中国计量学院本科毕业设计（论文）
验，而是向整个制造系统提供有关制造过程的信息，为控制提供依据。从这一要求出发，必须要求测量机具有开放式控制系统，具有更大的柔性。为此，要尽可能利用发展迅速的新的电子工业技术，设计新的高性。近年来，计算机价格一直在降低，而性能愈来愈好。我们要合理运用这一特点，加大这方面的研究。另外，为了降低成本，也可以用复杂的控制系统进行紧凑设计。 1.3.5 软件技术的革新
软件技术的革新测量机的功能主要由软件决定。三坐标测童机的操作、使用的方便性。也首先取决于软件，测量机每一项新技术的发展，都必须有相应配套的软件技术。最终形成基于同一种平台开发的测最软件族也成为软件革新的一种必然趋势。可以说测量机软件是三坐标测量机中发展最为迅速的一项技术。软件的发展将使三坐标测量机向智能化的方向发展，它至少将包括能进行自动编程、测量优化、故障自动诊断等方面的内容 [12-14]。
1.4 研究内容与拟解决主要问题
1.4.1 课题研究内容
柔性坐标测量机是一种应用传感器技术的接触式或非接触式三维测量装置。它通过安装在各关节及杆件内部的光电角度编码器获得各关节转角，再结合机械臂的机械参数(臂长、关节厚度等)应用空间支导线测量的原理计算出测量点的三维坐标。
柔性机械测量臂是柔性三坐标测量机的最重要部件，它是测量机的主要工作部分。同时，柔性机械臂的设计也是柔性三坐标测量机设计的最主要部分。 1.4.2 拟解决主要问题
本论文所研究的主要内容包括：掌握六自由度柔性机械臂的应用场合、工作原理和结构特点；制定六自由度柔性臂的总体设计方案。完成六自由度柔性机械臂的结构设计，包括机械臂的总装图及主要零部件图纸，做出必要的设计分析。对六自由度柔性机械臂进行误差分析，尺寸优化设计，并给出相应的解决方案。其中机械臂的设计是本论文所主要讨论的问题。
进行机械臂的设计，首先要确定测量臂的总体设计方案，然后重点分析机械结构的详细设计。总体设计，我们可参考国外的几种柔性测量机的主流设计方案。其主要解决的问题以及设计流程及方案如下：
一、自由度的选择。柔性机械测量臂的设计在结构上模仿了关节式机器人的“关节”形式只是去掉了机器人结构中的驱动装置和控制机构，而改为由人来完成测量机的手动操作[15]。
二、基座部件设计。基座由圆套筒、内螺母、转盘、角接触轴承、底座、滑环支架、滑环等零件组成。
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三、横关节部件设计。测量机中的横关节部件主要用于连接相邻的两个臂身杆件，且实现两杆件的高精度回转。对关节部件结构设计要求是:结构紧凑，转动灵活，相应的转轴强度高，刚性大，弹性变形小；各关节之间垂直连接，回转部分的径向跳动小，同轴度高[15]。
四、臂身杆件设计。臂身杆件的主要参数是杆长，使测量机达到预定的测量范围且在规定的测量半径空间范围内，无测量死角[16]。
五、精度分析和误差补偿的设计计算，对柔性测量臂进行误差分析。
1.5 本章小结
（1）介绍了选题的背景与意义，介绍了三坐标测量机的基本状况以及三坐标测量机在工业生产科学研究中的重要作用。
（2）介绍了三坐标测量机的国内外研究现状。国内外各个品牌各自的优势，以及我国三坐标测量机行业现阶段所存在的问题及不足。
（3）介绍了柔性臂测量机未来的发展趋势，主要有普及高速测量、新材料和新技术的应用、测量机测头的发展、控制系统的改进、软件技术的革新五个方面。 （4）介绍了本论文选题的意义，研究内容与拟解决的主要问题。确立了本文的主要研究内容：柔性测量机械臂的结构设计与误差分析。
2 六自由度柔性臂的设计原理
2.1 柔性坐标测量机的基本结构
1-基座，2-关节部件，3-臂伸杆件，4-测头，5-平衡部件
图2.1
柔性坐标测量机由机械系统、信号采集系统、软件系统三大系统组成。不同品牌的三坐标测量机的在外观上会有差异，它们的主要差异是关节结构和平衡系统。但其主要结构组成基本相似（如图2.1所示），大体有基座，关节部件，臂
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伸杆件，测头，平衡部件五个部件组成。图2.1中两台关节式三坐标测量机均为Cimcore的产品，其中左图为INFINITE2.0型高精度关节臂测量机。
一般的柔性关节式坐标测量机由3根测量臂, 6个活动关节和1个接触测头组成。3根臂互相连接,其中1个为固定臂,它安装于任意基座上支持测量机的其他部件,另外2个活动臂可运动于空间任意位置,以适应测量需要,测头安装在末端臂的尾端, 2个测量臂之间为关节式连接,可作空间回转,而每个活动关节装有相互垂直的回转角传感器,当计算机接收到触发测量信号后,立即读取传感器测得的角度值,运行程序输出被测点的三维坐标值。为了测量机的整体平衡,还可以设计平衡杆机构 [17]。
图2.2 三维测量机三维图
2.2 柔性坐标测量机的测量原理
从图2.2可以看出,柔性坐标测量机类似于工业中常见的机器人手臂,使用机器人常用的Denavit-Hartenberg方法[18]建模(即D-H方法) ,柔性坐标测量机可抽象为多个具有独立运动杆件以旋转关节组成的机械系统[19],要在空间描述每个杆件的位置及方向, 需要建立以下的直角坐标系:1、基座坐标系；2、 杆件坐标系；3、测量机测头坐标系。不同于工业机器人的是测量机测头的姿态一般无需考虑。
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图2.3 杆件坐标关系转换图
按照D-H方法在各个关节处建立杆件坐标系,所得的转换关系如图2.3所示,从图2.3可看出,共建立了7个坐标系,基座坐标系为 O0X0Y0Z0,各个关节i上建立坐标系OiXiYiZi (i=1, 2,…,6),转换矩阵为:
………..…….……(2.1)
其中, li 为两关节转轴轴线之间的最短距离,即两轴线之间公垂线的长度;θi为两相邻杆件相对位置的变化量,当两杆件以旋转关节相连时,即为安装在各关节中的角度传感器的输出;di为关节偏置量(即相邻杆长线在关节上截取的距离);αi为相邻关节轴线相对扭转角度;l为测量机测头长度。
从坐标系O6逐次到坐标系O0的齐次坐标变换公式分别是和
、
、
、
、
。由于无需讨论测头相对于基准坐标系O0X0Y0Z0的姿态,只要给出坐标原点
O6，测头P在基准坐标系中的位置即可确定。则有：
…………………………….……………(2.2)
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