CN111854602A - 一种自驱动关节臂坐标测量机 - Google Patents

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CN111854602A CN202010724081.5A CN202010724081A CN111854602A CN 111854602 A CN111854602 A CN 111854602A CN 202010724081 A CN202010724081 A CN 202010724081A CN 111854602 A CN111854602 A CN 111854602A
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杨洪涛
杨鹏
胡毅
张梦遥
程晶晶
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    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/002—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring two or more coordinates
    • G01B11/005—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring two or more coordinates coordinate measuring machines
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Abstract

本发明公开一种自驱动关节臂坐标测量机，包括固定基座，所述固定基座上设有肩关节摆动基座，肩关节摆动基座上转动连接有肩关节摆臂，肩关节摆动基座一侧还设有与肩关节摆臂连接的肩部一体化关节模组，肩关节摆臂上设有大臂，大臂上设有大臂旋转臂，大臂与大臂旋转臂之间设有大臂一体化关节模组，大臂一体化关节模组安装在大臂内与大臂旋转臂转动连接，大臂旋转臂上设有转动连接的肘部摆动基座。本发明在自驱动关节臂关节臂坐标测量机的6个转动关节内部添加伺服控制系统和圆光栅测量系统，在结构设计时同时考虑加入的伺服控制系统和圆光栅测量系统对关节臂坐标测量机造成的重复定位误差与绝对测量误差的误差影响。

Description

一种自驱动关节臂坐标测量机
技术领域
本发明涉及一种工业机器人领域，具体是一种自驱动关节臂坐标测量机。
背景技术
现有工业机器人机械手的设计主要基于双目视觉或者机器视觉技术，其设计目标主要偏向于技术应用，比如通过计算机控制机械手进行定位抓取，工件搬运，分拣包装，由于工业机器人和机械臂的任务主要是完成搬运、抓取等动作，负载较重，且集中在末端执行器，工业机器人和机械臂在执行任务时，起始点与目标点明确已知，其轨迹规划主要是点到点运动，通常采用多项式、样条曲线以及其他形式的曲线对轨迹进行插值，实现两点之间的运动轨迹研究,在机械臂现有的轨迹研究中，很多都会采用点到点的轨迹规划,然后从多项式函数、B样条函数等一系列函数中根据情况选取轨迹函数，并对其进行位置、速度、加速度等方面的约束，在对终止点进行约束时，通常都会选择对其进行速度为零的约束，而自驱动关节臂坐标测量机的设计目标是进行工件参数测量，通过自驱动控制系统实现在线加工时的高精度自动测量，并非是机器人技术应用，自驱动关节臂坐标测量机的技术要求比工业机械臂更高。工业机械臂的设计只是要求重复定位精度，以便完成对产品的准确定位与目标点移动传送，具有高负载低精度特点，因此定位精度等级较低,而自驱动关节臂坐标测量机属于低负载高精度测量设备，其设计要求不仅包括工件测量点的重复定位精度，而且对测量机的测量工作提出绝对测量精度的技术要求，其重复定位精度与绝对测量精度要求在0.05mm以内，两个设计精度均高于工业机械臂的设计精度，自驱动关节臂坐标测量机的设计是基于传统的关节臂坐标测量机的结构设计进行改进设计的创新结构，在测量驱动方式上与传统的关节臂坐标测量机有很大差别，传统的手动式关节臂坐标测量机在测量过程中主要依靠工作人员手动操作进行离线测量，但测量位姿随机导致测量结果稳定性较差等，故测量机的关键设备的选型需要考虑测量机的各个关节末端承受的重力负载，而自驱动关节臂坐标测量机的主要任务是进行高精度定位与测量工作，在达到指定点后需按固定轨迹运动直至完成测量，根据其所受负载是自身重力，自驱动关节臂坐标测量机在进行定位测量时，根据被测模型估计大致空间位置，在近测量点时测量机的速度并不为零，直到测头触碰到待测表面时，触发测头停止运动，完成精确位置定位与工件测量。自驱动关节臂的测量过程中，当它运行到待测物体表面附近时，由于距离测量点还有一段微小距离，所以在终止点的位置自驱动关节臂不停止，可以继续保持速度运动，直至恒力触发测头接触到待测物体的表面时，完成这一过程，所以自驱动关节臂的测量过程可以分成两步，第一步是靠近被测物，即完成点到点的规划，第二步是逼近测量点，针对这种情况，现提出一种自驱动关节臂坐标测量机，自驱动关节臂式坐标测量机通过在关节模块中加入自驱动控制系统，根据加工工件待测点空间位置自主规划路径，保障测量机的测量平稳性，完成工件参数的在线自动测量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种自驱动关节臂坐标测量机，在自驱动关节臂关节臂坐标测量机的6个转动关节内部添加伺服控制系统和圆光栅测量系统，在结构设计时同时考虑加入的伺服控制系统和圆光栅测量系统对关节臂坐标测量机造成的重复定位误差与绝对测量误差的误差影响，对自驱动关节臂坐标测量机进行结构优化，通过自主路径规划实现测量机在对工件进行测量时，经过加速-匀速-减速三个阶段的运动过程，保障测量的测量平稳性，通过在关节模块中加入自驱动控制系统，根据加工工件待测点空间位置自主规划路径，保障测量机的测量平稳性。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种自驱动关节臂坐标测量机，包括固定基座，所述固定基座上设有肩关节摆动基座，肩关节摆动基座上转动连接有肩关节摆臂，肩关节摆动基座一侧还设有与肩关节摆臂连接的肩部一体化关节模组，肩部一体化关节模组与肩关节摆臂转动连接，肩关节摆臂上设有大臂，大臂上设有大臂旋转臂，大臂与大臂旋转臂之间设有大臂一体化关节模组，大臂一体化关节模组安装在大臂内与大臂旋转臂转动连接，大臂旋转臂上设有转动连接的肘部摆动基座；
所述肘部摆动基座一侧设有肘部一体化关节模组，肘部摆动基座上还设有与肘部一体化关节模组转动连接的肘部摆臂，肘部摆臂上端设有小臂，小臂内设有小臂一体化关节模组，小臂上还设有小臂旋转臂，小臂旋转臂与小臂一体化关节模组转动连接，小臂旋转臂顶端设有腕部摆动基座；
所述腕部摆动基座上设有转动连接的腕部摆臂，腕部摆动基座一侧设有腕部一体化关节模组，腕部摆臂同样与腕部一体化关节模组转动连接，固定基座内设有肩关节一体化关节模组，肩关节一体化关节模组与肩关节摆动基座转动连接，腕部摆臂顶端设有探针固定筒，探针固定筒上设有测量器，测量器上设有探针。
进一步地，所述肩关节摆臂在两个垂直的圆柱面过渡区域增加了10mm厚的三角形加强筋结构。
进一步地，所述肩部一体化关节模组、大臂一体化关节模组、肘部一体化关节模组、小臂一体化关节模组、腕部一体化关节模组与肩关节一体化关节模组均包括：伺服电机、谐波减速器、转轴、十字交叉轴承。
进一步地，所述测量机主体采用高强度铝合金制造，基座、小臂和大臂部分采用合金钢制造，总臂长设计800mm，底座到肩部的高度为175.5mm，肩部到肘部的大臂长度为290.5mm，肘部到腕部的小臂长度为260.6mm，腕部长度为253mm。
进一步地，所述大臂4外径为92mm，内径为81mm，长度为100mm，大臂旋转臂5的外径为80mm，内径为65mm，长度为73mm；小臂8的大圆筒外径为80mm，内径为71mm，长度为90mm，小臂旋转臂9的外径为70mm，内径为55mm，长度为73mm。
进一步地，所述测量机采用ANSYS、Adams分析软件对测量机的零部件以及测量机整体进行仿真分析，根据仿真结果反馈对设计的零件以及选型的设备进行优化完善，通过自主路径规划实现测量机在对工件进行测量时，经过加速-匀速-减速三个阶段的运动过程。
本发明的有益效果：
1、本发明设计为6自由度结构，根据自驱动关节臂坐标测量机的低负载高精度测量设备要求，并结合自驱动关节臂坐标测量机的重复定位精度和绝对测量精度的高精度设计要求；
2、本发明在自驱动关节臂关节臂坐标测量机的6个转动关节内部添加伺服控制系统和圆光栅测量系统，在结构设计时同时考虑加入的伺服控制系统和圆光栅测量系统对关节臂坐标测量机造成的重复定位误差与绝对测量误差的误差影响，对自驱动关节臂坐标测量机进行结构优化；
3、本发明通过自主路径规划实现测量机在对工件进行测量时，经过加速-匀速-减速三个阶段的运动过程，保障测量的测量平稳性；
4、本发明自驱动关节臂式坐标测量机通过在关节模块中加入自驱动控制系统，根据加工工件待测点空间位置自主规划路径，保障测量机的测量平稳性，完成工件参数的在线自动测量。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1是本发明自驱动关节臂坐标测量机结构示意图；
图2是本发明自驱动关节臂坐标测量机结构示意图；
图3是本发明自驱动关节臂坐标测量机部分结构示意图；
图4是本发明自驱动关节臂坐标测量机部分结构示意图；
图5是本发明肩关节摆臂结构示意图；
图6是本发明肩关节摆动基座结构示意图；
图7是本发明一体化关节模组结构示意图；
图8是本发明大臂结构示意图；
图9是本发明大臂结构示意图；
图10是本发明大臂旋转臂结构示意图；
图11是本发明大臂旋转臂结构示意图；
图12是本发明一体化关节模组结构示意图。
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。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“开孔”、“上”、“下”、“厚度”、“顶”、“中”、“长度”、“内”、“四周”等指示方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的组件或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
一种自驱动关节臂坐标测量机，包括固定基座1，如图1、图2、图3所示，固定基座1上设有肩关节摆动基座2，肩关节摆动基座2上转动连接有肩关节摆臂3，肩关节摆动基座2一侧还设有与肩关节摆臂3连接的肩部一体化关节模组15，肩部一体化关节模组15与肩关节摆臂3转动连接，肩关节摆臂3上设有大臂4，大臂4上设有大臂旋转臂5，大臂4与大臂旋转臂5之间设有大臂一体化关节模组16，大臂一体化关节模组16安装在大臂4内与大臂旋转臂5转动连接，大臂旋转臂5上设有转动连接的肘部摆动基座6，肘部摆动基座6一侧设有肘部一体化关节模组17，肘部摆动基座6上还设有与肘部一体化关节模组17转动连接的肘部摆臂7，肘部摆臂7上端设有小臂8，小臂8内设有小臂一体化关节模组18，小臂8上还设有小臂旋转臂9，小臂旋转臂9与小臂一体化关节模组18转动连接，小臂旋转臂9顶端设有腕部摆动基座10，腕部摆动基座10上设有转动连接的腕部摆臂11，腕部摆动基座10一侧设有腕部一体化关节模组19，腕部摆臂11同样与腕部一体化关节模组19转动连接，固定基座1内设有肩关节一体化关节模组20，肩关节一体化关节模组20与肩关节摆动基座2转动连接，腕部摆臂11顶端设有探针固定筒12，探针固定筒12上设有测量器13，测量器13上设有探针14。
肩关节摆臂设计在两个垂直的圆柱面过渡区域增加了10mm厚的三角形加强筋结构，避免应力集中，肩部一体化关节模组15、大臂一体化关节模组16、肘部一体化关节模组17、小臂一体化关节模组18、腕部一体化关节模组19与肩关节一体化关节模组20均包括：伺服电机、谐波减速器、转轴、十字交叉轴承，一体化关节模组选取INNFOS自主研发的柔性执行器QDD系列；
为了平衡测量机整体结构强度和转动惯量间的矛盾，测量机主体采用高强度铝合金制造，基座、小臂和大臂部分采用合金钢制造，总臂长设计800mm，底座到肩部的高度为175.5mm，肩部到肘部的大臂长度为290.5mm，肘部到腕部的小臂长度为260.6mm，腕部长度为253mm；
另外大臂小臂皆由直径不同、长度不同的两段杆件组成，其中大臂4外径为92mm，内径为81mm，长度为100mm，大臂旋转臂5的外径为80mm，内径为65mm，长度为73mm；小臂8的大圆筒外径为80mm，内径为71mm，长度为90mm，小臂旋转臂9的外径为70mm，内径为55mm，长度为73mm。
本设计采用触发式测量头，采用雷尼绍的TP200作为本设计的测量头。
使用时，采用ANSYS、Adams等分析软件对测量机的零部件以及测量机整体进行仿真分析，根据仿真结果反馈对设计的零件以及选型的设备进行优化完善，再通过自主路径规划实现测量机在对工件进行测量时，经过加速-匀速-减速三个阶段的运动过程，保障测量的测量平稳性，利用伺服控制系统来使关节臂坐标测量机实现在线自动测量，利用圆光栅测量系统使关节臂测量机实现对工件高精度的定位测量，完成工件参数的在线自动测量。
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。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (6)

1.一种自驱动关节臂坐标测量机，包括固定基座(1)，其特征在于，所述固定基座(1)上设有肩关节摆动基座(2)，肩关节摆动基座(2)上转动连接有肩关节摆臂(3)，肩关节摆动基座(2)一侧还设有与肩关节摆臂(3)连接的肩部一体化关节模组(15)，肩部一体化关节模组(15)与肩关节摆臂(3)转动连接，肩关节摆臂(3)上设有大臂(4)，大臂(4)上设有大臂旋转臂(5)，大臂(4)与大臂旋转臂(5)之间设有大臂一体化关节模组(16)，大臂一体化关节模组(16)安装在大臂(4)内与大臂旋转臂(5)转动连接，大臂旋转臂(5)上设有转动连接的肘部摆动基座(6)；
所述肘部摆动基座(6)一侧设有肘部一体化关节模组(17)，肘部摆动基座(6)上还设有与肘部一体化关节模组(17)转动连接的肘部摆臂(7)，肘部摆臂(7)上端设有小臂(8)，小臂(8)内设有小臂一体化关节模组(18)，小臂(8)上还设有小臂旋转臂(9)，小臂旋转臂(9)与小臂一体化关节模组(18)转动连接，小臂旋转臂(9)顶端设有腕部摆动基座(10)；
所述腕部摆动基座(10)上设有转动连接的腕部摆臂(11)，腕部摆动基座(10)一侧设有腕部一体化关节模组(19)，腕部摆臂(11)同样与腕部一体化关节模组(19)转动连接，固定基座(1)内设有肩关节一体化关节模组(20)，肩关节一体化关节模组(20)与肩关节摆动基座(2)转动连接，腕部摆臂(11)顶端设有探针固定筒(12)，探针固定筒(12)上设有测量器(13)，测量器(13)上设有探针(14)。
2.根据权利要求1所述的一种自驱动关节臂坐标测量机,其特征在于，所述肩关节摆臂(3)在两个垂直的圆柱面过渡区域增加了10mm厚的三角形加强筋结构。
3.根据权利要求1所述的一种自驱动关节臂坐标测量机,其特征在于，所述肩部一体化关节模组(15)、大臂一体化关节模组(16)、肘部一体化关节模组(17)、小臂一体化关节模组(18)、腕部一体化关节模组(19)与肩关节一体化关节模组(20)均包括：伺服电机、谐波减速器、转轴、十字交叉轴承。
4.根据权利要求1所述的一种自驱动关节臂坐标测量机,其特征在于，所述测量机主体采用高强度铝合金制造，基座、小臂和大臂部分采用合金钢制造，总臂长设计800mm，底座到肩部的高度为175.5mm，肩部到肘部的大臂长度为290.5mm，肘部到腕部的小臂长度为260.6mm，腕部长度为253mm。
5.根据权利要求1所述的一种自驱动关节臂坐标测量机,其特征在于，所述大臂4外径为92mm，内径为81mm，长度为100mm，大臂旋转臂5的外径为80mm，内径为65mm，长度为73mm；小臂8的大圆筒外径为80mm，内径为71mm，长度为90mm，小臂旋转臂9的外径为70mm，内径为55mm，长度为73mm。
6.根据权利要求1所述的一种自驱动关节臂坐标测量机,其特征在于，所述测量机采用ANSYS、Adams分析软件对测量机的零部件以及测量机整体进行仿真分析，根据仿真结果反馈对设计的零件以及选型的设备进行优化完善，通过自主路径规划实现测量机在对工件进行测量时，经过加速-匀速-减速三个阶段的运动过程。
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