CN110231010A - 一种基于Delta并联机构的三坐标测量机及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于Delta并联机构的三坐标测量机及测量方法，主动杆的上端通过转动副设置在静平台上，从动杆是由上短杆、下短杆和两侧长杆在相邻接的杆件之间以球铰连接形成的平行四边形构件，利用各下端球铰对动平台形成支撑，测杆设置在动平台的中心位置上，触发式测头用于触碰被测工件；三个主动杆的回转轴上同心设置三个圆光栅角度传感器分别测量三根主动杆的回转角度；三个主动杆上同轴设置步进电机实现驱动，在控制单元控制下实现测头按照所需测量运动路线运动，当测头触碰到被测件表面，机构停止运动，同时触发三个圆光栅传感器读取当前位置的回转角度，再根据测量模型，由三个角度值得出测头的空间位置坐标。

Description

一种基于Delta并联机构的三坐标测量机及测量方法

技术领域

本发明属于Delta并联机构技术领域，具体是涉及一种基于Delta并联机构的三坐标测量机及测量方法。

背景技术

三坐标测量机已广泛地、成熟地应用于三维复杂零件的尺寸、形状和相互位置的高精度测量，以及实物模型数字化和在线质量控制等领域。目前常用三坐标测量机主要包括两种类型，即笛卡儿坐标系坐标测量机和球面坐标系测量机，也称柔性关节臂三坐标测量机。传统的笛卡儿三坐标测量机通用性强、测量范围大、精度高、效率高、性能好、能与柔性制造系统相连接，有“测量中心”之称，但该仪器不便携带、搬动，不适于在车间内使用，且被测工件尺寸必须小于测量机的测量空间，价格也十分昂贵。柔性关节臂三坐标测量机虽然是一种便携式坐标测量系统，部分地弥补了传统测量机的不足和缺陷，但其结构本质上类似于串联机器人、具有多个关节臂，不可避免地存在较大的传递性的累积误差，为了保证测量精度，必须严格控制轴系回转精度和选择高精度角度编码器，因此导致加工难度大、制造成本高，同时，采用串联结构后系统刚度比较差，整体上表现为系统精度难以控制。

并联机构具有刚度好、运动惯量轻、天然的误差平均效应等独特的优点，在并联机器人、并联机床和MEMS执行器件上已得到非常成熟的应用，但是在坐标测量领域，并联机构还没有得到充分的应用。

Delta并联机构结构简单、运动灵活在物体抓取、手术机器人等领域应用非常普及和成熟，也曾有研究者尝试将其应用在坐标测量机上。公告号ZL201710056023.8中公开了一种采用Delta并联结构用于三坐标测量机，该专利利用几组位于不同位置的照相机，对动平台拍照，根据在动平台上所作的标记，运用视觉测量相关理论与技术，对动平台上标记的位置进行三维重构，计算出标记的位置，从而得知动平台和测头位置，以此实现三坐标测量。该专利实际上是一种机器视觉测量技术的延伸，这里Delta机构仅仅是个运动控制部件，不参与到数据的获取和具体的测量中。

英国雷尼绍公司公开于2011年7月的雷尼绍的“equator 300比对仪”，采用Delta并联结构；其中，通过电机控制Delta并联机构主动杆的回转，来实现测头的移动；但它不是通过采集三个主动杆的回转角度值来获取测头的空间坐标值，而是在该并联机构的结构基础上额外增加三个杆，这三个杆一端与动平台相联，另一端穿在方槽中，当动平台运动时，会拖动这三根杆在各自的方槽中伸缩往返运动，其移动距离由装在杆上的直线光栅尺获得，再依据这三个光栅尺的读数来求得测头的空间位置坐标。该比对仪在Delta并联机构的基础上添加了三根长光栅来实现空间位置的测量，其运动控制系统与空间位置测量系统彼此相对独立，结构复杂。

发明内容

为了解决以上缺陷，本发明的目的在于提供一种基于Delta并联机构的三坐标测量机及测量方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种基于Delta并联机构的三坐标测量机，包括底座、主动杆、从动杆、动平台；

所述底座通过立柱与静平台连接；

所述静平台表面通过转动副与主动杆连接，所述主动杆通过上短杆与从动杆连接，所述动平台通过下短杆与从动杆连接；

所述动平台底面固定安装有测杆，所述测杆一端安装有测头；

所述转动副包括固定于静平台表面的固定架和竖直固定于主动杆一端的回转轴，所述回转轴与固定架之间铰接连接；

所述回转轴一端与驱动单元连接，另一端与圆光栅角度传感器连接。

进一步地，所述底座表面竖直固定有立柱，所述立柱另一端竖直固定有静平台，底座和静平台截面均为三角形，底座表面三个端点处分别竖直固定有一个立柱。

进一步地，所述从动杆包括两根平行设置的长杆，两根所述长杆之间通过上短杆和下短杆连接；

所述长杆与上短杆之间通过上端球铰活动连接，长杆与下短杆之间通过下端球铰活动连接；

所述主动杆一端固定安装于上短杆周侧的中部。

进一步地，所述从动杆通过下端球铰与动平台连接，所述动平台截面为等边三角形，动平台侧表面活动安装有下端球铰。

进一步地，所述动平台底面中心处安装有测杆，所述测头为触发式测头。

进一步地，三个所述转动副在静平台表面呈等边三角形分布。

进一步地，所述驱动单元包括步进电机和减速器，所述步进电机通过减速器与回转轴连接。

进一步地，所述圆光栅角度传感器包括圆光栅盘和光栅读数头，所述圆光栅盘同心安装在回转轴端面，光栅读数头固定安装于静平台表面，光栅读数头用于测量所述主动杆的回转角度。

进一步地，一种基于Delta并联机构的三坐标测量方法，包括如下步骤：驱动各转动副转动，使测头触及放置在底座表面的被测工件，测头触碰被测工件后，Delta并联机构立即停止运动，同时三个圆光栅角度传感器测得到主动杆的回转角度值，根据小型三坐标测量机的测量模型得到测头的空间坐标值，从而实现三坐标测量。

进一步地，测量机测量模式包括自动测量和手动测量两种测量模式；

所述自动测量由编制好的运动控制程序通过分别控制三个电机的回转，实现动平台运动到指定位置触碰工件。

所述手动测量由操作者操作操纵杆，直观发出运动控制命令，由运动控制系统分析判断后，下达运动指令，直至触发测头触碰工件完成测量。

本发明的有益效果：

1、相比于传统的笛卡儿三坐标测量机和柔性关节臂三坐标测量机，本发明是基于Delta并联机构的三坐标测量机，具有结构紧凑，测量精度高，测量速度快的特点；

2、相比于雷尼绍“equator 300比对仪”额外添加长光栅来实现空间位置测量，本发明直接通过圆光栅角度传感器测得的主动杆回转角度，根据测量模型计算得到测头空间位置坐标，无论在测量机结构、测量模型建立和运动控制上都有技术优势；

3、本发明具有结构简单、运动灵活、测量精度高等优点，适用于中小型工件的尺寸及形位误差的自动测量，在工业上具有推广价值。

附图说明

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述。

图1是本发明主视图。

图2是本发明侧视图。

图3是本发明俯视图。

图4是本发明局部结构示意图。

图5是本发明局部示意图。

图6是本发明测量原理图一。

图7是本发明测量原理图二。

图8是本发明测量原理图三。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

一种基于Delta并联机构的三坐标测量机，包括底座1、主动杆5、从动杆6、动平台10，如图1-3所示；

所述底座1通过立柱4与静平台2连接；

具体的，所述底座1表面竖直固定有立柱4，所述立柱4另一端竖直固定有静平台2；

具体的，所述底座1和静平台2截面均为三角形，底座1表面三个端点处分别竖直固定有一个立柱4；

所述静平台2表面通过转动副8与主动杆5连接，所述主动杆5通过上短杆与从动杆6连接，所述动平台10通过下短杆与从动杆6连接；

本实施例中，静平台2表面活动安装有三根主动杆5，动平台10与三根从动杆6连接，每根主动杆5与一根从动杆6配合；

具体的，所述从动杆6包括两根平行设置的长杆，两根所述长杆之间通过上短杆和下短杆连接，需要说明的是，上短杆、下短杆和两侧长杆在相邻接的杆件之间以球铰连接形成的平行四边形构件；

具体的，所述长杆与上短杆之间通过上端球铰7活动连接，长杆与下短杆之间通过下端球铰9活动连接；

具体的，主动杆5一端固定安装于上短杆周侧的中部；

具体的，所述从动杆6通过下端球铰9与动平台10连接；

具体的，所述动平台10截面为等边三角形，动平台10侧表面活动安装有下端球铰9；

动平台10底面固定安装有测杆11，所述测杆11一端安装有测头；

具体的，所述测头为触发式测头；

具体的，所述动平台10底面中心处安装有测杆11；

所述转动副8包括固定于静平台2表面的固定架和竖直固定于主动杆5一端的回转轴，所述回转轴与固定架之间铰接连接；

具体的，三个所述转动副8在静平台2表面呈等边三角形分布；

所述回转轴一端与驱动单元连接，另一端与圆光栅角度传感器连接，如图4、5所示；

具体的，所述驱动单元包括步进电机12和减速器13，所述步进电机12通过减速器13与回转轴连接；

具体的，所述圆光栅角度传感器包括圆光栅盘14和光栅读数头15，所述圆光栅盘14同心安装在回转轴端面，光栅读数头15固定安装于静平台2表面；

具体的，光栅读数头15用于测量所述主动杆5的回转角度，需要说明的是，所述圆光栅角度传感器数量为三个，呈等边三角形分布，分别测量三条主动杆5的回转角度；

一种基于Delta并联机构的三坐标测量方法，包括如下步骤：

驱动各转动副8转动，使测头触及放置在底座1表面的被测工件3，测头触碰被测工件3后，Delta并联机构立即停止运动，同时三个圆光栅角度传感器测得到主动杆5的回转角度值，根据小型三坐标测量机的测量模型得到测头的空间坐标值，从而实现三坐标测量；

具体的，测量机测量模式包括自动测量和手动测量两种测量模式；

具体的，自动测量时由编制好的运动控制程序通过分别控制三个电机的回转，实现动平台运动到指定位置触碰工件；

具体的，手动测量时，由操作者操作操纵杆，直观发出运动控制命令，由运动控制系统分析判断后，下达运动指令，直至触发测头触碰工件完成测量；

基于Delta并联机构的小型三坐标测量机的测量模型，如下：

如图6所示，在静平台处建立坐标系O-XYZ，其坐标原点O位于静平台的中心，Z轴方向垂直于静平台，X轴正方向为O点指向一静平台转动副的中心，由右手定则确定Y轴；

利用空间机构自由度计算公式计算Delta并联机构的自由度，公式如下：

其中，n为构件数，g为机构运动副数，为所有运动副自由度之和；

分析该机构，容易知道该机构具有局部冗余自由度，即球铰之间的连杆可以绕自身轴转动，计算自由度时应将四个球铰当作两个虎克铰考虑，以便消除局部自由度的影响，根据自由度公式就可以求出该机构的自由度数，此机构的构件数目(包括静平台)为n＝3+2*3+1+1＝11，运动副数g＝3+3*4＝15，所以F＝6*(11-15-1)+3*6+2*6+1*3＝3，因此，Delta并联机构具有三个平动自由度，即运动平台在机器人工作空间内沿X、Y、Z三个方向平移运动；

改造模型以便模型计算，在Delta并联机构从动杆的平行四边形结构中各加入一根虚拟杆，虚拟杆通过上下两边中点，与从动杆平行；设动平台的中心为A,将虚拟杆A₁B₁、A₂B₂、A₃B₃沿着AA₁、AA₂、AA₃平移，交于点A，在中心形成一三棱锥A-BCD。

如图6、图7和图8所示，已知静平台转动副中心点所在圆半径为r，动平台为六边形，动平台短边中点所在圆半径为r₀，主动杆长l₁，从动杆长l₂；由电机驱动主动杆旋转，由圆光栅角度传感器测量主动杆旋转的角度θ₁、θ₂、θ₃；

静平台三个转动副中心点C₁、C₂、C₃，为静平台中心O到静平台转动副中心点的矢量，表示为：

式中，α_i＝(i-1)×120°,r为静平台转动副中心点所在圆半径；

为主动杆矢量，表示式为：

式中，l₁为主动杆杆长；θ_i,i＝1,2,3.为主动杆的回转角度值，即测量模型的输入；

三个平移矢量表示为：

式中，α₁＝0°；α₂＝120°；α₃＝240°,r₀为动平台短边中点所在圆半径；

辅助三棱椎A-BCD的底面B、C、D三点，矢量表示为：

如图8所示，辅助三棱椎A-BCD中，F点为A点在底面三角形△BCD的垂足，即AF⊥△BCD，E点为BC中点，由空间几何知识可知，A点在底面的垂足点F即为底面三角形△BCD的外接圆圆心；

矢量表示为:

为矢量的模,为矢量的单位向量,表示为:

为矢量的模,为矢量的单位向量,表示为:

由可得到A点坐标，A点坐标为动平台中心点坐标，进而得到测头的空间位置坐标。三坐标测量机将三根主动杆的回转角度值作为输入，通过测量模型得到测头空间位置坐标作为输出，完成三坐标测量。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于Delta并联机构的三坐标测量机，其特征在于，包括底座(1)、主动杆(5)、从动杆(6)、动平台(10)；

所述底座(1)通过立柱(4)与静平台(2)连接；

所述静平台(2)表面通过转动副(8)与主动杆(5)连接，所述主动杆(5)通过上短杆与从动杆(6)连接，所述动平台(10)通过下短杆与从动杆(6)连接；

所述动平台(10)底面固定安装有测杆(11)，所述测杆(11)一端安装有测头；

所述转动副(8)包括固定于静平台(2)表面的固定架和竖直固定于主动杆(5)一端的回转轴，所述回转轴与固定架之间铰接连接；

所述回转轴一端与驱动单元连接，另一端与圆光栅角度传感器连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于Delta并联机构的三坐标测量机，其特征在于：所述底座(1)表面竖直固定有立柱(4)，所述立柱(4)另一端竖直固定有静平台(2)，底座(1)和静平台(2)截面均为三角形，底座(1)表面三个端点处分别竖直固定有一个立柱(4)。

3.根据权利要求1所述的一种基于Delta并联机构的三坐标测量机，其特征在于：所述从动杆(6)包括两根平行设置的长杆，两根所述长杆之间通过上短杆和下短杆连接；

所述长杆与上短杆之间通过上端球铰(7)活动连接，长杆与下短杆之间通过下端球铰(9)活动连接；

所述主动杆(5)一端固定安装于上短杆周侧的中部。

4.根据权利要求1所述的一种基于Delta并联机构的三坐标测量机，其特征在于：所述从动杆(6)通过下端球铰(9)与动平台(10)连接，所述动平台(10)截面为等边三角形，动平台(10)侧表面活动安装有下端球铰(9)。

5.根据权利要求1所述的一种基于Delta并联机构的三坐标测量机，其特征在于：所述动平台(10)底面中心处安装有测杆(11)，所述测头为触发式测头。

6.根据权利要求1所述的一种基于Delta并联机构的三坐标测量机，其特征在于：三个所述转动副(8)在静平台(2)表面呈等边三角形分布。

7.根据权利要求1所述的一种基于Delta并联机构的三坐标测量机，其特征在于：所述驱动单元包括步进电机(12)和减速器(13)，所述步进电机(12)通过减速器(13)与回转轴连接。

8.根据权利要求1所述的一种基于Delta并联机构的三坐标测量机，其特征在于：所述圆光栅角度传感器包括圆光栅盘(14)和光栅读数头(15)，所述圆光栅盘(14)同心安装在回转轴端面，光栅读数头(15)固定安装于静平台(2)表面，光栅读数头(15)用于测量所述主动杆(5)的回转角度。

9.一种根据权利要求1所述的基于Delta并联机构的三坐标测量方法，其特征在于，包括如下步骤：驱动各转动副(8)转动，使测头触及放置在底座(1)表面的被测工件(3)，测头触碰被测工件(3)后，Delta并联机构立即停止运动，同时三个圆光栅角度传感器测得到主动杆(5)的回转角度值，根据小型三坐标测量机的测量模型得到测头的空间坐标值，从而实现三坐标测量。

10.根据权利要求9所述的一种基于Delta并联机构的三坐标测量机，其特征在于：测量机测量模式包括自动测量和手动测量两种测量模式；

所述自动测量由编制好的运动控制程序通过分别控制三个电机的回转，实现动平台运动到指定位置触碰工件；

所述手动测量由操作者操作操纵杆，直观发出运动控制命令，由运动控制系统分析判断后，下达运动指令，直至触发测头触碰工件完成测量。