并联六坐标测量机及其结构

　　1　并联坐标测量机与直角坐标测量机

　　坐标测量机是机械工业中通用的大型精密测量设备,是工业检测、质量控制和机械制造中必备的智能化仪器,其技术水平是国家现代测量技术和制造技术水平的重要标志,研究其理论和技术一直是国内外学术界和工业界关注的热点[1]。

　　从机构学角度分析,空间运动机构分为串联运动机构和并联运动机构,相应地可将由空间运动机构所组成的坐标测量机分为串联坐标测量机和并联坐标测量机,直角坐标测量机是串联坐标测量机的特例。从仿生学角度分析,串联坐标测量机是对人体运动的模拟,并联坐标测量机是对多足生物运动的模拟,后者在近几年引起国内外学者的关注。

　　坐标测量机问世以来,人们在直角坐标测量方面作了大量研究工作,其设计、制造、标定、检验、误差补偿、自动化、智能化和系统集成等均达到了很高水平[2],成为坐标测量机市场的主流产品。由于其测量精度和测量速度已接近理论极限,若想进一步提高十分困难。直角坐标测量机结构简单、测量空间较大、易于求解和标定、可实现由温度引起的误差补偿计算。但直角坐标测量机从机座经过X轴、Y轴和Z轴,到测头是串联的多层结构,从机构学原理分析,直角坐标测量机存在下列不足:

　　(1)为从空间某一点移动到另一点,直角坐标测量机要由三层分离的机构叠加来实现,层与层之间是通过滑动导轨或滚动导轨相互连接。由于叠加原理降低了系统的刚性,其横梁部件很容易受到弯曲力的影响,导致移动过程中的变形和不稳定,产生动态误差。

　　(2)每层不可避免地存在较重的质量,如滚动桥和立柱等,为了减小移动过程中系统的惯性力变形,限制了坐标驱动速度的提高,因而影响测量的效率。

　　(3)由于三层串联机构,测量头上测量接触点的误差是三层导轨误差及其相互垂直度误差的累积,限制了测量精度的进一步提高。

　　(4)测头向空间任一点移动是通过三根相互垂直的导轨平动实现的,受此约束,测头的空间位置和姿态不灵活,限制了对空间任意曲面的测量。解决这一问题就必须增加相应轴的转台,使系统结构复杂、成本增加。

　　由于这些不足制约了直角坐标测量机向更高水平发展,限制了其在特殊、复杂零件测量中的应用。国防军工企业中,存在着许多复杂形面的零部件,如火箭发动机叶轮轮廓的测量,由于运动干涉,直角坐标测量机的测头无法接触到全部要求测量的点。为从原理上解决直角坐标测量存在的问题,必须寻求新的测量原理,建立新的坐标测量概念。

　　1994年在美国芝加哥国际机床博览会上,美国In-gersoll和Giggings&Lewis公司推出的并联式VARIAX加工中心,不仅引起机床业的广泛关注,而且为坐标测量机的发展展示了良好的前景。近年以并联机构学为理论依据的技术被各国学者认为是21世纪极具发展前景的先进技术。与传统的直角坐标测量机相比,并联式坐标测量机的主要优点如下: