关节臂式坐标测量机标定技术的研究

论文摘要

关节臂式坐标测量机是一种新型的非正交系坐标测量机,它仿照人体关节结构,将多个杆件和一个测头通过旋转关节串联连接,以角度测量基准取代长度测量基准,从而具有结构简单、体积小、量程大、便于现场使用等优点,具有广泛的应用前景。但是目前国内自主研发的同类产品还很少,无法与国外生产厂家形成竞争,为了加快关节臂式坐标测量机的发展,本文针对该系统的核心技术——标定技术进行了深入的研究。本论文研究的课题来源于天津大学与生产厂家签定的“关节臂三坐标测量机的研制与开发”项目,论文的主要工作包括以下几个方面:建立了五轴三臂式关节臂坐标测量系统的理想数学模型,对可能存在的影响测量结果的误差进行了详细的分析和合理的分类,建立了实用的、便于误差补偿的带误差数学模型,此带误差数学模型充分考虑了各种影响测量结果的误差因素。在分析国内外关节臂式坐标测量机的相关标定技术的基础上,提出了一整套标定关节臂式坐标测量机的参数的新方法。该标定方法使得各参数的标定误差尽量减小,整个测量过程中都使用相对测量,提高了标定的精度。设计了适用于上述标定方法的关节臂坐标测量机标定装置,该装置采用夹具式结构,而非测量机式,使用方便快速,造价低。整个标定装置的设计保证了标定的高精度且满足多种任务要求。设计了基于单片机和LabVIEW的标定装置测量控制系统,系统采用上位机+下位机结构。直流电机由下位机电路板提供控制信号,单片机完成标定装置的控制并将数据上传到PC机;上位机程序由虚拟仪器开发平台LabVIEW完成,实现与单片机间的通信和指令处理,界面友好,易于操作。最后完成了与标定装置测量架运动精度有关的实验,证明了该装置的设计可以满足标定的需要。使用该标定装置完成了对标准球头棒的标定实验,验证了部分标定方案的正确性和可行性,并对整体标定方法进行了精度分析。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的立论依据及研究意义
• 1.2 关节臂式坐标测量机的发展现状
• 1.3 国内研究现状
• 1.4 论文的主要工作
• 第二章 数学模型的建立
• 2.1 关节臂式坐标测量机的系统构成
• 2.2 坐标变换矩阵
• 2.3 理想数学模型
• 2.3.1 Denavit-Hartenberg 方法的基本原理
• 2.3.2 理想数学模型的建立
• 2.4 误差数学模型
• 2.4.1 测量系统中包含的各类误差
• 2.4.2 系统的带误差数学模型
• 2.5 数学模型图解法验证
• 2.6 本章小结
• 第三章 标定原理及方法
• 3.1 需要标定的参数
• 3.2 零位的确定
• 3.2.1 零位的定义
• 3.2.2 坐标轴位置的确定
• 3.2.3 编码器零位的确定
• 3.3 反转标定法
• 3.4 几种结构参数的标定及误差补偿
• 3.4.1 转角误差标定
• 3.4.2 臂长的标定
• 3.4.3 倾角和偏置的标定
• 3.5 本章小结
• 第四章 标定系统机械结构的设计
• 4.1 标定装置总体设计
• 4.1.1 标定系统的主要功能
• 4.1.2 标定系统总体结构介绍
• 4.2 测量架的机械构成与工作原理
• 4.3 测量架的传动机构与直线导轨
• 4.3.1 螺母丝杠传动机构
• 4.3.2 直线导轨与导向轴承
• 4.4 伺服系统
• 4.4.1 永磁直流电机
• 4.4.2 行程开关
• 4.5 本章小结
• 第五章 标定装置测量控制系统的设计
• 5.1 测量架控制系统的主要功能及实现方案
• 5.2 测量架测控电路的总体框架
• 5.3 电机控制电路的设计
• 5.3.1 基于PWM 方法的速度控制电路
• 5.3.2 位置控制的实现
• 5.3.3 上下位机通讯电路设计
• 5.4 电机控制程序的设计
• 5.5 控制界面和数据采集程序的设计
• 5.6 本章小结
• 第六章 系统实验及精度分析
• 6.1 测量架控制电路性能实验
• 6.1.1 重复性实验
• 6.1.2 数据传输实验
• 6.2 平尺的直线度校准实验
• 6.3 标准球棒的标定实验
• 6.4 标定实验的误差分析
• 6.5 本章小结
• 第七章 全文总结与展望
• 7.1 本课题的主要工作总结
• 7.2 技术展望
• 参考文献
• 附录：电机控制电路原理图
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢