关节臂式坐标测量机的精度分析

　　1 引言

　　坐标测量机在现代工业制造中的作用越来越重要了。 目前，航空航天、机械电子、汽车、模具等行业已经普遍使用测量机作为测量检测设备。 传统的坐标测量机采用的是三轴互相垂直的笛卡尔系统，在国内于1978 年由 303 所首先生产出来， 目前技术上已经趋于成熟。 关节臂式的测量机比较少见，但是与传统的三坐标测量机相比，其应用前景很诱人。它的优点是结构轻巧、价格便宜、便于携带和测量、测量范围广、测量的适应性好等。 因此，在近几年的测量机市场上形成一个亮点。

　　关节臂式测量机在测量领域的使用是近些年才发展起来的崭新技术，目前只有国外几个少数厂家生产，国内尚无规模化生产，技术还不成熟。 其主要原因在于，影响精度的环节过于复杂，需要妥善解决好各个环节， 才能最后获取较高的精度。 虽然有很多大学和科研院所做过探索， 但大多没有形成实用的产品。

　　2 机械和硬件要求

　　下面以本所研制的关节臂式测量机为例， 探讨影响关节臂式测量机精度的因素。 关节臂的实际结构如图1 所示， 共有 5 个关节。 其中第 2，3，5 关节轴线垂直纸面，第 1，4 关节轴线为竖直方向，关节旋转方向如图所示。

　　2.1 机械结构

　　机械结构上为了保证关节臂具有最后的高精度， 应该保证关节臂具有很好的运动特性， 即良好的旋转性能和运动重复性。 应该着力减小关节转动的轴向窜动和径向偏摆。 采用密珠轴承或使用气浮轴承可以保证较高的运动精度。 同时，尽量减少加工的误差， 主要是相邻轴线间的垂直度或平行度误差。

　　运动重复性非常重要。 这主要取决于系统的刚度和轴承回转间隙。 建议采用高刚性重量比的材料，如碳纤维或高强度铝合金。 在精度方面，应该着重保证起初的几个关节的精度，因为随着关节臂的加长，前面的误差会进行线性放大。 另外，为了保证在测量时轻松方便， 要计随动随停的平衡装置，比如使用配重平衡或使用氮气弹簧;为了保证以后的参数测量，在设计的时候还应该考虑回转轴暴露出来方便测量; 为了分析单一关节的误差， 还要对前面关节设计可靠的锁紧装置等。

　　2.2 硬件

　　关节臂测量机可以采用圆光栅编码器、或容栅、磁栅等作为角度编码器。 编码器是关节臂测量机的角位置传感器， 是保证精度的重要环节。 采用高精度的编码器，刻线误差小、分辨率高，可以直接获得准确的角度位置。 对读数头信号的处理要保证无遗漏无重复， 在静止的情况下不出现计数漂移。 各个关节的编码器精度也是可以不同的， 应该在最初几级使用最高精度的编码器。 滑环是保证线路在关节转动的时候依然能够安全连接的重要部件。另外，采用多读数头也具有误差均化的作用， 例如可以采用两个读数头相对放置来减小单读数头由于安装偏心造成的读数误差。 角度的误差直接反映在最后的精度里面，所以应该尽量提高获取角度的精度。