并联坐标测量机建模理论及其虚拟原型设计

    1　引言

    自1959年夏季由英国Ferranti公司首次提出“坐标测量”概念并展示出第一台坐标测量机CMM(Coor-dinate Measuring Machine)样机以来[1],CMM的发展已经历了40年的时间。在此期间,人们的精力主要集中在对直角CMM的测量原理、机械结构、运动控制、测量数据处理及测量精度的研究方面。传统的直角CMM通常是由三个相互正交的移动导轨构成X、Y、Z空间坐标,由于这种机构中三个导轨的移动过程是相互分立的,因此其测量进程一般是从测头初始位置开始,并分别沿X、Y、Z三轴移动,最后到达测点位置,因此可将具有这种结构的CMM称为串联运动机构CMM。

    目前，人们对普通串联型CMM的结构及特点已十分熟悉,对其各方面的研究工作也已达到了很高的技术水平,但因这种坐标测量机自身结构所固有的一些缺陷,使得测量精度及测量效率的进一步提高已感到十分困难。这些缺陷主要表现在[2]:①串联结构中的横梁部件很容易受到弯曲扭矩的作用而产生扭曲变形,从而产生动态误差;②由于采用串联的方法,因而整个运动误差是每一坐标轴运动误差的累加;③由于运动部件质量较重,从而使CMM的运行惯性增大,运动速度受到限制,因而直接影响了测量效率;④不满足精密测量的基本原理—阿贝原理。即,测量点不在测长装置的延长线上,从而使测量值易受机构运动误差的影响。⑤由于受X、Y、Z相互垂直导轨的约束,测头的空间位姿不够灵活。

    解决上述缺陷,人们先后研究了与直角坐标测量原理不同的三维坐标测量方法。例如,采用激光扫描器和激光干涉仪的光学测量方法,采用超声波扫描的超声波测量方法等等。由于这些方法中可动机械部件很少,因而对提高测量速度及测量效率十分有效。但这些方法易受空气波动、温度及气压变化等因素的影响,并且对目标跟踪装置的要求很高,因此要进一步提高精度也很困难。

    来,以并联机构学为理论依据的智能机器人技术及计算机数控加工技术的研究引起了各国学者的极大兴趣,现已成为新的研究热点,并被认为是二十一世纪极具发展前景的先进技术之一[3]。由于并联运动机构具有结构刚性大、运动速度高、误差不叠加等独特特性,因而若将其应用于坐标测量机中,将有可能使坐标测量机的测量精度及测量效率等综合性能得到很大程度的改善。由此可以看出,开展并联运动机构CMM的研究工作是非常必要的。

    2  CMM的结构及工作原理

    图1所示为本文所研究的三自由度(3-DOF)并联机构CMM的结构示意图[4,5]。

    由图中可以看出,该CMM主要由上、下两个等边三角平台和三个中间连杆组成。每个连杆包括3个运动副,其中转动副与上三角平台的顶点相连,球面副则与下三角平台的顶点相连,中间的移动副可在杆长的约束范围之内做轴向伸缩运动,CMM的测头则安装在下三角平台的几何中心点位置。根据KutzbachGrubler公式[6]可计算出该运动机构的空间自由度为3,分别为沿Z向的1个移动自由度和2个独立的转动自由度。