測量臂的系統(tǒng)結構解析

1.系統(tǒng)結構

隨動式測量臂實際上是去掉驅動部分的多自由度(通 常采用 6 自由度)關節(jié)型機器人，它的各關節(jié)處裝有關節(jié)位置傳 感器用于檢測關節(jié)轉角。測量臂由硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)兩部分組成。硬件系統(tǒng)主要包括機器人本體、關節(jié)碼盤及數據采集電路、末端測頭等，軟件系統(tǒng)包括通信接口、測點數據計算、基本 CAD 圖形構造、特征測量和測量臂標定等模塊。工作時，由操作者牽引其末端運動，將末端測頭接觸到被測 設備物體，實時測得各關節(jié)轉角。根據機器人運動學原理，用所測得關節(jié)轉角和測量臂的結構參數，計算出機械臂末端觸點在測量坐標系中的空間位置(即三維坐標)。在獲得一系列觸點的空間坐標后，可以進行后期的反求設計或加工質量校驗。

2.機器人本體

機器人本體包括機座、關節(jié)、關節(jié)連接桿等。要實現對空間 任意點的任意姿態(tài)測量，機器人本體至少需要六個自由度，有時甚至引入冗余自由度以增加靈活性。但自由度越高，機器人本體結構會越復雜，系統(tǒng)精度會越低。機器人本體采用對稱結構，即各大、小臂軸線共線。對稱布置的優(yōu)點是機器人本體結構相似度高，可以實現模塊化制造。結構緊湊，操作靈活。本文機器人本體由三個結構形式相同的運動單元組成。運動單元由有相互垂直的兩個旋轉關節(jié)組成，關節(jié)處裝有碼盤為了減輕操作測量臂的勞動強度，在倒數第二個關節(jié)中設置有矢量彈性阻尼，用于平衡測量臂的自重。

3.關節(jié)碼盤及數據采集電路

(1)關節(jié)碼盤的選擇

關節(jié)碼盤的分辨率跟測量臂的精度密切相關，選擇高分辨率的關節(jié)碼盤非常必要。但碼盤分辨率越高，價格越貴。考慮性價比和碼盤體積，選用 E2120 型增量式編碼器，每周輸出 9000 個脈沖。

(2)數據采集卡

測量臂其測量空間半徑為 1m~2m，碼盤信號不細分時，機械臂測頭位置精度還達不到對設備的精度要求，故碼盤信號必須進行細分，以提高碼盤角度數據采樣分辨率。選用 PCI-91111784 型數據采集卡，其主要技術指標為：(1)最大 16 倍電子細分;(2)16 位分辨率;(3)PCI 總線;(4)采樣頻率 100KHz。 (3)信號處理增量式圓光柵編碼器有 3 路脈沖輸出信號，即 A 相，B 相，Z相。當圓光柵旋轉時，A 相和 B 相為相差 1/4 周期相位并反映軸角變化量的脈沖，通過檢測 A(或 B)相可檢測軸角變化大小。由 于 A 相和 B 相脈沖相位有 1/4 周期差異，且這一差異的正負與軸角變化方向有關，所以通過比較 A 相、B 相之間脈沖電平變化次序可檢測軸角變化方向。Z 相為歸零信號，它決定了圓光柵轉動的起始點。在與 USB 接口連接之前，需要對圓光柵的輸出信號進行調理，其中包括對 A、B 信號的倍頻，信號抖動的消除以及邏輯電平的轉換。經過調理后的輸出脈沖成為符合 USB 接口規(guī)范的信號，可直接與 USB 接口電路進行連接。