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1、河北工业大学2015届本科毕业设计说明书河 北 工 业 大 学毕业设计说明书 作 者： 田聚峰 学 号： 110436 学 院： 机械工程学院 系(专业)： 机械设计制造及其自动化 题 目： 便携式机器人精度测量系统设计 指导者： 张建辉 副教授 (姓 名) (专业技术职务)评阅者： (姓 名) (专业技术职务)2015年 5 月 29日毕业设计（论文）中文摘要便携式机器人精度测量系统设计摘要： 工业机器人是集机械制造技术、传动技术、电气驱动技术、微电子技术、软件技术和信息技术于一体的高新技术产品，成为当代最为典型的机电一体化装备之一，广泛应用于汽车、食品、医药、电子等行业的自动化流水线。工业
2、机器人按用途主要分为焊接机器人、喷涂机器人、搬运机器人、装配机器人等，近年来随着用工成本的上升，工业机器人的综合优势愈加明显，在制造业中的应用前景非常广阔。 机器人的精度性能及保持能力是保障机器人长时间稳定工作的重要指标之一。众所周知，由于大多数的工业机器人由于采用串联结构和关节驱动形式，因此该类机器人的定位精度通常较差，而且长时间工作或发生碰撞后，机器人的几何参数(工具坐标系、工件坐标系、机器人零点等)会发生改变，需要重新校准，目前，机器人的校准通常需要人工进行非常复杂的手动操作，其标定精度不高且依赖于操作人员的技术水平，不仅耗时且可靠性较低。因此，在本产品设计中，旨在开发一种低成本的、基于
3、拉绳式原理的便携式测量装置，以实现工业机器人的快速标定以及工业机器人精度的快速校准。关键词： 工业机器人 标定与测量 拉绳式原理河北工业大学2015届本科毕业设计说明书毕业设计（论文）外文摘要Title Design of the portable robot accuracy measurement system AbstractIndustrial robot is a kind of sophisticated technological product combined with mechanical manufacturing technology, transmission tec
4、hnology, electronic motive technology, microelectronic technology, software technology and information technology. Industrial robot is one of the most typical mechanotronics equipments, which is widely used in the field of auto cars, food process, medicine, electronics and so on. Industrial robots i
5、nclude welding robot, plating robot, transport robot and assembling robot. In the recent years, the synthesize advantages of industrial robot become more and more clear with the increase of the labor cost. As a result, this technology has great potential application in the filed of manufacturing. Th
6、e accuracy and maintainability of robot is one of the most important indexes to keep the stability of a long-period work. As we all know, most industrial robots consists of series mechanism and joints-driving mechanism, so that such kind of robot has a bad position accuracy. After a long-period work
7、 or an unexpected collision, the parameters of the robot will change, as a result need a calibration. Recently, the calibration of a robot needs complex manual work by workers. The accuracy of such calibration is bad and depends the experience and ability of the operators, which may cause a waste of
8、 time and a low reliability. However, in the designing process of this product, the author aims to develop an auto calibration device with low cost, easily taken away, based on “liner-extending” theory to achieve a quick calibration of a robot.Keywords： industrial robots calibration and measurement
9、liner-extend -ing principle 目 录1 引言 11.1 课题研究背景 11.2 便携式机器人精度测量系统的国外研究现状 21.3 便携式机器人精度测量系统的国内研究现状 21.4 课题研究的意义 31.5 课题研究的内容与参数要求 42 总体方案确定 42.1 距离测量装置方案的确定 52.2 末端适配器方案的确定 53 便携式机器人精度测量系统的详细结构设计 63.1 便携式机器人精度测量系统的结构组成 63.2 便携式机器人精度测量系统的工作原理 73.3 低惯量密绕装置的设计 93.4 弹簧张紧装置的设计153.5 万向轮的设计163.6 末端适配器的设计193
10、.7 装置外壳的设计203.8 主要零部件的校核244 三维装配模型渲染图片与仿真动画254.1 三维装配模型渲染图片254.2 三维装配模型的仿真动画265 数据采集系统的设计及数据采集接口软件的开发285.1 数据采集系统的设计285.2 数据采集接口软件的开发29结论 34参考文献 35致谢 372河北工业大学2015届本科毕业设计说明书1 引言在21世纪科学与技术高速发展的今天，机器人技术已逐渐成为继电气时代、互联网时代之后的又一具有革命性意义的技术。工业界正在掀起一股强劲的“机器人革命”之风。随着机器人在各行业的的大规模使用，工业上对机器人加工精度要求越来越高，机器人离线编程技术随之
11、产生。机器人离线编程是利用计算机图形学的成果,建立机器人运动模型,通过对图形的控制和操作,在不使用实际机器人的情况下进行轨迹规划,进而产生机器人程序。离线编程系统中的仿真模型(理想模型)和实际机器人模型存在有误差,产生误差的因素主要有机器人本体、工作环境以及离线编程系统等因素。因此，如何减小机器人的误差，成为一项很关键的技术。 随着工业的发展和工业机器人的大规模应用,对机器人的位姿精度的要求也越来越高。目前,大多数工业机器人的重复定位精度在0.1毫米的数量级,但实际上其绝对精度在厘米数量级。这样的绝对精度难以满足现代工业生产的要求。因此,提高工业机器人绝对精度是目前机器人技术领域内急需解决的问
12、题。通过对工业机器人运动模型进行误差标定补偿可以达到提高其绝对精度的目的。目前，国内外很多研究机构的学者都在进行机器人标定技术和机器人精度测量方面的相关研究。11 课题研究背景随着工业机器人使用程度的日益提高,尤其是在工业当中要进行重复位姿移动的机器人来说，机器人的精度很大程度上决定了产品的质量和性能。由于大多数的工业机器人由于采用串联结构和关节驱动形式，因此该类机器人的定位精度通常较差，而且长时间工作或发生碰撞后，机器人的几何参数(工具坐标系、工件坐标系、机器人零点等)会发生改变，需要重新校准，目前，机器人的校准通常需要人工进行非常复杂的手动操作，其标定精度不高且依赖于操作人员的技术水平，不
13、仅耗时且可靠性较低。此外，一些高精度的测量仪器（如激光跟踪仪、三座标机等），不仅价格昂贵不适用于中小型企业，更重要的是其体较大，不便携带，无法进行随时随地现场标定测量。1因此，急需开发一种低成本、便携式的机器人标定测量装置用以满足工业上的需求。12 便携式机器人精度测量系统的国外研究现状在机器人标定的过程中，测量手段是一个极其重要的因素。 国外从80 年代就开始了在这方面的研究工作，形成了多种测量方法：(1)运动学模型标定法 按照机器人标定过程,选择合适的运动学模型和标定测量方法是机器人标定的前提,在此基础上对标定数据进行处理实现误差参数识别与校正是机器人标定的目的。运动学标定步骤大致分为四个
14、步骤：建模测量参数辨识补偿。(2)机器人自标定法 所谓自标定就是只借助于机器人内部传感器来对其运动学模型进行标定的过程。由于自标定几乎都是针对运动学参数的,故把自标定也列为运动学标定方法之一。（3）基于神经网络的正标定及逆标定 神经网络正标定为了克服参数法的缺点,许多学者提出了基于神经元网络的位姿误差正标定法。该方法以关节角和其对应误差分别作为输入输出来训练神经网络,通过对关节角进行补偿来提高机器人的位姿精度,在很多工业场合得到了成功的应用。 神经网络逆标定法所谓逆标定法,就是通过一定的算法找出机器人关节角的误差值,以修正后的关节角来驱动机器人,使机器人末端执行器位姿误差最小。该方法以关节角值
15、和其对应误差分别作为神经网络的输入和输出来训练网络,得到在任意关节角时的误差值,通过修正关节角来实现位姿误差的实时补偿。213 便携式机器人精度测量系统的国内研究现状国内对机器人标定的研究起步较晚,标定手段较少,研究对象也主要集中于工业机器人,开展这方面研究的单位也很少,主要是哈尔滨工业大学焊接技术国家重点实验室和机器人研究所,他们的研究主要集中于对焊接机器人的标定。此外,清华大学也在进行类似的研究。 崔醒阳教授等以vol弧焊机器人为研究对象,介绍了机器人结构分析方法,利用机器人示教程序和三点定圆的方法,标定了该机器人的结构参数,建立了各关节的关节坐标系和变换矩阵;蔡鹤皋等利用修正的DH模型推
16、导了RMA一I型机器人的实际几何参数识别公式,该公式适用于任何串连机器人的几何参数识别,标定后机器人的精度提高了一个数量级。3然而，可以肯定的是，国外的机器人标定技术无论在标定方法、标定设备、标定对象及补偿方法等方面都比国内研究深入很多。我国对机械设备如各类数控机床的误差标定进行的比较好,但专门针对机器人的标定才刚刚开始,研究对象和研究方法都比较单一,还没有形成系统化的、实用的标定方法,随着各种工业机器人在我国各行业的使用越来越广泛,我们需要大力加强这方面的研究工作。14 课题研究的意义在过去的十年当中，对具有高精度和高重复执行性的工业机器人的需求越来越大，尤其是在航空航天方面。如今，大多数的
17、工业机器人制造商和一些服务商（如美国的Dynalog公司和Nikon Metrology公司）使用3D甚至6D的测量装置来对机器人进行位置标定。再有，大多数工业制造商把ISO9283纳入标准当中，这个标准和十年之前的标准有所差异。然而，机器人位置标定技术让仍然是单一的测量方式，更具体的来说，大多数厂商是依据ISO9283的标准来进行位置标定的，然而这种位置标定的方法本身就有很大的局限性，所采集的信息无法保证标定的机器人的绝对精度。 目前在市场上，用于机器人静态精度标定的测量系统包括双经纬仪位姿测量系统、三坐标机及关节型多杆随动测量系统。 用于机器人动态精度标定的系统主要有激光跟踪系统、CCD
18、交互测量系统、超声波测量系统、位置测量系统和带有接近传感器的测量系统。这些测量设备成本高、测试方法繁琐，而且用于机器人标定需开发专用的软件模块，因此该类设备不适于现场快速测量与校准。 美国Dynalog公司于上世纪90年代开发出CompuGauge机器人性能测试系统，主要通过角度编码器计量4条拉绳的长度，从而实时计算出机器人的末端位姿，测量精度较高，且操作简便，能够在几分钟之内完成自动测量和标定过程，该产品一经问世就受到世界范围内机器人制造商的关注。近年来，Dynalog公司基于相同原理开发出了操作方式更简单，更便于携带、可现场完成机器人精度测量和标定的产品DynaCal和DynaCal-Li
19、te，如今国内外主要机器人制造厂商纷纷购买该产品，用于机器人产品的出厂检测和标定。然而由于其价格昂贵(约60万)，难以满足终端用户的机器人快速校准需求。本课题结合机器人用户对快速测量和标定装置的需求，拟设计一种低成本便携式机器人精度测量系统，包括机器人末端适配装置设计、拉绳式恒张力张紧系统设计以及数据采集系统的软硬件设计，为机器人精度测量与标定系统的开发奠定基础。15 课题研究内容与参数要求本课题结合工业机器人用户对快速测量和标定装置的需求，主要研究的内容如下：1. 掌握拉绳式测量装置的工作原理，基于Solidworks三维软件完成测量装置的概念设计。2. 借助CAD软件完成测量装置的主要结构
20、件设计，包括机器人末端万向适配器、弹簧张紧系统、低惯量密绕装置、万向轮等主要部件的设计和标准件选型。3. 完成所有零件图和总装图绘制，并在三维软件中建立虚拟样机模型。4. 根据测量精度要求进行角度编码器及数采装置的选型，开发数据采集接口软件，实现编码器数据的实时读取和记录。测量系统技术指标按如下参数设计：1.测量系统精度：0.01mm2.有效测量长度：3m3.采样率：1kHz4.质量：小于3kg具体要求如下：1. 完成测量装置虚拟样机设计，提交渲染图片。2. 完成并提交一套测量装置主要结构件的零件图和总装图，数采系统接线图。3. 根据毕业设计要求完成毕业设计说明书工作。2 总体方案的确定便携式
21、机器人精度测量系统主要包括两大部分：距离测量装置和末端适配机构。距离测量装置能够测量并记录基点到机械手末端的距离，末端适配器能够灵活的转动以适配机械手末端的各种运动。21 距离测量装置的方案确定图2.1 距离测量装置方案简图图中各零件分别是：1（上壳体）、2（钢丝绳）、3（滚动轴承）、4（下壳体）、5（发条弹簧壳体）、6（发条弹簧）、7（光电编码器）、8（主轴）、9（直线轴承）、10（鼓）、11（上壳螺纹结构）本方案中，10（鼓）和8（主轴）在旋转方向上是没有相对转动的。鼓的上部开孔并有内螺纹，零件11（螺纹结构）上有外螺纹与鼓上的螺纹孔相配合，使线轴上下平移。拉绳缠绕在10（鼓）上，而且螺纹
22、的螺距与拉线的直径相等的或略大于拉绳的直径d。这样鼓旋转一周的同时，垂直方向上移动的距离正好为d，因此可以保证钢丝绳在缠绕时会一圈一圈平铺在鼓上，而不会发生层层重叠缠绕的情况。22 末端适配器的方案确定图2.2 末端适配器三维方案图图2.3 末端适配器二维方案图末端适配器的内U型件和机械手末端固定环之间、外U型件与内U型件之间都是通过销钉相连接，并且安装有轴承。本装置采用虎克铰链的结构，外部和内部两个铝合金的U型件相互铰接构成虎克绞的结构两个U型件分别可以在水平和竖直两个方向上灵活转动，这样可以使拉绳适应机器人任何运动姿态。钢丝绳的末端连接在外U型件的螺钉处，无论机械手怎么运动，螺钉始终会在一
23、个球面（半径记为R）上运动，球心正好位于被测量机器人的末端上。3 便携式机器人精度测量系统的详细结构设计31 便携式机器人精度测量系统的结构组成如下图3.1所示，便携式机器人精度测量系统主要由三部分组成，分别为：低惯量密绕装置、弹簧张紧装置、万向轮、末端万向适配器和外保护壳等。万向轮便携式机器人精度测量系统末端万向适配器弹簧张紧装置低惯量密绕系统外保护壳图3.1 便携式机器人精度测量系统的主要结构组成32 便携式机器人精度测量系统的工作原理3.2.1 距离的测定钢丝绳一圈挨一圈紧密缠绕与低惯量密绕系统的鼓上，光电编码器与主轴连接在一起，随着主轴的转动，光电编码器会实时记录主轴的转角，转角乘以鼓
24、的周长可以计算出钢丝绳的伸长量S。上式中n表示编码器记录的脉冲数；d表示鼓的直径。设初始伸长量为L0设测量装置A到机械手末端P的距离为L：上式中R表示挂钩螺钉运动时始终所在球面的半径3.2.2 机械手末端坐标的测定在距离测定的基础上，本装置可以测定机械手末端在空间中的坐标，能够用于机械手末端运动轨迹中离散点的标定。图3.2 便携式机器人精度测量系统工作原理图记P点坐标（x,y,z），将测量装置先后安装到工件坐标系0XYZ中三个已知点A1、A2、A3上，可以测得其到P点的距离分别为l 1，l 2，l 3在支链O A1P根据机构学中的封闭矢量法有：即两边同时取模方：得同理：即 （3-1）三个方程三
25、个未知数，由上式即可解出机器人末端点P的坐标（x,y,z）。33 低惯量密绕装置的设计3.3.1 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0.5mm。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0.5mm,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
26、轴承、导向轴和钢质螺纹套。3.3.2 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2A2011铝合金。图3.3 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3-2是主轴的三维模型，主轴的上部和中部的阶梯处安装滚动
27、轴承，主轴最下部开有宽度为0.5mm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6、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
28、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。3.3.3 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
29、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77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=0.4mm 材质 304不锈钢杨氏弹性模量 E=200GPa长度L 3m最大承重15kg图3.4 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
30、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8mm型号：ERN430线数:3600线系统精度：1/20光栅周期额定电压：12V直流质量：约0.3KG3.3.4 鼓的设计图3.5 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
31、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2.8g/cm3，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
32、，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6mm，公差等级H7。初步考虑在上端面设计有一个24mm的孔，孔中有M240.5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、1.5mm、1mm。而本设计中鼓采用的是螺距0.5mm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3.2.5所
33、述3.3.5 钢螺纹套的设计图3.6 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24mm的孔中有非标内螺纹M240.5，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M2.5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。3.3.6 导向轴和直线轴承的选型与设计图3.7 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
34、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Ra0.4，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
35、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。3.3.7 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
36、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 （3-2）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=pN=0.520=10mm (3-3) 式3-4中，p=0.5mm表示非标螺纹的螺距；上壳体腔体的总高度至少为 (3-4)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。34 弹簧张紧装置的设计弹簧张紧装置主要有两个作用：一
37、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，发条和主轴更易于连接，安装方便，而且发条提供的回复力更加平稳，在主轴转动圈数范围内可以认为是恒定的。3.4.1 涡卷发条的选型通过查阅多种发条的相关参数，最终选择出回复力
38、较为合适的涡卷发条。其相关参数如下：厚度 0.2mm展开长度 2m高度 6mm回复力 6N购买来的一盘发条展开长度近2m，并且随着发条弯成的圆盘的直径不同其回复力大小也不同。几次实验证明，当涡卷发条外径为40mm时其回复力大小约为6N，大小比较合适。因此在卷簧壳的设计中为发条预留直径40mm的圆孔。3.4.2 涡卷发条的定位 图3.8 发条形状及其定位图发条弹簧的两端要有相应的定位，一端要与主轴末端固定，另一端要与卷簧壳相固定。借鉴卷尺中发条的定位，这里采取类似的简单可靠的定位方式。发条的一端弯成一个直角，将这一部分发条插入主轴端部为安装发条预留出的宽度为0.5mm的窄槽中。而发条的另一端通过
39、外力将其塑造成直径为6mm的涡卷圆形，这部分卷簧插入卷簧壳上预留的直径为6mm，深度为8mm的圆孔中。这样，发条的两端便可靠固定，当主轴转动时，发条会收紧或者放松，从而提供给低惯量密绕系统一个回复力，保证钢丝绳始终有大小为6N左右的张力，一直处于张紧绷直的状态。35 万向轮的设计本装置中的万向轮工作原理类似于拉杆底端的万向滑轮。其滑轮不仅可以绕自身的转轴转动，而且滑轮连同滑轮座整体可以绕与之垂直的竖直方向转动，其具有两个方向的自由度。当机器人末端快速运动时，不仅钢丝绳可以快速伸缩，而且万向轮能够灵活地转动，这样，测量系统的响应速度快，跟随性能优。3.5.1 滚动轴承的选型此处所使用的轴承工作时
40、没有轴向载荷，因此选用两个深沟球轴承即可。而且轴承的径向载荷也不大，这里选用内径为6mm的轴承，其主要参数如下：轴承代号 619/6外形尺寸 6155润滑方式 油润滑基本额定载荷 0.60 KN万向转轴与轴承内圈采用过渡配合，公差等级js6，下壳体中15mm的孔与轴承外圈采用间隙配合，公差等级H7。3.5.2 轴承的定位和万向转轴的锁紧要保证轴承的顺利工作，除了正确选择轴承的类型和尺寸外，还应该正确地设计轴承的安装、定位、紧固和调节等问题。轴承的定位和固定可采用的方式有轴肩、套筒、轴承端盖和锁紧螺母等等。下图是本装置中轴承的定位方案装配图：图3.9 轴承的定位方案装配图1、万向转轴 2、锁紧螺
41、母 3、压板 4、垫圈 5、套筒 6、深沟球轴承 7、橡胶垫 8、轴承端盖为展示方便，上图中将竖直的图纸水平放置，左端应为图纸的上端。由于空间较小，本方案采用了较为紧凑设计。上侧轴承的外圈通过一个4mm厚的圆形压板固定，轴承再上端有中间隔板阻碍，因此压板下沉安装到下壳体中，通过4个M2.512的十字沉头螺钉与下壳体相固定。下侧轴承的外圈通过轴承端盖压紧，同样下沉设计，通过4个M2.512的十字沉头螺钉与下壳体相固定。另外在端盖与下壳体的连接处安装有一个28mm，厚度为1mm的圆形橡胶垫圈，其具有一定的弹性可以为调节轴承的压紧程度留出余量。压板和轴承端盖非标准件，应单独加工。两个轴承的内圈通过一
42、个轴套固定，轴套的厚度为1.5mm。万向转轴中间开有3mm直径的通孔，下端通过两个顶丝（即紧定螺钉）与换轮座固定，万向转轴在竖直方向上应该锁紧，避免竖直方向上的窜动。万向转轴的下端设计有轴肩与轴承内圈压紧，上端用两个M6的六角薄螺母锁紧。因为螺母较大，为了防止螺母压倒轴承外圈，在螺母和轴承内圈之间安装一个厚度1mm的垫片，这一垫片尺寸非标需自己加工。3.5.3 滑轮的定位方案设计滑轮装置包括滑轮、销轴、滑轮座等几部分，其装配图如下：图3.10 滑轮的定位方案装配图1、M3轴用弹性垫圈 2、滑轮 3、万向转轴 4、滑轮座 5、紧定螺钉 6、外圈带法兰深沟球轴承 7、销轴为固定万向转轴与滑轮座，在
43、90度相互垂直的两个方向上用2个M2.5的紧定螺钉将其可靠连接。滑轮中间开有宽1mm，深2mm的窄槽，钢丝绳从万向转轴中间的通孔伸出后穿过滑轮槽。滑轮最厚处厚度5mm，中间的轴承孔为6mm，与销轴之间装有轴承。因为安装空间非常小，这里选择特殊的微型轴承，即外圈带法兰的深沟球轴承，外圈直接靠法兰定位，这样可以节省很大的空间，减小轴承装置尺寸。内圈用轴用弹性垫圈定位，销轴两侧也采用轴用弹性垫圈与滑轮座定位。外圈带法兰深沟球轴承主要参数如下：型号BAL683zz内径3mm外径6mm厚度2mm法兰外径7.2mm法兰厚度0.6mm基本额定负载242 N允许转速 71000 rpm3.6 末端适配器的设计
44、3.6.1 U型结构件的设计 图3.11 外U型件三维模型 图3.12 内U型件三维模型如上图所示为末端适配器的内外两个U型结构件。外U型件宽50mm，高40mm，厚度为4mm，下端中间处有M2.5mm螺纹孔，孔中安装长6mm的内六角圆柱头螺钉用来连接钢丝绳挂钩。内U型件宽40mm，高26mm，厚度4mm，下端开有6mm小孔安装外圈带法兰的微型轴承。外U型件和内U 型件双臂上开有通孔，孔中安装有销轴使得内外U型件间相互铰接，同样内U型件下端的孔中也通过销轴与机器人末端固定环铰接。通过铰接内外U型件之间可以灵活快速转动。两个U型结构件都采用2A11铝合金材料制造，质量轻，惯量低，同时具有一定强度。此类薄壁外轮廓不规则的零件很适合
