【文章內(nèi)容簡介】 三坐標測量機份額的一半左右 [1011]。 國外關于正交的坐標測量機的發(fā)展歷史 較久 ,目前該類產(chǎn)品己比較成熟 、 完中國計量學院本科畢業(yè)設計（論文） 3 善 。 國內(nèi)的三坐標測量機起步比較晚 ，然而 隨著越來越多的學者和科研人員研究的不斷深入 研究 ,國內(nèi)的三坐標測量技術 ,在理論研究和 產(chǎn)品開發(fā)方面 ,都有了一定的發(fā)展 。 青島前哨機械公司以花崗巖平板 在業(yè)界較為知名， 他們開發(fā)的三坐標測量機 ,雖然精度不是很高但它的價格較低 并 能提供 便捷快速的售后服務 ,他們的產(chǎn)品適于 一些測量精度要求不高的企業(yè)。 國內(nèi)柔性坐標測量機的研究起步比較晚 ,主 要是部分高校在從事這方面的研究 ,其中推出產(chǎn)品的較少 。 國內(nèi)進行柔性坐標測量機研究的主要單位有哈爾濱工業(yè)大學 、 天津大學 、 華中科技大學 、 浙江大學 、 合肥工業(yè)大學 、 西安愛德華公司等 。 在這幾家機構中， 合肥工業(yè)大學 、 西安愛德華公司 己經(jīng)研制出樣機 。 與國外柔性坐標測量機相比 ,國內(nèi)已推出的樣機精度偏低 。 另外 ,受結構設計和加工的限制 ,國內(nèi)研制出的樣機稍顯笨重 ,操作不夠靈活 ,旋轉(zhuǎn)關節(jié)只能在一定范圍內(nèi)回轉(zhuǎn) 。 柔性臂測量機未來的發(fā)展趨勢 普及高速測量 普及高速 測量 與效率一直是衡量各種機器性能、生產(chǎn)過程優(yōu)劣的兩項主要指標。傳統(tǒng)的概念為了保證 測量機的 測量精度， 測量機 測量速度不宜過高。 但 隨著生產(chǎn)節(jié)奏不斷加快，用戶在 要求 測量機保證測量精度的同時， 對 CMM 的測量速度(Measuring Speed)也 提出 了 越來越 高的要求。 新材料和新技術的應用 新材料和新技術的應用為確?？煽扛咚俚臏y量功能，國外十分重視研究機體原材料的選用 。 最近合金、石材、陶瓷等新材料 被紛紛用作測量機的材料來取代傳統(tǒng)合金 。世界上的主要三坐標測 量機 制造廠商，大 部分都 采用了重量輕、剛性好、導熱性強的合金材料，來制造測量機上的運動機構部件。鋁合金、陶瓷材料以及各種合成材料在三坐標測量機中得到了越來越廣泛的應用。 測量機測頭的發(fā)展 測 量 機測頭的 發(fā)展三坐標測最機除了機械本體外，測頭 是坐標測盆機的核心 ，也是測盤機達到高精度的關鍵 。與其他各項技術指標相比，提高測頭的性能指標難度最大。理想測頭最主要的性能指標是測頭接近零件能力的參數(shù) :在同等精度指標下，測頭端部的測頭體直徑 D與測桿長度 L的長徑比為 L/D。其值愈大，其性能愈好。 控制系統(tǒng)的改進 控制系統(tǒng)的改進在現(xiàn)代制造系統(tǒng)中，測量的目的 不 僅僅局限于成品驗收檢中國計量學院本科畢業(yè)設計（論文） 4 驗，而是向整個制造系統(tǒng)提供有關制造過程的 信息，為控制提供依據(jù)。從這一要求出發(fā)，必須要求測量機具有開放式控制系統(tǒng)，具有更大的柔性。為此，要盡可能利用發(fā)展迅速的新的電子工業(yè)技術，設計新的高性 。 近年來，計算機價格一直在降低，而性能愈來愈好。 我們要合理運用這一特點，加大這方面的研究。 另外，為了降低成本， 也可以用復雜的控制系統(tǒng)進行緊湊設計。 軟件技術的革新 軟件技術的革新測量機的功能主要由軟件決定。三坐標測童機的操作、使用的方便性 。 也首先取決于軟件，測量機每一項新技術的發(fā)展，都必須有相應配套的軟件技術。最終形成基于同一種平臺開發(fā)的測最軟件族也成 為軟件革新的一種必然趨勢?？梢哉f測 量 機軟件是三坐標測 量 機中發(fā)展最為迅速的一項技術。軟件的發(fā)展將使三坐標測量機向智能化的方向發(fā)展，它至少將包括能進行自動編程、測 量 優(yōu)化、故障自動診斷等方面的內(nèi)容 [1214]。 研究內(nèi)容與擬解決主要問題 課題研究內(nèi)容 柔性坐標測量機是一種應用傳感器技術的接觸式或非接觸式三維測量裝置。它通過安裝在各關節(jié)及桿件內(nèi)部的光電角度編碼器獲得各關節(jié)轉(zhuǎn)角，再結合機械臂的機械參數(shù) (臂長、關節(jié)厚度等 )應用空間支導線測量的原理計算出測量點的三維坐標。 柔性機械測量臂是柔性三坐 標測量機的最重要部件， 它是測量機的主要工作部分。同時，柔性機械臂的設計 也是 柔性 三坐標測量機設計的最主要部分。 擬解決主要問題 本論文所研究的主要內(nèi)容包括： 掌握六自由度柔性機械臂的應用場合、工作原理和結構特點；制定六自由度柔性臂的總體設計方案。完成六自由度柔性機械臂的結構設計，包括機械臂的總裝圖及主要零部件圖紙，做出必要的設計分析 。對六自由度柔性機械臂進行誤差分析， 尺寸優(yōu)化設計，并 給出相應的解決方案。其中機械臂的 設計是本論文所主要討論的問題。 進行機械臂的設計， 首先 要 確定測量臂的總體設計方案， 然后 重點分析機械結構的詳細設計 。總體設計，我們可參考國外的幾種柔性測量機的主流設計方案。其主要解決的問題 以 及設計流程及方案如下： 一、自由度的選擇。柔性機械測量臂的設計在結構上模仿了關節(jié)式機器人的“關節(jié)”形式 只 是去掉了機器人結構中的驅(qū)動裝置和控制機構，而改為由人來完成測量機的手動 操作 [15]。 二、 基座部件設計?；蓤A套筒、內(nèi)螺母、轉(zhuǎn)盤、角接觸軸承、底座、滑環(huán)支架、滑環(huán)等零件組成。 中國計量學院本科畢業(yè)設計（論文） 5 三、 橫關節(jié)部件設計。測量機中的橫關節(jié)部件主要用于連接相鄰的兩個臂身桿件，且實現(xiàn)兩桿件的高精度回轉(zhuǎn)。對關節(jié)部件結構設計要求是 :結構 緊湊，轉(zhuǎn)動靈活，相應的轉(zhuǎn)軸強度高，剛性大，彈性變形??；各關節(jié)之間垂直連接，回轉(zhuǎn)部分的徑向跳動小，同軸度高 [15]。 四、 臂身桿件設計。臂身桿件的主要參數(shù)是桿長，使測量機達到預定的測量范圍且在規(guī)定的測量半徑空間范圍內(nèi)，無測量死角 [16]。 五、精度分析和誤差補償?shù)脑O計計算，對柔性測量臂進行誤差分析。 本章小結 （ 1）介紹了選題的背景與意義，介紹了三坐標測量機 的基本狀況以及三坐標測量機 在工業(yè)生產(chǎn)科學研究中的重要作用 。 （ 2）介紹了 三坐標測量機的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀。 國內(nèi)外各個品牌各自的優(yōu)勢，以及我國三坐標測量 機行業(yè)現(xiàn)階段所存在的問題及不足。 （ 3）介紹了柔性臂測量機 未來 的發(fā)展趨勢，主要有普及高速測量 、 新材料和新技術的應用 、 測量機測頭的發(fā)展 、 控制系統(tǒng)的改進 、 軟件技術的革新 五個方面。 （ 4）介紹了本論文選題的意義，研究內(nèi)容與擬解決的主要問題。確立了本文的主要研究內(nèi)容：柔性測量機械臂的結構設計與誤差分析。 2 六自由度柔性臂的設計原理 柔性 坐標測量機的基本 結構 1基座， 2關節(jié)部件， 3臂伸桿件， 4測頭， 5平衡部件 圖 柔性坐標測量機由 機械系統(tǒng) 、 信號采集系統(tǒng) 、軟件系統(tǒng) 三大系統(tǒng)組成。 不同品牌的 三坐標測量機的在外觀上會有差異，它們的主要差異是關節(jié)結構和平衡系統(tǒng)。但其 主要 結構 組成基本相似（ 如圖 所示 ） ，大體有基座，關節(jié)部件，臂中國計量學院本科畢業(yè)設計（論文） 6 伸桿件，測頭，平衡部件 五個部件 組成 。 圖 為Cimcore 的 產(chǎn)品， 其中 左圖為 型 高精度關節(jié)臂測量機 。 一般的柔性關節(jié)式坐標測量機 由 3 根測量臂 , 6 個活動關節(jié)和 1 個 接觸測頭組成。 3 根臂互相連接 ,其中 1 個為固定臂 ,它安裝于任意基座上支持測量機的其他部件 ,另外 2 個活動臂可運動于空間任意位置 ,以適應測量需要 ,測頭安裝在末端臂的尾端 , 2 個測量臂之間為關節(jié)式連接 ,可作空間回轉(zhuǎn) ,而每個活動關節(jié)裝有相互垂直的回轉(zhuǎn)角傳感器 ,當計算機接收到觸發(fā)測量信號后 ,立即讀取傳感器測得的角度值 ,運行程序輸出被測點的三維坐標值。為了測量機的整體平衡 ,還 可以設計平衡桿機構 [17]。 圖 三維測量機三維圖 柔性 坐標測量機 的測量原理 從圖 可以看出 ,柔性坐標測量機類似于工業(yè)中常見的機器人手臂 ,使用機器人常用的 DenavitHartenberg 方法 [18]建模 (即 DH 方法 ) ,柔性坐標測量機可抽象為多個具有獨立運動桿件以旋轉(zhuǎn)關節(jié)組成的機械 系統(tǒng) [19],要在空間描述每個桿件的位置及方向 , 需要建立以下的直角坐標系 : 基座坐標系 ； 桿件坐標系 ； 測量機測頭坐標系。不同于工業(yè)機器人的是測量機測頭的姿態(tài)一般無需考慮。 中國計量學院本科畢業(yè)設計（論文） 7 圖 桿件坐標關系轉(zhuǎn)換圖 按照 DH方法在各個關節(jié)處建立桿件坐標系 ,所得的轉(zhuǎn)換關系如圖 ,從圖 ,共建立了 7個坐標系 ,基座坐標系為 O0X0Y0Z0,各個關節(jié) i上建立坐標系 OiXiYiZi (i=1, 2,? ,6),轉(zhuǎn)換矩陣為 : …… … ..… … .… … () 其中 , li 為兩關節(jié)轉(zhuǎn)軸軸線之間的最 短距離 ,即兩軸線之間公垂線的長度 。θ i 為兩相鄰桿件相對位置的變化量 ,當兩桿件以旋轉(zhuǎn)關節(jié)相連時 ,即為安裝在各關節(jié)中的角度傳感器的輸出 。di 為關節(jié)偏置量 (即相鄰桿長線在關節(jié)上截取的距離 )。α i為相鄰關節(jié)軸線相對扭轉(zhuǎn)角度 。l 為測量機測頭長度。 從坐標系 O6逐次到坐標系 O0的齊次坐標變換公式分別是 、 、 、 、和 。 由于無需討論測頭相對于基準坐標系 O0X0Y0Z0的姿態(tài) ,只要給出坐標原點 O6， 測頭 P 在基準坐標系中的位置即可確定。則有 ： …… ……… ……………… .…… ……… () 中國計量學院本科畢業(yè)設計（論文） 8 柔性坐標測量機測頭 P在基準坐標系 O0X0Y0Z0里 的坐標方程為： …… …………………………………………………………………………………………… ..() 其中 ,li、 di、 α i均 為 機械結構所確定的已知參數(shù) ,只要測得 6個旋轉(zhuǎn)角度值θ i,就 可獲得測頭末端在基坐標系中的空間三維坐標值。 柔性坐標測量機總體方案 測量空間 工業(yè)機器人的工作空間是從幾何方面討論機器人末端執(zhí)行器的工作性能 [20],相對于機器人的工作空間概念 ,柔性坐標測量機的 測量空間這一類似概念。即為當 測量機正常工作時 ,測頭坐標系的原點能在空間探測到的最大范圍。顯然 ,測量空間受測量機結構的影響。 從圖 中可看出 ,測量空間范圍主要受結構參數(shù) l d l d5， h 和 測頭長度 l影響。在理想情況下 ,柔性坐標測量機的 所有 關節(jié)變量 θ i均能夠在 [0, 2 ]范圍內(nèi)任意旋轉(zhuǎn) ,但是由于實際機械結構的限制 ,測量機的關節(jié)并不能任意旋轉(zhuǎn)。各個關節(jié)變量 θ i的實際取值范圍如下 : … …………… .……………… …() 由于整個結構的對稱性 ,測量機的測量空間為一個完整的球體 ,不難得出該球體的半徑 d3+d5+l。 對于關節(jié)扭轉(zhuǎn)角 ,本課題采用的是垂直正交連接 ,各扭轉(zhuǎn)角均為 90186。,理論上也能實現(xiàn)空間球體任意點的探測 。 因此 ,空間測量死角的存在僅與測量機中桿件的有效長度 ai和相鄰關節(jié)的偏置量 di的值有關 。 通過圖 中的圖解法可得知 ,當桿件有效長度與關節(jié)偏置量為圖中所示的關系時 ,測量機在理想球體內(nèi)出現(xiàn)測量死角 ,也即出現(xiàn) “ 空腔 ” 區(qū)域 ,在區(qū)域內(nèi)測頭無法探測到 。 中國計量學院本科畢業(yè)設計（論文） 9 圖 圖 左側 中的結構關系可得出出現(xiàn)測量死角時 ,測頭長度 a,關節(jié)偏置量d3， d5及桿長 a4存在如下的關系 ……………………………… ………… ..……… …… .…( ) 此時的空腔區(qū)域如圖 左側 的陰影 部分 所示 ， 空腔球體的半徑約為 : 。 當 時，也會產(chǎn)生如圖 右圖所示的空腔?？涨坏陌霃郊s 為： 。 綜 上 所述 ,為 使測量空間中不存在測量死角 ,對 a4， d3和 d5來說 它們必須要 滿足的 大小 關系 為 [5]： ………… ..…… ………………………………… .… …… .…( ) 關節(jié)和臂長設計 測量機的關節(jié)部分主要用于連接各個 相鄰的 桿件 ，使得測量機的測頭能做空間回轉(zhuǎn)運動，實現(xiàn)六自由度的測量。關節(jié)的靈活性和精度直接影響測量機的整體性能，是測量機中十分重要的部分。因此我們要求測量機的關節(jié)必須符合結構緊湊，轉(zhuǎn)動靈活，相應的轉(zhuǎn)軸強度高，剛性大，彈性形變小等特點。 材料選 用 強度中國計量學院本科畢業(yè)設計（論文） 10 航空鋁合金，有助于減輕結構形變量 。 關節(jié)的設計如 圖 ，圖 （藍色部分表示運用螺紋連接） ： 圖 橫關節(jié)的零件設計爆炸圖 圖 橫關節(jié)的零件設計爆炸圖 測量機的六個關節(jié)將相鄰的測量臂進行連接，測量臂才得以在空間內(nèi)進行旋轉(zhuǎn)，從而完成測量動作。 臂身桿件的主要參數(shù)是桿長 ， 只有選擇合適的桿長才能使測量機達到預定的測量范圍 ，并 且在規(guī)定的測量 內(nèi)，沒有測量死角。 同時要求臂身結 構緊湊 ,桿件的最大外徑應該適宜手持操作 ,回轉(zhuǎn)部分的徑向竄動要小 。 為了簡便，測量臂取薄壁圓筒結構，其設計基本方案如 圖 ： 中國計量學院本科畢業(yè)設計（論文） 11 圖 臂身的基本設計圖 臂身材料的選擇 測量機臂身材料的選擇對于臂身設計來說十分關 鍵。由于測量臂較長 ,， 且在其兩端 需要 支承關節(jié) 。 為了減小變形 、 減輕整個系統(tǒng)的重量 、 保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性等 ， 需要測量臂有較高的強度和剛度且重量輕 、 熱穩(wěn)定性好。 從 目前 來看，鈦合金與 碳纖維是 種 較為符合柔性坐標測量機測量臂要求的材 料 [21]。 鈦合金