CN101625238A - 柔性坐标测量机测量臂的自动调整平衡方法与平衡关节 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柔性坐标测量机测量臂的自动调整平衡方法与平衡关节。安装在上、下轴套内的旋转轴大端与上轴套螺纹连接，小端与轴承外套筒间的轴上安装两个轴承，旋转轴的小端面安装光栅盘和磁粉制动器，读数头安装板平行于光栅盘固定在轴承外套筒的端面上；上轴套的凸出空心圆柱内孔通过螺纹与第二回转关节固定连接，下轴套的凸出空心圆柱面通过螺纹与靠近测量机底座的第一回转关节固定连接。本发明根据轴上安装的传感器的角度读数推算出测量机的当前位姿，并与测量机摆动关节臂的自重计算出磁粉制动器所需要输出的平衡力矩大小，通过磁粉制动器励磁电流与力矩的基本线性关系计算磁粉制动器的励磁电流大小，从而得到所需的平衡力矩值。

Description

柔性坐标测量机测量臂的自动调整平衡方法与平衡关节

技术领域

本发明涉及一种柔性坐标测量机测量臂的自动调整平衡方法与平衡关节。

背景技术

柔性坐标测量机是一种依靠测量者驱动的非正交的坐标测量设备，由于其机械结构类似于机器人手臂，测量臂的自身重量使得测量者需要用手扶持着测量臂进行测量，一方面使得测量者操作不方便，降低了测量效率，另一方面测量臂的自身重量也会引起臂身的结构变形，影响了测量精度。因此柔性臂坐标测量机的重力平衡机构是必不可少的。

当前柔性坐标测量机中的重力平衡机构大多采用螺旋弹簧和空气弹簧力矩平衡这两种结构。由于柔性坐标测量机的坐标系统是非正交坐标系统，在测量时测量机所需的平衡力矩会随着测量位姿的变化而变化，变化幅度比较大。而上述这两种平衡机构的输出平衡力矩都是单方面增大或者减小，不能相对应着测量机所需的重力平衡力矩相对应着变化。并且，螺旋弹簧结构的平衡机构装卸与维修都比较困难，空气弹簧机构形式的平衡机构结构比较大，不仅增大了测量机的重量与体积而且还影响美观。

发明内容

本发明的目的是提供一种柔性坐标测量机的重力平衡方法与平衡关节，减小测量机由于自重产生的结构变形，减轻测量者的测量强度，装卸方便，输出力矩方便可调，可设定安全行程。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一、一种柔性坐标测量机测量臂的自动调整平衡方法：

内部设有磁粉制动器的平衡关节安装于测量机的靠近底座一端的摆动关节上，根据该摆动关节轴上安装的角度传感器的角度读数推算出测量机的当前位姿，根据测量机的位姿与测量机测量臂的自重计算出磁粉制动器所需要输出的平衡力矩大小，通过磁粉制动器励磁电流与力矩的基本线性关系计算磁粉制动器的励磁电流大小，从而得到所需的平衡力矩值，当安装磁粉制动器的转轴关节转角每转过1°，则通过计算后更新磁粉制动器的输出力矩值，以此获得连续平滑的输出力矩以平衡关节臂的重力。

所述的自动调整平衡方法，应用的柔性坐标测量机是一种非正交、六自由度、包含有三个摆动关节和三个回转关节，且每个关节上都安装有角度传感器的测量机。

二、一种柔性坐标测量机测量臂的自动调整平衡关节：

在内径相同的、同轴配合的上轴套与下轴套内，安装有阶梯形的空心旋转轴，阶梯形的空心旋转轴的大端轴与上轴套螺纹连接，小端轴与轴承外套筒间的小端轴上向外依次安装第一轴承、轴承隔板和第二轴承轴承并用螺母固定，阶梯形的空心旋转轴的小端面依次安装带有光栅盘的光栅盘安装板和带有磁粉制动器的磁粉制动器安装轴，通过螺钉固定在空心旋转轴的小端面上，读数头安装板平行于光栅盘以螺钉固定安装于轴承外套筒的端面上，轴承外套筒与下轴套螺纹连接；上轴套与下轴套的对称侧面分别有凸出的空心圆柱，上轴套的凸出空心圆柱内孔开内螺纹，下轴套的凸出空心圆柱面上开外螺纹，下轴套通过螺纹与靠近测量机底座的第一回转关节固定连接，上轴套通过螺纹与第二回转关节固定连接。

所述的磁粉制动器为自然冷却的空心轴式磁粉制动器。

本发明具有的有益效果是：

本发明利用测量臂旋转关节本身就安装的角度传感器，配合通用的自然冷却式磁粉制动器设计成的柔性坐标测量机的重力平衡机构结构简单，可方便拆卸、维修，并且可以根据测量机实际所需的平衡力矩输出与之相对应的平衡力矩，还可以在特定的位姿下设定安全行程阻止测量机旋转，在测量者的疏忽的情况下保护测量机的安全。装置安装固定之后亦可通过软件调节输出力矩；可以设置安全旋转行程以保护测量机。

附图说明

图1是摆动关节的磁粉制动器与角度传感器安装示意图。

图2是图1的左视图。

图3是本发明应用的柔性坐标测量机的安装示意图。

图4是柔性坐标测量机的平衡力矩示意图。

图5是测量臂自动调整平衡方法的具体流程图。

图中：1、上轴套，2、空心旋转轴，3、轴承，4、轴承内隔圈，5、轴承外隔圈，6、轴承，7、内螺母，8、外螺母，9、光栅盘安装板，10、光栅盘，11、轴承外套筒，12、读数头安装板，13、螺钉，14、读数头，15、螺钉，16、磁粉制动器安装轴，17、磁粉制动器，18、下轴套，19、螺钉，20、回转关节，21、摆动关节，22、回转关节，23、摆动关节，24、回转关节，25、摆动关节，26、计算机，27、螺钉，28、通线孔，29、通线孔。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1所示，在内径相同的、同轴配合的上轴套1与下轴套18内，安装有阶梯形的空心旋转轴2，阶梯形的空心旋转轴2的大端轴与上轴套1螺纹连接，小端轴与轴承外套筒11间的小端轴上向外依次安装第一轴承3、轴承内隔圈4、轴承外隔圈5和第二轴承轴承6并用内螺母7和外螺母8固定，阶梯形的空心旋转轴2的小端面依次安装带有光栅盘10的光栅盘安装板9和带有磁粉制动器17的磁粉制动器安装轴16，通过螺钉27固定在空心旋转轴2的小端面上，读数头安装板12平行于光栅盘10以螺钉13固定安装于轴承外套筒11的端面上，读数头14用螺钉15固定于读数头安装板12上，磁粉制动器17内孔与磁粉制动器安装轴16以键链接，磁粉制动器16壳体与下轴套18用螺钉19固定连接，轴承外套筒11与下轴套18螺纹连接；上轴套1与下轴套18的对称侧面分别有凸出的空心圆柱，上轴套1的凸出空心圆柱内孔开内螺纹，下轴套18的凸出空心圆柱面上开外螺纹，下轴套18通过螺纹与靠近测量机底座的第一回转关节20固定连接，上轴套1通过螺纹与第二回转关节22固定连接。

摆动关节21之后的其他关节的接线通过通线孔29，穿过阶梯空心轴2的空轴心，通过磁粉制动器安装轴16的下端开口再通过通线孔28通向回转关节20与计算机连接，磁粉制动器17与读数头14的接线直接通过通线孔28通向回转关节20与计算机连接。

所述的磁粉制动器17为自然冷却的空心轴式磁粉制动器。磁粉制动器通过控制器控制其励磁电流大小就可以输出一定的力矩。需要维修维护时直接断电卸下上轴套1和下轴套18，磁粉制动器就可以方便的拆卸下来进行维护，角度传感器也可进行调试。

图2为图1所示的摆动关节21的左视图，从图2可以看出摆动关节21的在摆动时是上轴套1相对着下轴套18旋转。

图3本发明实施所应用的柔性臂坐标测量机的实施例图，从图3可以看出柔性臂坐标测量机包含三个回转关节和三个摆动关节，从底座开始分别为回转关节20，摆动关节21，回转关节22，摆动关节23，回转关节24和摆动关节25，各个关节依次排列，通过线缆与计算机26连接通讯，计算机26含有角度传感器信号采集卡和磁粉制动器控制卡。3个摆动关节中摆动关节21的特殊之处在于其是发挥测量臂重力平衡的平衡关节，其中安装有能够产生力矩的磁粉制动器。

安装调试时，先把平衡关节安装于测量机上，测量机的其他关节也安装完毕，将测量机的角度传感器信号线、按钮控制线和磁粉制动器控制线与计算机连接好，在计算机控制软件上输入如图4所示的测量臂重量G，力臂L和平衡系数ξ、安全行程范围，测量机上电之后，手动控制测量机使其角度传感器回零，角度传感器回零之后磁粉制动器的就上电工作输出平衡力矩起到了平衡作用。

图4所示为测量臂的力矩情况。如图所示测量臂的重力对于摆动关节的摆动旋转中心产生力矩，其力矩的计算方法如下：首先在UG软件(本发明采用UG NX 4.0)里将柔性测量机的具体结构按照实际比例建立模型，选定测量臂每个零件的实际材料及其密度，通过UG当中的质量属性分析获得需要重力平衡部分的质心(x₀，y₀，z₀)及其质量m₀。根据作图时的摆动关节21的回转中心坐标(x_I，y_I，z_I)和质心(x₀，y₀，z₀)计算出图4所示的力臂L为：

$L=\sqrt{{(x_I-x_0)}^2+{(y_I-y_0)}^2+{(z_I-z_0)}^2}---\left(1\right)$

由其质量m₀得图4所示的重力G为：

G＝m₀·g    (2)

则测量臂产生的力矩M₀为：

M₀＝G·L·cosθ(3)

由于测量机需要靠人工手动操作，所以测量臂产生的力矩不能被完全平衡掉，否则测量机测量臂将无法正常运动，所以要设定一定的平衡系数让测量机的测量臂轻松的运动，则磁粉制动器的输出力矩M为：

M＝ξ·M₀＝ξ·G·L·cosθ (4)

其中ξ为平衡系数，一般取0.5～0.9，平衡系数的选定方法为：首先，安装平衡装置及其部件，然后先设定ξ＝0.7，运动测量臂试验效果。如果测量时力矩平衡不够则加大平衡系数ξ重新试验；如果平衡力矩太大影响了测量移动则减小ξ重新试验；直至调试到最佳效果。

设置安全行程的方法：当摆动关节21的转角θ为

时，将磁粉制动器的输出力矩M设置为：

M＝2·G·L    (5)

图5所示为柔性臂坐标测量机测量臂自动调整平衡方法的具体流程图。经过上述的计算和实验，得到的测量臂重量G，力臂L和平衡系数ξ，结合摆动关节21的转角θ得到磁粉制动器的输出力矩M＝ξ·M₀＝ξ·G·L·cosθ，磁粉制动器的控制器控制输出力矩。测量机在测量时测量臂一直在运动，则摆动关节21的转角θ也不停的变化，则判断当θ变化1°，并且其位姿处于安全行程范围中时磁粉制动器控制输出磁粉制动器的输出力矩M＝ξ·M₀＝ξ·G·L·cosθ，则平衡力矩可以随着摆动关节θ而相应的变化，1°间隔的离散输出在人工操作时基本不会被感觉出来，实现了连续光滑的力矩平衡。当测量机由于误操作或者其他外力作用测量臂从测量者手中脱落时测量臂处于了安全范围之外时，磁粉制动器输出力矩M＝2·G·L，可以缓冲测量臂的机械碰撞，防止零部件的损坏。

Claims (4)

1、一种柔性坐标测量机测量臂的自动调整平衡方法，其特征在于：内部设有磁粉制动器的平衡关节安装于测量机的靠近底座一端的摆动关节上，根据该摆动关节轴上安装的角度传感器的角度读数推算出测量机的当前位姿，根据测量机的位姿与测量机测量臂的自重计算出磁粉制动器所需要输出的平衡力矩大小，通过磁粉制动器励磁电流与力矩的基本线性关系计算磁粉制动器的励磁电流大小，从而得到所需的平衡力矩值，当安装磁粉制动器的转轴关节转角每转过1°，则通过计算后更新磁粉制动器的输出力矩值，以此获得连续平滑的输出力矩以平衡关节臂的重力。

2.根据权利要求1所述的一种柔性坐标测量机测量臂的自动调整平衡方法，其特征在于：所述的自动调整平衡方法，应用的柔性坐标测量机是一种非正交、六自由度、包含有三个摆动关节和三个回转关节，且每个关节上都安装有角度传感器的测量机。

3.实施权利要求1所述的一种柔性坐标测量机测量臂的自动调整平衡方法的平衡关节，其特征在于：在内径相同的、同轴配合的上轴套(1)与下轴套(18)内，安装有阶梯形的空心旋转轴(2)，阶梯形的空心旋转轴(2)的大端轴与上轴套(1)螺纹连接，小端轴与轴承外套筒(11)间的小端轴上向外依次安装第一轴承(3)、轴承隔圈和第二轴承轴承(6)并用螺母固定，阶梯形的空心旋转轴(2)的小端面依次安装带有光栅盘(10)的光栅盘安装板(9)和带有磁粉制动器(17)的磁粉制动器安装轴(16)，通过螺钉(27)固定在空心旋转轴(2)的小端面上，读数头安装板(12)平行于光栅盘以螺钉固定安装于轴承外套筒(11)的端面上，轴承外套筒(11)与下轴套(18)螺纹连接；上轴套(1)与下轴套(18)的对称侧面分别有凸出的空心圆柱，上轴套(1)的凸出空心圆柱内孔开内螺纹，下轴套(18)的凸出空心圆柱面上开外螺纹，下轴套(18)通过螺纹与靠近测量机底座的第一回转关节(20)固定连接，上轴套(1)通过螺纹与第二回转关节(22)固定连接。

4.根据权利要求3所述的一种柔性坐标测量机测量臂的自动调整平衡方法的平衡关节，其特征在于：所述的磁粉制动器(17)为自然冷却的空心轴式磁粉制动器。

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