六自由度柔性机械臂的结构设计毕业设计论文

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Structure Design of Six-degree of freedom Flexible Mechanical Arms

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

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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

Structure Design of Six-degree of

freedom Flexible Mechanical Arms

申请学位工学学士指导教师

学科专业机械电子工程培养单位中国计量学院

答辩委员会主席评阅人

2011 年 6 月

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：TH721

Structure Design of Six-degree of freedom Flexible Mechanical Arms Abstract:

With the development of industrial special, 3-coordinate measuring machine is being used in the modern manufacturing engine more and more widely. The requirements for the measurement of industrial production have become more sophisticated, the traditional right-angle measuring machine is not orthogonal to fully meet the needs of measurement.

Flexible three coordinate measuring machine is generated in this case. In this paper, six degrees of freedom mechanical measuring arm that is generated based on the above. Flexible three coordinate measuring machine has a simple structure, wide measurement range, light and flexible, etc., and can carry out site survey, can solve a lot of traditional coordinate measuring machine cannot solve the problem.

This article focuses on the study of the mechanical structure design of flexible arm measuring machine . First we introduced the flexible arm CMM's basic structure, working principle and the overall mechanical design. Briefly introduces the measuring space and related concepts of CMM. According to characteristics of the measuring arm system selecting the arm body materials, and arm length is optimized. And checking the strength and stiffness of the weakest link, to ensure that the program meets the requirements of the design. Given, including base, vertical and horizontal joints, the arm itself, including the design of the concrete structure. Error analysis on flexible measuring arm systems, analysis of its main source of errors and error. Establishing joint bars with shaking error and parameter error model and making a preliminary analysis. Proposed some methods to improve the accuracy of the measuring machine.

Finally, it's the summarizes and prospects of this paper.

Keyword: flexible arm, coordinate measuring machine, structure design, error analysis

Classification: TH721

目次

摘要：........................................................................................................................................ I Abstract:.................................................................................................................................... II 目次 .................................................................................................................................... III 1引言. (1)

1.1选题的背景与意义 (1)

1.2 国内外研究现状 (2)

1.2.1 国外概况 (2)

1.2.2 国内概况 (2)

1.3 柔性臂测量机未来的发展趋势 (3)

1.3.1普及高速测量 (3)

1.3.2 新材料和新技术的应用 (3)

1.3.3 测量机测头的发展 (3)

1.3.4 控制系统的改进 (3)

1.3.5 软件技术的革新 (4)

1.4 研究内容与拟解决主要问题 (4)

1.4.1 课题研究内容 (4)

1.4.2 拟解决主要问题 (4)

1.5 本章小结 (5)

2 六自由度柔性臂的设计原理 (5)

2.1 柔性坐标测量机的基本结构 (5)

2.2 柔性坐标测量机的测量原理 (6)

2.3 柔性坐标测量机总体方案 (8)

2.3.1 测量空间 (8)

2.3.2 关节和臂长设计 (9)

2.3.3臂身材料的选择 (11)

2.3.4 杆长的优化设计 (11)

2.3.5 空心轴的强度校核与刚度校核 (13)

2.4 本章小结 (14)

3 六自由度柔性臂的结构设计 (14)

3.1 基座部分的结构设计 (14)

3.2 横关节部分的结构设计 (15)

3.3 纵关节部分的结构设计 (16)

3.4 六自由度柔性臂结构装备总图 (16)

3.5本章小结 (18)

4 柔性臂坐标测量机的误差分析与精度分析 (18)

4.1 误差分析 (18)

4.1.1 柔性臂坐标测量机系统主要误差 (18)

4.1.2 柔性臂坐标测量机系统主要误差源 (18)

4.2 误差的补偿 (19)

4.2.1关节晃动导致的误差 (19)

4.2.1杆件参数导致的误差 (21)

4.3结构的精度分析 (22)

4.4 本章小结 (22)

5总结与展望 (23)

5.1 总结 (23)

5.2 展望 (24)

6.主要参考文献 (25)

附录： (27)

学位论文数据 (35)

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。

(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

从公司角度来说，不同公司的产品有其不同的特点：Zeiss公司以不断推出新产品、新技术、新工艺而著称。莱茨公司以其物美价廉的优势在测量机市场上占有一席之地。与其他测量机不同的是，此测量机没有转台，在测量一些回转件时，靠探头和软件的帮助来完成。SIP测量机以它的高精度、高稳定性而名闻遐迩。 SIP测量软件与硬件的适配性是最好的[7]。

柔性坐标测量机自推出之初便发展十分迅速，国内外也做了许多相关的研究。目前国际上规模较大的柔性坐标测量机生产商主要有法如（Faro）[8]、海克斯康(Cimcore、Romer)[9]。两家公司都有相应的产品在市场上出售,并在市场上占垄断地位。另外，日本Tokyo Denki University的Shimojima, Ken和西班牙University of Zaragoza的Jorge Santolaria也在进行相关的研究工作，主要是进行理论和标定技术方面的研究，并未见样机生产报道[5]。

1.2.2 国内概况

国内生产厂家主要有青岛前哨英柯发测量设备有限公司(QI TECH)和航空工业总公司303所。青岛前哨与HEXAGON集团合资的海克斯康测量技术青岛有限公司是实力最强的一家,年销售数量接近400台,占国产三坐标测量机份额的一半左右[10-11]。

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

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。

1.3 柔性臂测量机未来的发展趋势

1.3.1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。

1.3.2 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。

1.3.3 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。

1.3.4 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

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。

1.3.5 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 [12-14]。

1.4 研究内容与拟解决主要问题

1.4.1 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。

1.4.2 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。

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。

1.5 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

2.1 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2.1

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2.1所示），大体有基座，关节部件，臂

伸杆件，测头，平衡部件五个部件组成。图2.1中两台关节式三坐标测量机均为Cimcore的产品，其中左图为INFINITE2.0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2.2 三维测量机三维图

2.2 柔性坐标测量机的测量原理

从图 2.2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Denavit-Hartenberg方法[18]建模(即D-H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:1、基座坐标系；2、杆件坐标系；3、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。

图2.3 杆件坐标关系转换图

按照D-H方法在各个关节处建立杆件坐标系,所得的转换关系如图2.3所示,

从图2.3可看出,共建立了7个坐标系,基座坐标系为 O

0X

Y

Z

,各个关节i上建立

坐标系O

i X

i

Y

i

Z

i

(i=1, 2,…,6),转换矩阵为:

………..…….……(2.1) 其中, l

i

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;θi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;d

i

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O

6逐次到坐标系O

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O

0X

Y

Z

的姿态,只要给出坐标原点

O

6

，测头P在基准坐标系中的位置即可确定。则有：

…………………………….……………(2.2)