1.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

隨動式測量臂實際上是去掉驅(qū)動部分的多自由度(通 常采用 6 自由度)關(guān)節(jié)型機(jī)器人，它的各關(guān)節(jié)處裝有關(guān)節(jié)位置傳 感器用于檢測關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)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(jī)器人本體、關(guān)節(jié)碼盤及數(shù)據(jù)采集電路、末端測頭等，軟件系統(tǒng)包括通信接口、測點(diǎn)數(shù)據(jù)計算、基本 CAD 圖形構(gòu)造、特征測量和測量臂標(biāo)定等模塊。工作時，由操作者牽引其末端運(yùn)動，將末端測頭接觸到被測 設(shè)備物體，實時測得各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角。根據(jù)機(jī)器人運(yùn)動學(xué)原理，用所測得關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角和測量臂的結(jié)構(gòu)參數(shù)，計算出機(jī)械臂末端觸點(diǎn)在測量坐標(biāo)系中的空間位置(即三維坐標(biāo))。在獲得一系列觸點(diǎn)的空間坐標(biāo)后，可以進(jìn)行后期的反求設(shè)計或加工質(zhì)量校驗。

2.機(jī)器人本體

機(jī)器人本體包括機(jī)座、關(guān)節(jié)、關(guān)節(jié)連接桿等。要實現(xiàn)對空間 任意點(diǎn)的任意姿態(tài)測量，機(jī)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(jī)器人本體結(jié)構(gòu)會越復(fù)雜，系統(tǒng)精度會越低。機(jī)器人本體采用對稱結(jié)構(gòu)，即各大、小臂軸線共線。對稱布置的優(yōu)點(diǎn)是機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)相似度高，可以實現(xiàn)模塊化制造。結(jié)構(gòu)緊湊，操作靈活。本文機(jī)器人本體由三個結(jié)構(gòu)形式相同的運(yùn)動單元組成。運(yùn)動單元由有相互垂直的兩個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)組成，關(guān)節(jié)處裝有碼盤為了減輕操作測量臂的勞動強(qiáng)度，在倒數(shù)第二個關(guān)節(jié)中設(shè)置有矢量彈性阻尼，用于平衡測量臂的自重。

3.關(guān)節(jié)碼盤及數(shù)據(jù)采集電路

(1)關(guān)節(jié)碼盤的選擇

關(guān)節(jié)碼盤的分辨率跟測量臂的精度密切相關(guān)，選擇高分辨率的關(guān)節(jié)碼盤非常必要。但碼盤分辨率越高，價格越貴?？紤]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(shù)據(jù)采集卡

測量臂其測量空間半徑為 1m~2m，碼盤信號不細(xì)分時，機(jī)械臂測頭位置精度還達(dá)不到對設(shè)備的精度要求，故碼盤信號必須進(jìn)行細(xì)分，以提高碼盤角度數(shù)據(jù)采樣分辨率。選用 PCI-91111784 型數(shù)據(jù)采集卡，其主要技術(shù)指標(biāo)為：(1)最大 16 倍電子細(xì)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(dāng)圓光柵旋轉(zhuǎn)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(fù)與軸角變化方向有關(guān)，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(zhuǎn)動的起始點(diǎn)。在與 USB 接口連接之前，需要對圓光柵的輸出信號進(jìn)行調(diào)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(zhuǎn)換。經(jīng)過調(diào)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(jìn)行連接。