（测试计量技术及仪器专业论文）关节三坐标测量机温度误差修正技术研究.pdf

关节三坐标测量机温度误差修正技术的研究 摘要 本课题是与加拿大的合作项目“关节三坐标测量机的研制”的一部分。对 于三坐标测量机而言，除了主要的机械组成部分和电路部分外，温度误差修正 部分也是组成坐标测量机的重要组成部分，用来保证三坐标测量机的测量精度。 本文介绍了国外主流关节三坐标测量机的现状，以及本项目研制的关节三 坐标测量机的工作原理和组成部分，制定了以m a x l 4 0 2 为核心、以单片机控 制数据采集的关节三坐标测量机温度量数据采集系统设计方案，以及分析温度 对坐标测量机测量臂的影响并寻找到一种合适的温差修正方法进行修正。 本论文详细叙述了温度量数据采集系统的硬件电路设计、软件程序设计， 及温度误差修正方法其中重点介绍了温度量数据采集系统的硬件开发及软件 编程，和实现数据传输硬件设计和控制程序的设计；接口方面介绍了单片机与 上位机的接口设计。 本课题设计的硬件电路经过初期的调试，并通过与坐标测量机的机械部分 结合，证明此硬件电路能正常运行，能达到温度传感器数据采集的要求，并通 过温度误差修正方法修正温度带来的误差，使精度得到提高。 关键字：关节三坐标测量机温度误差修正m a x l 4 0 2单片机 t h er e s e a r c ho ft e m p e r a t u r ee r r o rc o r r e c t i o n t e c h n o l o g yp c m m a b s t r a c t t h et o p i ci sap a r to ft h ed e s i g n , w h i c hi st h ec o o p e r a t i o np r o j e c tw i t h w h o l s e nh o l d i n g sl t d c a n a d a , n a m e dd e s i g no fp c m m f o rp c m m ，i na d d i t i o n t ot h em a j o rm e c h a n i c a lc o m p o n e n t s ，t h et e m p e r a t u r ee r r o rc o r r e c t i o ni sa l s oa n i m p o r t a n tp a r to f c o m p l e t i n gt h ep c m m 。 t h ep a p e ri n u o d u c e sf o r e i g nm a i m s t r e a mp c m m n o w a d a y s ，a n di n n - o d u c c s t h ep r i n c i p l e sa n dc o m p o n e n t so f t h ep c m m b e s i d e st h e s e ，i tg i v e sa d e s i g no f t h e t e m p e r a t u r ed a ma c q u i s i t i o np r o j e c tf o rt h ep c m m , m a x l 4 0 2 i st h em a j o re l e m e n t a n dm c ui su t i l i z e dt ot r a n s m i tt h ec o l l e c t i o nd a m , t h e nt h ee f f e c to ft e m p e r a t u r e e r r o r0 1 1t h em e a s i r 9 1 n e n tp r e c i s i o no fe a c hm e a s u r e m e n tm e c h a n i s mi sa n a l y z e d a n du s i n gp r o p e rm e t h o d si oc o r r e c ti t t h ed e s i g no fh a r d w a r ec k c m to ft h et e m p e r a t u r ee r r o rc o r r e c t i o na n dt h e p r o g r a m m i n gd e s i g no fs o f t w a r ea n dt h em e t h o do ft e m p e r a t u r ee r r o rc o r r e c t i o na l e m a i r d yi n t r o d u c e di nt h i sp a p e r , w h i c hf o c u so nt h eh a r d w a r ed e s i g na n ds o r w a r co f t e m p e r a t u r ed a t aa c q u i s i t i o n , a n do nt h ed a t at r a n s m i s s i o nd e s i g nw i t hm c u i n i n t e r f a c ea s p e c t s ，t h ei n t e f f a v eb e t w e e np ca n dm c ua l ei n t r o d u c e d a 盎e fi n i t i a ld e b u g g i n g , i ti sp r o v e dt h a tt h eh a r d w a r ed r c u i t , u s e di nc o r d m e a s u r e m e n tm a c h i n e s ，c a no p e r a t en o r m a l l y , a n dt h a tt h eh a r d w a r ec i r c u i tc a n r e a c ht h er e q u i r e m e n t so f t e m p e r a t u r es c i g s o rd a t aa c q u i s i t i o n w i t ht h ep r o p e re r r o r c o n e c d o nt e c h n o l o g y , t h em e a s u r e m e n tp r e c i s i o nh a sb e e ni m p r o v e d k e yw o r d s ：p c m m ：d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ；m a x l 4 0 2 1m c u 插图目录 图1 1c i m c o r e 公司的3 0 0 0 i t m 系列可移动式柔性三坐标测量机2 图1 2c i m c o r e 公司的i n f i n i t e 产品2 图l 3f a r o 公司的f a r oc r a g e 旗舰版及f a r og a g e 标准版3 图1 - 4r o m e r 公司出品的a r m 2 0 0 0s l g m a 系列3 图2 1关节三坐标测量机结构简图。6 图2 2关节三坐标测量机杆件间的相互关系。7 图2 3关节三坐标测量机各杆件坐标系转换。8 图3 1温度量数据采集系统框图 图3 - 2d 型a d c 调制器1 8 图3 - 3s n r 与过采样的关系1 9 图3 - 4m a x l 4 0 2 原理框图。2 0 图3 5 片内寄存器 图3 - 6m a x l 4 0 2 串行接口时序。2 l 图3 7与r t d 的3 线制接口电路2 3 图3 8 与r t d 的4 线制接口电路 图3 - 9h c f 4 0 5 l b 引脚图2 3 图3 1 0 温度测量电路与单片机连接示意图2 4 图3 1 lc p 2 1 0 2 示例电路框图2 9 图3 1 2u s b 硬件接口电路图3 0 图3 1 3 程序下载流程图3 l 图3 1 4s t c i s p 窗口介绍3 2 图4 _ l单片机主程序流程图3 3 图4 - 2温度采集程序流程图3 3 图4 3数据采集界面3 6 图5 1数据采集系统电路板3 7 图5 - 2u s b 接口调试。 图5 3数据显示4 0 图5 4 恒温水槽实物图4 2 图5 5标准铂电阻温度计p t 2 5 4 3 图5 62 0 0 0 型6 数字万用表4 4 图5 7 仿真结果图。 图5 8用最小二乘法拟合过的直线4 6 表格清单 表2 1测量臂转换矩阵参数表。8 表2 - 2主要热电阻材料的特性1 l 表2 - 3铂电阻的等级1 1 表3 1控制寄存器地址2 1 表3 2通道选择的真值表2 4 表3 3c p 2 1 0 2 串行总线的数据格式和波特率2 9 表5 1温度传感器标定实验的数据4 5 表5 - 2校准温度计p t 2 5 的读数4 6 表5 3恒温水槽的实际温度4 6 表5 - 4实际杆件的结构参数表4 7 表5 - 5 计算结果4 8 i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我 所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究 成果，也不包含为获得 金h b 王些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：奇箍签字日期：) 田年争月矽日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金匿王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权金壁王些 灶可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：寺液 签字日期：知叮年年月) 7 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名 签字日期： 电话： 邮编： 日 口， 露叭肛升郇 莎，f 致谢 本论文是在我的导师胡毅副教授的悉心指导下完成的，这其中倾注了导师 的大量心血。在我攻读硕士学位的三年时间里，胡老师总是最大限度地提供良 好的学习和科研条件，使我的专业技术知识和科研能力得到了较大的提升。胡 老师丰富的实践经验、严谨的治学精神令我终身难忘胡老师不仅在学习和专 业技术方面给予精心的指导和帮助，在工作、生活上亦悉心关怀，这将激励我 在以后的人生道路上奋发图强、努力拼搏l 在此，谨向胡老师表示衷心的感谢 并致以深深的敬意。 感谢费业泰教授、胡鹏浩教授、刘文文老师等仪器科学与光电工程学院的 其他老师，自从我入学到现在，得到了他们很多关心和帮助。 同时感谢我的同学程文涛、姜涌、文江涛、姬翔、王正蓉、刘丹、郑群， 他们都给了我很大的鼓励和帮助，令我度过了很多愉快的时光。 谨以此文献给我的父母和家人，献给所有关心、帮助过我的老师、同事和 朋友们! 于波 2 0 0 7 年4 月于合肥工业大学 1 1 意义 第一章绪论 三坐标测量机作为一种通用性强、自动化程度高、高精度测量系统在先进 制造技术与科学研究中有极广泛的应用【1 1 英国f e r r a n t i 公司于1 9 5 9 年生产出 首台三坐标测量机，可测量任意物件的尺寸、形状、位置和状态，当时被称为 万能型测量机时光转瞬过去了四十余年，在这期间，三坐标测量机技术有了 突飞猛进的发展，出现了许多生产精密测量机的厂家。现在三坐标测量机已被 广泛应用于实际生产和研究开发的各个领域。 随着科学技术的不断发展，三坐标测量机通过与其它多种新技术结合，使 其功能越来越强，精度也越来越高，但随之而来的是成本也相应增加，价格昂 贵。由于其应用的灵活性受到限制，难于符合现代生产中提出的适于多种场合、 满足不同类型测量的要求，这些情况都对传统的正交坐标测量机的运用和发展 提出了新的挑战。因此，近年来不同形式的非正交坐标测量机或测量系统相继 出现。这些非正交坐标测量机均具有灵活性好的特点，其价格一般也较低，因 此深受各制造厂家的欢迎，有着较好的发展前景，但非正交坐标测量机的坐标 换算较复杂，测量精度不高，同样也使得其应用场合受到限制。因此研制一种 高精度，低成本，灵活轻便的非正交坐标测量机将具有重要经济实用价值和广 阔的市场前景1 2 j 关节三坐标测量机作为一种典型的非正交坐标测量机，具有机械结构简单、 体积小、测量范围大等优点。它仿照人体手臂的关节结构，将三个杆件和一个 测头通过六个旋转关节串联起来，以角度测量基准取代了长度测量基准。然而 为了满足多方位灵活测量被测件的要求，关节三坐标测量机的关节和杆件配置 通常比一般机器人复杂 1 2 国内外研究概况 由美国c i m c o r e 公司出品的3 0 0 0 i t m 系列可移动式关节三坐标测量机是 目前世界上最精密的关节臂式测量机( 如图1 1 所示) ，有1 2 m 、1 8 m 、2 4 m 、 2 8 m 、3 6 m 等多种规格可供选择其中1 2 m 手臂可提供高达士0 0 0 5 m m 的单 点球测精度。该系列产品是专门为需要高精度的检测和逆向工程应用而设计的。 该系列产品非常适合于金属加工、钣金加工、装配和模具制造等的检测和逆向 工程配合普赛公司的三维激光测头、逆向工程软件或p o w e r i n s p e c l 删检测 软件，该产品可以广泛应用于总装车间、分装车间、零部件生产、原型制作、 焊装等的检测或逆向工程应用嘲。 c i m c o r e 公司还推出了配备有先进激光扫描测量系统的i n f i n i t e 系列 产品，如图1 - 2 所示该仪器采用碳纤维材料制造，重量轻而刚性好，具有无 图1 - 1c l m c o r e 公司的3 0 0 0 i t m 系列可移动式柔性三坐标测量机 线通讯功能；采用p c d m i s 软件，测量功能强；配上管件测量系统附件，还可 实现对管件的长度、弯曲度、回弹等多种数据的测量和比较。测量范围为1 2 m 的仪器点测重复精度达o 0 1 0 m m ，空间精度达o 0 1 5 m m 。用于反求工程时，不 仅测量速度快，而且可以实现测量过程的实时显示和补漏测量数据的无缝拼接。 该仪器可用于三坐标测量、三维造型、产品测绘、反求工程、现场测量以及模 具设计制造等领域，涉及到设计、制造、过程检测、在线检测以及产品最终检 测等测量工作1 4 j 。 图l 一2c l m c o r e 公司的i n f i n i t e 产品 美国f a r o 公司研制的f a r og a g e 旗舰版及f a r og a g e 标准版( 如图l - 3 所示) ，是在线三坐标测量机的先驱。它具有1 2 米的测量范围，是一种“可就 2 地组装和安装”的三维测量仪，它具有轻便易携带、成本低廉、机械师无需专 门培训即可使用等优点1 5 i 。 除通过s p c 进行图形和表格报告之外，f a r og a g e 还可以将所有常规测量 设备更换为测量工具的可扩展库。这意味着可以节省更多的设备开支和获得更 佳的设备底线。安装f a r og a g e 只需几秒钟的时间。任何人都可以直接用它在 生产过程中或平台上测量部件和组件，同时不受空间限制。它专供车间工作人 员使用，其准确性和功能足以胜任类似g d & t 和s p c 等高级测量和统计分析工 作。此外，它还可以自动记录用户的所有测量结果并创建综合报告。 图1 - 3f a r o 公司的f a r og a g e 旗舰版及f a r og a g e 标准版 法国r o m e r 公司出品的a r m 2 0 0 0s i g m a 系列( 如图1 4 所示) 代表了 万能测量工具的最新创新。这一符合人体工程设计、轻质量、高强度的关节臂 式测量机，可提供比较经济的高精度现场测量，从而能够广泛使用在汽车、航 空航天，铸造和塑料等行业。它有九种长度，可以无限旋转，且在旋转上没有 图1 4r o m e r 公司出品的a r m 2 0 0 0s i g m a 系列 死角，具有更好的灵活性；全新设计的集成式灵巧型平衡机构；采用高分辨率 的编码器；采用碳纤维结构，热稳定好；具有无线通讯功能；便携式设计的锂 电池电源；采用触发测头、接触和非接触测头，可快速更换和自动识别；它具 有可移动的重复性安装座或磁性座嘲 虽然c i m c o r e 、f a r o 、r o m e r 这三家公司的关节三坐标测量机产品做 的很成熟，但是它们的价格昂贵，就会造成产品的生产成本升高，所以为研制 一种高精度、低成本的关节三坐标测量机提供了广阔的发展空间。 国内对三坐标测量机的研究起步较晚，因此，不论是从理论研究层面上还 是从制造技术层面上来说水平都较低，目前只有结构较为简单的关节三坐标产 品。由于其机械平衡性差、测量精度低，只能作为实验室的实验性产品使用 1 3 本课题解决的内容和预期的效果 关节三坐标测量机有六个自由度，属于多角度测量的多个极坐标系统串联 起来的非正交坐标系统。在各个极径不变的条件下，末端测头的空间位置由三 个关节臂上的六个角度参数决定，同时为了修正两个较长的极径在温度变化时 产生的测量误差，需要在每一个测量臂上安放一个温度传感器，所以关节三坐 标测量机的数据采集系统要实现六路角度信号的采集和两路温度信号的采集， 最后将采集到的圆光栅传感器和温度传感器的信号，通过u s b 接口传递给p c 机。待p c 机处理测量数据并进行误差修正 本课题是国际合作项目关节三坐标测量机研制中的一个子课题。为了提高 关节三坐标测量机的测量精度，减小温度对测量臂热变形的影响，在两个测量 臂上各放置一个温度传感器，完成温度信号的采集温度量数据采集系统将采 集到的温度传感器的信号传递到p c 机上，为p c 机处理测量数据和误差修正提 供完整的数据资料。 关节三坐标测量机的机械部分有一定的尺寸要求，这也限制了数据采集系 统的大小，为了减小系统尺寸以满足坐标测量机机械部分的安装要求，本设计 拟采用高集成度的m a x l 4 0 2 实现对温度信号的采集和处理。为了减少数据采 集系统与上位机的连线，同时也为了提高系统便携性，本设计中使用单片机的 串口与上位机的u s b 连接，实现数据的传输。因此，整个数据采集系统由单片 机和用于温度信号采集的a d 转换器组成，由此实现的温度量数据采集电路结 构简单、工作稳定可靠 由于关节三坐标测量机的数学模型是在理想情况下建立的，但在实际应用 中，要使三坐标测量机的环境温度控制在标准温度下是非常困难的。因为关节 三坐标测量机是一种需要在多种环境下工作的测量仪器，随着环境、工作时间 的不同，温度波动便不可避免因此修正温度带来的误差是必不可少的环节 综上所述，本设计需要解决好以下三部分的问题： 4 1 ) 温度量数据采集系统硬件电路的设计 2 ) 数据采集器和上位机通信接口设计。 3 ) 研究温度对坐标测量机各臂的影响，并采用误差修正技术修正。 本课题完成了温度量数据采集系统的设计，再通过u s b 接口实现坐标测量 机与上位机的通讯，最后建立适合于本测量系统的误差修正模型，以提高坐标 测量机的测量精度。 第二章关节三坐标测量机温度误差修正模型 2 1关节三坐标测量机总体方案 关节三坐标的测量系统由机械系统、电气系统以及软件系统三个系统共同 组成【7 】。机械结构主要是由主体和平衡系统组成，主体由基座、立柱、两个测 量臂、六个旋转关节、测头构成其主要的技术指标为： 空间测量范围：2 4 m ： 长度测量精度不大于o 0 5 m m l 夺测量重复性不大于0 0 1 m m l 总重量不大于1 0 k g 。 整个关节三坐标测量机实现测量的基础是机械结构，同时它也是实现测量 原理、建立测量模型的依据，其结构简图如图2 1 所示 图2 1 关节三坐标测量机结构简图 2 2 关节三坐标测量机的测量模型以及测量方程 关节三坐标测量机是多杆件串联系统，两杆件间的相对位姿描述是最终求 得测头位姿的基础它取决于两杆件之间的结构参数、运动形式和运动参数。 由于关节三坐标测量机的机械结构与机器人的手臂非常相似，采用工业机器人 中最常用的运动学建模方法d e n a v i t - - h a r t e n b e r g 方法1 8 1 1 9 1 1 1 0 】【l l l ( 简称d 。h 方法) 来建立最终的测量方程。 为了分析两相邻杆件的相互关系，首先应建立各杆件的坐标系在图2 - 2 6 中，设杆件f ，其与杆件f l 通过关节f 相连，与杆件i + 1 通过关节i + 1 相连。 按照d h 方法，杆件i 坐标系 o ：置z 互 的坐标原点设在关节i 的轴线和关节，+ l 的轴线的公垂线毋q 与关节t + l 的轴线相交处，z j 轴与关节“1 的轴线重合， 五轴与上述公垂线重合，且方向从关节f 指向关节i + 1 ，i 轴右手法则确定。 由图中可以看出，一个杆件有四个参数，其中两个参数为杆件本身参数，一个 是两关节轴线沿公垂线的距离，称为杆件长度：另一个是垂直于，的平面内两 个关节轴线的夹角弼，称为杆件扭角。还有两个参数表示相邻杆件的相互关系， 一个是沿关节埔自线的两个公垂线的距离d ；另一个是垂直于关节f 轴线的平面 内两公垂线的夹角q ，即置和z 之间的夹角 图2 - 2 关节三坐标测量机杆件间的相互关系 在用d h 法建立了杆件坐标系后。 j 0 1 f 一。j o z 。z j 。) 与i o , x , r , z 。) 之间的变 换可以用坐标系的平移、旋转来实现。可先令 翻- 置- 圪。z 绕z i 一。轴旋转只， 再沿轴z i - 平移d ，然后沿置轴移动，最后绕五轴旋转吼角，使 d f - 。五z j _ 与娩置互 重合用变换矩阵表示，则有 4 2 r o t ( z ) t r a n s ( o0d j ) t r a n s ( 0o ) r o t ( x ，1 ) ool 关节三坐标测量机可以看成是一个开式运动链，它是由六个杆件和一个测 头通过六个旋转关节串联而成。开链的一端固定在基座上，另一端是自由的， 安装测头，以完成测量任务，图2 - 3 是三坐标测量机各杆件坐标系变换图。其 7 蓉；i 哦警葶 中，杆件l 相对于机座参考坐标系 镜瓦k z o 的位姿矩阵记作4 。杆件2 相 对于杆件1 坐标系 n 五k z l 的位姿矩阵记作4 ：杆件2 相对于机座参考坐标 系 q 五k z o 的位姿矩阵是 。和4 ：乘积，记作如依此类推，测头的位姿 矩阵记作如，即 如= 4 1 4 2 如如如氏如( 2 - 2 ) 关节三坐标测量机在结构上是特殊的，式( 2 1 ) 中，杆件的四个参数中只 有只值是变化的，称为关节变量；其他三个参数i t 、珥、都是已知的，称为 结构参数，各杆件的参数列于表2 1 图2 3 关节三坐标测量机各杆件坐标系转换 表2 1 测量臂转换矩阵参数表 杆件编号i关节变量 口。( 单位：d e g ) 一 c o s 口fs i n 1 岛 - 9 0o 西 o- l 2 岛 9 0 一厶 ool 3 以 - 9 0o 以 01 4 以 9 0 一l 0ol 5 岛 - 9 0o 以 o- l 6 吼 9 0oooi 上表中各个参数的含义如前所述。由表2 1 可得出各转换矩阵如下： 8 c o s 铲常 0 s i n 岛 0 一c o s 岛 1o 0o 0s i n 见 0 一c o s 只 lo 00 0 s i n 吼 0 一c o s 吼 lo 0o r l00o l 4 = l362u | 【o001 j 其中，为测量机测头的长度由于无需考虑测头坐标系0 ，互写z 7 相对于基 准坐标系d o x o k z o 的姿态，只要给出坐标原点d 7 在基准坐标系中的位置即可 而d ，点即测头p 在坐标系q 五e 乙中的齐次坐标为： o s i n 魂一l c o s s s 0 1 ) 由此可得到测头p 在基准坐标系d o 凰k z o 中的坐标 为； 臣 = 4 鸣4 4 4 以4 曰= 4 鸣4 4 4 r ，s f i n 墨 骨 - s i n e , c o s o , o o s i n 岛 c o s 岛 o 0 一s i n 岛 c o s 岛 o 0 c 2 3 ) 上式即为关节三坐标测量机的测量模型，该模型仅仅包含了测量机结构参 数中名义值不为零的参数，比如在模型中认为各个相邻关节轴线严格互相垂直 相交并视为理想的直角，这在现实机械零件加工及装配过程中是不可能实现的， 因此，上式所给的测量模型只是坐标测量机的理想模型如果用于工业机器人 9 1j 岛岛 菪i|o。 如 一 一 1j 幺幺 呐眦o。 一 一 叫啦oo毗毗oo - 一 l l 旧 一 ： = 4 以 们刮o o以。：o o 以。 嘲嘲。嘲嘲。咖嗽。 o o o o o o o o o o o o 嘲蝴。蔷i蛐。：毗吣。 一旧一 一一旧 = 旧 一 岛岛 砷锄o。兰。 唱幔o o o o s tooo且 0 o 西o 俄巩 菪i i o 。嚣： 譬o o 丌oooo上 0 o 以 1lilll_j & 哦 璺o 。 ， t上 o o 以 0 o 0 o o o o o o o o o 末端执行器位置的控制，式( 2 - 3 ) 给出的方程结构简单，且有利于方程的反解； 但对于关节三坐标测量机，须使测量机测头达到很高的定位精度，才能实现三 维空间几何量的精密测量，因此式( 2 3 ) 不适用于坐标测量机。事实上，式( 2 1 ) 给出的a 矩阵中含有4 个参数，只有当该4 个参数全部精确确定时，才能保证 式( 2 - 3 ) 最终结果的精确性故更为精确的测量方程由式( 2 - 4 ) 给出。 ic o s o , - s i n o , c o s a j s i n o , s i m z s = 剥8 警言一鼍搴 l 000 ( 2 4 ) 式( 2 - 3 ) 、( 2 - - 4 ) 即为关节三坐标测量机最终的测量方程，前者用于测头 位置的简化计算，而后者用于测量机测头位置的精确计算，并可用于测量结果 的误差分析、系统参数标定、模型的建立等等。 2 3 温度传感器及测温方法的选择 本设计需要两个传感器，用来测量坐标测量机测量臂表面温度。对于传感 器的应用应该考虑到如下因素： 能够测量固体表面的温度； 量程和精度满足测温要求： 传感器的安装位置； 重复性和线性好。 测温传感器按测温方式一般分为两大类：接触式测温传感器和非接触式测 温传感器接触式传感器需要使感温元件与被测物保持热接触，使两者进行充 分的热交换而达到同一温度，根据感温元件的温度来确定被测物体的温度。接 触式传感器主要有膨胀式温度传感器、压力式温度传感器、电阻式温度传感器、 热电偶和半导体温度传感器等。非接触式传感器的测温元件是通过被测物体的 热辐射或对流传到测温元件上，以达到测温的目的，从而不会干扰被测物体的 原始温度场非接触式测温传感器主要有红外测温传感器等【1 2 1 。 非接触式测温方法一般具有不干扰被测温度场、响应快、测温范围大等优 点但是受环境干扰大，难以定标，适用于测高温系统。接触式测温方法种类 很多，与温度场接触，可以测量低温，精度比非接触式测温方法的精度高。 接触式测温传感器对系统的温度场的影响可以忽略；非接触式测温传感器 易受到外界干扰，而带来较大的测温误差，且不适用于测量中低温情况。所以 呵棚w 址 帅一 嚣锄t。警荽。吣警。 以氓 吃以 警。哦-啦西。 接触式测温方法适合本系统的设计要求 根据接触式测温传感器不同的类型和方法，选择热电阻传感器作为本系统 的测温器件热电阻是利用物质在温度变化时自身电阻也随着发生变化的特性 来测量温度的热电阻的受热部分( 感温元件) 是用细金属丝均匀地缠绕在绝 缘材料制成的骨架上。当被测介质中有温度梯度存在时，所测量的温度是感温 元件所在范围内介质中的平均温度。装配热电阻主要由接线盒、保护管、接线 端子、绝缘套管，并配以各种安装固定装置组成热电阻传感器主要用于中低 温( 2 0 0 0 c + 6 5 0 c 或+ 8 5 0 0 c ) 的温度测量。常用的工业标准的热电阻有铂热 电阻、铜热电阻和镍热电阻铂熟电阻主要用于高精度的温度测量和温度标定 装置，性能非常稳定，测温精度高，其测温范围为- 2 0 0 。c + 8 5 0 0 c ，分度号为 p t 2 5 ( r o = 2 5 f d 和p t l 0 0 ( r o = l o o t 2 ) 等，铂的纯度通常用w ( 1 0 0 ) = r l o o ，r o 来表示，其中r i 代表在水沸点( 1 0 0 。c ) 的电阻值，r 0 代表在水的冰点( o o c ) 的电阻值。当铂的纯度为9 9 9 9 9 5 时，w ( 1 0 0 ) = 1 3 9 3 0 ，工业上用的铂电 阻值w ( 1 0 0 ) = 1 3 8 0 1 3 8 7 ，标准值为1 3 8 5 。铂是贵金属，价格较高。铜 热电阻测温范围为- 5 0 c + 1 5 0 c ，其价格便宜，易于提纯，复制性好，在测量 范围内，线性度较好，其电阻温度系数口比铂的高，但电阻率p 较铂的小，在 温度较高时易于氧化，只能用于1 5 0 0 c 以下的温度测量，范围较窄，而体积也 较大，所以只能是用于对测量精度和敏感元件尺寸要求不是很高的场合。铂热 电阻和铜热电阻目前都已标准化和系列化，选用方便。镍热电阻的测量范围为 1 0 0 * c + 3 0 0 0 c ，它的电阻温度系数较高，电阻率也较大，但它易氧化，化学 稳定性差，不易提纯，复制性差，非线性较大，因此目前应用不多。 本温度测量系统要求精度高，稳定性好，依据主要热电阻材料的特性( 如 表2 - 2 所示) ，选择铂电阻作为温度检测系统的测温元件。铂电阻传感器分为a 级和b 级，如表2 3 所示。选择b 级铂电阻允许偏差为： 表2 - 2 主要热电阻材料的特性 电阻率测温范围电阻丝直 材料名称 特性 ，q m 坍2 小一1肥径，册 铂0 0 9 8 l- 2 巧5 00 0 3 o 0 7 近似线性，性能稳定，精度高 铜0 0 7- 5 0 + 1 5 00 1近似线性，低温测量 镍0 1 21 0 0 + 3 0 0o 0 5 近似线性 表2 - 3 铂电阻的等级 热电阻类别测温范围。c 分度号允许偏差f o c b 级( - 2 0 0 + 6 5 0 ) 允差( o 3 0 + 0 0 0 5 1 0 w z p 型电阻- 2 h 2 0p t l a 级( - 2 0 0 + 6 5 0 ) 允差( o 。1 5 + 0 0 0 2 1 t 1 ) 厶f = ( o 3 0 + 0 0 0 5 1 1 1 0 0 - - i , o 8 5 。( 2 ( 2 - 5 ) a 级铂电阻允许偏差为： r = ( o 1 5 + 0 0 0 2 1 1 1 q ) - - , o 3 7 。c ( 2 6 ) 依据本数据采集系统的精度的要求，选择a 级铂电阻较为合适 2 4 关节三坐标测量机误差源分析 一般说来，关节三坐标测量机的主要误差包括： 1 ) 标尺误差，包括角度编码器的误差； 2 ) 测头探测误差，如果使用的是硬测头，会因为测量力的不同而导致探测 误差： 3 ) 结构参数误差，包括杆件长度误差、杆件扭角误差、偏置量误差等； 4 ) 关节误差，包括径向跳动、轴向跳动、摩擦、变形等，以及关节的回转 误差( 轴的倾侧) ； 5 ) 弹性变形误差，由部件的自重、操作力、测量力、加速度产生的力等引 起； 6 ) 热变形误差，由测量机外部温度、工作温度与内部热源等引起； 力由环境影响产生的误差，环境影响包括振动、尘土、运行条件等。 本设计主要研究第6 类热变形误差的处理方法。 由于d h 模型中四个参数的实际值与理论值存在微小偏差，如果按式( 2 - 4 ) 计算测头的空间位姿，必然产生较大的误差。为提高关节三坐标测量机的测量 精度，必须对式( 2 棚进行修正但由于在测量机热变形引起的误差中，只有测 量臂的轴向变形对测量精度的影响最大，其他几项的热变形误差对精度的影响 不大，暂不做考虑，则实际的测头位姿的运动方程为： ， = 兀 ，- i c o s 口j s i no c o s 口i s i no i c o s0 f s 口j 0s i n o c f 00 s i no s i n 口j c o s0 js i n 口j c o s 口 0 1 fc o s 口t l ls i n0 l d j4 - a d f l ( 2 7 ) 2 5 关节三坐标测量机温度误差修正 随着对精度要求的日益提高，铡量环境的温度变化引起的测量误差成为影 响坐标测量机精度提高的主要障碍之一通常情况下，减小温度误差的影响可 采取两种措施： 幺魄 馏啦 时魄城。 絮帆 i 兰h 一 1 ) 将测量环境温度严格控制在标准状态这种方法成本较高，且往往难以 达到理想效果 2 ) 利用误差修正技术对温度误差进行修正。这种方法简便易行，可获得较 为满意的效果，因此在动态测量中广泛应用 2 5 1 两种温度误差修正模型 上文提到，为了得到更为准确的测量结果，需要采用合适的误差修正方法 来减小仪器的测量误差。不同测量仪器在测量时产生的误差在进行修正时所采 用的方法也不尽相同针对温度对关节三坐标测量机测量臂的影响，本节介绍 了两种温度误差修正模型。 2 5 1 1 温度误差修正模型之。黑箱法” 关节三坐标测量机需要用于工业现场的测量，而工业现场的环境温度不可 能一直控制在标准温度下，这就必须考虑由于温度变化引起坐标测量机热变形 误差的影响 对于关节三坐标测量机的具体结构来说，其杆件的一端套在连接套中，采 用的是紧配合，而另外一端处于自由状态这样一端由于受连接套的束缚，当 温度变化时，该端会因为内部应力的作用，其径向热变形必然会与另外的自由 端径向热变形不同，这样，杆件两端的同轴度会发生变化，最终会导致关节偏 置量等参数的变化。同时，由于杆件连接套本身的复杂热变形，会导致杆件中 心轴线的角度变化，这会改变相邻关节轴线的夹角变化。以上因素都会严重影 响测量机的测量精度 从以上的分析可知，由于复杂的结构关系、温度场的不均匀等影响，通过 理论计算的方法来得出测量机的热变形误差是非常复杂的。实际上，温度变化 最终改变的是测量机的结构参数，这里不妨将测量机当成一个整体来考虑，将 结构参数误差视为温度场的函数 在关节三坐标测量机内部布置n 个温度传感器，传感器的布置要尽可能真 实反映测量机内部温度场的分布情况当测量机需要在0 4 0 0 c 的环境中工作 时，可从o * c 开始，每隔5 a c 对测量机的结构参数进行标定，设在该温度下， 传感器的输出为，j = l 2 ，? i t ，并设关节三坐标测量机的结构参数误差为 西，i - l ，2 ，开，则有如下的函数关系式： 4 = 厶( f l ，r 2 ，。) ， i = l z ，麒 ( 2 - 8 ) 一般来说，在不同温度下对关节三坐标测量机的结构参数误差进行标定， 得到的是结构参数误差随温度变化的离散点，由这些离散点就可通过各种数学 方法拟合一条随温度变化的连续曲线，该曲线的解析表达式即为式( 2 - 8 ) 的形 式 1 3 虽然这种修正方法思想简单j 可以修正温度带来的多项误差，但不适合本 课题所研究的情况且实行起来很困难。完成这个实验需要有一个高精度且温度 可控的恒温室、一台高于此坐标测量机精度的仪器用于提供一个基准，而且需 要耗费很长的时间才能完成实验。所以，本设计并不采用这种修正方法。 2 5 1 2 细长形体的温度误差修正模型 本设计只修正测量臂轴向热变形误差，可以将测量臂看作是细长形体，根 据细长形体的温度误差修正公式进行计算。温度误差修正模型涉及材料线膨胀 系数的精确测定、温度误差计算公式的建立等复杂问题【l 硼细长形体的温度误 差修正相对比较简单。由于细长形体的热变形边界条件与常用于测定材料线膨 胀系数的标准试件相似，因此可利用标准试件的热变形规律计算细长形体的温 度变形误差，即 址= l 口o t o ) = l 口a t ( 2 - 9 ) 式中虬被测对象长度【在温度为t 时相对于标准温度“的长度变化量 t o 标准温度( 常取2 0o c ) t 一实测温度，a t = ( ，一t o ) a 细长形体被测对象的一次线膨胀系数 但是这种温度误差修正方法存在一定不合理性，使误差修正效果受到一定 限制。根据理论分析计算结果，对于小尺寸测量，传统温度误差修正方法的修 正结果的不确定度范围约为( o 5 1 ) t t m , 对于中等尺寸测量，温度误差修正结 果的不确定度约在l 岫以上。因此，高精度动态测量的温度误差修正方法一般 是采用高精度温度传感器，实时测出测量系统关键部位的温度变化值，然后利 用合适的误差修正模型计算出该时刻温度变化引起的动态测量误差并对其进行 修正。 2 5 2 本研究采用温度误差修正模型 由于本研究研制的关节三坐标测量机是由三根杆件、一个测头通过关节连 接而成，其中的杆件是一种管状结构，对于这种形体，可以根据传统的温度误 差修正公式进行计算，设测量机工作的标准环境温度为2 0 0 c ，当环境温度为t o c 时，其长度热变形误差可由式( 2 1 0 ) 给出： a l = l 口( t - 2 0 。c ) ( 2 - 1 0 ) 式中l 杆件在标准温度下的长度： 口一杆件材料的一次线膨胀系数。 由于关节三坐标测量机的精度要求很高，所以需要高精度的温度误差修正， 则可采用非线性温度误差修正模型，即 1 4 缸= 工( 口，+ a t 2 ) ( 2 一1 1 ) 式中口一杆件材料的二次线膨胀系数。 关节三坐标测量机的测量臂选择的材料是碳纤维和硬铝( i y l 2 ) ，碳纤维的 热稳定性很好，它的热膨胀系数近乎为0 ，故不对其进行修正；而铝的热膨胀系 数相对来说比较大，根据铝的特性参数表得知，它的一次热膨胀系数为 2 3 2 1 0 6 m m ，o c ，二次热膨胀系数为5 3 8 1 0 - 1 0 m m o c 2 。再根据由硬铝制成测 量臂的实际长度、环境温度与标准温度( 2 0 0 c ) 的差值及公式( 2 1 1 ) ，便可以 算出三个测量臂的热变形量。将计算出的到公式( 2 7 ) ，便可以得到修 正后的数据。通过与修正前的数据相比，就可以知道此种误差修正模型的效果 第三章温度量数据采集系统硬件设计 3 1 温度量数据采集系统概述 本设计采用的温度传感器是铂电阻p t l 0 0 ，p t l 0 0 是利用铂电阻的阻值随温 度变化而变化、并呈一定函数关系的特性来进行测温的由于温度传感器输出 的信号不是标准信号，需要对其进行放大滤波、a d 转换，将其转化成数字信 号，最后通过使用u s b 芯片把所得到的信号传给上位机，上位机完成数据接收、 显示及数据处理等功能。系统框图如图3 1 所示 图3 - 1 温度量数据采集系统框图 3 2s t c 8 9 c 5 16 r d + 单片机 s t c 8 9 c 5 1 6 i m 峥系列单片机是深圳宏晶科技有限公司推出的新一代超强抗 干扰，高速，低功耗的单片机，指令代码完全兼容传统的8 0 5 1 单片机，1 2 时钟 机器周期和6 时钟机器周期可任意选择【1 4 1 本设计选用的是s t c 8 9 c 5 1 6 r d + 单片机，具有以下特点： 工作电压是5 5 v - 3 4 v ； 工作频率范围o - - 4 0 m i - i z ，相当于普通8 0 5 1 的0 - - 8 0 m z 。实际工作频 率可达4 8 m i - i z ： f l a s h 程序存储器空间；6 4 k 字节； 片内集成1 2 8 0 字节i 认m ：