关节臂式坐标测量机数据采集系统的研制

　　0　引言

　　关节臂式坐标测量机是一种新型的非正交式坐标测量机[1,2]。它以角度基准取代长度基准,将若干杆件和一个测头通过旋转关节串联连接,一端固定,另一端(测头)在空间自由运动,构成一个球形测量空间。与正交式坐标测量机相比,关节臂式坐标测量机具有结构简单、体积小、量程大、便于现场使用等优点,它主要应用于CAD/CAM中三维模型表面数字化和现场大型零部件尺寸检测等领域,具有宽广的应用前景。目前,我国还没有生产这种测量机,国外生产的测量机也存在精度低的问题,测量精度普遍在几十微米范围[3,4]。因此,深入进行关节臂式坐标测量机关键技术的研究,提高测量精度,已成为该领域的一个研究热点。

　　本文将集成化智能传感技术、现场总线技术和虚拟仪器技术应用于关节臂式坐标测量机数据采集系统的设计中,研制了基于PC和单片机的多参数数据采集系统。

　　1　总体设计

　　1.1　测量参数

　　图1所示为我们设计的六自由度关节臂式坐标测量机。它由基座、6个关节、2个臂,以及测头等部分组成。该测量系统具有空间六自由度,可以方便地实现复杂工件的测量。

　　关节臂式坐标测量机以各个关节的转角和作用臂长作为测量基准,通过坐标系变换实现坐标测量[1,2, 5]。因此,数据采集系统中首要测量的参数为各个关节的转角θi(i=1,2,…,6),作用臂长通过机械结构的标定来确定。

　　关节臂式坐标测量机多采用人工操作,并往往应用于车间现场。人体、环境温度变化以及测量机内部电子器件的发热都可能会引起臂或关节部位的热变形。若温度变化1℃时臂长相对变化为10-5,即1m长的臂变化10μm,由此引起的测量误差将是十分可观的。因此,除在关节臂坐标测量机的结构中选用膨胀系数小和导热好的材料以及采取必要的热隔离措施外,更重要的是对温度引起的变形误差给予修正[6,7]。这就需要了解在测量过程中测量机整体和局部的温度变化情况,进行多点温度测量。

　　关节臂式坐标测量机的臂身通常采用较长而直径较小的圆管,在自重以及操作力作用下很容易产生弯曲变形。臂的两端产生10″以上的截面转角是十分常见的,这是限制关节臂式坐标测量机精度的一个重要因素。除在结构设计中采用密度与弹性模量之比小的材料、采用薄壁管结构以减小弯曲变形外,还必须采取误差补偿的措施[8,9]。测量机各个臂的弯曲变形不仅与臂的结构参数有关,还与臂的伸展情况有关,薄壁管的壁厚误差对臂的弯曲变形有显著影响,很难用理论计算的方法精确确定臂的弯曲变形量。这就需要通过实验的方法,在各个臂上贴若干个应变片实测变形量,进行误差补偿。此外,通过轴向伸缩应变的测量,还可对理论温度变形补偿模型进行修正。