一文读懂机械臂测量机原理

针对机械臂坐标测量机的研究几乎都是建立在数学模型之上的。测量机的数学模型包括测量方程与测量误差模型。由于机械臂坐标测量机与工业中的关节式机器人有一定的相似之处，测量机的测量方程就相当于机器人的运动学方程，其区别就在于测量机的测量方程不需要考虑测量机测头的姿态。因此，对机械臂坐标测量机模型的研究就可借鉴工业机器人的建模方法。

测量机由三根刚体臂、三个活动关节和一个测头组成。三根臂相互连接，其中一个为固定臂，它安于任意基座上支撑测量机所有部件，另外两个活动臂可运动于空间任意位置，以适应测量需要，其中一个为中间臂，一个为末端臂并在此尾端安装测头。第一根固定臂与第二根中间臂之间、第二根与第三根末端臂之间、第三根与接触测头之间均为关节式连接，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，可测量各个臂和测头在空间的位置。每个关节的回转中心和相应的活动臂构成一个极坐标系统，回转角即极角由圆分度传感器测量，而活动臂两端关节回转中心距离为极坐标的极径长度，可见该测量系统是由三个串连的极坐标系统组成，当测头与被测件接触时，测量系统可给出测头在空间的三维位置信号，测头与被测件在不同部位接触时，根据所建立的测量数学模型，由计算机给出被测参数实际值。

机械臂坐标测量机的平衡装置由底部转盘、支柱、可随意停气弹簧、支环等零件组合而成。转盘可叠加在测量机基座上，通过转盘的内置轴承可以绕着测量机第一测量臂的轴线旋转。又联接头和支柱的一端均固定在转盘上，该联接头的另一端与气弹簧的一端铰链联接，两者间可以相互转动，支柱的另一端与垂直杆铰链联接，两者间也可以相互转动，气弹簧的另一端同样也与垂直杆铰链联接，而夹套是用来固定支柱，并使得支柱可带动转盘及整个平衡装置均随着测量机的第一关节一同绕着第一测量臂的轴线旋转。垂直杆的一端固定于支杆上，而另一端则固定于支环上，该支环可夹套于第二测量臂上。

测量机第二测量臂的重力作用在支环上，由于支环、支杆以及垂直杆联接在一起，即相当于重力作用于垂直杆上端。而垂直杆作为一个整体，将力传递到气弹簧与垂直杆的联接处，该处是一个受力点，该点的支撑力由气弹簧提供，即第二测量臂的自身重力由气弹簧的力来抵消，而支柱与垂直杆的铰链处为整个杠杆系统的支点，这样就构成一典型的力平衡系统。由于气弹簧在其行程范围内可随意停止，所以测量机的第二、第三测量臂就可保持自平衡状态，这样就可以无需借助过多的外力而手握测量机测头在测量空间内灵活轻便地进行取点或扫描测量。