CN104656675A - 一种高速5轴联动并联三坐标测量机 - Google Patents

一种高速5轴联动并联三坐标测量机 Download PDF

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赵磊
赵新华
王收军
李彬
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Abstract

一种高速5轴联动并联三坐标测量机，包括动三角平台、静三角平台、结构相同的3条支链和一个二轴高精度测头如PH10T/M、REVO；每条支链均包括一个驱动器、3个R转动副、一个U副，各支链运动副自静平台到动平台排列顺序依次为R-R-R-U,驱动器与靠近静平台的第一个R副构成驱动角，相邻运动副间由一个刚性杆件连接，三条支链空间均匀分布，相邻支链成120度，每条支链上下与动、静三角平台顶点连接；二轴测头定位于动平台下方几何中心位置，静平台固定于支撑架上，构成5轴联动的并联坐标测量机。本发明可实现三维空间高精度测量，整体结构紧凑且具有较大的测量范围，可广泛应用于航空航天、船舶制造等高精密军工制造领域。

Description

一种高速 5 轴联动并联三坐标测量机
技术领域
本发明属于高精密测量技术领域，是将先进并联机器人和测控技术进行有机的结合而衍生出来的一种高速、高精度测量装置，可以用于航空航天工程、船舶工程等高精度工件加工误差判定的新型三坐标测量机。
背景技术
近年来，航空航天技术、船舶制造技术和测量技术的发展，精度成为工业和军工领域的关注焦点。航天飞行器件、航母传动系统中的轴承、大推力发动机叶盘等关键部件的检测，都离不开先进的测量装置。现阶段，国外高精密测量仪器在硬件和软件技术的垄断致使国内企业或科研单位以高价进行购买，且设备的兼容性和开放性极差。这对研制一种造价成本低、高速、高精度且具有自主知识产权和良好开放性的微米级三坐标测量机提出了迫切要求。
与正交和臂式三坐标测量机相比，并联测量机具有高刚性、高速度、误差不叠加、高承重比和惯性小等特性，克服了正交三坐标测量系统体积大、便携性差、价格昂贵等弊端，弥补了串联式三坐标测量机误差累加、测量效率和精度低的不足。目前，仅英国Renishaw推出了一款6杆结构的比对仪，测量效率比臂式测量机高；然而，由于其并联机构并非平动，故动平台姿态误差对精度影响很大，测量范围较小，弊端较明显，但与正交测量机相比，性价比高很多，造价低。由此可见，并联三坐标测量机在测量精度、测量效率和测量灵活性方面比现有的正交和串联测量系统都具有更大的开发潜力。从结构分析，并联测量机存在多条支链，机械结构具有先天的高刚度性能。1962年，Gough同 Whitehall成功设计第一台并联机构万能轮胎测试机，但由于当时的技术及应用条件的限制，该设计思想并未引起人们广泛的关注；1996年，日本静冈大学的大岩孝彰等人在日本政府高度自动化技术振兴团的资助下，开始进行并联运动机构坐标测量机的研究工作；同年，日本东京大学的高增和平木雅彦，美国Florida Atlantic大学的庄汉歧和王英立等人也在开展这方面的研究工作。中科院沈阳自动化所、江苏大学、燕山大学、哈尔滨工业大学、清华大学、天津大学、上海交通大学、东北大学和天津理工大学等先后开展了新型三坐标测量机原型的研究；江苏大学的马履中教授对3RRC型的虚拟轴三维坐标测量机并联机构进行了运动分析；西安交通大学的周祥文提出了一种新型三坐标测量机的非正交结构方案并建立了测量模型，给出了测点的解析式、测量空间，简要分析了测量误差；哈尔滨工业大学自动化测试与控制系 CAT / CAQ 研究室在车仁生教授的倡导下于1997年开始进行这方面的研究工作；由于并联机构的复杂程度和耦合性高，联动控制难和如何保证高控制精度成为关键问题。然而，并联测量机除了上述技术难题，还涉及另外一个重要指标：测量精度，且整体结构是由并联和串联机构的一个高度融合。因此，设计一种高速、高精度、大测量范围的并联测量机，已成为关注焦点。到目前为止，国际上也只有少数学者曾对并联坐标测量机的测量建模问题进行过讨论，例如，日本静冈大学的Takaaki Oiwa，美国亚特兰大大学的Hanqi Zhuang等。并联三坐标测量机之所以受到社会广泛关注并吸引了众多学者从各个角度进行研究，一个重要因素是它具有明显的市场潜力和良好的发展趋势，主要表现在结构设计标准化、驱动技术实用化和控制软件模块化，具有高精度、高刚性、高负载等明显特性，逐渐成为精密测量领域的研究热点。在申请号为CN201310408382、CN01108297的专利中公开了“一种并联坐标测量机控制器”、 “用于虚拟轴数控机床、虚拟轴并联坐标测量机及并联机器人的三维平动并联机构”。市场上仅有英国Reinishaw公司推出了一款Equator™ 6杆并联机构的比对仪，其测头为一维测头。并联测量机的研究存在的主要难题是结构耦合程度高、操作自由度少、软件程序研发难和运动学问题复杂等。
发明内容
本发明目的是提供一种新型大范围测量机即由三自由度并联平动机构和二轴串联高精度测头构成。解决了测量空间小、串并联机构联动控制难、避免了动平台转动误差对控制精度和测量精度的影响，满足现有国内工业和军工领域的需求，克服现有技术的不足，为后续原理样机的研发奠定基础。
本发明的技术方案为：
一种新型高速5轴联动并联三坐标测量机，包括静三角平台(1) 和动三角平台（5），安装在两个平台之间的结构相同且均匀布置的三条支链，即第一条支链(2)、第二支链(3)和第三支链(4)，以及安装在动三角平台(5)下方的二轴测头机构；静三角平台（1）固定于支撑架(6)上构成3自由度平动并联机构；
三条支链结构相同，各支链均包含一个驱动器(16)、二个刚性连杆(8)和(11)、三个转动副R即(7)、(9)、(10)和一个U副(12)，驱动器(16) 安装在静三角平台(1)上并与第一个转动副(7)组成驱动角，第一个转动副(7)和第二个转动副（9）之间由第一刚性连杆(8)连接，第二个转动副（9）和第三个转动副（10）相互连接，第三个转动副 (10)和U副(12)之间由第二刚性连杆(11)连接，U副(12)与动三角平台(5)连接，二轴测头机构由第一转动轴（13）、第二转动轴(14)和测杆(15)构成并固定于动三角平台(5)下方三角平面中心位置，两个转动轴(13)和(14)轴系相互垂直，三条支链空间成120°均匀分布。
本发明的优点及有益效果：
(1) 采用基于高速三自由度平动并联机构作为并联测量机的移动平台，结构紧凑，操作范围大、运动分辨率高，克服了非平移并联机构动平台与二维测头在测量时产生的姿态误差，可根据实际环境更换连杆尺寸，适应不同尺寸工件的测量，具有良好的互换性和灵活性；(2) 驱动装置固定于静平台上，驱动部件安装方便，同时降低了机构运动惯量，提高了系统的操作性能；(3)测头可依据实际检测要求换更高精度测头，具有良好的可操作性。
附图说明
图1是本发明的实施例的整体机构示意图；
图2是本发明的实施例中并联机构俯视图；
图3本发明的实施例中支链2的3个R副分布图；
图4本发明的实施例中支链2的U副示意图；
图5本发明的实施例中支链2的动平台和测头机构；
图中：1、静三角平台，2、第一条支链，3、第二条支链，4、第三支链，5、动三角平台，6、支撑架，7、第一个R副，8、第一刚性连杆，9、第二个R副，10、第三个R副，11、第二刚性连杆，12、U副，13、第一转动轴，14、第二转动轴，15、测杆，16驱动器。
具体实施方式；
实施例1
如图1所示，一种新型高速5轴联动并联三坐标测量机，包括静三角平台(1) 和动三角平台(5)，安装在两个平台之间的结构相同且均匀布置的三条支链，即第一条支链(2)、第二支链(3)和第三支链(4)，以及安装在动三角平台(5)下方的二轴测头机构（如PH10T/M、REVO）；静三角平台（1）固定于支撑架(6)上构成3自由度平动并联机构；
三条支链结构相同，各支链均包含一个驱动器(16)、第一转动副R (7)、第一刚性连杆(8)、第二转动副R (9)、第三转动副R (10)、第二刚性连杆(11)和一个U副(12)，驱动器(16) 安装在静三角平台(1)上并与第一个R副(7)组成驱动角，第一个R副(7)和第二个R副（9）之间由第一刚性连杆(8)连接，第二个R副（9）和第三个R副（10）相互连接，第三个R副和U副(12)之间由第二刚性连杆(11)连接，U副(12)与动三角平台(5)连接，二轴测头机构固定于动三角平台(5)下方三角平面中心位置；二轴测头机构由轴系相互垂直的两个转动轴即第一转动轴(13)、第二转动轴(14)和末端的测杆(15)组成；三条支链在动、静两个三角平台的空间成120°角均匀分布。

Claims (1)

1.一种高速5轴联动并联三坐标测量机，其特征：该并联三坐标测量机包括静三角平台(1)和动三角平台(5)，安装在两个平台之间的结构相同且均匀布置的三条支链(2)、(3)和(4)，以及安装在动三角平台(5)下方的二轴测头机构，静三角平台(1)固定于支撑架(6)上构成3自由度平动并联机构；
三条支链结构相同，每条支链均包含一个驱动器(16)、二个刚性连杆(8)、(11)、三个转动副R(7)、(9)、(10)和一个U副(12)，驱动器(16)安装在静三角平台(1) 上并与第一个转动副(7)组成驱动角，第一个转动副(7)和第二个转动副（9）之间由第一刚性连杆(8)连接，第二个转动副（9）和第三个转动副（10）连接，第三个转动副R(10)和U副(12)由第二刚性连杆(11)连接，U副(12)与动三角平台(5)连接；二轴测头机构由第一转动轴（13）、第二转动轴(14)和测杆(15)构成并固定于动三角平台(5)下方三角平面中心位置；第一转动轴(13)和第二转动轴(14)轴系相互垂直。
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