关节臂式坐标测量机系统研究

论文摘要

关节臂式坐标测量机是一种新型的多自由度非笛卡尔式坐标测量系统,具有体积小、重量轻、运动灵活、方便现场行测量、价格较便宜等优点,因此具有广泛的应用前景。本文在对国内外关节臂式坐标测量机发展现状和趋势全面分析的基础上,围绕该类系统的关键技术展开研究。本论文研究的课题是国家自然科学基金资助项目,项目编号是50475116。论文的主要研究工作包括以下几个方面:针对关节臂式坐标测量机系统的测量特点,设计了系统整体结构,确保了系统的可靠性。在DH参数法基础上,提出了准球坐标系统定义,建立了更为简化和适合标定的系统数学模型,研究了不同关节数量和空间配置对测量空间的影响,对各臂长比例进行了优化设计。从机构运动学基本关系出发,分析了关节臂式坐标测量机测头误差的产生原因,建立了测头误差数学模型。根据误差理论,对关节臂式坐标测量机进行了不确定度分析,研究了零件允差与测量机测头位置误差之间的定量关系,设计了关节臂式坐标测量机零件允差优化模型。提出了一整套标定关节臂式坐标测量机各系统参数的新方法,使得标定过程简单实用,参数分离容易实现。克服了以往标定方法的算法复杂,初值选取敏感,矩阵病态等问题。整个测量方法的关键是要求其它参数以及各个关节臂的转角误差对标定结果基本上没有影响,即其它参数的标定误差和各个关节臂的转角误差对于被标定参数的影响仅为二次误差。依据具体数据采集功能需求,在测量机的关节处分别设置由角度传感器以及单片机组成的智能传感器单元,提出了一种内部基于RS485总线的分布式采集系统,实现了各个关节角的角度处理功能。对编码器正交信号的辨向、四细分、可逆计数采用CPLD实现,并与传统的分立元件实现方案进行了对比。给出了采集板控制软件的基本结构,讨论了PC端USB驱动程序开发基本思路。最后完成了与关节臂式坐标测量机精度有关的实验。通过实验分析了各结构参数误差的变化对测头位置误差的影响。基于反转法标定技术,对Faro Platinum 2.4m关节臂式坐标测量机的臂长、偏置以及垂直度误差参数完成了标定实验,实验结果验证了标定方法的可行性和精确性。在搭建的系统实验平台上,用逻辑发生卡产生光栅信号验证了数据采集系统的正确性。总之,本文以上工作为研制具有自主知识产权的关节臂式坐标测量机奠定了良好的基础。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 三坐标测量机的发展历程
• 1.2 非正交坐标测量机概述
• 1.2.1 激光跟踪测量系统
• 1.2.2 经纬仪测量系统
• 1.2.3 关节臂式坐标测量系统
• 1.3 关节臂式坐标测量机的国内外研究现状
• 1.4 关节臂式坐标测量机关键技术
• 1.5 本课题来源及研究目的、意义
• 1.6 本文主要工作
• 第二章 系统构成及数学模型
• 2.1 系统构成
• 2.1.1 总体设计
• 2.1.2 测量臂材料选取
• 2.1.3 关节结构设计
• 2.1.4 测角传感器选取
• 2.1.5 数据采集系统方案
• 2.1.6 测头选取
• 2.2 系统建模
• 2.2.1 坐标变换矩阵
• 2.2.2 准球坐标系统定义
• 2.2.3 准球坐标系统变换矩阵
• 2.2.4 关节臂测量机数学模型
• 2.3 关节臂式坐标测量机测量空间
• 2.3.1 两关节坐标测量机的测量空间
• 2.3.2 三关节坐标测量机的测量空间
• 2.3.3 四关节坐标测量机的测量空间
• 2.3.4 五关节坐标测量机的测量空间
• 2.3.5 六关节坐标测量机的测量空间
• 2.3.6 测量机臂长比例的优化设计
• 2.3.7 测量机自由度的选择
• 2.4 数学模型图解法验证
• 2.5 本章小结
• 第三章 关节臂式坐标测量机的误差分析
• 3.1 误差分析
• 3.1.1 系统误差源分析
• 3.1.2 随机误差源分析
• 3.2 系统误差模型
• 3.2.1 关节臂参数引起的坐标系微分运动
• 3.2.2 关节臂式坐标测量机的误差模型
• 3.3 系统测量不确定度分析
• 3.3.1 系统结构参数的不确定度分析
• 3.3.2 系统测量不确定度分析
• 3.3.3 系统结构参数的优化分配
• 3.4 本章小结
• 第四章 关节臂式坐标测量机标定技术
• 4.1 参数测定法法
• 4.1.1 相关研究综述
• 4.1.2 参数测定模型理论
• 4.2 参数分离法
• 4.2.1 坐标轴位置确定
• 4.2.2 零位确定
• 4.2.3 点圆标定法
• 4.3 反转标定法
• 4.3.1 测头端臂长和偏置标定
• 7和垂直度误差Δα₆ 的标定'>4.3.2 偏置d₇和垂直度误差Δα₆的标定
• 5和偏置a₄ 的标定'>4.3.3 臂长b₅和偏置a₄的标定
• 3和偏置a₂ 的标定'>4.3.4 臂长b₃和偏置a₂的标定
• 5和d₅，a₃和d₃ 的标定'>4.3.5 a₅和d₅，a₃和d₃的标定
• 2、 Δα₃和 Δα₄、 Δα₅的标定'>4.3.6 垂直度误差 Δα₂、 Δα₃和 Δα₄、 Δα₅的标定
• 4.4 本章小结
• 第五章 数据采集系统
• 5.1 角度信号处理模块设计
• 5.1.1 四细分辨向及24 位可逆计数器模块设计
• 5.1.2 锁存信号处理
• 5.2 单片机及控制总线的选型
• 5.3 数据采集电路软件设计
• 5.4 PC端软件设计
• 5.5 本章小结
• 第六章 系统实验
• 6.1 系统结构参数误差显著性分析实验
• 6.1.1 单点误差显著性分析实验
• 6.1.2 多点误差显著性分析实验
• 6.2 标定实验系统
• 6.3 关节零位确定
• 6.4 系统参数测量
• 7和a₆ 的测量'>6.4.1 测头端b₇和a₆的测量
• 7和垂直度误差Δα₆ 的测量'>6.4.2 偏置d₇和垂直度误差Δα₆的测量
• 4、b₅ 的测量'>6.4.3 偏置a₄、b₅的测量
• 2 的测量'>6.4.4 垂直度误差Δα₂的测量
• 6.4.5 实验结果分析
• 6.5 数据采集系统实验
• 6.5.1 CPLD四细分、辨向实验
• 6.5.2 光栅Z信号使用实验
• 6.5.3 数据传输实验
• 6.6 本章小结
• 全文总结与展望
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢