CN110940301B - 关节式坐标测量机的实时主动力矩补偿型平衡方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了关节式坐标测量机的实时主动力矩补偿型平衡方法。当前关节臂式坐标测量机平衡方法无法实现实时动态平衡。本发明在关节臂式坐标测量机的摆动关节一处设置实时主动力矩补偿型平衡装置；若计算机判别出摆动关节一产生的扭矩小于最小扭矩反应值，则控制电机不输出转动力矩；若计算机判别出摆动关节一产生的扭矩大于或等于最小扭矩反应值，且小于或等于测量臂组件在当前位置对摆动关节一的旋转中心产生的理论扭矩值，则控制电机输出与扭矩传感器扭矩值相等的转动力矩；若计算机判别出摆动关节一产生的扭矩超过当前位置的理论扭矩值，则控制电机输出与理论扭矩值相等的转动力矩。本发明实现了测量臂的实时动态平衡，减轻操作者操作负重。

Description

关节式坐标测量机的实时主动力矩补偿型平衡方法
技术领域
本发明涉及关节臂式坐标测量机，具体涉及一种关节式坐标测量机的实时主动力矩补偿型平衡方法。
背景技术
关节臂式坐标测量机是一种便携式测量装置，主要依靠操作者手动牵引测量。操作者手握测量臂进行测量时，测头和测量臂的重量都由操作者负担，且测量臂位姿不断变化，导致产生的重力矩也随之改变，大大降低了操作的灵活性。因此，设计一种能够有效克服测量臂自身重量，提高操作效率的动态平衡方法是必不可少的。
当前关节臂式坐标测量机中常见的平衡方法有重力力矩平衡方法，弹簧平衡方法，气压平衡方法等。但上述平衡方法的装置存在加工复杂等缺点，且无法实现在测量过程中测量臂的实时动态平衡。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提出一种关节式坐标测量机的实时主动力矩补偿型平衡方法，使得测量臂测量时能够实现实时动态的平衡，减轻操作者操作负重。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
本发明具体如下：
步骤一、在关节臂式坐标测量机的摆动关节一处设置实时主动力矩补偿型平衡装置；所述的摆动关节一包括转轴主轴、主轴轴套、关节上轴套和关节下轴套；所述的转轴主轴与关节上轴套内壁通过螺纹连接；所述的主轴轴套与转轴主轴构成转动副，且主轴轴套与关节下轴套通过螺纹连接；所述的实时主动力矩补偿型平衡装置包括联轴器二、电机和扭矩传感器；所述扭矩传感器的一端与转轴主轴通过联轴器一连接，另一端与电机的输出轴通过联轴器二连接，电机的底座固定在关节下轴套上。然后，将扭矩传感器的信号线与扭矩传感器信号采集器连接，将用于检测转轴主轴转角的圆光栅角度编码器的信号线与圆光栅角度编码器采集卡连接，电机的控制线与电机控制器连接，扭矩传感器信号采集器、圆光栅角度编码器采集卡和电机控制器均与计算机连接。
所述的关节臂式坐标测量机包括基座、回转关节一、摆动关节一和测量臂组件；所述的测量臂组件包括回转关节二、摆动关节二、回转关节三、摆动关节三和测头；关节下轴套与基座通过回转关节一连接，关节上轴套与测量臂一的一端固定连接，测量臂一的另一端与摆动关节二通过回转关节二连接；测量臂二的一端与摆动关节二固定，另一端与摆动关节三的摆动关节三下轴套通过回转关节三连接；测头与摆动关节三的摆动关节三上轴套固定；摆动关节三的摆动关节三下轴套与摆动关节三上轴套构成转动副。
步骤二、计算机设置最小扭矩反应值；计算机根据测量时圆光栅角度编码器输出的角度信息，结合转动力矩计算公式计算出测量臂组件在当前位置对摆动关节一的旋转中心产生的理论扭矩值；同时，扭矩传感器信号采集器采集的扭矩传感器扭矩信号输出给计算机，若计算机判别出摆动关节一产生的扭矩小于最小扭矩反应值，则控制电机不输出转动力矩；若计算机判别出摆动关节一产生的扭矩大于或等于最小扭矩反应值，且小于或等于测量臂组件在当前位置对摆动关节一的旋转中心产生的理论扭矩值，则控制电机输出与扭矩传感器扭矩值相等的转动力矩，与测量臂组件在当前位置对摆动关节一的旋转中心产生的扭矩相抵消，从而实现当前位置测量臂组件的平衡；若计算机判别出摆动关节一产生的扭矩超过当前位置的理论扭矩值，则控制电机输出与理论扭矩值相等的转动力矩。
测量臂组件的重力对摆动关节一的旋转中心产生的转动力矩计算公式如下：
M＝G·L·cosθ (1)
式(1)中，θ为圆光栅角度编码器输出的角度，设定测量臂组件竖直放置时θ＝90°。
测量臂组件的重力G为：
G＝m·g (2)
式(2)中，m为测量臂组件的总质量，g为重力加速度；
测量臂组件质心与摆动关节一旋转中心的距离L为：
Figure BDA0002294351110000021
其中，摆动关节一的旋转中心坐标为(x0,y0,z0)；测量臂组件的质心坐标为(x1,y1,z1)。
进一步，所述扭矩传感器的信号线、圆光栅角度编码器的信号线均由关节上轴套或关节下轴套上开设的孔引出关节上轴套或关节下轴套外。
进一步，所述的摆动关节一还包括轴承一、轴承内轴套、轴承外轴套、轴承二、轴承外挡圈和轴承内挡圈；主轴轴套通过轴承一和轴承二支承在旋转主轴上，轴承一的内圈和轴承二的内圈通过轴承内轴套轴向定位，轴承一的外圈和轴承二的外圈通过轴承外轴套轴向定位，轴承一的内圈和外圈远离轴承内轴套的一端均由旋转主轴的轴肩轴向定位，轴承二的外圈远离轴承内轴套的一端由轴承外挡圈轴向定位，轴承二的内圈远离轴承内轴套的一端由轴承内挡圈轴向定位；轴承外挡圈与主轴轴套通过螺纹连接，轴承内挡圈与转轴主轴通过螺纹连接。
进一步，所述的扭矩传感器为动态扭矩传感器。
本发明具有的有益效果是：
本发明利用扭矩传感器、圆光栅角度编码器与电机的配合，并根据测量时关节转动产生的扭矩实现测量臂的实时动态平衡，结构简单，操作便利，降低操作者操作难度，还可以在操作者未拿取好测量臂的情况下防止测量臂快速下落，避免造成损伤。
附图说明
图1是本发明中关节臂式坐标测量机的整体结构示意图；
图2是本发明中摆动关节一与实时主动力矩补偿型平衡装置的装配剖视图；
图3是本发明中关节臂式坐标测量机在不同位置的力矩示意图；
图4是本发明的具体流程图；
图中：1、转轴主轴，2、轴承一，3、轴承内轴套，4、轴承外轴套，5、轴承二，6、关节上轴套，7、联轴器一，8、联轴器二，9、电机，10、扭矩传感器，11、主轴轴套，12、圆光栅角度编码器，13、轴承外挡圈，14、轴承内挡圈，15、关节下轴套，16、回转关节一，17、摆动关节一，18、回转关节二，19、摆动关节二，20、回转关节三，21、摆动关节三，22、基座，23、计算机。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，关节式坐标测量机的实时主动力矩补偿型平衡方法，具体如下：
步骤一、如图1和2所示，在关节臂式坐标测量机的摆动关节一17处设置实时主动力矩补偿型平衡装置(将实时主动力矩补偿型平衡装置安装在摆动关节17上能最好的发挥出平衡的作用)；其中，摆动关节一17包括转轴主轴1、主轴轴套11、关节上轴套6和关节下轴套15；转轴主轴1与关节上轴套6内壁通过螺纹连接；主轴轴套11与转轴主轴1构成转动副，且主轴轴套11与关节下轴套15通过螺纹连接；实时主动力矩补偿型平衡装置包括联轴器二8、电机9和扭矩传感器10；扭矩传感器10的一端与转轴主轴1通过联轴器一7连接，另一端与电机9的输出轴通过联轴器二8连接，电机9的底座固定在关节下轴套15上。然后，将扭矩传感器的信号线与扭矩传感器信号采集器连接，将用于检测转轴主轴1转角的圆光栅角度编码器12的信号线与圆光栅角度编码器采集卡连接，电机的控制线与电机控制器连接，扭矩传感器信号采集器、圆光栅角度编码器采集卡和电机控制器均与计算机连接；计算机23、扭矩传感器信号采集器、圆光栅角度编码器采集卡和电机控制器构成控制系统；关节臂式坐标测量机由计算机23控制。
其中，扭矩传感器的信号线、圆光栅角度编码器12的信号线均由关节上轴套6或关节下轴套15上开设的孔引出关节上轴套6或关节下轴套15外。
其中，关节臂式坐标测量机包括基座22、回转关节一16、摆动关节一17和测量臂组件；测量臂组件包括回转关节二18、摆动关节二19、回转关节三20、摆动关节三21和测头；关节下轴套15与基座通过回转关节一16连接，关节上轴套6与测量臂一的一端固定连接，测量臂一的另一端与摆动关节二19通过回转关节二18连接；测量臂二的一端与摆动关节二19固定，另一端与摆动关节三21的摆动关节三下轴套通过回转关节三20连接；测头与摆动关节三21的摆动关节三上轴套固定；摆动关节三21的摆动关节三下轴套与摆动关节三上轴套构成转动副。
作为优选实施例，摆动关节一17还包括轴承一2、轴承内轴套3、轴承外轴套4、轴承二5、轴承外挡圈13和轴承内挡圈14；主轴轴套11通过轴承一2和轴承二5支承在旋转主轴1上，轴承一2的内圈和轴承二5的内圈通过轴承内轴套3轴向定位，轴承一2的外圈和轴承二5的外圈通过轴承外轴套4轴向定位，轴承一2的内圈和外圈远离轴承内轴套3的一端均由旋转主轴1的轴肩轴向定位，轴承二5的外圈远离轴承内轴套3的一端由轴承外挡圈13轴向定位，轴承二5的内圈远离轴承内轴套3的一端由轴承内挡圈14轴向定位；轴承外挡圈13与主轴轴套11通过螺纹连接，轴承内挡圈14与转轴主轴1通过螺纹连接。
扭矩传感器信号采集器将采集的扭矩传感器10扭矩信号输出给计算机23，圆光栅角度编码器采集卡将采集的圆光栅角度编码器角度信号输出给计算机23，计算机23经电机控制器控制电机9。
步骤二、如图4所示，计算机设置最小扭矩反应值；计算机根据测量时圆光栅角度编码器输出的角度信息，结合转动力矩计算公式计算出测量臂组件在当前位置对摆动关节一的旋转中心产生的理论扭矩值；同时，扭矩传感器信号采集器采集的扭矩传感器10扭矩信号输出给计算机23，若计算机23判别出摆动关节一产生的扭矩小于最小扭矩反应值，则控制电机不输出转动力矩；若计算机23判别出摆动关节一产生的扭矩大于或等于最小扭矩反应值，且小于或等于测量臂组件在当前位置对摆动关节一的旋转中心产生的理论扭矩值，则控制电机输出与扭矩传感器扭矩值相等的转动力矩，与测量臂组件在当前位置对摆动关节一的旋转中心产生的扭矩相抵消，从而实现当前位置测量臂组件的平衡；若计算机23判别出摆动关节一产生的扭矩超过当前位置的理论扭矩值，则控制电机输出与理论扭矩值相等的转动力矩，如此，电机输出的转动力矩不会超过理论扭矩值，以免电机输出的转动力矩来进一步抵消操作者对摆动关节一旋转中心产生的转动力矩，从而使得操作者操作时省力。
随着关节式坐标测量机进行测量工作而不断摆动测量臂组件位置，测量臂组件产生的扭矩会随测量臂组件摆动位置变化而变化，在任意摆动位置时通过步骤二的上述平衡过程，实现了测量臂组件在任意摆动位置的动态平衡。在意外情况下，如操作者未拿取好测量臂组件，从而造成测量臂组件快速下落时，扭矩传感器能够快速反应，扭矩传感器信号采集器传出信号给计算机，从而计算机使电机运转，达到防止测量臂组件下落的目的，避免碰撞，损伤零部件。
如图3所示，测量臂组件的重力对摆动关节一的旋转中心产生的转动力矩计算公式如下：
M＝G·L·cosθ (1)
式(1)中，θ为圆光栅角度编码器输出的角度，设定测量臂组件竖直放置时θ＝90°，由式(1)可以看出，测量臂组件竖直放置时，测量臂组件的重力对摆动关节一的旋转中心产生的转动力矩为0，扭矩传感器未检测到信号，电机不工作。
测量臂组件的重力G为：
G＝m·g (2)
式(2)中，m为测量臂组件的总质量；
测量臂组件质心与摆动关节一旋转中心的距离L为：
Figure BDA0002294351110000061
其中，摆动关节一的旋转中心坐标为(x0,y0,z0)，只有测量臂组件运动时，摆动关节一的旋转中心坐标是不变的；测量臂组件的质心坐标为(x1,y1,z1)，关节式坐标测量机将摆动关节一的旋转中心坐标(x0,y0,z0)、回转关节二18的回转角、摆动关节二19的摆角、回转关节三20的回转角、摆动关节三21的摆角、测量臂一的质心坐标、测量臂二的质心坐标、测头的质心坐标以及回转关节二18、摆动关节二19、回转关节三20、摆动关节三21、测量臂一、测量臂二和测头的质量传给计算机，计算机计算得到测量臂组件的质心坐标；由于测量臂组件在摆动过程中，测量臂组件的质心是不断变化的，因此，L也是变量。

Claims (4)

1.关节式坐标测量机的实时主动力矩补偿型平衡方法，其特征在于：该方法具体如下：
步骤一、在关节臂式坐标测量机的摆动关节一处设置实时主动力矩补偿型平衡装置；所述的摆动关节一包括转轴主轴、主轴轴套、关节上轴套和关节下轴套；所述的转轴主轴与关节上轴套内壁通过螺纹连接；所述的主轴轴套与转轴主轴构成转动副，且主轴轴套与关节下轴套通过螺纹连接；所述的实时主动力矩补偿型平衡装置包括联轴器二、电机和扭矩传感器；所述扭矩传感器的一端与转轴主轴通过联轴器一连接，另一端与电机的输出轴通过联轴器二连接，电机的底座固定在关节下轴套上；然后，将扭矩传感器的信号线与扭矩传感器信号采集器连接，将用于检测转轴主轴转角的圆光栅角度编码器的信号线与圆光栅角度编码器采集卡连接，电机的控制线与电机控制器连接，扭矩传感器信号采集器、圆光栅角度编码器采集卡和电机控制器均与计算机连接；
所述的关节臂式坐标测量机包括基座、回转关节一、摆动关节一和测量臂组件；所述的测量臂组件包括回转关节二、摆动关节二、回转关节三、摆动关节三和测头；关节下轴套与基座通过回转关节一连接，关节上轴套与测量臂一的一端固定连接，测量臂一的另一端与摆动关节二通过回转关节二连接；测量臂二的一端与摆动关节二固定，另一端与摆动关节三的摆动关节三下轴套通过回转关节三连接；测头与摆动关节三的摆动关节三上轴套固定；摆动关节三的摆动关节三下轴套与摆动关节三上轴套构成转动副；
步骤二、计算机设置最小扭矩反应值；计算机根据测量时圆光栅角度编码器输出的角度信息，结合转动力矩计算公式计算出测量臂组件在当前位置对摆动关节一的旋转中心产生的理论扭矩值；同时，扭矩传感器信号采集器采集的扭矩传感器扭矩信号输出给计算机，若计算机判别出摆动关节一产生的扭矩小于最小扭矩反应值，则控制电机不输出转动力矩；若计算机判别出摆动关节一产生的扭矩大于或等于最小扭矩反应值，且小于或等于测量臂组件在当前位置对摆动关节一的旋转中心产生的理论扭矩值，则控制电机输出与扭矩传感器扭矩值相等的转动力矩，与测量臂组件在当前位置对摆动关节一的旋转中心产生的扭矩相抵消，从而实现当前位置测量臂组件的平衡；若计算机判别出摆动关节一产生的扭矩超过当前位置的理论扭矩值，则控制电机输出与理论扭矩值相等的转动力矩；
测量臂组件的重力对摆动关节一的旋转中心产生的转动力矩计算公式如下：
M＝G·L·cosθ (1)
式(1)中，θ为圆光栅角度编码器输出的角度，设定测量臂组件竖直放置时θ＝90°；
测量臂组件的重力G为：
G＝m·g (2)
式(2)中，m为测量臂组件的总质量，g为重力加速度；
测量臂组件质心与摆动关节一旋转中心的距离L为：
Figure FDA0002962608760000021
其中，摆动关节一的旋转中心坐标为(x0,y0,z0)；测量臂组件的质心坐标为(x1,y1,z1)。
2.根据权利要求1所述的关节式坐标测量机的实时主动力矩补偿型平衡方法，其特征在于：所述扭矩传感器的信号线、圆光栅角度编码器的信号线均由关节上轴套上开设的孔引出关节上轴套外，或均由关节下轴套上开设的孔引出关节下轴套外。
3.根据权利要求1所述的关节式坐标测量机的实时主动力矩补偿型平衡方法，其特征在于：所述的摆动关节一还包括轴承一、轴承内轴套、轴承外轴套、轴承二、轴承外挡圈和轴承内挡圈；主轴轴套通过轴承一和轴承二支承在旋转主轴上，轴承一的内圈和轴承二的内圈通过轴承内轴套轴向定位，轴承一的外圈和轴承二的外圈通过轴承外轴套轴向定位，轴承一的内圈和外圈远离轴承内轴套的一端均由旋转主轴的轴肩轴向定位，轴承二的外圈远离轴承内轴套的一端由轴承外挡圈轴向定位，轴承二的内圈远离轴承内轴套的一端由轴承内挡圈轴向定位；轴承外挡圈与主轴轴套通过螺纹连接，轴承内挡圈与转轴主轴通过螺纹连接。
4.根据权利要求1所述的关节式坐标测量机的实时主动力矩补偿型平衡方法，其特征在于：所述的扭矩传感器为动态扭矩传感器。
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