專利名稱：基于磁流變液的柔性坐標測量機重力平衡裝置與方法
技術領域：
本發(fā)明涉及應用于柔性坐標測量機技術領域的裝置，具體的說是涉及一種基于磁流變液的柔性坐標測量機重力平衡裝置與方法。
背景技術：
柔性坐標測量機是一種依靠測量者用手扶持著測量臂進行測量的非正交的坐標測量設備，其機械結構類似于機器人手臂，測量臂的自身重量一方面增加測量者操作負荷，降低了測量效率，另一方面測量臂的自身重量也會引起臂身的結構變形，影響了測量精度。因此柔性臂坐標測量機的重力平衡機構是必不可少的。
當前柔性坐標測量機中的重力平衡機構大多采用螺旋彈簧和空氣彈簧力矩平衡這兩種結構。由于柔性坐標測量機的坐標系統是非正交坐標系統，在測量時測量機所需的平衡力矩會隨著測量位姿的變化而變化，變化幅度比較大。而上述這兩種平衡機構的輸出平衡力矩都是單方面增大或者減小，不能相對應著測量機所需的重力平衡力矩相對應著變化?？諝鈴椈蓹C構形式的平衡機構結構比較大，不僅增大了測量機的重量與體積而且還影響美觀。本發(fā)明利用測量臂旋轉關節(jié)本身就安裝的角度傳感器，配合磁流變液變阻尼離合機構設計成的柔性坐標測量機的重力平衡機構。本機構結構簡單，可拆卸。
傳統的磁流變液機構往往只采用電磁鐵產生磁場，這樣耗費大量的電能。本發(fā)明采用永磁鐵和電磁鐵的組合提供產生可變磁場，阻尼力主要由永磁鐵的磁場產生，電磁鐵起抵消部分永磁鐵磁場、調節(jié)阻尼力大小的作用。這樣大大減少的電能的消耗。在阻尼盤的設計中，本發(fā)明設計了一種新型的阻尼盤，盤上加工成齒狀，增加了阻尼盤與磁流變液的摩擦力，防止了打滑，使磁流變液變阻尼離合機構工作更加可靠。
在坐標測量機重力矩的計算上，尚未有一種系統的方法，本發(fā)明根據運動學建模原理，提出一了種計算柔性臂任意位置的總重力矩的方法。
發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種基于磁流變液的柔性坐標測量機重力平衡裝置與方法，減小測量機由于自重產生的結構變形，減輕測量者的測量強度。
本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是 一、一種基于磁流變液的柔性坐標測量機重力平衡裝置 本發(fā)明的磁流變液變阻尼離合機構安裝在測量機第一擺動關節(jié)中，第一擺動關節(jié)的上軸套與第二回轉關節(jié)的臂身相連接，第一擺動關節(jié)的下軸套與第一回轉關節(jié)相連接；上軸套與空心旋轉軸的一端通過螺紋連接，空心旋轉軸的另一端通過光柵盤安裝板安裝光柵盤，空心旋轉軸中部與軸承外套筒之間裝有軸承，軸承外套筒端面與讀數頭安裝板通過螺釘連接，讀數頭安裝于讀數頭安裝板之上，下軸套與軸承外套筒通過螺紋連接，光柵盤相對固定于上軸套，讀數頭相對固定于下軸套，磁流變液變阻尼離合機構的外殼安裝軸與光柵盤安裝板通過螺釘和空心旋轉軸的另一端固定連接，磁流變液變阻尼離合機構的外殼與磁流變液變阻尼離合機構的外殼安裝軸通過鍵連接，磁流變液變阻尼離合機構的內殼通過螺釘與下軸套的端面固定連接；外圓柱面裝有電磁鐵的永磁鐵與阻尼盤安裝在磁流變液變阻尼離合機構的內殼中，阻尼盤靠近磁流變液變阻尼離合機構的外殼內側面；在磁流變液變阻尼離合機構的外殼與磁流變液變阻尼離合機構的內殼之間間隙充滿磁流變液。
所述的磁流變液變阻尼離合機構內殼外圓柱面、磁流變液變阻尼離合機構外殼內圓柱面和內側面及阻尼盤靠近磁流變液變阻尼離合機構外殼16內側面的端面為齒狀。
二、一種基于磁流變液的柔性坐標測量機重力平衡方法 根據三個擺動關節(jié)和三個回轉關節(jié)的角度傳感器的角度計算出裝在位于靠近底座第一擺動關節(jié)中磁流變液變阻尼離合機構所需要輸出的平衡力矩大小，當第一擺動關節(jié)中由讀數頭和光柵盤組成的角度傳感器測得角度減小時，通過磁流變液變阻尼離合機構電磁鐵與永磁鐵的組合磁場與阻尼力矩的基本線性關系及電磁鐵中的電流與磁場之間的關系得到輸入第一擺動關節(jié)中磁流變液變阻尼離合機構的電磁鐵線圈中電流大小，使阻尼力矩與重力矩平衡；當第一擺動關節(jié)角度傳感器測得角度增大時，電磁鐵的磁場與永磁鐵的磁場完全抵消，阻尼力矩最小，計算得到輸入電磁鐵中電流大小，磁流變液變阻尼離合機構輸入電流大小由計算機軟件控制。
本發(fā)明具有的有益效果是 根據測量機的位姿動態(tài)計算并改變電磁線圈輸出電流以改變輸出電磁場大小，電磁鐵與永磁鐵組合使用，可以動態(tài)改變阻尼力矩，實現操作位姿的自適應動態(tài)調節(jié)平衡力矩。在該機構中，阻尼力矩大部分由永磁體磁場產生，使本機構工作可靠，節(jié)約能源。根據測量機實際位置情況進行調節(jié)磁流變液變阻尼離合機構的輸出力矩，減小測量機由于自重產生的結構變形，減輕測量者的測量強度，裝卸方便，構結構簡單、美觀。
圖1是第一擺動關節(jié)中的磁流變液變阻尼離合機構與角度傳感器安裝示意圖。
圖2是本發(fā)明應用的柔性坐標測量機的實施例圖。
圖中1、上軸套，2、空心旋轉軸，3、軸承，4、外螺母，5、內螺母，6、光柵盤，7、光柵盤安裝板，8、讀數頭，9、密封圈，10、電磁鐵，11、密封圈，12、永磁鐵，13、下軸套，14、磁流變液變阻尼離合機構內殼，15、磁流變液變阻尼離合機構內殼安裝軸，16、磁流變液變阻尼離合機構外殼，17、螺釘，18阻尼盤，19、讀數頭安裝盤，20、軸承外套筒，21、回轉關節(jié)I，22、擺動關節(jié)，23、回轉關節(jié)，24、擺動關節(jié)，25、回轉關節(jié)，26擺動關節(jié)，27、計算機。
具體實施例方式 下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。
如圖1、圖2所示，磁流變液變阻尼離合機構安裝在測量機第一擺動關節(jié)22中，第一擺動關節(jié)22的上軸套1與第二回轉關節(jié)23的臂身相連接，第一擺動關節(jié)22的下軸套13與第一回轉關節(jié)21相連接；上軸套1與空心旋轉軸2的一端通過螺紋連接，空心旋轉軸2的另一端通過光柵盤安裝板7安裝光柵盤6，空心旋轉軸2中部與軸承外套筒20之間裝有軸承3，軸承外套筒20端面與讀數頭安裝板19通過螺釘連接，讀數頭8安裝于讀數頭安裝板19之上，下軸套13與軸承外套筒20通過螺紋連接，光柵盤6相對固定于上軸套1，讀數頭8相對固定于下軸套13，磁流變液變阻尼離合機構的外殼安裝軸15與光柵盤安裝板19通過螺釘和空心旋轉軸2的另一端固定連接，磁流變液變阻尼離合機構的外殼16與磁流變液變阻尼離合機構的外殼安裝軸15通過鍵連接，磁流變液變阻尼離合機構的內殼14通過螺釘與下軸套13的端面固定連接；外圓柱面裝有電磁鐵10的永磁鐵12與阻尼盤18安裝在磁流變液變阻尼離合機構的內殼14中，阻尼盤18靠近磁流變液變阻尼離合機構的外殼16內側面；在磁流變液變阻尼離合機構的外殼16與磁流變液變阻尼離合機構的內殼14之間間隙充滿磁流變液。
所述的磁流變液變阻尼離合機構內殼14外圓柱面、磁流變液變阻尼離合機構外殼16內圓柱面和內側面及阻尼盤18靠近磁流變液變阻尼離合機構外殼16內側面的端面為齒狀。齒狀可以為平行的齒，亦可以是以以圓盤中心為中心的輻射狀齒。角度傳感器的讀數頭8和磁流變液變阻尼離合機構的電磁鐵12分別與計算機有電纜連接。計算機27中包括有數據采集卡、電磁鐵運動的控制卡。
根據三個擺動關節(jié)和三個回轉關節(jié)的角度傳感器的角度計算出裝在第一擺動關節(jié)22中磁流變液變阻尼離合機構所需要輸出的平衡力矩大小。平衡力矩的求解方法如下柔性臂的測量結果運動學模型為 1)建立關節(jié)臂式坐標測量機坐標系統。第一步是確定基準坐標系(即參考坐標系){x0y0z0}，然后依次建立其余六個關節(jié)坐標系?；鶞首鴺讼倒潭ㄔ诨希c位于第一轉動關節(jié)21的軸線上，Z軸指向第一轉動關節(jié)21，X軸向右，Y軸根據右手法則確定，其余6個關節(jié)坐標系的建立步驟如下(i＝1～6) (1)確定zi軸，zi軸沿關節(jié)i+1的軸向。
(2)確定原點oi，oi在過zi-1與zi軸的公垂線上。
(3)確定xi軸，xi軸沿著zi和zi-1軸的公垂線，指向離開zi-1軸的方向。
(4)確定yi軸，根據右手法則確定。
經過以上步驟建立起來的測量機坐標系統。
2)測量頭坐標o6在基準坐標系{x0y0z0}的坐標可表示為 其中參數
的定義如下 di為桿長；ai為關節(jié)長度；αi為關節(jié)扭轉角；θi為關節(jié)轉角；l為測頭長度。第一回轉關節(jié)21、第一擺動關節(jié)22、第二回轉關節(jié)23、第二擺動關節(jié)24、第三回轉關節(jié)25、第三擺動關節(jié)26對應i＝1，2，3，4，5，6。
通過此原理可求出柔性坐標測量機各個部分相對第一擺動關節(jié)中空心旋轉軸2軸心線的重力矩。其方法為，首先在UG軟件分析柔性測量機按照實際比例建立的模型，選定每個零件的實際材料及其密度，通過UG當中的質量屬性分析獲關節(jié)i質心距離連接上一關節(jié)端點的長度為li，其質量為mi。則質心在坐標系{x1y1z1}的坐標為 則所需平衡力矩
可通過磁流變液磁場與阻尼力的線性對應關系、輸入電流與磁場的關系，通過計算機控制使得第一擺動關節(jié)中角度傳感器測得角度減小時，阻尼力矩與測量機的重力矩絕對值相等；當第一擺動關節(jié)22角度傳感器測得角度增大時，電磁鐵10的磁場與永磁鐵12的磁場完全抵消，阻尼力矩最小，得到輸入電磁鐵10中電流大小。磁流變液變阻尼離合機構輸入電流大小由計算機軟件控制。
權利要求
1.一種基于磁流變液的柔性坐標測量機重力平衡裝置，其特征在于磁流變液變阻尼離合機構安裝在測量機第一擺動關節(jié)(22)中，第一擺動關節(jié)(22)的上軸套(1)與第二回轉關節(jié)(23)的臂身相連接，第一擺動關節(jié)(22)的下軸套(13)與第一回轉關節(jié)(21)相連接；上軸套(1)與空心旋轉軸(2)的一端通過螺紋連接，空心旋轉軸(2)的另一端通過光柵盤安裝板(7)安裝光柵盤(6)，空心旋轉軸(2)中部與軸承外套筒(20)之間裝有軸承(3)，軸承外套筒(20)端面與讀數頭安裝板(19)通過螺釘連接，讀數頭(8)安裝于讀數頭安裝板(19)之上，下軸套(13)與軸承外套筒(20)通過螺紋連接，光柵盤(6)相對固定于上軸套(1)，讀數頭(8)相對固定于下軸套(13)，磁流變液變阻尼離合機構的外殼安裝軸(15)與光柵盤安裝板(19)通過螺釘和空心旋轉軸(2)的另一端固定連接，磁流變液變阻尼離合機構的外殼(16)與磁流變液變阻尼離合機構的外殼安裝軸(15)通過鍵連接，磁流變液變阻尼離合機構的內殼(14)通過螺釘與下軸套(13)的端面固定連接；外圓柱面裝有電磁鐵(10)的永磁鐵(12)與阻尼盤(18)安裝在磁流變液變阻尼離合機構的內殼(14)中，阻尼盤(18)靠近磁流變液變阻尼離合機構的外殼(16)內側面；在磁流變液變阻尼離合機構的外殼(16)與磁流變液變阻尼離合機構的內殼(14)之間間隙充滿磁流變液。
2.根據權利要求1所述的一種基于磁流變液的柔性坐標測量機重力平衡裝置，其特征在于所述的磁流變液變阻尼離合機構內殼(14)外圓柱面、磁流變液變阻尼離合機構外殼(16)內圓柱面和內側面及阻尼盤(18)靠近磁流變液變阻尼離合機構外殼(16)內側面的端面為齒狀。
3.按權利要求1所述裝置的一種柔性坐標測量機的重力平衡機構實現方法，其特征在于根據三個擺動關節(jié)和三個回轉關節(jié)的角度傳感器的角度計算出裝在位于靠近底座第一擺動關節(jié)(22)中磁流變液變阻尼離合機構所需要輸出的平衡力矩大小，當第一擺動關節(jié)(22)中由讀數頭(8)和光柵盤(6)組成的角度傳感器測得角度減小時，通過磁流變液變阻尼離合機構電磁鐵(10)與永磁鐵(12)的組合磁場與阻尼力矩的基本線性關系及電磁鐵(10)中的電流與磁場之間的關系得到輸入第一擺動關節(jié)(22)中磁流變液變阻尼離合機構的電磁鐵(10)線圈中電流大小，使阻尼力矩與重力矩平衡；當第一擺動關節(jié)(22)角度傳感器測得角度增大時，電磁鐵(10)的磁場與永磁鐵(12)的磁場完全抵消，阻尼力矩最小，計算得到輸入電磁鐵(10)中電流大小，磁流變液變阻尼離合機構輸入電流大小由計算機軟件控制。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于磁流變液的柔性坐標測量機重力平衡裝置與方法。磁流變液變阻尼離合機構的外殼與磁流變液變阻尼離合機構的外殼安裝軸連接，內殼與下軸套的端面固定連接；外圓柱面裝有電磁鐵的永磁鐵與阻尼盤安裝在內殼中，根據測量機的位姿動態(tài)計算并改變電磁線圈輸出電流以改變輸出電磁場大小，鐵與永磁鐵組合使用，動態(tài)改變阻尼力矩，實現操作位姿的自適應動態(tài)調節(jié)平衡力矩，使本機構工作可靠，節(jié)約能源，通過對磁流變液變阻尼離合機構中阻尼盤的摩擦面的齒狀設計，提高了磁流變液與阻尼盤之間的摩擦力，有效地防止了打滑，該機構減小測量機由于自重產生的結構變形，減輕測量者的測量強度，裝卸方便，結構簡單、美觀。
文檔編號G01B21/00GK101769731SQ20101010415
公開日2010年7月7日 申請日期2010年1月26日 優(yōu)先權日2010年1月26日
發(fā)明者王文, 張選高, 高貫斌, 盧科青, 林鏗, 陳子辰 申請人:浙江大學