球坐标测量机器人动态误差分析

论文摘要

随着生产和科学的发展,越来越多的场合要求采用非正交坐标测量系统。将先进的机器人技术和完善的测量技术相结合的机器人测量系统,成为坐标测量机的一种发展趋势。因此对非正交坐标测量系统的误差研究变得非常有意义。长期以来,坐标测量机的误差研究是以静态为主；然而,随着测量机测量速度的加快,动态误差成为影响测量精度的主要因素。深入研究坐标测量机的动态误差及其处理方法,对提高测量机高速测量时的动态精度及改进其结构设计都有十分重要的意义。本文以三坐标测量机理论为基础,结合机器人技术的研究成果,主要对测量机器人的动态位姿误差进行了研究。首先从其结构特点出发,建立D-H模型进行运动学分析；在此基础上建立静态误差模型,分析由机构误差所引起的静态误差。其次,应用有限元法对测量机器人进行运动弹性动力分析：利用Matlab软件结合纽马克逐步积分法,求解弹性动力分析所得的变系数运动微分方程,得到测量机器人的动态误差。再次,针对测量机器人产生动态测量误差的主要原因,采用重力平衡方式进行平衡以减小动态误差。最后,对平衡后的机构再次进行运动弹性动力分析,求得平衡后机构的动态误差；并运用与SolidWorks无缝集成的COSMOSMotion软件进行运动仿真。最终结果表明,平衡后系统的动态误差在±5μm以内,满足系统使用要求。文中对于动态误差的分析,为研究测量机动态误差提供了一种方法,具有一定参考意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 国内外相关技术的发展现状
• 1.2.1 正交坐标测量机的概况
• 1.2.2 非正交坐标测量机的发展
• 1.2.3 非接触式坐标测量机的优势
• 1.2.4 坐标测量机误差分析的现状
• 1.3 课题的意义和来源
• 1.3.1 课题意义
• 1.3.2 课题来源
• 1.4 课题研究的主要内容
• 2 测量机器人总体方案设计
• 2.1 测量任务及工作要求
• 2.1.1 测量任务
• 2.1.2 工作要求
• 2.2 测量机结构组成
• 2.2.1 机械主体
• 2.2.2 高精度转台
• 2.2.3 标尺系统
• 2.2.4 驱动装置
• 2.2.5 测头系统
• 2.3 测量机工作原理
• 2.3.1 空间几何尺寸的测量
• 2.3.2 表面缺陷的测量
• 2.3.3 测头的工作原理
• 2.4 本章总结
• 3 测量机器人运动学分析
• 3.1 D-H模型简介
• 3.2 测量机器人运动学正问题
• 3.3 测量机器人运动学逆问题
• 3.4 运动学仿真
• 3.4.1 运动学正问题仿真
• 3.4.2 运动学逆问题仿真
• 3.4.3 结论
• 3.5 本章小结
• 4 测量机器人静态误差分析
• 4.1 引言
• 4.2 测量机器人的位姿描述
• 4.2.1 位置广义坐标的描述
• 4.2.2 姿态广义坐标的描述
• 4.3 机器人静态误差模型的建立
• 4.3.1 位置误差模型
• 4.3.2 姿态误差模型
• 4.4 测量机器人静态误差计算
• 4.4.1 位置误差计算
• 4.4.2 姿态误差计算
• 4.4.3 结论
• 4.5 本章总结
• 5 测量机器人动态误差分析
• 5.1 引言
• 5.2 系统模型的建立
• 5.3 系统梁单元的分析
• 5.3.1 位移与广义坐标的关系
• 5.3.2 梁单元的动能表达式
• 5.3.3 梁单元的变形能表达式
• 5.3.4 梁单元的运动微分方程式
• 5.4 测量机器人运动微分方程的建立
• 5.4.1 坐标协调矩阵
• 5.4.2 质量矩阵
• 5.4.3 阻尼矩阵
• 5.4.4 刚度矩阵
• 5.4.5 广义力列阵
• 5.4.6 外力列阵
• 5.5 系统运动微分方程的求解
• 5.6 测量机器人的动态误差值
• 5.7 本章总结
• 6 测量机器人平衡计算
• 6.1 测量机器人的平衡
• 6.2 平衡后测量机器人微分方程的建立
• 6.2.1 平衡后系统梁单元的分析
• 6.2.2 平衡后系统微分方程的建立
• 6.3 平衡后测量机器人的动态误差值
• 6.4 本章总结
• 7 基于COSMOSMOTION的测量机器人动态仿真
• 7.1 软件简介
• 7.2 机构仿真
• 7.2.1 测量机器人实体模型的建立
• 7.2.2 测量机器人动态仿真
• 7.3 本章总结
• 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 在校期间发表的论文