CN101769731A - 基于磁流变液的柔性坐标测量机重力平衡装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于磁流变液的柔性坐标测量机重力平衡装置与方法。磁流变液变阻尼离合机构的外壳与磁流变液变阻尼离合机构的外壳安装轴连接，内壳与下轴套的端面固定连接；外圆柱面装有电磁铁的永磁铁与阻尼盘安装在内壳中，根据测量机的位姿动态计算并改变电磁线圈输出电流以改变输出电磁场大小，铁与永磁铁组合使用，动态改变阻尼力矩，实现操作位姿的自适应动态调节平衡力矩，使本机构工作可靠，节约能源，通过对磁流变液变阻尼离合机构中阻尼盘的摩擦面的齿状设计，提高了磁流变液与阻尼盘之间的摩擦力，有效地防止了打滑，该机构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，结构简单、美观。

Description

基于磁流变液的柔性坐标测量机重力平衡装置与方法

技术领域

本发明涉及应用于柔性坐标测量机技术领域的装置，具体的说是涉及一种基于磁流变液的柔性坐标测量机重力平衡装置与方法。

背景技术

柔性坐标测量机是一种依靠测量者用手扶持着测量臂进行测量的非正交的坐标测量设备，其机械结构类似于机器人手臂，测量臂的自身重量一方面增加测量者操作负荷，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。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。本发明利用测量臂旋转关节本身就安装的角度传感器，配合磁流变液变阻尼离合机构设计成的柔性坐标测量机的重力平衡机构。本机构结构简单，可拆卸。

传统的磁流变液机构往往只采用电磁铁产生磁场，这样耗费大量的电能。本发明采用永磁铁和电磁铁的组合提供产生可变磁场，阻尼力主要由永磁铁的磁场产生，电磁铁起抵消部分永磁铁磁场、调节阻尼力大小的作用。这样大大减少的电能的消耗。在阻尼盘的设计中，本发明设计了一种新型的阻尼盘，盘上加工成齿状，增加了阻尼盘与磁流变液的摩擦力，防止了打滑，使磁流变液变阻尼离合机构工作更加可靠。

在坐标测量机重力矩的计算上，尚未有一种系统的方法，本发明根据运动学建模原理，提出一了种计算柔性臂任意位置的总重力矩的方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于磁流变液的柔性坐标测量机重力平衡装置与方法，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。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一、一种基于磁流变液的柔性坐标测量机重力平衡装置：

本发明的磁流变液变阻尼离合机构安装在测量机第一摆动关节中，第一摆动关节的上轴套与第二回转关节的臂身相连接，第一摆动关节的下轴套与第一回转关节相连接；上轴套与空心旋转轴的一端通过螺纹连接，空心旋转轴的另一端通过光栅盘安装板安装光栅盘，空心旋转轴中部与轴承外套筒之间装有轴承，轴承外套筒端面与读数头安装板通过螺钉连接，读数头安装于读数头安装板之上，下轴套与轴承外套筒通过螺纹连接，光栅盘相对固定于上轴套，读数头相对固定于下轴套，磁流变液变阻尼离合机构的外壳安装轴与光栅盘安装板通过螺钉和空心旋转轴的另一端固定连接，磁流变液变阻尼离合机构的外壳与磁流变液变阻尼离合机构的外壳安装轴通过键连接，磁流变液变阻尼离合机构的内壳通过螺钉与下轴套的端面固定连接；外圆柱面装有电磁铁的永磁铁与阻尼盘安装在磁流变液变阻尼离合机构的内壳中，阻尼盘靠近磁流变液变阻尼离合机构的外壳内侧面；在磁流变液变阻尼离合机构的外壳与磁流变液变阻尼离合机构的内壳之间间隙充满磁流变液。

所述的磁流变液变阻尼离合机构内壳外圆柱面、磁流变液变阻尼离合机构外壳内圆柱面和内侧面及阻尼盘靠近磁流变液变阻尼离合机构外壳16内侧面的端面为齿状。

二、一种基于磁流变液的柔性坐标测量机重力平衡方法：

根据三个摆动关节和三个回转关节的角度传感器的角度计算出装在位于靠近底座第一摆动关节中磁流变液变阻尼离合机构所需要输出的平衡力矩大小，当第一摆动关节中由读数头和光栅盘组成的角度传感器测得角度减小时，通过磁流变液变阻尼离合机构电磁铁与永磁铁的组合磁场与阻尼力矩的基本线性关系及电磁铁中的电流与磁场之间的关系得到输入第一摆动关节中磁流变液变阻尼离合机构的电磁铁线圈中电流大小，使阻尼力矩与重力矩平衡；当第一摆动关节角度传感器测得角度增大时，电磁铁的磁场与永磁铁的磁场完全抵消，阻尼力矩最小，计算得到输入电磁铁中电流大小，磁流变液变阻尼离合机构输入电流大小由计算机软件控制。

本发明具有的有益效果是：

根据测量机的位姿动态计算并改变电磁线圈输出电流以改变输出电磁场大小，电磁铁与永磁铁组合使用，可以动态改变阻尼力矩，实现操作位姿的自适应动态调节平衡力矩。在该机构中，阻尼力矩大部分由永磁体磁场产生，使本机构工作可靠，节约能源。根据测量机实际位置情况进行调节磁流变液变阻尼离合机构的输出力矩，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，构结构简单、美观。

附图说明

图1是第一摆动关节中的磁流变液变阻尼离合机构与角度传感器安装示意图。

图2是本发明应用的柔性坐标测量机的实施例图。

图中：1、上轴套，2、空心旋转轴，3、轴承，4、外螺母，5、内螺母，6、光栅盘，7、光栅盘安装板，8、读数头，9、密封圈，10、电磁铁，11、密封圈，12、永磁铁，13、下轴套，14、磁流变液变阻尼离合机构内壳，15、磁流变液变阻尼离合机构内壳安装轴，16、磁流变液变阻尼离合机构外壳，17、螺钉，18阻尼盘，19、读数头安装盘，20、轴承外套筒，21、回转关节I，22、摆动关节，23、回转关节，24、摆动关节，25、回转关节，26摆动关节，27、计算机。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1、图2所示，磁流变液变阻尼离合机构安装在测量机第一摆动关节22中，第一摆动关节22的上轴套1与第二回转关节23的臂身相连接，第一摆动关节22的下轴套13与第一回转关节21相连接；上轴套1与空心旋转轴2的一端通过螺纹连接，空心旋转轴2的另一端通过光栅盘安装板7安装光栅盘6，空心旋转轴2中部与轴承外套筒20之间装有轴承3，轴承外套筒20端面与读数头安装板19通过螺钉连接，读数头8安装于读数头安装板19之上，下轴套13与轴承外套筒20通过螺纹连接，光栅盘6相对固定于上轴套1，读数头8相对固定于下轴套13，磁流变液变阻尼离合机构的外壳安装轴15与光栅盘安装板19通过螺钉和空心旋转轴2的另一端固定连接，磁流变液变阻尼离合机构的外壳16与磁流变液变阻尼离合机构的外壳安装轴15通过键连接，磁流变液变阻尼离合机构的内壳14通过螺钉与下轴套13的端面固定连接；外圆柱面装有电磁铁10的永磁铁12与阻尼盘18安装在磁流变液变阻尼离合机构的内壳14中，阻尼盘18靠近磁流变液变阻尼离合机构的外壳16内侧面；在磁流变液变阻尼离合机构的外壳16与磁流变液变阻尼离合机构的内壳14之间间隙充满磁流变液。

所述的磁流变液变阻尼离合机构内壳14外圆柱面、磁流变液变阻尼离合机构外壳16内圆柱面和内侧面及阻尼盘18靠近磁流变液变阻尼离合机构外壳16内侧面的端面为齿状。齿状可以为平行的齿，亦可以是以以圆盘中心为中心的辐射状齿。角度传感器的读数头8和磁流变液变阻尼离合机构的电磁铁12分别与计算机有电缆连接。计算机27中包括有数据采集卡、电磁铁运动的控制卡。

根据三个摆动关节和三个回转关节的角度传感器的角度计算出装在第一摆动关节22中磁流变液变阻尼离合机构所需要输出的平衡力矩大小。平衡力矩的求解方法如下：柔性臂的测量结果运动学模型为：

1)建立关节臂式坐标测量机坐标系统。第一步是确定基准坐标系(即参考坐标系){x₀y₀z₀}，然后依次建立其余六个关节坐标系。基准坐标系固定在基座上，原点位于第一转动关节21的轴线上，Z轴指向第一转动关节21，X轴向右，Y轴根据右手法则确定，其余6个关节坐标系的建立步骤如下(i＝1～6)：

(1)确定z_i轴，z_i轴沿关节i+1的轴向。

(2)确定原点o_i，o_i在过z_i-1与z_i轴的公垂线上。

(3)确定x_i轴，x_i轴沿着z_i和z_i-1轴的公垂线，指向离开z_i-1轴的方向。

(4)确定y_i轴，根据右手法则确定。

经过以上步骤建立起来的测量机坐标系统。

2)测量头坐标o₆在基准坐标系{x₀y₀z₀}的坐标可表示为：

$O_6=\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ z\\ 1\end{array}\right]=T_{\mathrm{0,1}}\×T_{\mathrm{1,2}}\×T_{\mathrm{2,3}}\×T_{\mathrm{3,4}}\×T_{\mathrm{4,5}}\×T_{\mathrm{5,6}}\×\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ l\\ 1\end{array}\right].$

其中参数

${\mathrm{\τ}}_{i-1,i}=$

$\left[\begin{array}{cccc}\cos {\mathrm{\θ}}_i& -\sin {\mathrm{\θ}}_i\cos {\mathrm{\α}}_i& \sin {\mathrm{\θ}}_i\sin {\mathrm{\α}}_i& a_i\cos {\mathrm{\θ}}_i\\ \sin {\mathrm{\θ}}_i& \cos {\mathrm{\θ}}_i\cos {\mathrm{\α}}_i& -\cos {\mathrm{\θ}}_i\sin {\mathrm{\α}}_i& a_i\sin {\mathrm{\θ}}_i\\ 0& \sin {\mathrm{\α}}_i& \cos {\mathrm{\α}}_i& d_i\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right].$

的定义如下：

d_i为杆长；a_i为关节长度；α_i为关节扭转角；θ_i为关节转角；l为测头长度。第一回转关节21、第一摆动关节22、第二回转关节23、第二摆动关节24、第三回转关节25、第三摆动关节26对应i＝1，2，3，4，5，6。

通过此原理可求出柔性坐标测量机各个部分相对第一摆动关节中空心旋转轴2轴心线的重力矩。其方法为，首先在UG软件分析柔性测量机按照实际比例建立的模型，选定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关节i质心距离连接上一关节端点的长度为l_i，其质量为m_i。则质心在坐标系{x₁y₁z₁}的坐标为：

$p_2=\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ z\\ 1\end{array}\right]={\mathrm{\τ}}_{\mathrm{1,2}}\×\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ l_2\\ 1\end{array}\right].$ $p_3=\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ z\\ 1\end{array}\right]=T_{\mathrm{1,2}}\×{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{2,3}}\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ l_3\\ 1\end{array}\right].$

$p_4=\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ z\\ 1\end{array}\right]=T_{\mathrm{1,2}}\×T_{\mathrm{1,3}}\×{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{3,4}}\×\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ l_4\\ 1\end{array}\right].$ $p_5=\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ z\\ 1\end{array}\right]={T_{\mathrm{1,2}}\×T_{\mathrm{2,3}}\×T_{\mathrm{3,4}}\×\mathrm{\τ}}_{4,5}\×\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ l_5\\ 1\end{array}\right].$

$p_6=\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ z\\ 1\end{array}\right]={T_{\mathrm{1,2}}\×T_{\mathrm{2,3}}\×T_{\mathrm{3,4}}\×T_{\mathrm{4,5}}\×}_{5,6}\×\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ l_6\\ 1\end{array}\right].$

则所需平衡力矩

可通过磁流变液磁场与阻尼力的线性对应关系、输入电流与磁场的关系，通过计算机控制使得第一摆动关节中角度传感器测得角度减小时，阻尼力矩与测量机的重力矩绝对值相等；当第一摆动关节22角度传感器测得角度增大时，电磁铁10的磁场与永磁铁12的磁场完全抵消，阻尼力矩最小，得到输入电磁铁10中电流大小。磁流变液变阻尼离合机构输入电流大小由计算机软件控制。

Claims (3)

1.一种基于磁流变液的柔性坐标测量机重力平衡装置，其特征在于：磁流变液变阻尼离合机构安装在测量机第一摆动关节(22)中，第一摆动关节(22)的上轴套(1)与第二回转关节(23)的臂身相连接，第一摆动关节(22)的下轴套(13)与第一回转关节(21)相连接；上轴套(1)与空心旋转轴(2)的一端通过螺纹连接，空心旋转轴(2)的另一端通过光栅盘安装板(7)安装光栅盘(6)，空心旋转轴(2)中部与轴承外套筒(20)之间装有轴承(3)，轴承外套筒(20)端面与读数头安装板(19)通过螺钉连接，读数头(8)安装于读数头安装板(19)之上，下轴套(13)与轴承外套筒(20)通过螺纹连接，光栅盘(6)相对固定于上轴套(1)，读数头(8)相对固定于下轴套(13)，磁流变液变阻尼离合机构的外壳安装轴(15)与光栅盘安装板(19)通过螺钉和空心旋转轴(2)的另一端固定连接，磁流变液变阻尼离合机构的外壳(16)与磁流变液变阻尼离合机构的外壳安装轴(15)通过键连接，磁流变液变阻尼离合机构的内壳(14)通过螺钉与下轴套(13)的端面固定连接；外圆柱面装有电磁铁(10)的永磁铁(12)与阻尼盘(18)安装在磁流变液变阻尼离合机构的内壳(14)中，阻尼盘(18)靠近磁流变液变阻尼离合机构的外壳(16)内侧面；在磁流变液变阻尼离合机构的外壳(16)与磁流变液变阻尼离合机构的内壳(14)之间间隙充满磁流变液。

2.根据权利要求1所述的一种基于磁流变液的柔性坐标测量机重力平衡装置，其特征在于：所述的磁流变液变阻尼离合机构内壳(14)外圆柱面、磁流变液变阻尼离合机构外壳(16)内圆柱面和内侧面及阻尼盘(18)靠近磁流变液变阻尼离合机构外壳(16)内侧面的端面为齿状。

3.按权利要求1所述装置的一种柔性坐标测量机的重力平衡机构实现方法，其特征在于：根据三个摆动关节和三个回转关节的角度传感器的角度计算出装在位于靠近底座第一摆动关节(22)中磁流变液变阻尼离合机构所需要输出的平衡力矩大小，当第一摆动关节(22)中由读数头(8)和光栅盘(6)组成的角度传感器测得角度减小时，通过磁流变液变阻尼离合机构电磁铁(10)与永磁铁(12)的组合磁场与阻尼力矩的基本线性关系及电磁铁(10)中的电流与磁场之间的关系得到输入第一摆动关节(22)中磁流变液变阻尼离合机构的电磁铁(10)线圈中电流大小，使阻尼力矩与重力矩平衡；当第一摆动关节(22)角度传感器测得角度增大时，电磁铁(10)的磁场与永磁铁(12)的磁场完全抵消，阻尼力矩最小，计算得到输入电磁铁(10)中电流大小，磁流变液变阻尼离合机构输入电流大小由计算机软件控制。

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