CN102012211B - 基于3-pss机构的坐标测量机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于3-PSS机构的坐标测量机，其特征是设置三对移动副-球铰-球铰的并联机构，是在平行设置的一对滚珠导轨上独立设置三个运动滑块，三个运动滑块分别可沿滚珠导轨自由滑动；三个运动滑块分别通过一端万向节与三对联杆的一端相连，三对联杆的另一端分别通过另一端万向节与测量动平台共同相连，在测量动平台的下平面上安装测头；三个指示光栅分别固连在三个运动滑块上，一根标尺光栅与一对滚珠导轨平行设置并共同安装在导轨横梁的导轨安装面上；导轨横梁呈悬置固连在一对支架上。本发明刚度高、结构简单、加工装配性好、成本低，可实现对零件快速和精确的三维空间尺寸、形状和相互位置的测量。

Description

基于3-PSS机构的坐标测量机

技术领域

本发明涉及应用于汽车、航空、航天、船舶、机床等以机械精密制造中的测量机，更具体地说是一种机械零部件空间三维尺寸和形貌的精密检测机械。

背景技术

三坐标测量机已广泛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。此外德国ZEISS公司还推出唯一一款的柱面坐标测量机(也称平行关节三坐标测量机)。传统的笛卡儿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***相连接，有“测量中心”之称，但该仪器不便携带，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***，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***刚度比较差，整体上表现为***精度难以控制，在测量空间上表现出精度的不均匀性。

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很好的应用。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种刚度高、结构简单、加工装配性好、成本低的基于3-PSS机构的坐标测量机，以实现对零件快速和精确的三维空间尺寸、形状和相互位置的测量。

本发明采用如下技术方案：

本发明基于3-PSS机构的坐标测量机的结构特点是：

设置三对移动副-球铰-球铰的并联机构，所述并联机构是在平行设置的一对滚珠导轨上独立设置三个运动滑块，三个运动滑块分别可沿滚珠导轨自由滑动；所述三个运动滑块分别通过一端万向节与三对联杆的一端相连，三对联杆的另一端分别通过另一端万向节与测量动平台共同相连，在所述测量动平台的下平面上安装测头；

三个指示光栅分别固连在三个运动滑块上，一根标尺光栅与一对滚珠导轨平行设置并共同安装在导轨横梁的导轨安装面上；所述导轨横梁呈悬置固连在一对支架上；

测量工作平台为一可调整为与滚珠导轨平行的平板。

本发明基于3-PSS机构的坐标测量机的结构特点也在于：

所述测头采用触发式触头。

所述一端万向节和另一端万向节均采用十字万向节。

所述导轨底座横梁上的导轨安装面呈向斜上方45°倾斜。

本发明采用手动测量，三个运动滑块为被动构件，操作人员牵引测量动平台和测头运动，三个运动滑块随动。当测头靠近工件上不同的测量位置时，测量力达到设定值则测头发出触发信号，由配套设置的计算机***同步采集位于运动滑块上三个光栅读数头的水平坐标x_i，依据三个水平坐标值(x₁x₂x₃)通过数学模型计算出测头的空间三维坐标(x，y，z)。

本发明测量模型简单，影响测量精度的误差因素少，且X水平方向可根据测量需要接长。本发明误差源主要包括：滚珠导轨的直线度误差、光栅读数误差、各并联杆件和万向节加工与装配误差等，这些误差通过标定和高精度测试是可以减小甚至消除，极大地有利于提高测量精度。

本发明有效地体现了并联结构的优点，比如测头运动中惯量轻、***刚度大、杆件变形小、测头空间位姿灵活等，并联结构的误差平均效应使得并联结构中构件误差可互相抵消、补偿。

图3所示为并联结构运动学模型的简图，由于每个运动滑块上的两根联杆是完全相同的，故从数学上可以简化一杆。图3中的M、N、P表示的是三个运动滑块的位置，图中点P(x，y，z)为测头的位置，A(0，0，b)，B(0，a，0)两点所决定的直线AB沿X方向伸展出一个倾斜的平面，三个运动滑块共面安装在该倾斜的平面上，其中第一运动滑块和第三运动滑块的位置坐标分别为M(x₁，0，b)；N(x₂，0，b)，第二运动滑块的位置坐标为Q(x₃，a，0)。MP，NP分别为第一杆和第三杆，长度为l₁；QP为第二杆，长度为l₂。测量中三个光栅读数头同步采集出M，N，Q的位置(即x₁、x₂、x₃)，测头的三维坐标P(x，y，z)可由下面简单的方程组联立求解。将方程式(1)减式(2)可以得出P点坐标中，

也就是说测头的x坐标是两个光栅读数头的平均值，与在精密测角中用圆光栅对径布置两个读数头取平均值有相同的效果，这就是并联***具有天然的误差平均效应的体现，球铰链间隙误差和杆长误差对测量精度的影响从理论上都表现出类似的平均效应的特点。

与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：

1、本发明结构简单，最大限度地减少了仪器上所使用高精度线性位移传感器的数量，并且减少的误差源，有利于实现快速、高精度测量；

2、本发明设置一条精密滚动导轨即可实现空间三维坐标测量，而传统的坐标测量机需要三副精密导轨而且其相互的垂直度有非常高的安装要求，采用精密滚动导轨有效保证了三个滑块的运动直线度，保证滑块运动轻便和灵活，运动灵敏度高；

3、本发明在运动机构中采用十字万向节代替传统常规使用的球形铰链，有利于减小球形铰链回转中的运动间隙误差，十字万向节可以通过配合研磨获得很高的配合精度和很小的配合间隙，从而保证测量精度；

4、本发明采用触发式测头使得测量过程中能保证测量力恒定，避免由于测量力不稳定所产生的随机误差，同时在测量力达到设置的预定值后，测头发出触发电信号，实现三路光栅数据的同步采集。

5、本发明结构简单、紧凑，成本低，在动平台上配备其他类型的测头可以实现复杂曲面的测量。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为图1的左视图；

图3为本发明测量原理示意图。

图4为本发明运动滑块局部放大示意图。

图中标号：1可调垫脚，2仪器底座，3调平垫脚螺栓，4测量工作平台，5支架，6测头，7测量动平台，8联杆，9滚珠导轨，10标尺光栅，11指示光栅，12运动滑块、13a一端万向节，13b另一端万向节，14导轨横梁，15挡块。

具体实施方式

参见图1、图2和图3，设置三对移动副-球铰-球铰的并联机构，并联机构是在平行设置的一对滚珠导轨9上独立设置三个运动滑块12，三个运动滑块12分别可沿滚珠导轨9自由滑动；三个运动滑块12分别通过一端万向节13a与三对联杆8的一端相连，三对联杆8的另一端分别通过另一端万向节13b与测量动平台7共同相连，在测量动平台7的下平面上安装测头6；

三个指示光栅11分别固连在三个运动滑块12上，一根标尺光栅10与一对滚珠导轨9平行设置并共同安装在导轨横梁14上；导轨横梁14呈悬置固连在一对支架5上；

测量工作平台4为一可调整为与滚珠导轨9平行的平板。

具体实施中，测头6采用触发式触头；一端万向节13a和另一端万向节13b均采用十字万向节；可调垫脚1用于调整仪器底座2的水平；调平垫脚螺栓3用于调整测量工作平台4的水平，实际装配中，可借助于水平仪完成仪器的总体调水平，这样在长期放置和使用过程中，可减小由于重力所带来的仪器变形误差；挡块15设置在导轨横梁14的两端部，挡块15用于防止滚珠导轨9上的运动滑块12滑脱，导轨底座横梁14上的导轨安装面呈向斜上方45°倾斜，可以保证测头6在X，Y，Z三个方向上具有较大的运动空间，有效保证测量范围；三对联杆8长度尺寸能确保运动测量动平台7在测量空间内任何位置时均与运动滑块12以及滚珠导轨9相平行；三个指示光栅11即光栅读数头与标尺光栅10之间的间隙可以微调，使光栅副产生高质量莫尔条纹，以便顺利读数；图4所示，标尺光栅10是配置在两条滚珠导轨9的中间，相互平行，这从加工工艺上很容易实现，在平面磨床上一次安装即可完成滚珠导轨安装面和光栅尺安装面的精密磨削，相互位置精度易于保证。若是用于在低精度场合，为减小成本，可以仅采用一副滚珠导轨，此时测头无需配备触发式测头，可以是硬测头，通过手动触发的方式来控制三个光栅头同步读数，完成数据采集。

只要滚珠导轨的长度和所选光栅尺长度足够，可在X方向上自由拓展测量范围，尤其适于实现狭长型复杂型面的测量，比如风力发电机叶片、直升机螺旋浆等。

本发明在结构设计上三面对外敞开，便于安装被测件；检测时，工件安装完毕后，操作人员拉动测量动平台7直至测头6接触到被测表面，测量动平台7通过联杆8牵引三个运动滑块12沿滚珠导轨9滑动到相应的位置，采用触发式测头时，当测量力到一定数值时，触发测头会自动触发三个光栅头读数，完成三个横坐标x的采集。采用硬测头时，需要手动触发开关来实现数据采集，完成被测点坐标的测量。然后移动到下一点，获得下一点的坐标。单点三维坐标采集记录后，其后续数据处理及测量结果的获取与传统的坐标测量机没有区别，有专用的商业化软件可用。若测量机采用数控技术实现自动测量，则三个运动滑块需要配置驱动***，比如采用丝杠传动或气缸气动驱动，此时测头的运动为被动运动，由三个运动滑块相互位置的变化和配合来实现测头的运动。

Claims (4)

1.基于3-PSS机构的坐标测量机，其特征是：

设置三对移动副-球铰-球铰的并联机构，所述并联机构是在平行设置的一对滚珠导轨(9)上独立设置三个运动滑块(12)，三个运动滑块(12)分别可沿滚珠导轨(9)自由滑动；所述三个运动滑块(12)分别通过一端万向节(13a)与三对联杆(8)的一端相连，三对联杆(8)的另一端分别通过另一端万向节(13b)与测量动平台(7)共同相连，在所述测量动平台(7)的下平面上安装触发式测头(6)；

三个指示光栅(11)分别固连在三个运动滑块(12)上，一根标尺光栅(10)与一对滚珠导轨(9)平行设置并共同安装在导轨横梁(14)的导轨安装面上；所述导轨横梁(14)呈悬置固连在一对支架(5)上；

测量工作平台(4)为一可调整为与滚珠导轨(9)平行的平板。

2.根据权利要求1所述的基于3-PSS机构的坐标测量机，其特征是所述测头(6)采用触发式触头。

3.根据权利要求1所述的基于3-PSS机构的坐标测量机，其特征是所述一端万向节(13a)和另一端万向节(13b)均采用十字万向节。

4.根据权利要求1所述的基于3-PSS机构的坐标测量机，其特征是所述导轨横梁(14)上的导轨安装面呈向斜上方45度倾斜。

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