專利名稱：柔性坐標測量機測量臂的自動調(diào)整平衡關節(jié)的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種柔性坐標測量機測量臂的自動調(diào)整平衡關節(jié)。
背景技術：
柔性坐標測量機是一種依靠測量者驅(qū)動的非正交的坐標測量設備，由于其機械結 構類似于機器人手臂，測量臂的自身重量使得測量者需要用手扶持著測量臂進行測量，一 方面使得測量者操作不方便，降低了測量效率，另一方面測量臂的自身重量也會引起臂身 的結構變形，影響了測量精度。因此柔性臂坐標測量機的重力平衡機構是必不可少的。 當前柔性坐標測量機中的重力平衡機構大多采用螺旋彈簧和空氣彈簧力矩平衡 這兩種結構。由于柔性坐標測量機的坐標系統(tǒng)是非正交坐標系統(tǒng)，在測量時測量機所需的 平衡力矩會隨著測量位姿的變化而變化，變化幅度比較大。而上述這兩種平衡機構的輸出 平衡力矩都是單方面增大或者減小，不能相對應著測量機所需的重力平衡力矩相對應著變 化。并且，螺旋彈簧結構的平衡機構裝卸與維修都比較困難，空氣彈簧機構形式的平衡機構 結構比較大，不僅增大了測量機的重量與體積而且還影響美觀。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的是提供一種柔性坐標測量機測量臂的自動調(diào)整平衡關節(jié)，減小 測量機由于自重產(chǎn)生的結構變形，減輕測量者的測量強度，裝卸方便，輸出力矩方便可調(diào)， 可設定安全行程。 本實用新型解決其技術問題所采用的技術方案是 —、一種柔性坐標測量機測量臂的自動調(diào)整平衡方法 內(nèi)部設有磁粉制動器的平衡關節(jié)安裝于測量機的靠近底座一端的擺動關節(jié)上，根 據(jù)該擺動關節(jié)軸上安裝的角度傳感器的角度讀數(shù)推算出測量機的當前位姿，根據(jù)測量機的 位姿與測量機測量臂的自重計算出磁粉制動器所需要輸出的平衡力矩大小，通過磁粉制動 器勵磁電流與力矩的基本線性關系計算磁粉制動器的勵磁電流大小，從而得到所需的平衡 力矩值，當安裝磁粉制動器的轉(zhuǎn)軸關節(jié)轉(zhuǎn)角每轉(zhuǎn)過r ，則通過計算后更新磁粉制動器的輸 出力矩值，以此獲得連續(xù)平滑的輸出力矩以平衡關節(jié)臂的重力。 所述的自動調(diào)整平衡方法，應用的柔性坐標測量機是一種非正交、六自由度、包含
有三個擺動關節(jié)和三個回轉(zhuǎn)關節(jié)，且每個關節(jié)上都安裝有角度傳感器的測量機。 二、一種柔性坐標測量機測量臂的自動調(diào)整平衡關節(jié) 在內(nèi)徑相同的、同軸配合的上軸套與下軸套內(nèi)，安裝有階梯形的空心旋轉(zhuǎn)軸，階梯 形的空心旋轉(zhuǎn)軸的大端軸與上軸套螺紋連接，小端軸與軸承外套筒間的小端軸上向外依次 安裝第一軸承、軸承隔板和第二軸承軸承并用螺母固定，階梯形的空心旋轉(zhuǎn)軸的小端面依 次安裝帶有光柵盤的光柵盤安裝板和帶有磁粉制動器的磁粉制動器安裝軸，通過螺釘固定 在空心旋轉(zhuǎn)軸的小端面上，讀數(shù)頭安裝板平行于光柵盤以螺釘固定安裝于軸承外套筒的端 面上，軸承外套筒與下軸套螺紋連接；上軸套與下軸套的對稱側面分別有凸出的空心圓柱，上軸套的凸出空心圓柱內(nèi)孔開內(nèi)螺紋，下軸套的凸出空心圓柱面上開外螺紋，下軸套通過 螺紋與靠近測量機底座的第一回轉(zhuǎn)關節(jié)固定連接，上軸套通過螺紋與第二回轉(zhuǎn)關節(jié)固定連 接。 所述的磁粉制動器為自然冷卻的空心軸式磁粉制動器。 本實用新型具有的有益效果是 本實用新型利用測量臂旋轉(zhuǎn)關節(jié)本身就安裝的角度傳感器，配合通用的自然冷卻 式磁粉制動器設計成的柔性坐標測量機的重力平衡機構結構簡單，可方便拆卸、維修，并且 可以根據(jù)測量機實際所需的平衡力矩輸出與之相對應的平衡力矩，還可以在特定的位姿下 設定安全行程阻止測量機旋轉(zhuǎn)，在測量者的疏忽的情況下保護測量機的安全。裝置安裝固 定之后亦可通過軟件調(diào)節(jié)輸出力矩；可以設置安全旋轉(zhuǎn)行程以保護測量機。
圖1是擺動關節(jié)的磁粉制動器與角度傳感器安裝示意圖。 圖2是圖1的左視圖。 圖3是本實用新型應用的柔性坐標測量機的安裝示意圖。 圖4是柔性坐標測量機的平衡力矩示意圖。 圖5是測量臂自動調(diào)整平衡方法的具體流程圖。 圖中1 、上軸套，2、空心旋轉(zhuǎn)軸，3、軸承，4、軸承內(nèi)隔圈，5、軸承外隔圈，6、軸承，7、 內(nèi)螺母，8、外螺母，9、光柵盤安裝板，10、光柵盤，11、軸承外套筒，12、讀數(shù)頭安裝板，13、螺 釘，14、讀數(shù)頭，15、螺釘，16、磁粉制動器安裝軸，17、磁粉制動器，18、下軸套，19、螺釘，20、 回轉(zhuǎn)關節(jié)，21、擺動關節(jié)，22、回轉(zhuǎn)關節(jié)，23、擺動關節(jié)，24、回轉(zhuǎn)關節(jié)，25、擺動關節(jié)，26、計算 機，27、螺釘，28、通線孔，29、通線孔。
具體實施方式
以下結合附圖和實施例對本實用新型作進一步的說明。 如圖1所示，在內(nèi)徑相同的、同軸配合的上軸套1與下軸套18內(nèi)，安裝有階梯形的 空心旋轉(zhuǎn)軸2，階梯形的空心旋轉(zhuǎn)軸2的大端軸與上軸套1螺紋連接，小端軸與軸承外套筒 11間的小端軸上向外依次安裝第一軸承3、軸承內(nèi)隔圈4、軸承外隔圈5和第二軸承軸承6 并用內(nèi)螺母7和外螺母8固定，階梯形的空心旋轉(zhuǎn)軸2的小端面依次安裝帶有光柵盤10的 光柵盤安裝板9和帶有磁粉制動器17的磁粉制動器安裝軸16，通過螺釘27固定在空心旋 轉(zhuǎn)軸2的小端面上，讀數(shù)頭安裝板12平行于光柵盤10以螺釘13固定安裝于軸承外套筒11 的端面上，讀數(shù)頭14用螺釘15固定于讀數(shù)頭安裝板12上，磁粉制動器17內(nèi)孔與磁粉制動 器安裝軸16以鍵鏈接，磁粉制動器16殼體與下軸套18用螺釘19固定連接，軸承外套筒11 與下軸套18螺紋連接；上軸套1與下軸套18的對稱側面分別有凸出的空心圓柱，上軸套1 的凸出空心圓柱內(nèi)孔開內(nèi)螺紋，下軸套18的凸出空心圓柱面上開外螺紋，下軸套18通過螺 紋與靠近測量機底座的第一回轉(zhuǎn)關節(jié)20固定連接，上軸套1通過螺紋與第二回轉(zhuǎn)關節(jié)22 固定連接。 擺動關節(jié)21之后的其他關節(jié)的接線通過通線孔29，穿過階梯空心軸2的空軸心， 通過磁粉制動器安裝軸16的下端開口再通過通線孔28通向回轉(zhuǎn)關節(jié)20與計算機連接，磁粉制動器17與讀數(shù)頭14的接線直接通過通線孔28通向回轉(zhuǎn)關節(jié)20與計算機連接。 所述的磁粉制動器17為自然冷卻的空心軸式磁粉制動器。磁粉制動器通過控制 器控制其勵磁電流大小就可以輸出一定的力矩。需要維修維護時直接斷電卸下上軸套1和 下軸套18，磁粉制動器就可以方便的拆卸下來進行維護，角度傳感器也可進行調(diào)試。 圖2為圖1所示的擺動關節(jié)21的左視圖，從圖2可以看出擺動關節(jié)21的在擺動 時是上軸套1相對著下軸套18旋轉(zhuǎn)。 圖3本實用新型實施所應用的柔性臂坐標測量機的實施例圖，從圖3可以看出柔 性臂坐標測量機包含三個回轉(zhuǎn)關節(jié)和三個擺動關節(jié)，從底座開始分別為回轉(zhuǎn)關節(jié)20，擺動 關節(jié)21，回轉(zhuǎn)關節(jié)22，擺動關節(jié)23，回轉(zhuǎn)關節(jié)24和擺動關節(jié)25，各個關節(jié)依次排列，通過線 纜與計算機26連接通訊，計算機26含有角度傳感器信號采集卡和磁粉制動器控制卡。3個 擺動關節(jié)中擺動關節(jié)21的特殊之處在于其是發(fā)揮測量臂重力平衡的平衡關節(jié)，其中安裝 有能夠產(chǎn)生力矩的磁粉制動器。 安裝調(diào)試時，先把平衡關節(jié)安裝于測量機上，測量機的其他關節(jié)也安裝完畢，將測 量機的角度傳感器信號線、按鈕控制線和磁粉制動器控制線與計算機連接好，在計算機控 制軟件上輸入如圖4所示的測量臂重量G，力臂L和平衡系數(shù)l 、安全行程范圍，測量機上 電之后，手動控制測量機使其角度傳感器回零，角度傳感器回零之后磁粉制動器的就上電 工作輸出平衡力矩起到了平衡作用。 圖4所示為測量臂的力矩情況。如圖所示測量臂的重力對于擺動關節(jié)的擺動旋轉(zhuǎn) 中心產(chǎn)生力矩，其力矩的計算方法如下首先在UG軟件(本實用新型采用UG NX 4.0)里 將柔性測量機的具體結構按照實際比例建立模型，選定測量臂每個零件的實際材料及其密 度，通過UG當中的質(zhì)量屬性分析獲得需要重力平衡部分的質(zhì)心(x。，y。，z。)及其質(zhì)量m。。根 據(jù)作圖時的擺動關節(jié)21的回轉(zhuǎn)中心坐標(Xl，yi，Zl)和質(zhì)心(x。，y。，z。)計算出圖4所示的 力臂L為 丄=V(x! — JC0)2— y0)2— z0)2 ( 1 ) 由其質(zhì)量m。得圖4所示的重力G為 G = m。
g (2) [OO31] 則測量臂產(chǎn)生的力矩M。為 M。 = G L cos 9 (3) 由于測量機需要靠人工手動操作，所以測量臂產(chǎn)生的力矩不能被完全平衡掉，否
則測量機測量臂將無法正常運動，所以要設定一定的平衡系數(shù)讓測量機的測量臂輕松的運
動，則磁粉制動器的輸出力矩M為 M =《 M0 =《 G L cos 9 (4) 其中l(wèi)為平衡系數(shù)， 一般取0. 5 0. 9，平衡系數(shù)的選定方法為首先，安裝平衡 裝置及其部件，然后先設定l =0.7，運動測量臂試驗效果。如果測量時力矩平衡不夠則加 大平衡系數(shù)l重新試驗；如果平衡力矩太大影響了測量移動則減小l重新試驗；直至調(diào) 試到最佳效果。 設置安全行程的方法當擺動關節(jié)21的轉(zhuǎn)角e為[-90 -60"時，將磁粉制動器 的輸出力矩M設置為[0037] M = 2 G L (5) 圖5所示為柔性臂坐標測量機測量臂自動調(diào)整平衡方法的具體流程圖。經(jīng)過上述 的計算和實驗，得到的測量臂重量G，力臂L和平衡系數(shù)l ，結合擺動關節(jié)21的轉(zhuǎn)角e得到 磁粉制動器的輸出力矩M二 l "M。二 l "G"l^cose，磁粉制動器的控制器控制輸出力 矩。測量機在測量時測量臂一直在運動，則擺動關節(jié)21的轉(zhuǎn)角e也不停的變化，則判斷當
e變化r ，并且其位姿處于安全行程范圍中時磁粉制動器控制輸出磁粉制動器的輸出力 矩m二《*M。=《*g*l*C0Se ，則平衡力矩可以隨著擺動關節(jié)e而相應的變化，r間
隔的離散輸出在人工操作時基本不會被感覺出來，實現(xiàn)了連續(xù)光滑的力矩平衡。當測量機 由于誤操作或者其他外力作用測量臂從測量者手中脫落時測量臂處于了安全范圍之外時，
磁粉制動器輸出力矩M = 2 G L，可以緩沖測量臂的機械碰撞，防止零部件的損壞。
權利要求一種柔性坐標測量機測量臂的自動調(diào)整平衡關節(jié)，其特征在于在內(nèi)徑相同的、同軸配合的上軸套(1)與下軸套(18)內(nèi)，安裝有階梯形的空心旋轉(zhuǎn)軸(2)，階梯形的空心旋轉(zhuǎn)軸(2)的大端軸與上軸套(1)螺紋連接，小端軸與軸承外套筒(11)間的小端軸上向外依次安裝第一軸承(3)、軸承隔圈和第二軸承軸承(6)并用螺母固定，階梯形的空心旋轉(zhuǎn)軸(2)的小端面依次安裝帶有光柵盤(10)的光柵盤安裝板(9)和帶有磁粉制動器(17)的磁粉制動器安裝軸(16)，通過螺釘(27)固定在空心旋轉(zhuǎn)軸(2)的小端面上，讀數(shù)頭安裝板(12)平行于光柵盤以螺釘固定安裝于軸承外套筒(11)的端面上，軸承外套筒(11)與下軸套(18)螺紋連接；上軸套(1)與下軸套(18)的對稱側面分別有凸出的空心圓柱，上軸套(1)的凸出空心圓柱內(nèi)孔開內(nèi)螺紋，下軸套(18)的凸出空心圓柱面上開外螺紋，下軸套(18)通過螺紋與靠近測量機底座的第一回轉(zhuǎn)關節(jié)(20)固定連接，上軸套(1)通過螺紋與第二回轉(zhuǎn)關節(jié)(22)固定連接。
2. 根據(jù)權利要求1所述的一種柔性坐標測量機測量臂的自動調(diào)整平衡關節(jié)，其特征在 于所述的磁粉制動器(17)為自然冷卻的空心軸式磁粉制動器。
專利摘要本實用新型公開了一種柔性坐標測量機測量臂的自動調(diào)整平衡關節(jié)。安裝在上、下軸套內(nèi)的旋轉(zhuǎn)軸大端與上軸套螺紋連接，小端與軸承外套筒間的軸上安裝兩個軸承，旋轉(zhuǎn)軸的小端面安裝光柵盤和磁粉制動器，讀數(shù)頭安裝板平行于光柵盤固定在軸承外套筒的端面上；上軸套的凸出空心圓柱內(nèi)孔通過螺紋與第二回轉(zhuǎn)關節(jié)固定連接，下軸套的凸出空心圓柱面通過螺紋與靠近測量機底座的第一回轉(zhuǎn)關節(jié)固定連接。本實用新型根據(jù)軸上安裝的傳感器的角度讀數(shù)推算出測量機的當前位姿，并與測量機擺動關節(jié)臂的自重計算出磁粉制動器所需要輸出的平衡力矩大小，通過磁粉制動器勵磁電流與力矩的基本線性關系計算磁粉制動器的勵磁電流大小，從而得到所需的平衡力矩值。
文檔編號G01B21/04GK201476778SQ20092019077
公開日2010年5月19日 申請日期2009年8月6日 優(yōu)先權日2009年8月6日
發(fā)明者林鏗, 王文, 陸軍華, 陳子辰, 韋東波, 高貫斌 申請人:浙江大學;杭州博洋科技有限公司