国产柔性坐标测量机机械部分设计与调试

　　经过4 a研制出了6自由度柔性坐标测量机并形成产品投放到国内市场.主要介绍了其机械部分设计、制造与调试的思路和措施,选用高精度光栅传感器并精心调整光栅偏心,通过圆光栅读数误差试验,实现对光栅测角误差的修正,从而确保了该产品的测量精度.

　　0　引言

　　近十年来,国外的柔性关节坐标测量机陆续进入并完全占据了国内市场,主要是Cimcore、Faro和Romer 3家公司的产品.国内先后有若干科研院所从事该技术和产品的研究,并取得了很多科研成果,但真正形成产品制造能力的并不多见.本文通过4 a的研制,初步完成了技术的产业化进程,目前产品已小批量投放市场,仪器的精度指标已稳定地达到进口中高档产品的水准.

　　关节式柔性3坐标测量机具有结构灵活、便于携带、适应范围广等优点,但由于其结构本质上与串联机器人相似,具有天生的误差累积和放大效应,因而仪器的精度很难保证,本文从仪器关键部件设计、制造和装配以及仪器的误差修正和精度标定2个方面进行了研究,采用了多项自主技术保证了仪器的精度[1-3].

　　1　关节设计

　　如图1所示,柔性测量机的机械结构主要是由基座、立柱、2个测量臂、6个旋转关节、测头和平衡系统组成.其中旋转关节的设计和制造最为重要,关节回转精度将直接影响整台仪器的性能和精度指标.关节的设计、工艺和装配调试必须全面考虑和优化.其中主要包含内嵌轴和交叉轴的结构设计、滚动轴承选取、角度编码器选择和调试,以及装配中轴系预紧等问题.

　　6个旋转关节是由3对交叉十字关节组成的,每对交叉十字关节结构都是相同的,结构如图2所示.内嵌轴9和交叉轴5垂直配置, 2轴均采用2套精密滚动轴承支撑和定位,依据轴的受力特点、考虑到调整装配的方便,关节上选配的是进口P2级角接触球轴承,角接触球轴承不仅可以同时承受轴向和径向载荷,而且调整预紧方便,便于提高轴系刚性和回转精度.从图2上可以看出, 2轴上角接触球轴承的配置方式是不同的.内嵌轴上轴承承受的力作用于2轴承的中间,类似简直梁,因此轴承采用了面对面排列的方式(DF).图中S点是角接触球轴承实际载荷支撑点,可见采用这样的配置方式实际上相当于缩短了简直梁2个支点的位置,有利于提高该轴的刚性;交叉轴受力类似于悬臂梁,作用力在轴承外侧, 2套角接触球轴承采用背对背的排列方式(DB),实际上增大了2个实际支撑点之间的间距,有助于提高该轴的刚性.

　　所选精密角接触球轴承为最高精度等级P2,但事实上并非每套轴承都可以满足使用要求,而是通过专门的测试后从中选取更好性能参数的轴承.为此笔者专门研制了1台滚动轴承检测设备,如图3所示.该设备不仅能够测试轴承摩擦力矩的变化,分析轴承摩擦力矩产生以及影响变化的因素,还可以综合完成轴承刚度指标(预紧力与预紧量)、单个轴承回转精度(内圈端面跳动、径向跳动)等技术指标测量,提供转速、预紧力变化与滚动轴承摩擦力矩之间的函数关系和试验曲线,较全面地把握了滚动轴承的特性,这对于笔者在装配中精确调整轴承起了很大的作用.简而言之,测量机上所使用的12套精密轴承是从P2级精密轴承中优选出来的,与轴承相配的轴颈是根据轴承内圈实际尺寸配磨的,不具有互换性.