂式测量机拥有结构简单、测量范围大、灵活轻便等优点，并能进行现场测量，可以解决很多以往传统三坐标测量机不能解决的问题。本文重点对柔性臂测量机的机械结构设计进行了研究。首先介绍了柔性臂式三坐标测量机的基本结构和工作原理，给出了整体的机械设计方案。简单介绍了测量机的测量空间及相关概念。根据要测量臂系统的特点择了臂身材料，并对臂长进行了优化设计。并对薄弱的环节进行了强度和刚度的校核，以确保设计的方案符合要求。给出了包括基座，横纵关节，臂身在内的具体结构的设计。对柔性测量臂系统进行了误差分析，分析了其主要的误差及误差源。并对关节晃动和杆件参数导致的误差建立了误差模型并对其进行了分析。提出了提高精度的一些方法。最后对本文进行了总结和展望。关键词：柔性臂三坐标测量机机械结构设计误差分析中图分类号：TH7216 StructureDesignofSix-degreeoffreedomFlexible MechanicalArmsAbstract:Withthedevelopmentofindustrialspecial,3-coordinatemeasuringmachineisbeingusedinthemodernmanufacturingenginemoreandmorewidely.Therequirementsforthemeasurementofindustrialproductionhavebecomemoresophisticated,thetraditionalright-anglemeasuringmachineisnotorthogonaltofullymeettheneedsofmeasurement.Flexiblethreecoordinatemeasuringmachineisgeneratedinthiscase.Inthispaper,sixdegreesoffreedommechanicalmeasuringarmthatisgeneratedbasedontheabove.Flexiblethreecoordinatemeasuringmachinehasasimplestructure,widemeasurementrange,lightandflexible,etc.,andcancarryoutsitesurvey,cansolvealotoftraditionalcoordinatemeasuringmachinecannotsolvetheproblem.Thisarticlefocusesonthestudyofthemechanicalstructuredesignofflexiblearmmeasuringmachine.FirstweintroducedtheflexiblearmCMM"sbasicstructure,workingprincipleandtheoverallmechanicaldesign.BrieflyintroducesthemeasuringspaceandrelatedconceptsofCMM.Accordingtocharacteristicsofthemeasuringarmsystemselectingthearmbodymaterials,andarmlengthisoptimized.Andcheckingthestrengthandstiffnessoftheweakestlink,toensurethattheprogrammeetstherequirementsofthedesign.Given,includingbase,verticalandhorizontaljoints,thearmitself,includingthedesignoftheconcretestructure.Erroranalysisonflexiblemeasuringarmsystems,analysisofitsmainsourceoferrorsanderror.Establishingjointbarswithshakingerrorandparametererrormodelandmakingapreliminaryanalysis.Proposedsomemethodstoimprovetheaccuracyofthemeasuringmachine.Finally,it"sthesummarizesandprospectsofthispaper.Keyword:flexiblearm,coordinatemeasuringmachine,structuredesign,erroranalysisClassification:TH7216 目次摘要：IAbstract:II目次III1引言11.1选题的背景与意义11.2国内外研究现状21.2.1国外概况21.2.2国内概况21.3柔性臂测量机未来的发展趋势31.3.1普及高速测量31.3.2新材料和新技术的应用31.3.3测量机测头的发展31.3.4控制系统的改进31.3.5软件技术的革新41.4研究内容与拟解决主要问题41.4.1课题研究内容41.4.2拟解决主要问题41.5本章小结52六自由度柔性臂的设计原理52.1柔性坐标测量机的基本结构52.2柔性坐标测量机的测量原理62.3柔性坐标测量机总体方案82.3.1测量空间82.3.2关节和臂长设计92.3.3臂身材料的选择112.3.4杆长的优化设计112.3.5空心轴的强度校核与刚度校核136 2.4本章小结143六自由度柔性臂的结构设计143.1基座部分的结构设计143.2横关节部分的结构设计153.3纵关节部分的结构设计163.4六自由度柔性臂结构装备总图163.5本章小结184柔性臂坐标测量机的误差分析与精度分析184.1误差分析184.1.1柔性臂坐标测量机系统主要误差184.1.2柔性臂坐标测量机系统主要误差源184.2误差的补偿194.2.1关节晃动导致的误差194.2.1杆件参数导致的误差214.3结构的精度分析224.4本章小结225总结与展望235.1总结235.2展望246.主要参考文献25附录：27学位论文数据356 中国计量学院本科毕业设计（论文）1引言1.1选题的背景与意义三坐标测量机在现代制造工程领域中的应用十分广泛。作为一种新型精密的测量仪，三坐标测量机在航空航天，汽车，船舶，重型机械等领域有着十分重要的作用。近些年来，由于科学技术水平的不断提高，在生产过程中对三坐标测量技术的要求也越来越高。由于传统的正交三坐标测量机是以正交坐标系为基础的，它有固定的工作台面，对被测工件进行测量时，正交三坐标测量的三根相互垂直的运动轴及其标尺，这导致运动轴及标尺必须比被测工件尺寸范围长。然而，由于长标尺和直线导轨加工比较复杂，制作成本较高，测量机的价格会随着量程的增大急剧上升。同时由于传统的正交三坐标测量机往往比较笨重，搬运较不方便。对被测物进行测量时必须先将被测的物体搬到测量机上，然而有些测量必须是在加工现场进行的，现实中根本无法搬运。这种现象造成了测量上的很多不便，无法满足大型工件现场快速测量的需要[1-2]。另外由于在生产和科研活动中，常常需要用到结构简单、精度高、价格低廉、安装简单、易于操作、能够在测量现场方便地进行测量的大量程的便携式三坐标测量系统。这些特点都是传统的正交三坐标测量机所不具备的。随着数字化逆向设计技术的发展。为了适应不断提高的测量要求，具有人手臂的关节形式多个关节的非正交系坐标测量机已经成为三坐标测量机的一个新的发展趋势。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，并结合机械臂的机械参数，应用空间支导线测量的原理计算出测量点的三维坐标。和传统的三坐标测量机相比，柔性关节式坐标测量机有很多优势[3-4]：(一)体积小、量程大、重量轻。对于传统的正交式三坐标测量机，必须使测量机的运动轴和标尺足够长才能测量较大的工件。而关节臂式柔性三坐标测量机可以将臂进行折叠，放入箱子里以便于携带，它的测量范围可以达到较大的水平。如各臂的长度总和只要超过3m，就能测量3m范围内的点。只要保证自由度足够，没有一个臂的长度需要超过其它臂的长度总和，在理论上可以探及半径为3m的空间球域内的任意点[5]。(二)可以方便地在现场进行测量，甚至还能够装在被测工件或机器上。这是关节臂式柔性三坐标测量机与传统正交三坐标测量机相比的最大优势，它是由其定位方便和便携性的特点共同决定的。6 中国计量学院本科毕业设计（论文）(三)运动灵活、活动部分质量小，可以探测其他方法不能探及的位置点。(四)价格较为便宜。和同等测量范围的正交式三坐标测量机相比关节臂式测量机的价格仅为前者的几分之一。(五)由于其柔性的特点和采用人手操作，与正交式三坐标测量机相比，测量速度快，且无需考虑路径优化等问题。因此，关节臂式测量机使用更加灵活、快捷[3-5]。目前国内的柔性坐标测量机市场全部是国外产品一统天下的格局，虽然国内己有研究机构在做相关的研究，并有样机推出，但精度与国外相比偏低，市场推广较难[5]。本论文提出研制低成本、中高精度、操作便捷的柔性坐标测量机，重点研究探讨其结构设计问题，包括模型建立、强度校核、结构优化等[6]。1.2国内外研究现状1.2.1国外概况目前,美、英、德、日、意等工业发达国家都在竞相开发各种类型规格的三坐标测量机,以满足不同场合的需要。国外测量机生产厂家主要有四个较大的集团，分别是美国的BROWN&SHARPE集团(包括德国Leitz和意大利DEA的公司)、德国的Zeiss集团、日本三丰公司dθi，∆di->ddi，∆ai->dai，∆αi->dαi。又因为：……………(4.3)有：dAi=…………………………………(4.4)对4.2化简有：Ai2=Ai+dAi。定义：=35 中国计量学院本科毕业设计（论文）………………(4.5)则:…………………………………………………………(4.6)∆ii-1为关节坐标系除去基座坐标系i相对前一坐标系i-1的微分转换矩阵。式4.5,4.6即为综合考虑关节晃动，杆件几何参数引起的微分转换矩阵。将其带入式2.3，即是最后修正后的综合测量方程。4.3结构的精度分析三坐标测量机是一种以精密机械为基础的高效率高精度的测量设备。测量机的精度是衡量一台机器好坏的重要指标。要使测量机具有高的测量精度，其系统结构首先要稳定，即测量机的随机误差要小，这样即使系统误差较大，也能在后续的处理中修正掉，但随机误差是不确定的，会严重阻碍测量精度的进一步提高，因此要保证整个系统结构的稳定性，即机械结构的各部分要具有稳定性，包括各部分的连接。其次是三坐标测量机的定位等要牢固，不能产生松动，各回转轴的回转精度要高，且力变形和热变形要较小电气部分的各测量元件的测量精度以及处理电路的精度都要满足一定的要求软件部分的数据处理也要保证一定的精度[21]。柔性坐标测量机由六个旋转关节来实现六自由度的旋转，每个旋转关节均安装了角度编码器来测量旋转角度值，通过对旋转角度的测量来实现最终的坐标测量。因此,角度测量的精度将直接影响最终的测量精度,并且,由于整个测量系统是串联结构,角度误差会通过长度传递并进一步放大,从而对最终的测量精度造成更大影响。所以,角度的测量误差对整个测量机精度的影响很大,除了选用高精度光栅传感器以外,还需对角度测量进行测试,进一步消除系统误差的影响,从而提高测量精度。4.4本章小结本章主要讨论了柔性臂坐标测量机的35 中国计量学院本科毕业设计（论文）误差分析。首先阐述了误差分析与提高精度对于三坐标测量机的重要性。分析了柔性臂坐标测量系统的主要误差——系统误差和随机误差，以及由于测量机的特点导致其主要误差来源的7个主要误差来源。在4.2节，我们重点对由关节晃动导致的误差和杆件参数导致的误差进行了阐述和介绍。这两种误差是臂式测量机的最主要误差。通过D-H方程，关节上微分运动的坐标转换和参数误差的变换，可以建立测量机误差的数学模型，以通过软件进行补偿。在4.3节，我们对测量臂结构进行了简单的精度分析。测量机的精度是衡量一台机器好坏的重要指标。由于测量机为串联结构，角度测量误差会随着长度的传递而放大，直接影响精度。在研制柔性坐标测量机时，不仅要使用高精度的轴承以使结构达到稳定性，还要尽可能的选择精度高的角度传感器，来提高测量机的精度。5总结与展望5.1总结三坐标测量机在工业生产中的地位十分重要。本文从介绍三坐标测量机开始，介绍了三坐标测量机的国内外发展现状和发展趋势以及各种三坐标测量机的优缺点。其中，柔性臂式三坐标测量机作为一种先进的测量仪器，以其体积轻，灵活，使用方便，测量空间大等特点相比于其他传统测量机相比有着无可比拟的优势。然而，相对于其他三坐标测量机而言，柔性臂式三坐标测量机本身的机构特性决定了它精度的不易保证，和其他传统的三坐标测量机相比其测量精度上仍不占优势。目前柔性臂式坐标测量机的技术仍不是很成熟，本文根据国内外已有的技术经验和研究成果，重点对柔性臂的机械结构设计进行了简单的研究，并对其精度问题进行了简单的介绍。本文的主要内容可总结为以下几个方面：1）介绍了柔性臂式三坐标测量机的基本结构和工作原理。借鉴了国内外的先进技术和已有的研究，确定了测量臂的整体设计方案。首先，文章对测量机的测量空间进行了一个简要的介绍，指出了为避免出现“空腔”现象臂长所要满足的条件。然后，具体介绍了测量臂的机械设计方案，包括了测量臂的关节和臂长的设计。在臂身的材料选择上我们选择强度大，密度小，热稳定性好的碳纤维作为臂身的材料，以使臂身具有重量轻强度高，抗热变性好的特点。同时，本文还对杆长进行了优化设计，选择合适的参数以使其35 中国计量学院本科毕业设计（论文）误差达到最小，并避免测量空腔的产生。最后，我们对机构的薄弱环节进行了强度和刚度校核，以验证设计的合理性。2）对柔性臂的机械结构进行了具体的设计。主要包括了基座部分的设计，横关节部分的设计和纵关节部分的设计。给出了具体的设计尺寸参数和机械结构装备图。3）对柔性臂测量系统的误差进行了简单的分析。分析了系统的主要误差和主要误差源。在误差补偿小节，针对关机晃动和杆件参数所导致的误差，本文进行简单的分析。通过分析建立数学模型以达到补偿的目的。最后文章还对系统结构做了一个简单的精度分析，根据柔性臂式测量机的串联结构特性，提出了除了提高加工装配精度，使用高精度的轴承的方法外，在使用高精度角度编码器的情况下可大大提高测量系统的精度。5.2展望本文主要对柔性臂式测量机的测量臂结构设计进行了研究。然而，由于时间仓促，本人能力有限还有很多地方需要完善。特别是对于精度有特别要求的三坐标测量机来说，要完成一台柔性臂式三坐标测量机的设计仅仅进行设计简单的机械结构设计是远远不够的，其电气系统，平衡系统，软件部分，误差补偿系统的设计以及编码器的选择都是必不可少的部分。同时，本研究还有很多地方需要改进：1）柔性测量臂系统的关节设计还需进一步优化，以使其更加轻巧。2）在误差分析和精度分析章节中，本文在误差分析时只是对一般的方法进行了简单的介绍，在误差分析建模以及误差量分析，误差坐标矩阵转换的过程中省略了很多方程转换的步骤。因此，在误差分析章节仍需改进。3）本文中的误差模型也有待改进。柔性臂式坐标测量机的误差种类有很多。本文仅考虑了最主要的关节晃动误差和杆件参数误差这两点。还有很多误差因素没有考虑。在今后的设计中仍需改进。4）随机误差分析中需进一步对力变形与热变形误差进行建模并在结构中加入测量力与热变形的传感器，以实现实时测量力、热变形误差并进行实时修正。5）由于本次设计只是对测量臂的设计进行了理论上的研究，没有进行实物的设计。文中提到的一些设计方案和设计方法没有经过实验的检验，因此还存在很多不足需要实验验证。35 中国计量学院本科毕业设计（论文）6.主要参考文献[1]张国雄.三坐标测量机的发展趋势.中国机械工程，2000,11(1-2):222-225.[2]Ja,L..关于未来制造业的战略思考.中国机械工程，1999,10(4):361-368.[3]李广云.空间坐标测量系统基线长的测定及精度分析.测绘技术,1991(3):8-13.[4]严家弊.空间点的坐标测量.计量技术，1992(12):42-46.[5]周雄辉.坐标测量机的结构设计与精度研究.浙江大学硕士学位论文，2008.[6]荣烈润.三坐标测量机的现状和发展动向，机电一体化，2001(6):21-25.[7]王芳.国内外三坐标测量机发展动向.机械工人（冷加工），1999（4）：5.[8]http://www.Faro.com[9]http://www.hexagonmetrology.com.cn[10]曹麟祥,汪慰军.三坐标测量机的现状、发展与未来.宇航计测技术，1996,16(2):43-47.[11]王建利.智能三坐标测量机中关键技术的研究，天津大学硕士学位论文，1998.[12]刘祚时，倪潇娟.二坐标测量机(CMM)的现状和发展趋势.机械制造.2004.42(8),32-34.[13]TrapetE,WaldeleF.TheVirtualCMMConcept,Euroconference:AdvancedMathematicalToolsinMetology,Oxford,UK,1997:1一17.[14]WernerLotze,ScanMax-anovel3Dcoordinatemeasuringmachinefortheshop-floorenvironment[J].Measurement,1996,18(1):17-25.[15]张启先编著，空间机构的分析与综合，上册，北京:机械工业出版社，1984.[16]桂定一，陈育荣，罗宁编著，机器精度分析与设计，北京:机械工业出版社，2004.[17]尚平,费业泰.柔性关节式坐标测量机的结构设计分析.合肥工业大学学报.2008,6.[18]理查德P保罗.机器人操作手:数学、编程与控制[M].郑时雄,谢存禧,译.北京:机械工业出版社,1982:40-60.[19]汪平平.柔性坐标测量机精度理论及应用技术研究[D].合肥:合肥工业大学仪器科学与光电工程学院,2006.[20]YoungCP,DelaneyMJ.Digitalpowermeteringmanifold[J].IEEEtransactionsonInstrumentationandMeasurement,1998,(2):224-228.[21]王春花，胡鹏浩，费业泰.柔性三坐标测量机的平衡机构.组合机床与自动化加工技术2006,(5):3-8.[22]王春花.柔性坐标测量机的设计和研制.合肥工业大学硕士论文.2007,7.[23]徐霞洁.关节式坐标测量机的研制.硕士学位论文.合肥工业大学.2009.7.[24]汪平平,费业泰,林慎旺柔性三坐标测量臂精度的优化设计应用.科学学报.2006:24(4):8-13.[25]LongYefengandLiuQiangqin,Ontheoptimumtolerancesofstructuralparametersandkinematicparametersofrobotmanipulators.Mech.March.Theory,1993,28(6):819-824.[26]尚平,费业泰.柔性关节式坐标测量机的结构设计分析.合肥工业大学学报(自然科学版).2008,31(6).[27]浦昭邦,王宝光,测控仪器设计,北京机械工业出版社,2001.[28]张启先编著,空间机构的分析与综合,上册,北京机械工业出版社,1984.[29]彭商贤,张平,唐蓉城.装配机器人位姿误差分析,机器人,1988,2(1):14-18.[30]张国雄.误差修正－提高坐标测量机精度的重要方向.机床,1986,(8):37-39.35 中国计量学院本科毕业设计（论文）[31]宋开臣,张亦群,李书和等.三坐标测量机动态误差补偿的研究.仪器仪表学报，1999,20(1):23-26.[32]AdhmadShaheen.Analysisofrobotdrivetrainerrors,theirstaticeffect,andtheircompensations.IEEEJournalofRoboticsandAutomation.1988,4(2),117~128.35 中国计量学院本科毕业设计（论文）附录：主要零件图12张，装配图3张，共15张：35 中国计量学院本科毕业设计（论文）35 中国计量学院本科毕业设计（论文）35 中国计量学院本科毕业设计（论文）35 中国计量学院本科毕业设计（论文）35 中国计量学院本科毕业设计（论文）35 中国计量学院本科毕业设计（论文）35 中国计量学院本科毕业设计（论文）35 中国计量学院本科毕业设计（论文）学位论文数据35'