柔性坐標(biāo)測(cè)量機(jī)精度理論及應(yīng)用技術(shù)研究.pdf

1、傳統(tǒng)的正交坐標(biāo)測(cè)量機(jī)以其成熟的技術(shù)與強(qiáng)大的功能而享有“測(cè)量中心”的稱謂，非正交坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)以其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)同樣得到了廣泛的應(yīng)用。本文研究了一種非正交坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)——六自由度柔性關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，該儀器具有測(cè)量范圍大、使用靈活輕便等優(yōu)點(diǎn)，但限制其實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵就是其測(cè)量精度的問(wèn)題，本文主要研究工作正是圍繞這一點(diǎn)展開(kāi)的。 首先使用了D-H方法對(duì)所設(shè)計(jì)的柔性坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)模型分析，給出了測(cè)量機(jī)的測(cè)量方程式，分析了測(cè)量機(jī)

2、的測(cè)量空間。利用微分運(yùn)動(dòng)理論建立了柔性坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的誤差模型。推導(dǎo)出了測(cè)量機(jī)測(cè)頭位置系統(tǒng)誤差與隨機(jī)誤差的表達(dá)式，并探討了測(cè)量機(jī)熱變形誤差。給出了零件公差與測(cè)量機(jī)測(cè)頭位置誤差之間的定量關(guān)系，并以此為基礎(chǔ)給出了測(cè)量機(jī)零件公差優(yōu)化模型，進(jìn)行了測(cè)量機(jī)關(guān)鍵桿長(zhǎng)比例優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。針對(duì)測(cè)量機(jī)關(guān)節(jié)誤差對(duì)測(cè)頭位置誤差的傳遞系數(shù)進(jìn)行了分析研究。并進(jìn)行了測(cè)量機(jī)各個(gè)關(guān)節(jié)的誤差分配。 建立了柔性坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的多種結(jié)構(gòu)參數(shù)標(biāo)定模型。包括：基于高精度正交三坐標(biāo)測(cè)

3、量機(jī)的單點(diǎn)標(biāo)定模型，以及基于空間距離的標(biāo)定模型。在基于空間距離的標(biāo)定模型中，指出其中只有21項(xiàng)結(jié)構(gòu)參數(shù)線性無(wú)關(guān)，并給出了具體的單點(diǎn)錐窩標(biāo)定法、空間直線位移標(biāo)定法、以及基于步距規(guī)的標(biāo)定法。這些標(biāo)定方法簡(jiǎn)單實(shí)用，且效率高，尤其是步距規(guī)標(biāo)定法，具有極高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。 針對(duì)非線性最小二乘法求解21項(xiàng)結(jié)構(gòu)參數(shù)時(shí)的解的抗干擾性、結(jié)構(gòu)參數(shù)可辨識(shí)性問(wèn)題進(jìn)行了深入的研究與討論。從使用高斯-牛頓法的求解過(guò)程、以及算法收斂性條件的角度，指出在標(biāo)定柔

4、性坐標(biāo)測(cè)量機(jī)21項(xiàng)結(jié)構(gòu)參數(shù)時(shí)，必須使得初始值的選取充分接近真實(shí)值，同時(shí)還要盡量減小Jacobin矩陣的條件數(shù)，給出了標(biāo)定時(shí)一種實(shí)用的采樣策略。 進(jìn)行了與柔性坐標(biāo)測(cè)量機(jī)精度相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究。采用常見(jiàn)的大尺寸量塊對(duì)測(cè)量機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)誤差進(jìn)行了標(biāo)定，并對(duì)柔性坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的整體精度進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明，在標(biāo)定前后，測(cè)量機(jī)的空間距離測(cè)量精度從標(biāo)定前的毫米級(jí)提高到±0.1mm，精度提高了近100倍，使得其測(cè)量誤差中的系統(tǒng)成分得到了修正。

5、 由實(shí)驗(yàn)所測(cè)的關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)誤差、編碼器隨機(jī)誤差等數(shù)據(jù)，結(jié)合推導(dǎo)出的柔性坐標(biāo)測(cè)量機(jī)誤差模型，計(jì)算得到的測(cè)量機(jī)測(cè)量空間距離的極限誤差值與實(shí)際測(cè)試值基本吻合。這不但證明了標(biāo)定模型與技術(shù)得到了較為理想的結(jié)果，還證明了本文所提出的柔性坐標(biāo)測(cè)量機(jī)誤差模型的正確性。 本文的理論建模與實(shí)驗(yàn)研究構(gòu)成了提高柔性坐標(biāo)測(cè)量機(jī)整機(jī)精度的核心研究?jī)?nèi)容，由此形成了一套切實(shí)可行的核心關(guān)鍵技術(shù)，這套技術(shù)保證了將柔性坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的精度提高到能夠?qū)嶋H應(yīng)用的水平，對(duì)于柔性

6、坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的產(chǎn)品化起到了決定性的作用。文中提出的誤差模型還指出，要想繼續(xù)提高測(cè)量機(jī)的整機(jī)精度所必須滿足的最低條件，并能依據(jù)誤差模型從整機(jī)能夠達(dá)到的精度等級(jí)反算測(cè)量機(jī)各個(gè)關(guān)節(jié)所應(yīng)該滿足的最低精度水平，這對(duì)于柔性坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)與節(jié)約成本有實(shí)際的指導(dǎo)意義。同時(shí)，文中提出的結(jié)構(gòu)參數(shù)標(biāo)定模型簡(jiǎn)便實(shí)用，實(shí)驗(yàn)成本低且標(biāo)定效果極為明顯。因此，本文研究得出的誤差模型、標(biāo)定模型已經(jīng)能夠全面應(yīng)用于柔性坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的制造與產(chǎn)品化，具有極高的學(xué)術(shù)與實(shí)際應(yīng)用價(jià)