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淺析關(guān)節(jié)臂坐標測量機結(jié)構(gòu)及模型
發(fā)布時間：2021.07.28 閱讀量：2464
針對關(guān)節(jié)坐標測量機的研究幾乎都是建立在數(shù)學模型之上的。測量機的數(shù)學模型包括測量方程與測量誤差模型。由于關(guān)節(jié)坐標測量機與工業(yè)中的關(guān)節(jié)式機器人有一定的相似之處，測量機的測量方程就相當于機器人的運動學方程，其區(qū)別就在于測量機的測量方程不需要考慮測量機測頭的姿態(tài)。因此，對關(guān)節(jié)坐標測量機模型的研究就可借鑒工業(yè)機器人的建模方法。
本章首先介紹了關(guān)節(jié)臂測量機測量原理和組成，坐標測量機機械結(jié)構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上采用D-H方法建立了系統(tǒng)運動學模型即測量機的測量方程，這是研究測量機誤差模型、標定模型的基礎(chǔ)。下面跟著小編一起來了解下；
1. 關(guān)節(jié)臂測量機原理
測量機由三根剛體臂、三個活動關(guān)節(jié)和一個測頭組成。三根臂相互連接，其中一個為固定臂，它安于任意基座上支撐測量機所有部件，另外兩個活動臂可運動于空間任意位置，以適應(yīng)測量需要，其中一個為中間臂，一個為末端臂并在此尾端安裝測頭。第一根固定臂與第二根中間臂之間、第二根與第三根末端臂之間、第三根與接觸測頭之間均為關(guān)節(jié)式連接，可作空間回轉(zhuǎn)，而每個活動關(guān)節(jié)裝有相互垂直的回轉(zhuǎn)角傳感器，可測量各個臂和測頭在空間的位置。每個關(guān)節(jié)的回轉(zhuǎn)中心和相應(yīng)的活動臂構(gòu)成一個極坐標系統(tǒng)，回轉(zhuǎn)角即極角由圓分度傳感器測量，而活動臂兩端關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)中心距離為極坐標的極徑長度，可見該測量系統(tǒng)是由三個串連的極坐標系統(tǒng)組成，當測頭與被測件接觸時，測量系統(tǒng)可給出測頭在空間的三維位置信號，測頭與被測件在不同部位接觸時，根據(jù)所建立的測量數(shù)學模型，由計算機給出被測參數(shù)實際值。
2. 關(guān)節(jié)臂測量機組成
整個測量機主要由以下幾部分構(gòu)成:主機、電路、計算機、軟件及附件。
關(guān)節(jié)臂坐標測量機主機主體材料采用彈纖維，該材料具有重量輕、強度高、變形小的特點，主要起支撐作用；各關(guān)節(jié)是由精密制造的回轉(zhuǎn)軸系構(gòu)成，每個關(guān)節(jié)安裝有角度編碼器；數(shù)據(jù)采集電路固定在儀器底座空間部分，完成角度編碼器的信號采集并處理；數(shù)據(jù)處理模塊通過USB接口與上位機軟件進行通訊。采樣開關(guān)完成對信號的觸發(fā)。
3. 關(guān)節(jié)坐標測量機的機械結(jié)構(gòu)
關(guān)節(jié)部件在測量機的結(jié)構(gòu)中，主要負責連接相鄰兩桿件，提供兩桿件相對的高精度回轉(zhuǎn)運動，采用角度傳感器測量回轉(zhuǎn)角度。對關(guān)節(jié)部件設(shè)計的要求是：結(jié)構(gòu)緊湊，轉(zhuǎn)軸強度好、剛性好、變形小。各關(guān)節(jié)之間采用垂直連接；回轉(zhuǎn)部分的徑向跳動要小，同軸度要好。設(shè)計中要將關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)軸系與角度傳感器軸系合二為一。為了使測量機結(jié)構(gòu)緊湊，將用于連接的兩相鄰關(guān)節(jié)設(shè)計成一個整體，關(guān)節(jié)軸線互相垂直，并采用了雙軸承式交叉及內(nèi)嵌軸的設(shè)計方法，該方法借鑒了機床主軸的設(shè)計思想，能夠有效提高關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)的回轉(zhuǎn)精度。3-4給出了測量機關(guān)節(jié)內(nèi)部的具體設(shè)計結(jié)構(gòu)。其中交叉軸，可繞其軸線旋轉(zhuǎn)，采用了雙軸承結(jié)構(gòu)，減少了單一軸承結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的徑向跳動誤差及偏轉(zhuǎn)誤差，提高了回轉(zhuǎn)精度。內(nèi)嵌軸，也同樣采取了雙軸承結(jié)構(gòu)，將內(nèi)嵌軸安裝于交叉軸中，就形成了兩個軸線互相垂直的關(guān)節(jié)，且具有回轉(zhuǎn)精度高，結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)點。
4. 坐標測量機平衡桿結(jié)構(gòu)設(shè)計
關(guān)節(jié)坐標測量機的平衡裝置、該裝置由底部轉(zhuǎn)盤、支柱、可隨意停氣彈簧、支環(huán)等零件組合而成。轉(zhuǎn)盤可疊加在測量機基座上，通過轉(zhuǎn)盤的內(nèi)置軸承可以繞著測量機第一測量臂的軸線旋轉(zhuǎn)。又聯(lián)接頭和支柱的一端均固定在轉(zhuǎn)盤上，該聯(lián)接頭的另一端與氣彈簧的一端鉸鏈聯(lián)接，兩者間可以相互轉(zhuǎn)動，支柱的另一端與垂直桿鉸鏈聯(lián)接，兩者間也可以相互轉(zhuǎn)動，氣彈簧的另一端同樣也與垂直桿鉸鏈聯(lián)接，而夾套是用來固定支柱，并使得支柱可帶動轉(zhuǎn)盤及整個平衡裝置均隨著測量機的第一關(guān)節(jié)一同繞著第一測量臂的軸線旋轉(zhuǎn)。垂直桿的一端固定于支桿上，而另一端則固定于支環(huán)上，該支環(huán)可夾套于第二測量臂上。
測量機第二測量臂的重力作用在支環(huán)上，由于支環(huán)、支桿以及垂直桿聯(lián)接在一起，即相當于重力作用于垂直桿上端。而垂直桿作為一個整體，將力傳遞到氣彈簧與垂直桿的聯(lián)接處，該處是一個受力點，該點的支撐力由氣彈簧提供，即第二測量臂的自身重力由氣彈簧的力來抵消，而支柱與垂直桿的鉸鏈處為整個杠桿系統(tǒng)的支點，這樣就構(gòu)成一典型的力平衡系統(tǒng)。由于氣彈簧在其行程范圍內(nèi)可隨意停止，所以測量機的第二、第三測量臂就可保持自平衡狀態(tài)，這樣就可以無需借助過多的外力而手握測量機測頭在測量空間內(nèi)靈活輕便地進行取點或掃描測量。
5.坐標測量機建?；A(chǔ)
關(guān)節(jié)坐標測量機是一種空間開鏈連桿機構(gòu)，類似于工業(yè)中常見的開鏈機器人或機械手。表示機器人每個桿件在空間相對于絕對坐標系或相對于機器人基座的位置及方向的方程，稱為機器人的運動學方程，這也是關(guān)節(jié)坐標測量機數(shù)學建模的基礎(chǔ)。
關(guān)節(jié)坐標測量機可抽象為多個具有獨立運動桿件以旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)組成的機械系統(tǒng)，要在空間描述每個桿件的位置及方向，需要采用以下的直角坐標系：
1.絕對坐標系：參照工作現(xiàn)場地面的坐標系，它是測量機各桿件的公共參考坐標系。
2.基座坐標系：參照測量機基座的坐標系，是測量機各個活動桿件的公共參考坐標系。
3.桿件坐標系：參照測量機指定桿件的坐標系，是在每個活動桿件上固定的坐標系，隨桿件運動而運動，也稱為桿件剛體的體坐標系。每一號坐標系都以編號低一號的坐標系為相對參考系。
4.測量機測頭坐標系，它表示測量機測頭在指定坐標系中的位置和姿態(tài)，但不同于工業(yè)機器人的是，測量機測頭的姿態(tài)一般無需考慮。
通過以上的介紹相信您已對關(guān)節(jié)臂坐標測量機結(jié)構(gòu)及模型加深了了解以便更好的運用到工作使用中！
