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关节臂坐标测量机结构及模型 作者: 来源: 时间:2018-08-13 点击次数:

  针对关节坐标测量机的研究几乎都是建立在数学模型之上的。测量机的数学模型包括测量方程与测量误差模型。由于关节坐标测量机与工业中的关节式机器人有一定的相似之处,测量机的测量方程就相当于机器人的运动学方程,其区别就在于测量机的测量方程不需要考虑测量机测头的姿态。因此,对关节坐标测量机模型的研究就可借鉴工业机器人的建模方法。

     本章首先介绍了关节臂测量机测量原理和组成,坐标测量机机械结构,并在此基础上采用D-H方法建立了系统运动学模型即测量机的测量方程,这是研究测量机误差模型、标定模型的基础。

 

 

5.1 关节臂测量机原理

     测量机由三根刚体臂、三个活动关节和一个测头组成。三根臂相互连接,其中一个为固定臂,它安于任意基座上支撑测量机所有部件,另外两个活动臂可运动于空间任意位置,以适应测量需要,其中一个为中间臂,一个为末端臂并在此尾端安装测头。第一根固定臂与第二根中间臂之间、第二根与第三根末端臂之间、第三根与接触测头之间均为关节式连接,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,可测量各个臂和测头在空间的位置。每个关节的回转中心和相应的活动臂构成一个极坐标系统,回转角即极角由圆分度传感器测量,而活动臂两端关节回转中心距离为极坐标的极径长度,可见该测量系统是由三个串连的极坐标系统组成,当测头与被测件接触时,测量系统可给出测头在空间的三维位置信号,测头与被测件在不同部位接触时,根据所建立的测量数学模型,由计算机给出被测参数实际值。

关节臂坐标测量机结构及模型

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


5.2 关节臂测量机组成

 

关节臂坐标测量机结构及模型

 

 

 

 

 

 

 

3-2关节臂测量机组成

 

     由图3-2可知,整个测量机主要由以下几部分构成:主机、电路、计算机、软件及附件。

     关节臂坐标测量机主机主体材料采用弹纤维,该材料具有重量轻、强度高、变形小的特点,主要起支撑作用;各关节是由精密制造的回转轴系构成,每个关节安装有角度编码器;数据采集电路固定在仪器底座空间部分,完成角度编码器的信号采集并处理;数据处理模块通过USB接口与上位机软件进行通讯。采样开关完成对信号的触发。

 


5.3 关节坐标测量机的机械结构

     关节坐标测量机的结构示意简图如图3-1所示。从图中可看出,关节12构成了一个整体的连接件,将固定臂与第二个测量臂连接起来;同样,关节34也构成整体连接了第二、第三个测量臂;关节56连接第三个测量臂与测头。相邻构成整体的关节采用了双轴承交叉轴、双轴承内嵌轴结构,同时,为了测量机的整体平衡,特设计了一种平衡杆机构,详见下文说明。

     关节部件在测量机的结构中,主要负责连接相邻两杆件,提供两杆件相对的高精度回转运动,采用角度传感器测量回转角度。对关节部件设计的要求是:结构紧凑,转轴强度好、刚性好、变形小。各关节之间采用垂直连接;回转部分的径向跳动要小,同轴度要好。设计中要将关节回转轴系与角度传感器轴系合二为一。为了使测量机结构紧凑,将用于连接的两相邻关节设计成一个整体,关节轴线互相垂直,并采用了双轴承式交叉及内嵌轴的设计方法,该方法借鉴了机床主轴的设计思想,能够有效提高关节旋转的回转精度。图3-33-4给出了测量机关节内部的具体设计结构。其中图3-3为交叉轴,可绕其轴线旋转,采用了双轴承结构,减少了单一轴承结构旋转时产生的径向跳动误差及偏转误差,提高了回转精度。图3-4所示为内嵌轴,也同样采取了双轴承结构,将内嵌轴安装于交叉轴中(如图3-3所示的两空心轴承座部分),就形成了两个轴线互相垂直的关节,且具有回转精度高,结构紧凑的优点。图3-1所示的关节坐标测量机关节12,关节34与关节56均采用了这种设计结构。

关节臂坐标测量机结构及模型关节臂坐标测量机结构及模型

 


5.4 坐标测量机平衡杆结构设计

关节臂坐标测量机结构及模型

     关节坐标测量机的平衡装置如图3-5所示,该装置由底部转盘、支柱、可随意停气弹簧、支环等零件组合而成。转盘可叠加在测量机基座上,通过转盘的内置轴承可以绕着测量机第一测量臂的轴线旋转。又联接头和支柱的一端均固定在转盘上,该联接头的另一端与气弹簧的一端铰链联接,两者间可以相互转动,支柱的另一端与垂直杆铰链联接,两者间也可以相互转动,气弹簧的另一端同样也与垂直杆铰链联接,而夹套是用来固定支柱,并使得支柱可带动转盘及整个平衡装置均随着测量机的第一关节一同绕着第一测量臂的轴线旋转。垂直杆的一端固定于支杆上,而另一端则固定于支环上,该支环可夹套于第二测量臂上。

     测量机第二测量臂的重力作用在支环上,由于支环、支杆以及垂直杆联接在一起,即相当于重力作用于垂直杆上端。而垂直杆作为一个整体,将力传递到气弹簧与垂直杆的联接处,该处是一个受力点,该点的支撑力由气弹簧提供,即第二测量臂的自身重力由气弹簧的力来抵消,而支柱与垂直杆的铰链处为整个杠杆系统的支点,这样就构成一典型的力平衡系统。由于气弹簧在其行程范围内可随意停止,所以测量机的第二、第三测量臂就可保持自平衡状态,这样就可以无需借助过多的外力而手握测量机测头在测量空间内灵活轻便地进行取点或扫描测量。

 

 

5.5坐标测量机建模基础

     关节坐标测量机是一种空间开链连杆机构,类似于工业中常见的开链机器人或机械手。表示机器人每个杆件在空间相对于绝对坐标系或相对于机器人基座的位置及方向的方程,称为机器人的运动学方程,这也是关节坐标测量机数学建模的基础。

     关节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,要在空间描述每个杆件的位置及方向,需要采用以下的直角坐标系:

     1.绝对坐标系:参照工作现场地面的坐标系,它是测量机各杆件的公共参考坐标系。

     2.基座坐标系:参照测量机基座的坐标系,是测量机各个活动杆件的公共参考坐标系。

     3.杆件坐标系:参照测量机指定杆件的坐标系,是在每个活动杆件上固定的坐标系,随杆件运动而运动,也称为杆件刚体的体坐标系。设测量机基座为0号杆件,与其相连接的杆件为1号杆件,关节12虽构成整体结构,它们之间也可视为杆件连接,其它关节类似,这样,测量机共有7号杆件,最末杆件即为测量机的测头。因此,各杆件上固定的坐标系为{0}{1}{2}{n}号坐标系,每一号坐标系都以编号低一号的坐标系为相对参考系。

     4.测量机测头坐标系,它表示测量机测头在指定坐标系中的位置和姿态,但不同于工业机器人的是,测量机测头的姿态一般无需考虑。


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