裝配圖超大型工件測量裝置設(shè)計(jì),裝配,超大型,工件,測量,丈量,裝置,設(shè)計(jì)
超大型工件測量裝置設(shè)計(jì)
作者姓名：謝洋
專業(yè)班級：2011級機(jī)械工程及自動(dòng)化四班
指導(dǎo)教師: 周遠(yuǎn)果 劉念聰
摘 要
在現(xiàn)代工業(yè)中，對超大工件的測量是一個(gè)難題。各項(xiàng)數(shù)據(jù)的測量功能很分散，沒有辦法用同一個(gè)儀器對工件的長度、直徑、同軸度、表面粗糙度等數(shù)據(jù)進(jìn)行測量。雖然近幾年也有三維掃描儀等儀器能夠?qū)ぜM(jìn)行全面的測量，但是高昂的價(jià)格卻沒有辦法能夠使它在工業(yè)中廣泛的運(yùn)用。
本文對激光測量技術(shù)以及機(jī)器人技術(shù)進(jìn)行深入的研究，將通過激光測距原理測量長度和直徑的機(jī)構(gòu)，用百分表測量同軸度機(jī)構(gòu)，以及用激光測量表面粗糙度的機(jī)構(gòu)結(jié)合在一個(gè)機(jī)器人上，并分析設(shè)計(jì)機(jī)器人的性能、用途、自動(dòng)化程度、操控方式，以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)機(jī)器人的多功能測量。并配合輔助機(jī)器人，對功能進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。而且采用了基于蝸輪蝸桿原理的電動(dòng)升降桿和電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)，以及全方位輪式移動(dòng)等裝置，使機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)全方位的移動(dòng)。
關(guān)鍵詞：超大工件；激光測量；機(jī)器人
The Design of The Large Workpiece Measurement Device
Abstract
In modern industry, measurement of large workpiece is a problem. The measurement data is dispersed, there is no way to measure the length, diameter, coaxiality, surface roughness data of workpiece with the same instrument. Although in recent years there are 3D scanners and other equipment to conduct a comprehensive measurement of the workpiece, but the high price but there is no way to make it widely used in the industry.
This paper of laser measurement technology and robot technology for in-depth study, through mechanism of laser ranging principle to measure the length and diameter with dial indicator measuring coaxiality institutions, and with laser measurement of surface roughness of institutions combined in a robot and analysis design robot properties, application, the degree of automation and ways of control, to realize multifunctional measurement robot design. And assist robot to realize the function.. And the use of worm gear principle of electric lifting rod and the electric rotating table based on, and omni-directional wheeled mobile device. To enable the robot to achieve a full range of mobile.
Key words: very large workpiece; laser measurement; robot
目 錄
第1章 緒論 1
1.1 工業(yè)機(jī)器人在實(shí)踐中的應(yīng)用 1
1.1.1 工業(yè)機(jī)器人 1
1.1.2 測量機(jī)器人 2
1.2 大型工件測量現(xiàn)狀 2
1.2.1 三坐標(biāo)測量機(jī) 2
1.2.2 三維掃描儀 3
1.2.3 激光測距儀 3
1.2.4 雙頻激光干涉儀 4
1.3 研究內(nèi)容及預(yù)期成果 5
第2章 機(jī)器人整體設(shè)計(jì) 6
2.1 機(jī)器人各部分組成 6
2.2 輔助機(jī)器人 10
2.3 電源 11
2.3.1 供電部分 11
2.3.2 監(jiān)測電路 12
2.3.3 過流保護(hù) 12
第3章 測量方法 14
3.1長度測量 14
3.2直徑測量 15
3.3 同軸度測量 17
3.4 輪廓測量 17
第四章 運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 19
4.1 測量頭旋轉(zhuǎn) 19
4.2 升降機(jī)構(gòu) 20
4.2.1 機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu) 20
4.2.2 校核 22
4.3旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) 23
4.3.1 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 23
4.3.2 校核 24
4.4行走機(jī)構(gòu) 24
4.4.1 旋轉(zhuǎn)電機(jī) 25
4.4.2 轉(zhuǎn)向電機(jī) 26
結(jié)論 28
致謝 29
參考文獻(xiàn) 30
成都理工大學(xué)2011屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
第1章 緒論
1.1 工業(yè)機(jī)器人在實(shí)踐中的應(yīng)用
1.1.1 工業(yè)機(jī)器人
工業(yè)機(jī)器人是機(jī)器人的一種, 它是一種能在三維空間完成各種作業(yè)，可重復(fù)編程，仿人操作自動(dòng)控制的機(jī)電一體化的自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備。它由控制器、操作機(jī)、檢測傳感器裝置和伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)成，特別適合多品種,變批量柔性生產(chǎn)。它對穩(wěn)定和提高產(chǎn)品質(zhì)量,提高生產(chǎn)效率,改善勞動(dòng)條件的快速更新?lián)Q代起著十分重要作用。
隨著工業(yè)機(jī)器人智能水平的提高以及機(jī)器人發(fā)展的廣度和深度，工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域?，F(xiàn)在不僅僅用于傳統(tǒng)的汽車制造領(lǐng)域，也廣泛用在了非制造領(lǐng)域。如建筑業(yè)機(jī)器人、采礦機(jī)器人以及用于水電系統(tǒng)設(shè)備維修維護(hù)的機(jī)器人等。在醫(yī)療衛(wèi)生、生活服務(wù)、國防軍事、食品加工等領(lǐng)域工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用也逐漸廣泛起來。
汽車制造是一個(gè)資金和技術(shù)高度密集的產(chǎn)業(yè)，同時(shí)該產(chǎn)業(yè)也是最廣泛應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人的行業(yè)，幾乎占到整個(gè)工業(yè)機(jī)器人的一半以上。在我國，工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用最初也是在工程機(jī)械和汽車行業(yè)中。在汽車生產(chǎn)中主要的制動(dòng)化設(shè)備就是工業(yè)機(jī)器人，在整車及零部件生產(chǎn)的沖壓、涂膠、弧焊、點(diǎn)焊、噴涂、搬運(yùn)等工藝中大量使用。據(jù)預(yù)測正在進(jìn)入汽車擁有率上升時(shí)期的中國，在未來較長一段時(shí)期內(nèi)，汽車仍將以每年超過10%的速度增長。所以在未來幾年里，我國對工業(yè)機(jī)器人的需求將會(huì)呈現(xiàn)出高速增長趨勢，工業(yè)機(jī)器人在我國汽車行業(yè)的應(yīng)用勢必也將快速發(fā)展。
工業(yè)機(jī)器人除了廣泛應(yīng)用在汽車行業(yè)之外，非金屬加工、電子、食品加工、木材家具和日用消費(fèi)品加工等行業(yè)對工業(yè)機(jī)器人的需求也以較快速度增長。工業(yè)機(jī)器人在石油方面也有廣泛的應(yīng)用，如海上煉油廠、石油鉆井、采油平臺(tái)、管道的檢測、大型油罐和儲(chǔ)罐的焊接等均可使用工業(yè)機(jī)器人來完成。
在最近幾年里，工業(yè)機(jī)器人也廣泛采用了激光技術(shù)、傳感技術(shù)、工程網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，這些技術(shù)使工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用更為高質(zhì)、高效，同時(shí)也減少了運(yùn)行成本，使工業(yè)機(jī)器人進(jìn)入了一個(gè)新的時(shí)代。
1.1.2 測量機(jī)器人
測量機(jī)器人就是為了滿足現(xiàn)行工業(yè)的測量需求所設(shè)計(jì)的機(jī)器人。
在工業(yè)化高速發(fā)展的今天，對工件的精度要求也越來越高，加工零件時(shí)的精度要求固然重要，但是加工完之后對工件的測量也必不可少。只有在加工時(shí)的高精度加工和加工完之后的準(zhǔn)確測量，才能保證工件是否滿足要求。
對于小型工件我們已經(jīng)擁有了很多方便快捷的測量手段和方法，不管是傳統(tǒng)的測量方法還是新型的測量手段，都在現(xiàn)實(shí)工業(yè)中為我們的生產(chǎn)提供了很大的便利。
但是現(xiàn)在對大型工件的測量裝置并不完善，雖然有高精度且全面的三維掃描儀等先進(jìn)的機(jī)器，但是由于其成本太高，阻礙了它的發(fā)展。而其他的一些測量方法并沒辦法將所需數(shù)據(jù)全部收集起來，所以，功能集合的能對大型工件測量的機(jī)器人有著廣泛的需求。
1.2 大型工件測量現(xiàn)狀
1.2.1 三坐標(biāo)測量機(jī)
三坐標(biāo)測量機(jī)的各個(gè)軸都設(shè)有微動(dòng)裝置和氣源制動(dòng)開關(guān)，可以完成每個(gè)軸的精密傳動(dòng)，并使用性能優(yōu)異的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。它可以用來測量物體的長度及圓周分度、幾何形狀等數(shù)據(jù)，其測量范圍是在一個(gè)六面體的空間范圍內(nèi)。三坐標(biāo)測量儀又可定義“一種具有可作三個(gè)方向移動(dòng)的探測器，可在三個(gè)相互垂直的導(dǎo)軌上移動(dòng)，此探測器以接觸或非接觸等方式傳遞訊號(hào)，三個(gè)軸的位移測量系統(tǒng)（如光柵尺）經(jīng)數(shù)據(jù)處理器或計(jì)算機(jī)等計(jì)算出工件的各點(diǎn)（x，y，z）及各項(xiàng)功能測量的儀器?！比鴺?biāo)測量儀的測量功能應(yīng)包括定位精度、輪廓精度、尺寸精度及幾何精度等。
雖然有足夠的精度要求，但是裝置較大，移動(dòng)不方便，不適合對大型工件的測量。
圖1-1 三坐標(biāo)測量機(jī)
1.2.2 三維掃描儀
三維掃描儀是一種比較新型的技術(shù)，可以把它比喻成一部照相機(jī)，它們都是圓錐狀的視線范圍，對信息的搜集都被限定在一定的范圍內(nèi)。三維掃描儀測量的其實(shí)是距離，通過距離的測量，計(jì)算出所測物體的各個(gè)尺寸。
通過這幾年的發(fā)展，三維掃描儀已經(jīng)把以前掃描速度慢的問題解決了，但是還有一個(gè)問題沒有解決，就是他的高成本，這始終是三維掃描儀未來發(fā)展的一個(gè)阻礙。
圖1-2 三維掃描儀
1.2.3 激光測距儀
激光測距是目前最常用的手段，它是通過在運(yùn)行時(shí)，向被測物體發(fā)射很細(xì)的激光束，經(jīng)過反射后，被反射的激光束被光電元件接收，再利用計(jì)時(shí)器測定激光束從發(fā)射到接收之間的時(shí)間，根據(jù)激光在空氣中的速度，可得出從激光射出點(diǎn)到被測物之間的距離。
由于它的低價(jià)，激光測距儀被廣泛使用于現(xiàn)代工業(yè)中，主要被用于距離的測量中。
圖1-3 激光測距儀
1.2.4 雙頻激光干涉儀
雙頻激光干涉是一種擁有極高精度的測量方法，它可以達(dá)到μm，甚至nm的量級。它是用穩(wěn)頻的氦氖激光器作為光源，由于它的相干長度很大，干涉儀的測量范圍可以大大的擴(kuò)展；而且由于它的光束發(fā)散角小，能量集中，因而它產(chǎn)生的干涉條紋可以用光電接收器接收，變?yōu)殡娪嵦?hào)，并由計(jì)數(shù)器一個(gè)不漏的記錄下來，從而提高了測量速度和測量精度。
圖1-4 雙頻激光干涉儀
1.3 研究內(nèi)容及預(yù)期成果
根據(jù)上述分析可知，目前對大型工件的測量是國內(nèi)外機(jī)械行業(yè)里的難題，其關(guān)鍵難題在于，如何在控制成本的基礎(chǔ)上，保證測量的精度，以及測量的多樣性。本設(shè)計(jì)主要是針對直徑在800-1000mm之間的超大型工件的測量，其中包括了對工件長度、直徑、同軸度、表面粗糙度等數(shù)據(jù)的測量。
為了實(shí)現(xiàn)這一目的，將設(shè)計(jì)一個(gè)，把激光測距原理測量長度，百分表測量長度和同軸度，以及激光輪廓測量技術(shù)測量表面粗糙度等測量裝置結(jié)合在一起，在鋰電池提供能源的基礎(chǔ)上，結(jié)合電機(jī)正反轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，電動(dòng)升降桿裝置，電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)裝置，以及全方位輪式移動(dòng)裝置等運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，再加上輔助機(jī)器人的配合，以實(shí)現(xiàn)全方位，多功能，可遙控的測量機(jī)器人。
根據(jù)需求設(shè)計(jì)思路如下：
1、先對各種測量方法進(jìn)行深入探索，尋找到適合安裝在機(jī)器人上的測量方法；
2、然后分別確定測量長度、直徑、同軸度和表面粗糙度的方法，分析測量時(shí)所需的條件，以及具體的測量步驟；
3、再根據(jù)各種測量需要，設(shè)計(jì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，以保障能滿足測量需求。
第2章 機(jī)器人整體設(shè)計(jì)
2.1 機(jī)器人各部分組成
10
6
1
4
3
12
7
5
2
8
11
9
圖2-1 機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)
1-輪廓測量裝置 2-擋板 3-激光發(fā)射傳送裝置
4-支撐臂 5-測量頭 6-Y型支架
7-直徑測量裝置 8-顯示臺(tái) 9-旋轉(zhuǎn)臺(tái)
10-升降桿 11-底座 12-行走輪
1、 輪廓測量裝置：
該輪廓測量裝置，是由一個(gè)激光發(fā)射器及一個(gè)橫向光電感應(yīng)器組成，用于測量工件的表面粗糙度和同軸度（下文有介紹）。如圖2-2所示（含測量頭）：
圖2-2 測量頭及輪廓測量裝置
2、 擋板
在長度和直徑測量時(shí)，用于確定激光測量的基準(zhǔn)，使測量更加精確。如圖2-3所示：
圖2-3 擋板
3、 激光發(fā)射傳送裝置
為了滿足測量高度的需求，使激光發(fā)射不被被測物體遮擋，于是選擇如圖2-4所示的裝置，讓激光在高點(diǎn)發(fā)射。
圖2-4 激光傳送裝置
4、 支撐臂：
主要用于支撐測量頭，使測量頭能夠平穩(wěn)的旋轉(zhuǎn)，同時(shí)也是測量所用線路的存放處。如圖2-5所示：
圖2-5 支撐臂形狀
5、 測量頭
測量頭兩側(cè)分別裝有同軸度測量裝置和表面粗糙度的測量裝置，而且可以根據(jù)測量時(shí)的需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)，方便測量。如圖2-2。
6、 Y型支架
只要是用于確保在輪廓測量時(shí)，測量裝置與被測物體平行，如圖2-6：
圖2-6 Y型支架
7、 直徑測量裝置：
用于對超大型工件的直徑測量。如圖2-7所示：
圖2-7 直徑測量裝置
8、 顯示臺(tái)：
安裝一個(gè)顯示屏，用于顯示機(jī)器人測量完之后的結(jié)果顯示，并安置一個(gè)接口，用于將得出的數(shù)據(jù)進(jìn)行拷貝。如圖2-8所示：
圖2-8 顯示臺(tái)形狀
9、 旋轉(zhuǎn)臺(tái)
電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)，在電機(jī)驅(qū)動(dòng)和渦輪蝸桿的帶動(dòng)下，使旋轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行360度的旋轉(zhuǎn)，使測量能夠滿足各個(gè)方位的需求。
10、升降桿
電動(dòng)升降桿，在電機(jī)驅(qū)動(dòng)和渦輪蝸桿的帶動(dòng)下，能夠使測量裝置進(jìn)行垂直的上升和下降，使測量能夠滿足各個(gè)高度的需求。
11、底座
是機(jī)器人能源的存放處，里面裝有電源，同時(shí)也是放置用于機(jī)器人行走的全方位輪式機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)的地方。
12、行走輪
采用的是全方位輪式機(jī)構(gòu)，控制機(jī)器人的行走。
2.2 輔助機(jī)器人
輔助機(jī)器人主要用于輔助測量機(jī)器人實(shí)現(xiàn)一些測量，他并沒有太多復(fù)雜的機(jī)構(gòu)，主要就是由行走裝置和不透光且反射率高的銅表面擋板，以及為了平衡重心的配重。如圖2-9所示：
4
3
2
1
圖2-9 輔助機(jī)器人
1-擋板 2-配重 3-底座 4-行走輪
1、 擋板
該擋板是為了反射由激光發(fā)射器發(fā)出激光，的是采用的50mm×250mm×1000mm的空心板，表面光滑均勻的鍍上銅。這是因?yàn)殂~的反射率高，能夠使測量更加精準(zhǔn)。
2、 配重
該配重是為了平衡擋板的重力及力矩，所以相對于擋板，配重的重量略大且體積較小。
3、 底座
是機(jī)器人能源的存放處，里面裝有電源，同時(shí)也是放置用于機(jī)器人行走的全方位輪式機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)的地方。
4、 行走輪
采用的是全方位輪式機(jī)構(gòu)，控制機(jī)器人的行走。
2.3 電源
由于機(jī)器人中部有升降桿，所以在之間的線路連接會(huì)有一定困難，于是設(shè)計(jì)在旋轉(zhuǎn)臺(tái)和地盤各放一個(gè)電源。上面的電源主要負(fù)責(zé)旋轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)、測量頭的旋轉(zhuǎn)、激光的發(fā)射、顯示臺(tái)的顯示、以及同軸度和表面粗糙度的測量；下面的電源則主要負(fù)責(zé)升降臺(tái)的升降和行走輪的移動(dòng)。
2.3.1 供電部分
由于機(jī)器人各部分供電需求不一樣，所以需要用到DC-DC變換，將主電源通過穩(wěn)壓電路輸出多組電壓，根據(jù)不同的需要供應(yīng)給不同的電機(jī)。根據(jù)之前的分析，主電源采用的是電壓為48V的蓄電池。各用電器所需電壓如下表2-1：
表2-1 所有用電器電壓
用電器
電壓（V）
型號(hào)
測量頭旋轉(zhuǎn)電機(jī)
48
56BYG250EK
旋轉(zhuǎn)臺(tái)電機(jī)
48
56BYG250DK
升降桿電機(jī)
48
56BYG250DK
行走輪轉(zhuǎn)向電機(jī)
48
56BYG250BK
行走輪旋轉(zhuǎn)電機(jī)
48
56BYG250DK
顯示臺(tái)
12
LED燈
3
相機(jī)
3.7
激光發(fā)射
5
根據(jù)上下電源分布，設(shè)計(jì)為上電源輸出電壓為48V、12V、5V、3.7V、3V，下電源輸出為48V、48V、24V。
2.3.2 監(jiān)測電路
影響機(jī)器人穩(wěn)定運(yùn)行的最重要的因素之一就是電源的電壓和電量，所以對電壓和電量的監(jiān)測，是保障機(jī)器人安全運(yùn)行的必備要素。
監(jiān)測電路主要是由三極管和觸發(fā)電路組成，原理如圖2-10：
圖2-10 監(jiān)測電路原理圖
該監(jiān)測電路采用的是雙限比較電路，可以通過對可調(diào)電阻W1和W2的阻值的調(diào)整，來設(shè)定電壓值的上限和下限。以該機(jī)器人為例，設(shè)定電壓值的上限和下線分別是48.5V和44.5V。當(dāng)電池電壓低于45V時(shí)，觸發(fā)輸入2腳的電壓值小于1/3Vcc，3腳輸出高電平，三極管Q2導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管D1發(fā)光和蜂鳴器H1發(fā)聲來報(bào)警；當(dāng)電池電壓高于48.5V時(shí)，觸發(fā)輸入6腳電壓高于2/3Vcc，3腳輸出低電平，三極管Q2關(guān)斷，停止報(bào)警。
2.3.3 過流保護(hù)
過流保護(hù)就是為了避免因電流過大，導(dǎo)致電機(jī)和其它器件的損壞。過流保護(hù)電路分為采樣電路和放大比較電路兩部分。
1、采樣電路
如圖2-11所示，為了保證測量精度，所以選取了載流能力強(qiáng)、選取溫度系數(shù)低，精度可以達(dá)到1%的錳銅絲作為采樣電阻，R14=R15=0.05Ω，其總阻值R=0.025Ω。由于電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)間與電動(dòng)機(jī)的容量有關(guān)，并且啟動(dòng)電流通常是其額定電流的4-7倍，，為了防止電機(jī)啟動(dòng)過程中過流保護(hù)電路產(chǎn)生誤動(dòng)作，而在堵轉(zhuǎn)時(shí)保護(hù)電路盡快動(dòng)作，在采樣電路中增加了低通濾波，把電機(jī)啟動(dòng)和堵轉(zhuǎn)瞬間產(chǎn)生的紋波電壓濾除。C9=417uF,R13=10k，則低通濾波電路時(shí)間常數(shù)為47ms。OUT+和OUT-分別為48V供電電源的正負(fù)極，V1為采樣電壓。
圖2-11 采樣電路
2、電壓放大比較電路
如圖2-12所示，V1為采樣電壓值；V2為經(jīng)過運(yùn)算放大器LM358之后的電壓值，其放大比例系數(shù)λ=(R1+R2)/R2=6；V3為基準(zhǔn)電壓，可以通過對可調(diào)電阻W3的調(diào)整為改變。Q3是正反饋射極跟隨器，它能夠制造一定回差，以此來避免過流點(diǎn)附近電流很小的波動(dòng)引起的不穩(wěn)定現(xiàn)象。當(dāng)V2>V3時(shí)，則表示電路過流，此時(shí)電壓比較器的輸出變?yōu)?，電源供電被切斷。
圖2-12 放大比較電路
第3章 測量方法
3.1長度測量
該設(shè)計(jì)的激光測量的方法是采用的相位法，這是因?yàn)樗鄬τ谄渌す鉁y量方法的優(yōu)點(diǎn)就是精度較高，可以達(dá)到零點(diǎn)幾毫米的級別，雖然其測量距離不比其他方式遠(yuǎn)，但是100米左右的測量長度完全足夠滿足測量的需要。
相位法激光測距技術(shù)，所采用的激光頻率在無線電波段，先對激光的幅度進(jìn)行調(diào)制，再發(fā)射正弦調(diào)制光，經(jīng)輔助機(jī)器人擋板反射回來后，測定接收到的激光與發(fā)射時(shí)所產(chǎn)生的相位差。根據(jù)發(fā)射光的頻率和波長，計(jì)算出激光往返的時(shí)間，再依據(jù)相關(guān)公式計(jì)算出所求距離。如圖3-1所示：
圖3-1 相位法激光測量原理圖
由上圖原理，以及所學(xué)光學(xué)知識(shí)可以進(jìn)行求解：
D=ct/2 （3-1）
t=φ/ω （3-2）
又：ω=2πf （3-3）
φ=N+?φ （3-4）
所以：D=(N+?φ)×c/(4πf) （3-5）
其中：D是所求距離，也就是激光發(fā)射器與輔助機(jī)器人擋板之間的距離；
C是光速，即為299792458m/s；
t是激光往返激光發(fā)射器與輔助機(jī)器人擋板之間一次所用時(shí)間；
φ是激光光速發(fā)射時(shí)與接收反射時(shí)所形成的相位差；
ω是調(diào)制信號(hào)的角頻率。
?φ是激光往返一次形成的相位差中不足半個(gè)波長的部分；
N是產(chǎn)生的相位差中含有半波長的個(gè)數(shù)；
因?yàn)闊o法確定N的數(shù)值，即激光在往返過程中的半波長數(shù)，所以該方法就只能測定?φ，即相位差中不足半波長的部分。為了消除這個(gè)問題，就必須控制調(diào)制光的波長，來決定測量范圍，也就是使發(fā)射出來的激光的半波長要大于實(shí)測距離。
測量的步驟如下：
1、機(jī)器人通過遙控器的控制，用擋板去接觸被測物體的側(cè)表面；
2、用輔助機(jī)器人去接觸被測物體的另外一個(gè)側(cè)面；
3、機(jī)器人發(fā)射一束激光；
4、激光經(jīng)過輔助機(jī)器人反射之后，機(jī)器人接收到反射回來的激光信號(hào)；
5、將所得長度數(shù)據(jù)減去激光發(fā)射口與擋板邊緣的距離，既是被測軸的長度。
具體操作如下圖3-4所示：
圖3-4 長度測量
3.2直徑測量
直徑的測量是利用三點(diǎn)確定一個(gè)圓的原理，用三個(gè)百分表去觸碰圓表面，得出三個(gè)數(shù)值，再根據(jù)這些數(shù)值來建立一個(gè)坐標(biāo)系，求出被測工件直徑。
在測量時(shí)，先用Y型支架去接觸被測物體，使其緊靠被測物體，并保持不動(dòng)，再調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)臺(tái)，使Y型支架與行走輪的行走方向垂直，此時(shí)行走方向與被測物體平行。再通過對測量頭和旋轉(zhuǎn)臺(tái)的調(diào)整，使直徑測量裝置正對物體表面。再慢慢向前移動(dòng)，當(dāng)三個(gè)百分表均有讀數(shù)顯示時(shí)，停止測量。
如圖3-4所示：
圖3-5 直徑測量
設(shè)A、B、C三個(gè)百分表的讀書分別為a、b、c，A、B、C三桿之間的距離為n，以B點(diǎn)所處位置為原點(diǎn)，建立直角坐標(biāo)系。
所以A（b-a,n）B（0,0）C（b-c,-n）
再設(shè)圓心坐標(biāo)為（rx,ry），半徑為R
則：
(b-a-rx)2+(n-ry)2=R2 （3-6）
(0-rx)2+(0-ry)2=R2 （3-7）
(b-c-rx)2+(-n-ry)2=R2 （3-8）
由公式（3-6）和公式（3-7）得：
rx=(((b-a)2+n2)-(2×n-0)ry)/(2×b-a-0)
=b-a2+n22×b-a-0-(n-0)ryb-a-0 （3-9）
設(shè)：
u=b-a2+n22×b-a （3-10）
k1=nryb-a （3-11）
得：
rx=u-k1ry （3-12）
同理由公式（3-7）和公式（3-8）可得：
rx=v-k2ry （3-13）
其中：
v=b-c2+n22×b-c （3-14）
k2=-nryb-c （3-15）
由公式（3-12）和公式（3-13）可得：
rx=v-u-vk2/(k1-k2) （3-16）
ry=u-v/(k1-k2) （3-17）
所以可得：
R=rx2+ry2 （3-18）
根據(jù)半徑即可得出被測物體的直徑，為了減少誤差，應(yīng)多測幾次，求其平均值。
3.3 同軸度測量
同軸度測量的原理與直徑測量類似，先用Y型支架去接觸被測物體，使其緊靠被測物體，并保持不動(dòng)，再調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)臺(tái)，使Y型支架與行走輪的行走方向垂直，此時(shí)行走方向與被測物體平行。再通過對測量頭和旋轉(zhuǎn)臺(tái)的調(diào)整，使直徑測量裝置正對物體表面。再使機(jī)器人沿軸線方向直線行駛，利用記錄直徑測量裝置中間那個(gè)百分表的讀數(shù)，將所得的百分表B的讀數(shù)的最大值與最小值相減，就得出同軸度誤差。如圖3-6：
3-6 同軸度測量
3.4 輪廓測量
該輪廓測量技術(shù)，是利用被測物體的漫反射和光電效應(yīng)來對物體表面進(jìn)行掃描，得出被測物體表面的情況，以此來判斷被測物的同軸度和表面粗糙度。
測量原理如下圖3-6所示，
圖3-6 輪廓測量原理
1-物體表面 2-聚光鏡 3-激光器
4-橫向光電效應(yīng)傳感器 5-成像透鏡
激光發(fā)射器發(fā)射出來的光，經(jīng)過聚光鏡之后，照射到被測物體的表面，因?yàn)槲矬w表面不可能是絕對光滑的，所以，不管光線投射到哪一點(diǎn)，都會(huì)發(fā)生漫反射。這些漫反射光纖通過成像透鏡成像，并傳輸?shù)綑M向光電效應(yīng)傳感器的接收面上，把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。因?yàn)榻?jīng)過聚光鏡之后的激光束直徑一般在0.25至0.5mm，所以該技術(shù)具有較高精度。
光電傳感器件的工作原理如圖3-7所示:
圖3-7 光電傳感器原理
當(dāng)成象光線照射在傳感器的接收面上形成光點(diǎn)P點(diǎn)時(shí)，將產(chǎn)生一個(gè)光電流，大小為I,在器件兩側(cè)的電極A和B上將分別輸出與P點(diǎn)距離成正比的電流IA和IB,即：
IA=IL2+x/L （3-19）
IB=IL2-x/L （3-20）
由公式（3-19）和公式（3-20）可得：
D=IA-IBIA+IB=2x/L （3-21）
此時(shí)算出的D值就能夠反映出光點(diǎn)所在位置，當(dāng)被測物件的高度發(fā)生變化時(shí)，D值也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變化，將得到的D值進(jìn)行儲(chǔ)存，用計(jì)算機(jī)對得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行精確的分析，就可得到被掃描的表面輪廓圖像。
在測量時(shí)，先用Y型支架去接觸被測物體，使其緊靠被測物體，并保持不動(dòng)，再調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)臺(tái)，使輪廓測量裝置與行走輪的行走方向垂直，此時(shí)行走方向與被測物體平行。再通過測量頭的旋轉(zhuǎn)，使輪廓測量裝置正對被測物體。則可得出一條表面輪廓圖像，求出被測物體的表面粗糙度。
第四章 運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
4.1 測量頭旋轉(zhuǎn)
對于測量頭的旋轉(zhuǎn)，主要是為了使測量能夠適應(yīng)不同的位置要求，它主要是通過對直流電機(jī)正反轉(zhuǎn)的控制來實(shí)現(xiàn)測量頭的旋轉(zhuǎn)。
測量頭的旋轉(zhuǎn)是采用H橋式電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，如圖4-1所示，它是由一個(gè)電機(jī)和四個(gè)三極管組成的。只有當(dāng)電流通過對角線上的兩個(gè)三極管時(shí)，電機(jī)才會(huì)運(yùn)轉(zhuǎn)。即當(dāng)電流從Q1-M-Q4時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)朝一個(gè)方向進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，當(dāng)電流從Q2-M-Q3時(shí)，電機(jī)則朝另外一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)。
圖4-1 H橋式電路
在該電路中，保證Q1、Q2不會(huì)被同時(shí)接通特別重要，因?yàn)槿绻瑫r(shí)接通，那么電流就不會(huì)經(jīng)過電機(jī)，致使電流過大，容易損壞三極管。所以需要對該電路進(jìn)行改進(jìn)，在原來的電路中增加兩個(gè)非門和四個(gè)與門。如圖4-2所示：
圖4-2 H橋改進(jìn)電路
此時(shí)，當(dāng)DIR－R信號(hào)為1，DIR-L信號(hào)為0時(shí)，三極管Q1和Q4導(dǎo)通，電流方向?yàn)镼1-M-Q4；如果DIR－L信號(hào)變?yōu)?，而DIR－R信號(hào)變?yōu)?，那么Q2和Q3將導(dǎo)通，電流方向?yàn)镼2-M-Q3。
該測量頭質(zhì)量在3kg左右,，所以，是測量頭旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)矩為：
M=2×9.8×0.22=1.92N?m （4-1）
根據(jù)上述介紹，可以選擇型號(hào)為L293D的H橋集成電路，電動(dòng)機(jī)選擇靜力距為2.5 N?m，型號(hào)為56BYG250EK的步進(jìn)電機(jī)。
4.2 升降機(jī)構(gòu)
4.2.1 機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)
升降裝置采用的是電動(dòng)推桿。當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)蝸桿轉(zhuǎn)動(dòng)，蝸桿又帶動(dòng)蝸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，使連接在蝸輪內(nèi)部的絲桿作軸向移動(dòng)，當(dāng)?shù)竭_(dá)設(shè)定的行程時(shí)，使行程開關(guān)斷電，電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。根據(jù)需要，選取南京永諾傳動(dòng)設(shè)備有限公司YNT-01型號(hào)的升降桿。
具體結(jié)構(gòu)如下圖4-3：
圖4-3 升降桿裝置
相關(guān)參數(shù)：
1.永磁直流電機(jī)電壓：56BYG250DK電機(jī)，額定電壓48V，額定功率100W
2.最大推/拉力：600KG/600KG
3.標(biāo)準(zhǔn)行程：S＝200mm
4.最短安裝距離(內(nèi)管完全收回來前后兩孔中心距離)：L＝S(行程)＋175mm;
內(nèi)管完全伸出去前后兩孔中心距離=2*S（行程）+175mm
5.空載速度：最大30mm/s
6.額定載荷速率：5mm/s（600KG）～30mm/s（50KG）
7.環(huán)境溫度：-26℃～65℃
8.標(biāo)準(zhǔn)保護(hù)等級：IP54
9.內(nèi)置行程開關(guān)
10.配無線遙控器
但是由于本設(shè)計(jì)及中不是只有一個(gè)升降桿，而是四個(gè)升降桿，為了保證四個(gè)升降桿運(yùn)動(dòng)的一致性，所以需要使用T系列齒輪傳動(dòng)箱（如圖4-4），讓四個(gè)升降桿同步。布局圖如圖4-5：
圖4-4 傳動(dòng)箱
1-基座 2-橫軸座 3-橫軸 4-縱軸
5-橫軸錐齒輪 6-縱軸錐齒輪 7-端蓋
8-端蓋 9-軸承 10-油封 11-油標(biāo)
圖4-5 傳動(dòng)箱布局圖
根據(jù)設(shè)計(jì)，需要的是三軸傳動(dòng)箱，而三軸的傳動(dòng)箱又分為了單橫軸（如圖4-6）和雙橫軸（如圖4-7），其差別是在于兩個(gè)對向軸的旋轉(zhuǎn)方向的不同。為了保證四個(gè)升降桿的同步，于是三個(gè)傳動(dòng)箱都選擇雙橫軸的傳動(dòng)箱。
圖4-6 單橫軸傳動(dòng)箱 圖4-7 雙橫軸傳動(dòng)箱
4.2.2 校核
因?yàn)閺?qiáng)度都滿足廠家設(shè)定，所以只需對功率進(jìn)行校核。
所需輸入軸轉(zhuǎn)速：
n=VL×i （4-2）
所需輸入軸扭矩：
M=W×L2πiη+M0 （4-3）
所需輸入功率：
P=M×n9550 （4-4）
由廠家提供的相關(guān)數(shù)據(jù)：
升降速度V=300mm/min
絲桿螺距L=0.01m
傳動(dòng)比i=6
單臺(tái)升降機(jī)當(dāng)量載荷W=10×9.84×0.85=28.82N （4-5）
升降機(jī)的綜合效率η=0.64
空載扭矩M0=1.37N?m
所以：
n=VL×i=180r/min （4-6）
M=W×L2πiη+M0=28.82×0.012×3.14×6×0.64+1.37=1.38N?m （4-7）
P=M×n9550=1.38×1809550=0.026kw=26w （4-8）
因?yàn)镻
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