一种新型三坐标测量机构模型的研究

　　大部分三坐标测量机有3个相互正交的直线移动导轨[1],这类测量机有40余年历史[2],在设计、制造、标定、检验、误差补偿方面均达到了很高的水平。但其主体结构有如下不足:①横梁受力影响后,容易倾斜,产生误差;②为保证刚度,结构件笨重,测量速度慢,限制了它在现场的使用。

　　近期出现的关节式坐标测量机[3],具有较大的测量空间,且操作方便,在汽车行业得到了广泛应用。它的测量机构有2个臂杆和5个旋转关节,依靠关节转角传感器进行测量。由于传感器及其装配误差和杆长的放大作用,在测点处会积累产生较大的测量误差,尽管采取了有效措施,其检测精度仍然相对较低[4]。

　　近年来,并联机构坐标测量机已有多人研究[5,6],其特征是可动平台同时由3～6根沿各自轴向伸缩的连杆支撑和调整,具有如下优点:①系统刚度高;②运动误差小;③各杆件误差不被放大,精度高;④运动部件质量小,运动速度快。然而其工作空间小,位置正解一般无解析解,在线计算很费时,四杆以上机构的实施难度较大。

　　本文提出了一种实用型三坐标测量机的非正交结构方案,建立了测量模型,给出了测点的解析式、测量空间及其数字算例,简要分析了测量误差,给出了采用关节式测头的完整测量模型。

　　1　新型坐标测量机构方案

　　新型三坐标测量机结构方案见图1,由3根长度可测量的伸缩杆、4个球关节和1个十字铰组成。主测杆Z的外壳通过中心为W点的十字铰吊挂,

　　其下端装有测头,可以摆动,但不能自转,2根辅测杆X和Y近似横向、纵向布置,一端通过中心为U、V的球铰与机架铰接,另一端分别通过中心为A、B点的球铰与主测杆杆芯铰接。A、B位置错开,可采用普通球铰,降低制造难度。

　　在测量时,A、B点的空间位置将随着测头的移动而发生变化,线段BW、AU、BV即3个测量杆的长度d、e、f发生变化,测出d、e、f的数值。再根据U、V、W3个固定铰心的空间位置,计算机可在线确定测点C的坐标,构成可以测量工件的上表面及其边界的简易坐标测量机。如果主测杆的末端固定如图2所示的2个旋转角度可测量的关节式测头时,将形成测量灵活性更大、效率更高的五自由度坐标测量机。

　　如果采用手工测量,伸缩杆无需驱动,结构简单,辅测杆甚至可简化成拉线式位移传感器,可以采用常规接触式测头。如需自动和扫描测量,最好采用非接触式位移传感器测头,安装在关节式测头架上,相应增加步进电机进行旋转驱动,至于伸缩杆可以是电动、液压或其它方式,如安装了光栅的液压活塞杆。

　　2　测量模型的建立