测量臂的系统结构解析

1.系统结构

随动式测量臂实际上是去掉驱动部分的多自由度(通 常采用 6 自由度)关节型机器人，它的各关节处装有关节位置传 感器用于检测关节转角。测量臂由硬件系统与软件系统两部分组成。硬件系统主要包括机器人本体、关节码盘及数据采集电路、末端测头等，软件系统包括通信接口、测点数据计算、基本 CAD 图形构造、特征测量和测量臂标定等模块。工作时，由操作者牵引其末端运动，将末端测头接触到被测 设备物体，实时测得各关节转角。根据机器人运动学原理，用所测得关节转角和测量臂的结构参数，计算出机械臂末端触点在测量坐标系中的空间位置(即三维坐标)。在获得一系列触点的空间坐标后，可以进行后期的反求设计或加工质量校验。

2.机器人本体

机器人本体包括机座、关节、关节连接杆等。要实现对空间 任意点的任意姿态测量，机器人本体至少需要六个自由度，有时甚至引入冗余自由度以增加灵活性。但自由度越高，机器人本体结构会越复杂，系统精度会越低。机器人本体采用对称结构，即各大、小臂轴线共线。对称布置的优点是机器人本体结构相似度高，可以实现模块化制造。结构紧凑，操作灵活。本文机器人本体由三个结构形式相同的运动单元组成。运动单元由有相互垂直的两个旋转关节组成，关节处装有码盘为了减轻操作测量臂的劳动强度，在倒数第二个关节中设置有矢量弹性阻尼，用于平衡测量臂的自重。

3.关节码盘及数据采集电路

(1)关节码盘的选择

关节码盘的分辨率跟测量臂的精度密切相关，选择高分辨率的关节码盘非常必要。但码盘分辨率越高，价格越贵。考虑性价比和码盘体积，选用 E2120 型增量式编码器，每周输出 9000 个脉冲。

(2)数据采集卡

测量臂其测量空间半径为 1m~2m，码盘信号不细分时，机械臂测头位置精度还达不到对设备的精度要求，故码盘信号必须进行细分，以提高码盘角度数据采样分辨率。选用 PCI-91111784 型数据采集卡，其主要技术指标为：(1)最大 16 倍电子细分;(2)16 位分辨率;(3)PCI 总线;(4)采样频率 100KHz。 (3)信号处理增量式圆光栅编码器有 3 路脉冲输出信号，即 A 相，B 相，Z相。当圆光栅旋转时，A 相和 B 相为相差 1/4 周期相位并反映轴角变化量的脉冲，通过检测 A(或 B)相可检测轴角变化大小。由 于 A 相和 B 相脉冲相位有 1/4 周期差异，且这一差异的正负与轴角变化方向有关，所以通过比较 A 相、B 相之间脉冲电平变化次序可检测轴角变化方向。Z 相为归零信号，它决定了圆光栅转动的起始点。在与 USB 接口连接之前，需要对圆光栅的输出信号进行调理，其中包括对 A、B 信号的倍频，信号抖动的消除以及逻辑电平的转换。经过调理后的输出脉冲成为符合 USB 接口规范的信号，可直接与 USB 接口电路进行连接。