激光球杆仪结构设计及伸缩导轨调整方法研究

摘要

随着智能制造的不断发展，工业机器人作为智能制造的主力军，将面临前所未有的发展机遇。目前，工业机器人已拥有代替人从事简单的生产线操作和装配的能力，但未能满足精密操作的要求；工业机器人位置精度测量主要采用激光跟踪仪，而市场上激光跟踪仪价格昂贵，不能满足国内工业机器人的发展需求，提出一种结构简单、开发周期短、成本低的空间运动误差测量装置对于提高工业机器人的运动精度具有重要意义。 本文提出了一种基于球坐标原理实现空间运动误差测量的激光球杆仪（又称3D激光球杆仪），该装置由两个相互正交的转台和一个通过两转轴交点且正交于水平轴的伸缩机构组成，本课题采用了精密二维转台和伸缩机构相结合的方法实现其空间运动功能；采用激光干涉仪和圆光栅分别测量径向距离和转轴旋转角度来实现其空间位置测量功能。 伸缩机构作为3D激光球杆仪的主要运动部件之一，装配误差和受力变形将严重影响悬臂状态下的伸缩机构的运动精度，伸缩机构的运动精度将严重影响3D激光球杆仪两转轴的旋转角度，且该角度无法测量，进而严重影响3D激光球杆仪的精度。为减小受力变形和装配误差对伸缩机构运动精度的影响，本文提出了一款高精度的伸缩导轨，该伸缩导轨以导轨滑块运动单元为基础件，通过垒叠安装的方式实现其基本运动功能；设计伸缩导轨结构来减小其在悬臂状态时的变形，根据导轨直线度和平行度测量原理，本文提出一种用于伸缩导轨运动精度的调整和测量方法，该方法实现了伸缩导轨两个导轨滑块运动单元的运动轴线之间所存在角度的测量，该角度测量值可用于指导伸缩导轨运动精度的调整。调整后，滑块沿上导轨运动时，X向和Y向运动误差分别由44μm和439μm降到20μm和14μm；滑块沿下导轨运动时，X向和Y向运动误差分别由45μm和158μm降到25μm和37μm；伸缩导轨的X向和Y向运动误差分别由105μm和281μm降到47μm和48μm。结果表明伸缩导轨运动误差明显减小，调整和测量方法可靠。

目录

声明

1 前言

1.1 研究背景及意义

1.2 激光跟踪测量系统研究现状

1.2.1 激光跟踪测量系统的测量方法

1.2.2 激光跟踪测量系统的研究现状

1.3 直线度与平行度测量方法及原理

1.3.1 直线度测量方法及测量原理

1.3.2 平行度误差测量方法及原理

1.4 课题研究内容及章节安排

2 3D激光球杆仪结构设计

2.1 3D激光球杆仪测量原理

2.2 精密二维回转工作台选型

2.3 3D激光球杆仪径向位移测量模块设计

2.4 伸缩导轨结构设计

2.4.1 伸缩导轨基本结构设计

2.4.2 导轨的选择

2.4.3 导轨座的材料选择及结构设计

2.4.4 伸缩导轨总体结构设计

2.5 定位组件设计

2.5.1 伸缩导轨初始位置定位组件设计

2.5.2 测量基准定位组件设计

2.6 3D激光球杆仪总体结构

2.7 本章小结

3 伸缩导轨运动误差测量与调整原理

3.1 滑块运动轨迹的直线度误差测量与调整原理

3.1.1 滑块运动轨迹的直线度误差测量原理

3.1.2 滑块运动轨迹的直线度误差调整原理

3.2 伸缩导轨运动误差测量与调整原理

3.2.1 上、下滑块运动轨迹平行度测量原理

3.2.2 伸缩导轨运动误差调整原理

3.3 本章小结

4 伸缩导轨运动误差测量系统设计

4.1 微位移测量原理

4.2 激光准直仪设计

4.2.1 激光准直仪光路设计

4.2.2 激光准直仪结构设计

4.3 激光准直仪的性能实验

4.3.1 激光准直仪的标定实验

4.3.2 激光准直仪的测量稳定性实验

4.4 本章小结

5 伸缩导轨运动误差测量与调整实验

5.1 滑块运动误差调整实验

5.2 伸缩导轨运动误差调整实验

5.2.1 上、下两滑块运动轨迹的平行度测量实验

5.2.2 上、下滑块运动轨迹的平行度调整实验

5.3 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢

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