（载运工具运用工程专业论文）非正交系坐标测量机理论及轮轨外形测量技术研究.pdf

西南交通大学博士研究生学位论文第l 页 摘要 坐标测量机( c m m ) 是由机构实现的柔性高精度测量设备。正交导轨机构 实现的正交坐标系c m m ，换算直观、简单；非正交导轨机构构成的非正交 系c m m 小巧便于携带，正在得到发展。随着我国重载和高速铁路的发展， 轮轨关系研究、安全监测对轮轨几何测量精度与效率的要求不断提高，因此， 研究非正交系c m m 理论及轮轨外形测量技术具有重要意义。 论文在回顾经典c m m 及多关节串联非正交系c m m 的发展历程，介绍 并联机构c m m 以及轮轨外形测量技术研究现状的基础上，全面阐述了在非 正交系c m m 理论及应用方面的研究工作，其内容、方法与成果摘要如下： 1 论述了坐标测量法的数学原理与非f 交系的实现：对c m m 系统进行 了功能分解和优化重组，论证了非正交系c m m 的可行性；通过对多关节串 联、并联机构非线性方程组的求解分析，研究了其可测性，同时讨论了机构 的雅可比矩阵及其条件数的意义，为c m m 的机构设计奠定了基础。 2 研究了非正交系c m m 的测量准确性。讨论了机构制造误差的检定与 补偿方法；对杆件的简单热变形、力变形以及关节角测量误差进行了量化分 析，对多关节串联机构的分析和试验表明：利用两种姿势测量同一外形曲线， 使两条曲线重合，可标定一个角度零位误差，多个误差可依次标定：对激光 与电涡流位移传感器测量车轮外形的测量误差也进行了试验研究。 3 研究了测量机构的结构综合问题。在分析构型要素、方法，研究二维 测量机构的基础上，提出了：基于杆长测量的c m m 并联机构方案，建立 了测量模型，给出了位置正解与逆解，进行了测量空间和误差分析：基于 角度的三、六自由度测量机构方案，该机构适合小范围高速测量。 4 研究了非正交系c m m 原理在轮轨外形检测中的应用问题。提出了三 种测量装置机构方案：基于角度测量的五连杆轮轨外形测量仪，进行了结 构设计和误差分析，还给出了基于三角形边长测量的机构方案：基于杆长 测控的轮对几何参数自动测量装置；一种基于角度测量的钢轨轨距、水平 检测推车，其倾角测量采用了涡流阻尼结构。同时给出了全部测量模型。 5 研究了坐标测量系统的数据采集问题。讨论了增量光栅信号的四细分、 可逆计数的实现方法，正弦信号的精密细分技术，设计了基于f 2 4 0 7 的便携 式数据采集系统，研究了电源消耗、u s b 接口及其两侧的编程、硬件接线、 第1 j 页西南交通大学博士研究生学位论文 角度零点确定、高速同步锁存读数、无线通讯的实现等问题。 6 提出了一种铁质工件断面自由曲线的自动扫描测量系统。系统可控制 并测量角度编码器的平面位置，在编码器转轴上固定带磁性测量轮的测量杆。 控制策略是：利用测量杆的重力效应与摆动角度自动搜寻测量对象，根据最 新测得的两点坐标，调整测杆方向并前进一个步长。试验表明：这种方案具 有简单、经济的特点，对工件位置与外形的变化具有自动适应的功能。 7 。论文完成的试验包括：便携式轮轨外形测量仪的研究试验：车轮外形 采用磁性滚轮进行自动测量的试验：钢轨轨距、水平连续检测推车试验。试 验均达到了预期目的，证明了非正交系c m m 理论及应用的可行性。 本论文研究工作的主要创新点在于：首次系统研究了非正交系坐标测量 机的原理、方法，可测性、准确性理论。研究了测量机构的构型方法，根据 被测对象特点，提出了4 种新型测量仪器或装置方案： ( 1 ) 基于杆长测量的c m m 方案，可用简单工艺获得更高的测量准确度， 已获得中国发明专利：z l0 112 8 8 6 6 3 。 ( 2 ) 基于角度测量的六自由度测量机构，特别适合快速检测毛笔杆动态位 姿参数，将古老的毛笔书法信息数字化。 ( 3 ) 基于五连杆平面机构的便携式轮轨外形测量仪，可测量各种车轮和钢 轨的外形曲线，实现测量仪器的集成并提高测量准确度。 ( 4 ) 基于杆长测控的轮对尺寸自动测量装置，取消了轮对提升及定位设 备，精简了结构，该设计已获中国发明专利：z l0 l10 8 5 2 6 6 。 关键词：坐标测量机，非正交坐标系统，机构综合，铁路轮轨外形测量 西南交通大学博士研究生学位论文第l ii 页 a bs trac t c o o r d i n a t em e a s u r i n gm a c h i n e ( c m m ) i sa f l e x i b l e h i g hp r e c i s i o n a p p a r a t u sb ym e c h a n i s m o r t h o g o n a lc o o r d i n a t es y s t e mc m m i sr u n n i n go nt h e o r t h o g o n a l l i n e a rg u i d ew a ym e c h a n i s ma n dh a sv i s u a la n de a s yc o n v e r s i o n a d v a n t a g e s b u tn o n o r t h o g o n a lc o o r d i n a t es y s t e mc m m u s e so t h e rm e c h a n i s m a n di ss m a l la n d l i g h t ，c a r r i e de a s i l y , s o i s b e i n gd e v e l o p e d w i t h t h e d e v e l o p m e n to fh e a v ya n dh i g hs p e e dr a i l w a y i n c h i n a ，t h e r e i sn e e do f m e a s u r i n gt h ep r o f i l e so fw h e e la n dr a i lw i t hh i g h e re f f i c i e n c ya n dp r e c i s i o n ，f o r r e s e a r c ho ft h er e l a t i o nb e t w e e nw h e e la n dr a i l ，a n dm o n i t o r i n go fr a i l r o a d r u n n i n gs e c u r i t y , s ot h er e s e a r c ho fw h e e l sa n dr a i l sp r o f i l em e t e r s ，b a s e do n n o n - o r t h o g o n a lc o o r d i n a t es y s t e mc m mt h e o r yi sv e r yi m p o r t a n t t h i sr e s e a r c hf i r s tr e v i e w st h ed e v o l o p m e n tc o u r s eo fc l a s s i cc m ma n dt h e n o n - o r t h o g o n a l c o o r d i n a t es y s t e mc m mw i t hm u l t i - j o i n ts e r i a lm e c h a n i s m ， b a s e do nt h ec u r r e n tr e s e a r c hi np a r a l l e lm e c h a n i s mc m ma n di nw h e e l r a i l p r o f i l em e a s u r e m e n t ，t h i sp a p e rs h o w st h ea u t h o r s t h e o r e t i c a la n da p p l i c a t i o n r e s e a r c h t h em a i nt o p i c s ，m e t h o d sa n dr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： 1 t h em a t h e m a t i c a lp r i n c i p l eo fc o o r d i n a t em e a s u r e m e n ta n dr e a l i z a t i o no f n o n o r t h o g o n a lc o o r d i n a t es y s t e ma r es u m m a r i z e d ；t h ec m ms y s t e mf u n c t i o n si s d e c o m p o s e da n dr e c o m p o s e df o ro p t i m i z a t i o n ，t h ef e a s i b i l i t yo fn o n o r t h o g o n a l c o o r d i n a t em e c h a n i s mi s p r o v e d t h em e a s u r a b i l i t yi s s t u d i e db ya n a l y z i n g s o l v i n g o ft h en o n l i n e a re q u a t i o nf o rb o t hm u l t i j o i n ts e r i a la n dp a r a l l e l m e c h a n i s m s ；a n dm e c h a n i s m s j a c o bm a t r i xa n di t sc o n d i t i o nn u m b e ri s d i s c u s s e d a l lt h e s ew o r kp r o v i d et h e o r e t i c a lb a s i cf o rm e c h a n i s md e s i g n 2 t h ea c c u r a c yo ft h e n o n - o a h o g o n a l c o o r d i n a t e s y s t e mc m mi s i n v e s t i g a t e d t h ec a l i b r a t i o n a n dc o m p e n s a t i o no fm a n u f a c t u r i n ge r r o r so f m e c h a n i s ma r es t u d i e d ；m e a s u r e m e n te r r o r sa r ea n a l y z e db yc a l c u l a t i n gs i m p l e t h e r m a l ，s t r e s sd e f o r m a t i o na n dj o i n ta n g l ee r r o r s ，t h ea n a l y s i sa n de x p e r i m e n t s o fm u l t i - j o i n ts e r i e sm e c h a n i s mi n d i c a t et h a ti ti sp o s s i b l et oc a l i b r a t eaa n g l e z e r op o s i t i o ne r r o rb ym e a s u r i n gi d e n t i c a lp r o f i l ew i t ht w od i f f e r e n tp o s e sa n d m a k i n gt w or e s u l t so v e r l a p ，a n di t i s p o s s i b l et o c a l i b r a t em u l t i p l ee r r o r sb y 第1 v 页西南交通大学博士研究生学位论文 b r e a k i n gd o w nc a l i b r a t i o no fs i n g l ee r r o ri nt u r n ；t h ee x p e r i m e n t so fm e a s u r i n g p r o f i l ee r r o r sw i t he d d ya n dl a s e rd i s p l a c e m e n ts e n s o r sh a v eb e e nf i n i s h e d 3 t h es t r u c t u r es y n t h e s i so fn o n o r t h o g o n a lm e c h a n i s mi s i n v e s t i g a t e d b a s e do ns t u d yo fd e s i g na p p r o a c h e sa n dm e c h a n i s mf a c t o r ，s t r u c t u r es y n t h e s i s o fp l a n a rm e a s u r e m e n tm e c h a n i s m ，t w od e s i g np l a n sa r ep r o p o s e d ：t h ef i r s t o n ei sac m mb a s e do nm e a s u r i n gr o dl e n g t ho fp a r a l l e lm e c h a n i s ma n di t s m a t h e m a t i c a lm o d e li s d e t e r m i n e d ，t h e f o r w a r da n di n v e r s es o l u t i o n sa r e c a l c u l a t e d ，t h em e a s u r a b l es p a c ea n dm e a s u r i n ga c c u r a c ya r ea n a l y z e d t h e s e c o n di sb a s e do nm e a s u r i n ga n g l es u i t e sh i g hs p e e dm e a s u r i n gi ns m a l ls c o p e ， w i t h3o r6d e g r e e so ff r e e d o m 4 t h ea p p l i c a t i o no fp a r a l l e lm e c h a n i s mi nw h e e l r a i lm e a s u r e m e n ti s i n v e s t i g a t e d t h r e es c h e m e so fa p p a r a t u sa r ep r o p o s e d ：p o r t a b l ew h e e l r a i l p r o f i l o m e t e rb a s e do na n g l em e a s u r i n go ff i v el i n k sm e c h a n i s m ，i t ss t r u c t u r ei s d e s i g n e da n dm e a s u r i n ge r r o r s a r ea n a l y z e d ，a n o t h e rs c h e m ei s g i v e n ； a u t o m a t i c m e a s u r i n g d e v i c ef o rw h e e l s e t g e o m e t r i cp a r a m e t e r s b a s e do n m e a s u r i n ga n dc o n t r o l l i n gl i n k sl e n g t ho ft r i a n g l e i sp r o p o s e d ；ah a n d c a r t m e a s u r i n gr a i l r o a dt r a c kg a u g ea n dc r o s sl e v e lb a s e do nm e a s u r i n ga n g l e s ，a n o v e l e d d yd a m p i n gs t r u c t u r e i s a p p l i e d i nt h e i n c l i n o m e t e r , m e a s u r e m e n t m o d e l sa r ed e r i v e d 5 t h ed a t a a c q u i s i t i o n i nc m ma n dm e c h a n i s mm o t i o nc o n t r o li s i n v e s t i g a t e d t h er e a l i z a t i o nt e c h n o l o g yi sd i s c u s s e da b o u tf o u rs u b d i v i d e so f g r a t i n gs i g n a l ，r e v e r s i b l ec o u n t i n gf u n c t i o n ，a n dp r e c i s i o ns u b d i v i d e so fs i n e s i g n a l p o r t a b l ed a t aa c q u i s i t i o nd e v i c ei sd e s i g n e dw i t hf 2 4 0 7a sc p u ，a n di t s p o w e rc o n s u m p t i o n ，t h eu s bc o n n e c t i o na n di t s t w os i d e s p r o g r a m m i n g ， h a r d w a r ec o n n e c t i o n ，a n g l ez e r od e t e r m i n a t i o n ，h i g hs p e e ds y n c h r o n o u sl o c k i n g a n dr e a d o u tt h ec o u n t e rv a l u e s ，a n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o na r ei n v e s t i g a t e d 6 a na u t o m a t i cs c a ns c h e m ef o rf r e es u r f a c ec u r v e so fi r o n w o r k p i e c e c r o s s s e c t i o ni sp r o p o s e d t h em e a s u r i n gm e c h a n i s mc a nc o n t r o la n dm e a s u r ea n e n c o d e r sp l a n a rp o s i t i o na n da ne n do fm e a s u r e m e n tr o di sf i x e do ns h a f to ft h e e n c o d e ra n da n o t h e re n dw i t hm a g n e t i cm e a s u r e m e n tw h e e l t h es t r a t e g yi st h a t u s i n gr o d sg r a v i t a t i o n a le f f e c ta n ds w i n ga n g l et oa u t o m a t i cs e a r c ho b j e c tt h e n a d j u s tt h em e a s u r i n gr o dd i r e c t i o na n dg of o r w a r do n es t e p ，b yl a s tm e a s u r e dt w o p o i n t s p o s i t i o n t h ee x p e r i m e n ti n d i c a t e st h i sm e t h o di ss i m p l e ，e c o n o m i c a l ，a n d 西南交通大学博士研究生学位论文第v 页 a d a p t i v et od i f f e r e n tp o s i t i o n sa n dc r o s ss e c t i o n so fw o r kp i e c e s t h i sr e s e a r c hw o r kh a ss o m em a i ni n n o v a t i o n ：i ti st h ef i r s tt i m et o t h o r o u g h l ys t u d yt h ep r i n c i p l e ，m e t h o d ，m e a s u r a b i l i t ya n da c c u r a c yo f c o o r d i n a t e m e a s u r i n gm a c h i n eb a s e do nn o n o r t h o g o n a lc o o r d i n a t es y s t e m c o n s i d e r i n gt h e c h a r a c t e r i s t i co fc o o r d i n a t em e a s u r e m e n t ，t h es t r u c t u r es y n t h e s i so fm e a s u r e m e n t m e c h a n i s mi si n v e s t i g a t e d ，a n df o u rn o v e la p p a r a t u s e so ri t sp l a na r ep r o p o s e d ： ( 1 ) t h ef i r s to n ei s ap l a no fc m mb a s e do nm e a s u r i n gl e n g t ho fr o d ，c a n r e a l i z eh i g ha c c u r a c yo fm e a s u r e m e n tw i t hs i m p l em a n u f a c t u r ep r o c e s s t h i s p l a nh a sb e e np a t e n t e da sac h i n e s ei n v e n t i o np a t e n tz l o 1 1 12 8 8 6 6 3 ( 2 ) as i xd e g r e e so ff r e e d o mp a r a l l e lm e c h a n i s mb a s e do na n g l em e a s u r i n g c a nb ea p p l i e dt om e a s u r ed y n a m i cp o s t u r e so ft h eb r u s hp e ns ot h a ti tm a k e s d i g i t a ll o n gh i s t o r yc a l l i g r a p h y ( 3 ) ap l a no fp l a n a rc o o r d i n a t em e a s u r i n gm e c h a n i s mw i t hf i v el i n k sb a s e d o nm e a s u r i n ga n g l ec a nb eu s e dt om a k ep o r t a b l ep r o f i l o m e t e rf o rm e a s u r i n g v a r i o u so fw h e e l r a i lp r o f i l e ，i n t e g r a t i o no fw h e e l r a i lg e o m e t r yi n s t r u m e n t sa n d h i g h e ra c c u r a c yo fm e a s u r e m e n tc a nb e e nr e a l i z e d ( 4 ) a na u t o m a t i cm e a s u r i n gd e v i c ef o rw h e e l s e tg e o m e t r i cp a r a m e t e r sb a s e d o nm e a s u r i n ga n dc o n t r o l l i n gl i n k sl e n g t hi sd e v e l o p e d ，b a s e do ni t sc o o r d i n a t e m e a s u r i n ga d a p t i v ef u n c t i o n ，w h e e l s e tl i f ta n dp o s i t i o nd e v i c e sa r er e m o v e dt h e n m a k ei t s i m p l e r t h i sp l a nh a sb e e np a t e n t e da s ac h i n e s ei n v e n t i o np a t e n t z i 。o1 10 8 5 2 6 6 k e y w o r d s ：c o o r d i n a t em e a s u r i n gm a c h i n e ，n o n o r t h o g o n a lc o o r d i n a t es y s t e m ， m e c h a n i s ms y n t h e s i s ；w h e e l s e t r a i lp r o f i l em e a s u r i n g 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规 定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书： 2 不保密耐，适用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名 指导教师签名： 治如 e t 期：2 0 0 5 年9 月1 0 目 8y 于9 孑 年 贲 5司猢期 写 西南交通大学 学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不包含任何其它个人或集体己经发表或撰写过的研究成 果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中做了明确 的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 全面研究了非正交系坐标测量机的原理方法，可测性与准确性。重点研 究了测量机构的构型方法，提出了4 种新型测量仪器或装置方案： ( 1 ) 基于杆长测量的并联机构c m m 方案，可用简单工艺提高测量准确 度，该方案己获得中国发明专利：z l0 112 8 8 6 6 3 。 ( 2 ) 基于角度测量的六自由度测量机构，特别适合检测毛笔杆的动态位 姿，将毛笔书法信息数字化。 ( 3 ) 基于五连杆机构的便携式轮轨外形测量仪，可测量各种车轮和钢轨 的外形曲线。已获中国实用新型专利：z l 2 0 0 4 2 0 0 6 1 0 4 0 9 。 ( 4 ) 基于杆长测控的轮对尺寸自动测量装置，取消了轮对提升及定位设 备，精简了结构，该设计已获中国发明专利：z l0 110 8 5 2 6 6 。 学位论文作者豁7 司交详 日期：2 0 0 5 年9 月8 目 西南交通大学博士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 坐标测量机c m m ( c o o r d i n a t em e a s u r i n gm a c h i n e ) 是一种借助机构实现 的三维柔性测量设备，是高效率、高精度获取几何数字信息的主要手段i l 2 l ， 已成为连接几何形体与计算机数字世界的桥梁。采用非正交坐标系( 简称非 正交系) 是c m m 的发展方向之一，随着我国高速和重载铁路的发展，轮 轨关系科学研究、安全监控对轮轨几何测量的精度和效率要求提高，因此以 非正交系c m m 理论为基础的轮轨外形测量技术的研究具有重要意义。 1 1 坐标测量机的由来与发展 1 9 5 9 年，英国的f e r r a n t i 公司展出的坐标测量原型机pj ，在x 轴和y 轴 方向设置了两个移动导轨以及相应的数据读出装置，而在z 方向上则简单放 嚣一个位移传感器。1 9 6 5 年，美国s h e f f i e l d 公司推出了一种实用的c m m ， 它由三个相互垂直叠加的移动导轨构成x 、y 和z 轴，并在每一根轴上配置 数据读出装置，形成了c m m 的基本结构形式，1 9 6 9 年，该公司展出具有计 算机辅助功能的c m m ，实现了真正意义的三维空间坐标测量。 1 9 7 0 年代中期，英国的r e n i s h a w 公司开发出一种三维电触发测量头， 并在c m m 中广泛应用，从两使坐标测量技术进一步得到完善。此后，微电 子和微机技术的普及应用，使c m m 的数据处理能力得到加强，成本降低， 并迅速成为现代几何测量的主流高端产品。 1 9 8 0 年代后，c m m 开始与c a d 、数控加工中心，构成一体化系统 4 】。 为克服车间恶劣环境影响，c m m 检定及补偿技术得到了发展，测量精度大 幅度提高。同时，为满足高效率测量的需要，德国z e i s s 公司开发了接触式扫 描测量头，非接触式激光扫描测量头也得到了应用。另外，为实现与 c a d c a m 系统集成，c m m 的软件接口( d m i s ) 和计算机辅助检测规划 ( c a i p ) 技术又得到了发展【 j 。1 9 9 2 年全世界的三坐标测量机总数达到4 6 1 0 0 台 2 1 ，我国在1 9 9 8 年拥有1 8 0 0 台，而2 0 0 2 年则拥有约4 0 0 0 台1 5 1 。 目前，基于正交导轨的c m m 已成为一种高效的精密测量设备，与数控 “加工中心”对应有“测量中心”之称。形成了国际标准j s 0 1 0 3 6 0 坐 标测量机性能评定规范 6 1 。但人们的研究热情不减，文献【7 】从提高准确度 和效率，发展探测技术、测量软件与控制系统，发展非正交系坐标测量系统， 环境影晌、误差检定与补偿等方面全面分析了c m m 的发展趋势。文献i 卜1 4 】 则结合具体情况，提供了更新和更详细的情况。 第2 页西南交通大学博士研究生学位论文 经过多年发展，c m m 形成了多达1 0 种以上的正交结构，图1 1 所示 的4 种结构仅为目前最常见的形式，从左到右分别是龙门、固定桥、移动桥 和水平悬臂式，它们的共同点是采用了3 根正交的滑动直线导轨，只能固定 使用，被测工件必须放置到c m m 的平台上，才能实施测量。 图1 1 经典三坐标测量机c m m 的正交机构形式 c m m 也可采用关节式串联连杆机构，并联机构及其混合机构构成非正 交系进行坐标测量。由于这些机构无三根正交的滑动直线导轨，参照文献【7 和 1 5 ，本文称为非正交坐标测量机构，它们主要采用旋转关节构成。 1 2 关节式坐标测量机的发展 几乎与c m m 同时，机器人得到了更快的发展，取得了2 0 世纪自动控制 最有说服力的成就u “。最近十多年，工业机器人年销量均在5 4 0 0 0 台以上7 】， 其成功要点之一是在各种恶劣的极限环境下，以多种机构形式实现了高度的 能动性和灵活性，表1 1 列出了其典型结构，从中可见采用串联连杆机构仿 人体结构的设计理念。由于只能得到旋转、平移驱动部件，机器人机构主要 用回转、旋转和平移3 种运动副构成，尽管可能有2 7 种组合，但实用的只有 直角坐标：圆柱坐标：球坐标：关节型4 种类型【l ”。 直角坐标机器人有3 个相互垂直的移动自由度，坐标计算和控制最简单， 但体积较大。圆柱坐标和球坐标机器人采用中心回转结构，有较大的动作范 围，其位置计算比较简单。关节型机器人主要由回转和旋转关节构成，对确 定三维空间中的任意位姿最有效，但悬臂结构难以达到高准确度和高速度。 关节型机器人的进一步发展是：手臂采用平行四边形局部闭环机构 【l8 1 ，把所有驱动用电机装在手臂的根部，可获更高速度，如a s e a 机器人： 1 9 8 1 年提出的s c a r a 型机器人采用水平关节，实现了水平面内的灵活高 速移动，广泛用于i t 产业的印制板装配。 估计受到机器人结构发展的启发，日本小板研究所在1 9 8 6 年提出关节式 c m m p j ，并推出了产品，东京精密公司也生产了推车和吊挂的关节c m m ， 西南交通大学博士研究生学位论文第3 页 图1 2 推车式关节三坐标测量机c m m 图1 3z e i s s 公司c m m 原理 如图l 一2 所示i2 1 ，由图b ) 可知其测量范围大，测量灵活性也高。1 9 9 5 年德 国z e i s s 公司h e r z o g 等人提 出了基于s c a r a 机器人的 c m m 方案【1 9 1 ，产品s c a n m a x 的水平工作范围为r = 5 0 0 ， 极限误差为5um 【2 0 1 ，其结构 如图l 一3 所示。美国b r o w n & s h a r p e 的关节式c m m 的 专利结构也与此相似，但串 联连杆又采用了平行四边形 复合机构川。 1 9 9 3 年美国f a r o 公司 提出关节式c m m 吲，如图l 一4 所示，主要用于飞机、造 船等行业对大型移动不便的 工件进行测量，特别是大型 管形或箱形工件，需要测量 内壁的形状尺寸时，关节式 c m m 可大显身手，测量者可 以折叠和携带仪器进入工件 内部，选择合适的位置，固 定机器，展开折叠臂，进行 测量。目前美国的r o m e r 、 c i n c o r e ，意大利的g o o r d 3 等公司均有产品，各公司产 表卜1 经典机器人结构形式 机器人 关节轴 原理机 运动机构工作空村 嗣 f 吨 山 直m 塑标型机嚣人 旆， 磐 f 回 山 舍 砌 铲 h 9 m 坊玎 鹰 陷 妒 山 d s c a r a 机器人 研l 矿 器 p _ 燕 峰 寺 功南矿 甍尊型杌器 画圆 卢= 、 一一 并联帆嚣人 第4 页西南交通大学博士研究生学位论文 品性能指标比较接近 i l l ，最大测量范围为3 0 4 0 m ，测量精度为0 0 3 0 0 8 r a m 。 在国内，哈尔滨工业大学的付中正i 2 、叶 东2 4 。2 7 1 等人从1 9 9 7 年开始对六自由度关节坐标 测量机进行了研究，测量精度达到o 3 m m 【z ”。 2 0 0 4 年，天津大学的张国雄教授在自然科学基 金资助下，正在对关节臂式柔性三坐标测量机 的关键技术进行研究。这种类型的测量机采用 精密轴承连接，精密测角传感器，经微机计算图1 - 4 f a r o 公司关节式c m m 和补偿得到直角坐标值，为c m m 发展开辟了新的方向。但由于刚度差，发 展的重点在于对测量臂杆的弹性变形进行补偿。 1 3 并联式坐标测量机的发展 按照国际机构学与机器科学联合会( i f t o m m ) 1 9 9 1 年的定义：并联机 构是指末端受动器或动平台至少通过两个独立的运动链连接到机架的闭环机 构。文献【2 8 对并联机构进行了精彩的介绍，下面仅涉及其发展与研究情况。 1 3 1 并联机构的研究与应用概况 1 9 3 1 年，j a m e se g w i n n e t t 发明用于娱乐的球关节运动平刽”j ，1 9 3 4 和 1 9 4 2 年p o l l a r d 父子发明了2 和5 自由度并联机构喷枪【3 0 、3 ”。g o u g h 在1 9 6 2 年同w h i t e h a l l 一起设计出轮胎测试机p “，同期的c a p p e l 也在从事运动模拟 器的研究开发工作【j “。只是因为1 9 6 5 年s t e w a r t 的文章一种六自由度的平 台才引起了广泛的重视，运动平台很快被用于飞行模拟器，高速列车、船 舶和汽车的动态性能试验台，驾驶员模拟培训装置，甚至公众娱乐设施。 s t e w a r t 与g o u g h 、c a p p e l 的设计均为由6 根伸缩杆组成的6 自由度运动平台。 澳大利亚的h u n t 在1 9 7 8 年提出b 驯：可以应用6 自由度的s t e w a r t 平台 机构作为机器人机构，由于机构的复杂性，限于当时的技术条件很难实现而 被冷落。1 9 9 0 年后成为研究热点并持续到现在，应用领域主要包括运动模拟、 机器人和机床，业已形成了一个庞大的体系。国内杨廷力教授等对并联机构 的拓扑结构进行了系统的研究，归纳得到1 0 0 多种并联机构构型【34 1 。经典的 并联机构有： 1 六自由度平台图1 5 列出了8 种六自由度平台1 3 。”j ，其中a ) 图的 6 一s 雎双三角或8 面体机构由g o u g h 首次采用，c 1 图的6 一s 册机构即 s t e w a r t 机构。根据需要和扩大工作空间的努力，产生了1 0 种以上的结构变 西南交通大学博士研究生学位论文第5 页 体，图l 一5 a ) d ) 的区别只是上下平台球铰心数目和位置不同，均采用伸缩 杆作为运动支链，e ) g ) 中的运动支链采用定长杆+ 动端点的串联方案，端点 的轨迹分别是圆和直线，图h ) 则为并联机床的方案，采用了双层平台。 匿鼹姆鸯 t ) 6 - s p s 职三角机构b ) 6 - 霍s 单三角机构c ) 6 - $ 机构d ) 6 一s 阵机柑 珏国黧隧 c ) 5 西s 机构 f ) 6 脚机构 d6 t 嚣机挎 h ) 6 _ 理s 最层机鞠 图1 5经典的六自由度并联平台机构 2 d e i t a 机器人由瑞士的c l a v e l i 1 发明，如图1 6 所示，特点在于： 采用三组平行四边形复合支路，使动平台只能平移，支路等效方案是采用 两端带十字铰链的连杆。平行四边形的起点控制，采用摆动的方式，容易 实现高速化，无导轨需要防护，因此被a b b 等公司开发成清洁和取放机器 人。商品化的d e l t a 机器人适合在直径1 0 0 0 m m ，高度为2 5 0 m m 的工作范围 内高速取放1 0 0 0 9 的物品，位置重复准确度为0 1 m m ，加速度高达1 2 9 ，取 放操作频率达到p 副1 4 0 次s 。 3 t r i c e p t 机器人机 构由瑞典n e u m a n n 发明j ， 如图1 7 所示。其特点是其 三根伸缩杆的外壳通过特殊 的万向铰固定在上平台机架 上，伸缩杆另一端再通过球 铰链与下平台相连接，下平 台安装有工作端，其腕关节 可绕水平轴和垂直轴转动。 图卜6d e l t a 并联机器人图卜7t r i _ c e p t 机器人 第6 页西南交通大学博士研究生学位论文 这种并联机构可实现5 个自由度，工作空间大，负载能力强。 并联机构除用于运动平台、机器人外，特别重要的应用是与数控技术密 切结合构成并联机床，彻底改变了1 0 0 多年来机床的结构和运动学原理，文 献【3 5 介绍了l o 种以上的新型并联运动机床，包括t r i c e p t 结构的机床。相 对于传统机床，并联机床结构简单，传动链极短，刚度大，质量轻，成本低， 特别是很容易实现5 轴联动，因而能加工复杂的三维曲面。 并联机构还可用于外科手术医疗机器人、可视化触觉装置、重型制造业 的绳索机器人吊车。触觉装簧可用于外科手术，放射或化学环境中的远距离 操纵，计算机辅助艺术雕刻以及各种科学研究用途。 根据w w w p a r a l l e m i c o r g 并联机构信息中心介绍，全世界研究并联机构的 实验室超过7 5 个，其中美国有2 0 个，包括麻省理工的f i e l da n ds p a c er o b o t i c s 实验室，r & d 中心有1 4 个。国内的中科院沈阳自动化研究所、哈尔滨工业 大学、清华大学、北京航空航天大学、东北大学、浙江大学、燕山大学、四 川大学等许多单位也在开展并联机构的研究与应用工作【33 4 3 5 3 6 1 ，并取得了 一定的成果。并联机构研究问题包括：机构综合，正、逆运动学求解， 运动奇异性回避，灵巧度分析，几何标定，冗余力控制和运动规划 等问题1 3 9 1 。 1 3 2 并联坐标测量机的研究现状 如上所述，在并联机构的动平台上