论文摘要
目前,随着工业测量和加工技术的发展,传统的正交坐标测量机在很多场合的应用受到限制,例如:生产线中零件的在线检测、车间现场中零件的检测、大尺寸零件的测量、室外环境中物品的逆向数据采集等。而基于非正交系的坐标测量系统,结构上采用仿人工关节臂等结构形式,与传统的坐标测量机(CoordinateMeasuring Machine,CMM)相比,具有体积小、重量轻、灵活轻巧、搬运方便、测量空间大、操作简单、价格低等优势,近年来其应用需求不断扩大。但限制其广泛使用的关键因素是测量精度相对偏低。本论文开展一种非正交坐标测量系统—柔性坐标测量机的研究,重点围绕柔性坐标测量机的结构设计与精度问题,建立系统运动学模型和误差模型,讨论结构参数的优化与精度的关系,并进行了仿真分析与实验验证。首先设计了柔性坐标测量机的机械结构。确定了机械结构的关节自由度数及关节连接方式,关节之间测量信号线的连接采用滑环装置,实现了关节的无限制旋转,使操作灵活、方便,且无测量死角。关节材料选用高硬度的航空铝合金,臂身杆件材料选用碳素纤维,降低结构重量以便于操作,同时也降低杆件由于室温变化所引起的热变形。建立了柔性坐标测量机的运动学模型和误差模型。具体包括:第一步建立理想运动方程,第二步在考虑结构参数误差与角度传感器误差后得到综合测量方程,第三步根据综合测量方程推导出测量机的系统误差模型和随机误差模型。分析了25项结构参数的误差对测头位置精度的影响权重,重点对测量机的关节杆长和零件公差进行了优化分析。对回转轴等关键零件进行了应力与应变的有限元分析,验证了结构设计的合理性。利用Matlab软件对测量机系统误差模型和随机误差模型进行了仿真计算,以验证模型的正确性。对论文设计的柔性坐标测量机的系统误差和随机误差进行了实例计算,并对系统误差进行了标定仿真,有效地消除系统误差对测量精度的影响。最后,对论文研究工作和取得的结论进行了归纳总结。
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摘要ABSTRACT目录第1章 绪论1.1 引言1.2 三维测量技术的演变1.3 柔性坐标测量机的研究现状1.3.1 非正交系坐标测量系统简介1.3.2 柔性坐标测量机的国内外研究现状1.4 论文研究的背景与意义1.5 论文的主要研究内容1.6 本章小结第2章 柔性坐标测量机的总体方案与结构设计2.1 柔性坐标测量机的总体方案2.1.1 自由度的选择2.1.2 信号采集系统2.1.3 软件系统2.2 柔性坐标测量机机械结构详细设计2.2.1 基座部件设计2.2.2 横关节部件设计2.2.3 臂身杆件设计2.2.4 测头部件设计2.2.5 平衡系统设计2.3 机械结构薄弱部件的有限元分析2.3.1 空心轴的强度校核2.3.2 空心轴的刚度校核2.4 本章小结第3章 柔性坐标测量机的运动学模型与误差模型3.1 柔性坐标测量机的运动学模型3.1.1 坐标变换的基本原理3.1.2 D-H方法建模基础3.1.3 柔性坐标测量机的运动学模型3.2 柔性坐标测量机的误差源分析3.2.1 测量机的系统误差3.2.2 测量机的随机误差3.3 柔性坐标测量机的误差模型3.3.1 关节晃动导致的测量误差分析及建模3.3.2 杆件参数导致的测量误差分析及建模3.3.3 考虑关节晃动与杆件参数后的综合测量方程3.3.4 柔性坐标测量机各项误差的数学模型3.4 本章小结第4章 柔性坐标侧量机的结构参数分析与优化设计4.1 柔性坐标测量机结构参数对测头位置误差的影响分析4.1.1 关节转角误差对测头位置的影响4.1.2 关节扭转角误差对测头位置的影响4.1.3 杆长误差对测头位置的影响4.1.4 关节偏置量误差对测头位置的影响4.2 杆件长度参数的分析与优化4.2.1 空间无测量死角时的杆长要求4.2.2 柔性坐标测量机各杆长比例的优化设计4.3 柔性坐标测量机结构参数公差的优化分配4.3.1 零件公差对测头位置误差的影响分析4.3.2 柔性坐标测量机各结构参数误差的优化分配4.4 本章小结第5章 柔性坐标测量机的仿真与试验研究5.1 柔性坐标测量机误差模型的仿真验证5.1.1 系统误差模型的验证5.1.2 随机误差模型的验证5.2 柔性坐标测量机结构优化设计的实例计算与分析5.2.1 系统误差引起的测头位置误差计算及分析5.2.2 随机误差引起的测头位置误差计算与分析5.3 柔性坐标测量机的结构参数标定仿真5.3.1 单点标定方法5.3.2 单点标定实例5.4 部分关节部件的测试5.4.1 关节功能原理及数据采集测试5.4.2 机械结构的精度测试5.5 本章小结第6章 结论与展望6.1 结论6.2 展望参考文献致谢
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