多關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、隨著先進(jìn)制造技術(shù)的快速發(fā)展，逆向工程作為一種快速獲取物體三維模型的先進(jìn)技術(shù)手段，在現(xiàn)場(chǎng)大型零、部件的幾何尺寸檢測(cè)、質(zhì)量控制和虛擬現(xiàn)實(shí)等眾多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的逆向測(cè)量設(shè)備是笛卡爾式三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，它以其成熟的技術(shù)和卓越的性能而享有“測(cè)量中心”的美譽(yù)，但由于受相互垂直的三軸導(dǎo)軌和安裝環(huán)境的限制，難以滿足工業(yè)生產(chǎn)中提出的多種現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量要求。作為一種新型的多自由度非笛卡爾式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，多關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測(cè)量臂應(yīng)運(yùn)而生。它以角度測(cè)量基準(zhǔn)取代三坐標(biāo)

2、測(cè)量機(jī)的長(zhǎng)度測(cè)量基準(zhǔn)，具有便攜性好、體積小、重量輕、運(yùn)動(dòng)靈活、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量方便、價(jià)格較便宜等優(yōu)點(diǎn)，因此有著廣闊的發(fā)展前景。
　　 本論文主要研究?jī)?nèi)容包括多關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測(cè)量臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)學(xué)模型、運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)誤差分析，系統(tǒng)標(biāo)定方法關(guān)鍵問(wèn)題，論文從理論和技術(shù)兩個(gè)層面上在這些問(wèn)題進(jìn)行了系統(tǒng)而深入地探討。
　　 針對(duì)多關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測(cè)量臂的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了機(jī)械結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。為了保證整個(gè)測(cè)量設(shè)備的測(cè)量精度和結(jié)構(gòu)緊湊，關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)

3、機(jī)構(gòu)采用了高精度的滾動(dòng)軸承，并盡可能地減輕旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的晃動(dòng)；選用滑環(huán)結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)無(wú)限旋轉(zhuǎn)的目的，從而避免了信號(hào)線在測(cè)量臂內(nèi)部絞斷的問(wèn)題。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用了先進(jìn)的嵌入式系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，減少了信號(hào)傳輸線的數(shù)量，降低了機(jī)械結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，并且提高了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。
　　 據(jù)文獻(xiàn)研究表明，測(cè)量臂定位誤差中的95％是由所建立運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的不準(zhǔn)確所引起的。由此可見(jiàn)，運(yùn)動(dòng)學(xué)模型對(duì)測(cè)量臂的測(cè)量精度極為重要。目前國(guó)內(nèi)外機(jī)構(gòu)或者學(xué)者大多仍

4、采用傳統(tǒng)的D-H模型來(lái)作為測(cè)量臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，其缺陷在于它是4自由度參數(shù)模型，缺乏完備性。針對(duì)這一研究現(xiàn)狀，本文提出建立最佳基準(zhǔn)位姿原則，便于利用POE公式和LocAlPOE公式來(lái)建立測(cè)量臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。這兩個(gè)模型均是6自由度參數(shù)模型，可以較好地克服傳統(tǒng)D-H模型的缺陷。在所建立的運(yùn)動(dòng)學(xué)基礎(chǔ)上，提出關(guān)鍵桿長(zhǎng)的設(shè)計(jì)原則，以避免測(cè)量空間內(nèi)出現(xiàn)“空腔”現(xiàn)象。
　　 從三個(gè)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型出發(fā)，分析了測(cè)量臂的誤差源成因，建立了運(yùn)動(dòng)學(xué)修正模型并

5、研究了各運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)誤差對(duì)測(cè)量精度的影響規(guī)律，為測(cè)量臂的設(shè)計(jì)和制造提供了理論依據(jù)。
　　 為了提高測(cè)量臂的測(cè)量精度，提出了兩種新穎的測(cè)量臂標(biāo)定方法。這兩種標(biāo)定方法的特點(diǎn)是算法易于實(shí)現(xiàn)，標(biāo)定過(guò)程簡(jiǎn)便。它們克服了以往標(biāo)定方法中所用的優(yōu)化算法復(fù)雜，矩陣病態(tài)，初值選取過(guò)于苛刻，迭代計(jì)算中的求導(dǎo)和求逆會(huì)引入較大的計(jì)算誤差，計(jì)算的結(jié)果極有可能陷入局部最優(yōu)解而得不到全局最優(yōu)解等諸多問(wèn)題。標(biāo)定實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，標(biāo)定后的測(cè)量精度可以滿足測(cè)量臂的精度要求