（测试计量技术及仪器专业论文）关节式坐标测量机热变形误差建模及修正研究.pdf

合肥工业大学博士学位论文fi l u l l i l l l l l l l l l l l i i f l l l l l l l l l l l l f f i f l l l i l l i i l l i ffy 18 8 7 3 6 0关节式坐标测量机热变形误差建模及修正研究作者姓名_ 一一塑毅申请学位：王堂盟一一一一指导教师：黄些塞数攫专业：塑达让量撞丕拯垡墨研究方向：邀墨趟廑堡途拯廑旦合肥工业大学2 0 1 1年4 月ad i s s e r t i o ns u b m i t t e dt oh e f e iu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g yf o rt h ed e g r e eo fd o c t o ro fp h i l o s o p h yr e s e a r c h0 1 1t h e r m a ld e f o r m a t i o ne r r o rm o d e l i n ga n dc o r r e c t i n gr e s e a r c hf o ra r t i c u l a t e da r mc o o r d i n a t em e a s u r i n gm a c h i n e sb yh uy ih e f e iu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g yh e f e i ，a n h u i ，p r c h i n aa p r i l ，2 0 1 1合肥工业大学本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大学博士学位论文质量要求。主席：委员：导师：答辩委员会签名( 工作单位、职称)东南大学教授中国科技大学教授合肥工业大学教授合肥工业大学教授合肥工业大学教授合肥工业大学教授褚家如李达成陈军宁黄强先于连栋匿名匿名宋爱国王建华高明伦黄强先于连栋宋爱国同行评议专家名单中国科技术大学教授博导清华大学教授博导安徽大学教授博导合肥工业大学教授博导合肥工业大学教授硕导同行评阅专家名单南京航空航天大学教授博导南京航空航天大学教授博导答辩委员会名单东南大学，。教授博导中国科学技术大学一教授博导?合肥工业大学一；教授博导合肥：1 _ 2 业大学、；、教授博导合肥工业大学：教授硕导j 、：，答辩委员会主席东南大学教授博导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，也不包含为获得盒胆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：柳毅l签字日期易，年钿夕日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解金胆至些太堂有关保留、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。本人授权金蟹王些太堂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)繇翻签字日期：2 口f 年多月夕日学位论文作者毕业去向：工作单位：通讯地址：导师签名：签字日期衫年占月，7 日电话：邮编：摘要随着生产和科学技术的不断发展，现代制造业正朝着高效率、高精度、高质量及高智能等技术方向发展，对精密测量和精密加工提出了越来越高的要求，精密仪器和精密机床等设备的热变形是制约精密测量和精密加工精度进一步提高的主要因素之一。坐标测量机有着近五十年的发展历史，关节式坐标测量机后期发展而来，但由于其精度高、使用灵活、便携和对使用环境要求低等优点，得到了广泛的推广和应用，在我国的需求也与日俱增。关节式坐标测量机可以工作在1 0 4 0 范围内，其热变形引起的测量误差为该机器的主要误差源之一。要实现测量机高精度测量必需对热变形误差加以修正。本文在关节式坐标测量机测量模型基础上，首次对测量机多温度误差源及误差特性进行了研究，并建立了基于神经网络和神经网络集成的关节式坐标测量机热变形误差修正模型，经实验，这对于减小关节式坐标测量机热变形误差有一定的效果。论文在关节式坐标测量机测量模型和误差模型的基础上，对关节式坐标测量机的热特性进行了较为深入的研究，分析了在内、外热源作用下关节式坐标测量机上关节构件、臂、圆光栅传感器等热变形及对测量产生的影响。特别针对关节构件的热变形导致光栅动、定尺相互位置变化，论文采用傅里叶频谱分析方法，建立包含定动光栅位置姿态参数的光场输出模型，给出了定、动栅不平行时输出光场的数学表达式，并在m a t l a b 中进行了仿真，给出了不同偏角下的莫尔条纹误差值和及变化趋势。采用模糊聚类分析方法对关节式坐标测量机热变形误差建模及修正中温度测点进行分类，并确定以其中两个测点为参与建模的最佳温度测点。使用神经网络理论对关节式坐标测量机热变形误差数学建模进行了研究分析，以测头三坐标及两温度测点温度为输入、相对于2 0 该点的变化量为输出构建了具有单隐层b p 神经网络的关节式坐标测量机热变形误差模型。考虑到测量机位姿对测量误差、温度误差的影响，提出了基于神经网络集成的决策级数据融合热变形误差修正模型，该模型中的两个子网络一个是基于空间坐标点的神经网络在单一姿态下以测量空间点坐标为输入特征变量的热变形误差神经网络模型；另一个是基于测量机位姿的的神经网络所选择的有限个空间测量点在不同测量位姿下六个角度为输入特征变量的热变形误差神经网络模型。将两网络数据融合以提高模型的泛化能力。成功研制了关节式坐标测量机数据采集系统，该系统包括六个圆光栅传感器的数据采集、两个温度测点上温度传感器的数据采集及与上位机通信的电路，编制了下位机软件。系统采集的数据作为建模的数据样本。建立了关节式坐标测量机温度实验系统做了关节式坐标测量机上温度场分布实验；通过对一标准杆件的长度测量，给出了关节式坐标测量机在环境温度改变及内热对测量的影响，通过实验表明了必须要对测量机的热误差进行修正；就模型所需数据样本进行了长时间的测量采集，并用此对所建模型进行训练和仿真。实验结果表明所建模型对关节式坐标测量机热变形误差修正是有成效的，特别是融合模型，可使误差达到原误差的二分之一。关键词：关节式坐标测量机，热变形，误差修正，神经网络，数据融合a b s t r a c tw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fm a n u f a c t u r i n gs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ，t h em o d e mm a n u f a c t u r i n gi n d u s t r yi sd e v e l o p i n gt o w a r d st h ed i r e c t i o n so fh i g h - e f f e c t i v e , h i g h p r e c i s i o n ，h i g h q u a l i t a t i v ea n dh i g h i n t e l l i g e n t ，w h i c hb r i n g sh i g h e ra n dh i g h e rd e m a n d so np r e c i s i o nm e a s u r e m e n ta n dp r o c e s s t h et h e r m a ld e f o r m a t i o no fp r e c i s i o ni n s t m m e n t s ，p r e c i s i o nm a c h i n et o o l sa n do t h e rd e v i c e si st h ek e yr e s t r a i n tf o rf u r t h e ri m p r o v i n gt h ea c c u r a c yo fp r e c i s i o nm e a s u r e m e n ta n dp r o c e s s c o o r d i n a t em e a s u r i n gm a c h i n e sh a v ed e v e l o p e df o ra b o u tf i 衄y e a r s ，a n da r t i c u l a t e da r mc o o r d i n a t em e a s u r i n gm a c h i n e sd e v e l o p e dl a t e r h o w e v e r , b e c a u s eo fi t sa d v a n t a g e so fh i g hp r e c i s i o n ，f l e x i b l eu s e ，l o wd e m a n df o ro p e r a t i o n a le n v i r o n m e n ta n dp o r t a b l e ，a r t i c u l a t e da r mc o o r d i n a t em e a s u r i n gm a c h i n e sa r eb e i n gw i d e l yu s e da n dp r o m o t e d ，a l s oh i g h l yd e m a n d e di nc h i n a t h e s em a c h i n e sc a r lw o r kw i t ht e m p e r a t u r er a n g i n gf r o ml o c t o4 0 ( 2 t h em e a s u r e m e n te r r o rc a u s e db yt h e r m a ld e f o r m a t i o ni st h em a j o ro n ea m o n ga l lt h e i re r r o rs o u r c e s ，s oo n l yc o r r e c t i n gt h et h e r m a ld e f o r m a t i o ne r r o rc a nr e a l i z et h eh i 【g hp r e c i s i o nm e a s u r e m e n t b a s e do nt h em e a s u r e m e n tm o d e l so fa r t i c u l a t e da l t t lc o o r d i n a t em e a s u r i n gm a c h i n e s ，m u l t i - t e m p e r a t u r ee r r o rs o u r c e sa n de r r o rp r o p e r t i e sf o rt h em e a s u r i n gm a c h i n eh a v eb e e ns t u d i e df i r s tt i m e ，a n dt h et h e r m a ld e f o r m a t i o ne r r o rc o r r e c t i o nm o d e lb a s e do nb pn e u r a ln e t w o r ka n dn e u r a ln e t w o r ki n t e g r a t i o nh a v eb e e nb u i l t t h ee x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h ew o r kc a ne f f e c t i v e l yr e d u c et h e r m a ld e f o r m a t i o ne r r o ro f t h em e a s u r i n gm a c h i n e b a s e do nt h em e a s u r e m e n tm o d e l sa n de r r o rm o d e l so fa r t i c u l a t e da l t l lc o o r d i n a t em e a s u r i n gm a c h i n e s ，t h i sp a p e rd e e p l yr e s e a r c h e dt h e i rt h e r m a lc h a r a c t e r , a n a l y z e dt h ei n f l u e n c eo fm e a s u r e m e n te r r o r sr e s u l t e df r o mt h et h e r m a ld e f o r m a t i o no fj o i n tc o m p o n e n t s ，a l m sa n dc i r c u l a rg r a t i n gs e n s o r so na r t i c u l a t e da r mc o o r d i n a t em e a s u r i n gm a c h i n eu n d e rt h ea c t i o no fi n t e r n a la n de x t e r n a lh e a ts o u r c e s e s p e c i a l l y , f o rt h em u t u a lp o s i t i o nc h a n g eb e t w e e nm o v i n ga n df i x e ds c a l e so fg r a t i n g sr e s u l t e df r o mj o i n tc o m p o n e n td e f o r m a t i o n , f o u r i e rs p e c t r u ma n a l y s i sm e t h o dw a sa p p l i e dt ob u i l dt h eo p t i c a lf i e l do u t p u tm o d e li n v o l v i n gf i x e da n dm o v i n gg r a t i n g sp o s ep a r a m e t e r s ，t oi n t r o d u c et h em a t h e m a t i cf o r m u l a sf o ro u t p u to p t i c a lf i e l dw i t hf i x e da n dm o v i n gg r a t i n g su n p a r a l l e lm u t u a l l y a l lo fw h i c ha r es i m u l a t e di nm a t l a b t h i sp a p e ra l s og a v em o i r ef r i n g ee r r o rv a l u e sa n dt h e i rv a r i a t i o nt r e n df o rd i f f e r e n to f f s e ta n g l e t h ef u z z yg r o u pa n a l y s i sm e t h o dh a sb e e na d o p t e dt os e l e c tt h et e m p e r a t u r e + m e a s u r e m e n tp o i n t sf o ra r t i c u l a t e da r mc o o r d i n a t em e a s u r i n gm a c h i n e st h e r m a ld e f o r m a t i o nm o d e lb u i l d i n ga n dc o m p e n s a t i o n t h et w op o i n t si nw h i c ha st h eb e s tt e m p e r a t u r em e a s u r i n gp o i n t st oj o i ni nt h em o d e l i n gh a v ed e f i n e d u s i n gn e u r a ln e t w o r km a t h e m a t i c a lm o d e l i n go fa r t i c u l a t e da r mc o o r d i n a t em e a s u r i n gm a c h i n e st h e r m a ld e f o r m a t i o ne r r o rw a ss t u d i e da n da n a l y z e d ab pn e u r a ln e t w o r km o d e lw i t has i n g l eh i d d e nl a y e rw a sb u i l t , w h i c hi n p u t sw e r et h e3 - dm e a s u r e m e n td a t ao fm e a s u r i n gh e a d sa n dt e m p e r a t u r ed a t aa tt h et w ot e m p e r a t u r em e a s u r i n gp o i n t so nm a c h i n e ，a n do u t p u t sw e r et h ec h a n g e so ft h es p a c ec o o r d i n a t ep o i n t sc o m p a r e dt ot h a ta t2 0d e g r e e c o n s i d e r i n gt h ei n f l u e n c eo fm e a s u r e m e n te r r o r sa n dt e m p e r a t u r ee r r o r sc o m i n gf r o mm a c h i n e s p o s e ，t h ep a p e rp r o p o s e dt h et h e r m a ld e f o r m a t i o ne r r o rc o r r e c t i o nm o d e lf o rd e c i s i o n l e v e ld a t af u s i o no nab a s i so fn e u r a ln e t w o r ki n t e g r a t i o n ，t h i sm o d e lh a st w os u b - n e t w o r k s ，o n eb a s e do ns p a c ec o o r d i n a t ep o i n t si st h e r m a ld e f o r m a t i o ne r r o rn e u r a ln e t w o r km o d e lu s i n gs p a c ep o i n tc o o r d i n a t e sm e a s u r e da si n p u tc h a r a c t e r i s t i cv a r i a b l e su n d e rs i n g l em a c h i n ep o s e ，a n dt h eo t h e ro n eb a s e do nt h ep o s e so fm e a s u r i n gm a c h i n e si st ou s et h es i xa n g l ev a l u e so fs e l e c t e dl i m i t e ds p a c em e a s u r i n gp o i n t si nd i f f e r e n tm e a s u r i n gp o s e sa si n p u tc h a r a c t e r i s t i cv a r i a b l e s f u s i n gt h et w on e t w o r kd a t ac a ni m p r o v et h eg e n e r a l i z a t i o na b i l i t yo fm o d e l s ad a t ac o l l e c t i o ns y s t e mf o ra r t i c u l a t e da r mc o o r d i n a t em e a s u r i n gm a c h i n e sw a sd e v e l o p e ds u c c e s s f u l l y , w h i c hi n c l u d e st h ec i r c u i t sf o rd a t ac o l l e c t i o no fs i xc i r c l eg r a t i n gs e n s o r sa n dt e m p e r a t u r es e n s o r so nt w ot e m p e r a t u r em e a s u r i n gp o i n t sa n dt h ec i r c u i tf o rc o m m u n i c a t i n gw i t hu p p e rm o n i t o r s o f t w a r ec o m p i l a t i o nf o rl o w e rc o m p u t e rw a sp e r f o r m e d t h ed a t ac o l l e c t e db yt h es y s t e mw a su s e df o rm o d e l i n ga st h ed a t as a m p l e w ea l s os e tu pt h et e m p e r a t u r ee x p e r i m e n ts y s t e mf o ra r t i c u l a t e da r mc o o r d i n a t em e a s u r i n gm a c h i n e t h ee x p e r i m e n to ft e m p e r a t u r ef i e l dd i s t r i b u t i o no ft h ea r t i c u l a t e da r n lc o o r d i n a t em e a s u r i n gm a c h i n ew a sd o n e m e a s u r i n gas t a n d a r db a ru s i n gt h em e a s u r i n gm a c h i n e ，i t sl e n g t hc h a n g e dw i t ha m b i e n tt e m p e r a t u r ea n di n t e r n a lt h e r m a l ，t h a ts h o w st h em e a s u r i n gm a c h i n et h e r m a ld e f o r m a t i o ne r r o rs h a l lb ec o r r e c t e d t h ed a t as a m p l e sn e e d e di nm o d e l sw e r ec o l l e c t e df o ral o n gt i m e ，a n du s i n gt h e s es a m p l e st oe x e r c i s ea n ds i m u l a t eb u i l tm o d e l s t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sc e r t i f i e dt h ee f f e c t i v e n e s so fc o r r e c t i n gt h ea r t i c u l a t e da r mc o o r d i n a t em e a s u r i n gm a c h i n e s t h e r m a ld e f o r m a t i o ne r r o r sb yt h e s em o d e l ss e tu p ，e s p e c i a l l yt h ef u s i o nm o d e l si nw h i c ht h eo r i g i n a le r r o r sc a nb er e d u c e db yh a l f k e y w o r d s ：a r t i c u l a t e da r mc o o r d i n a t em e a s u r i n gm a c h i n e ，t h e r m a ld e f o r m a t i o n ，e r r o rc o r r e c t i o n ，n e u r a ln e t w o r k ，d a t af u s i o n致谢本论文是在费业泰教授的悉心指导下完成的。费老师高深的学术造诣、渊博的知识给我留下了深刻的印象，也成为我不断追求的目标；在读博士的学习和研究过程中，我感叹费老师不断迸发出的创新思想，和对事物的敏锐洞察力；导师严谨治学的态度和诲人不倦的精神使我受益非浅。导师深入浅出的指导、严格的要求、谆谆教诲和鼓励激励着我战胜困难，完成学业。在此，对费业泰教授多年来给予我的各方面的支持与帮助，表示衷心的感谢。在进行课题的研究过程中，得到了学院余晓芬教授、胡鹏浩教授、陈晓怀教授、黄强先教授、于连栋教授、周耀新老师、王宏涛老师的帮助和支持，得到了师弟程文涛的大力帮助，在此表示感谢。关节式坐标测量机从设计到研制成功是团队共同努力与奋斗的结果，感谢这一团队中的每一位成员感谢测控实验中心对论文实验工作的支持。感谢我的家人对我的帮助和理解。感谢一切曾经鼓励、支持和帮助过我的人。作者：胡毅2 0 1 1 年4 月3 0 日第1 章绪论目录l1 1 关节式坐标测量机及研究现状l1 1 1 关节式坐标测量机测量模型及参数辨识方法研究41 1 2 关节式坐标测量机精度研究71 1 3 关节式坐标测量机结构研究71 1 4 关节式坐标测量机软件研究81 2 热变形误差修正意义及关节式坐标测量机热变形误差修正研究现状1 01 3 论文主要研究内容一1 2第2 章关节式坐标测量机热变形误差1 42 1 关节式坐标测量机位置误差模型一1 42 2 关节式坐标测量机热特性1 52 2 1 关节式坐标测量机传热方式和热变形152 2 2 关节式坐标测量机用材料与热特性1 82 2 3 关节式坐标测量机温度场182 3 关节式坐标测量机热变形误差源1 92 3 1 杆长的热变形2 02 3 2 关节构件热变形2 02 3 3 关节构件热变形导致光栅传感器输出误差研究2 12 4 基于模糊聚类法的关节式坐标测量机温度测点确定一2 92 4 1 模糊理论基础3 02 4 2 关节式坐标测量机温度测点确定3 3第3 章关节式坐标测量机数据采集系统研制3 1 关节式坐标测量机数据采集系统结构3 83 2 关节式坐标测量机数据采集系统设计3 83 2 1 角度数据采集模块设计3 83 2 2 温度数据采集模块设计。4 23 2 3 通信模块设计。4 63 2 4 单片机模块设计4 8第4 章基于b p 神经网络的关节式坐标测量机热变形误差修正建模4 1 神经网络基本理论简述：5 04 1 1 神经元模型514 1 2b p 神经网络模型5 24 2 基于b p 神经网络关节式坐标测量机热变形误差模型5 54 2 1 热变形误差模型结构及参数确定一5 54 2 2 网络训练和测试5 8第5 章基于神经网络集成的决策层数据融合热变形误差修正模型5 1 问题的提出6 05 2 数据融合方法6 l5 2 1 数据融合方法6 15 2 2 数据融合级别。6 35 2 - 3 神经网络集成“5 3 基于神经网络集成的决策层数据融合热变形误差修正模型。6 75 3 1 融合模型的数据的特征提取。6 75 3 2 基于关节式坐标测量机位姿的热变形误差神经网络结构模型6 85 3 3 基于神经网络集成的决策层数据融合热变形误差修正模型。6 8第6 章关节式坐标测量机热变形误差修正实验7 16 1 关节式坐标测量机热变形误差修正实验系统。7 16 1 1 实验系统建立7 26 1 2 测量数据预处理7 36 2 关节式坐标测量机热变形实验7 56 2 1 环境温度变化对测量机测量的影响7 56 2 2 测量机自发热对测量的影响7 66 3 基于空间坐标点的b p 神经网络热变形误差修正模型实验7 76 4 基于神经网络集成数据融合热变形误差修正模型实验7 9第7 章总结与展望7 1 研究总结8 37 2 研究展望8 4攻读博士期间发表的论文参考文献8 58 6插图目录图1 1f a r o 公司的p l a t n u m 型和f a r og a g e 型关节臂2图l - 2r o m e r 公司的s t i n g e r1 1i 产品和m u l t ig a g e 产品2图1 3 合肥工业大学研制r o y a l 型关节臂3图l _ 4 关节式坐标测量机结构简图一4图1 5 上关节彳矩阵坐标系转换关系5图1 - 6 坐标机坐标变换图6图1 7r o m e r 公司出品的f l e x 系列一8图l - 8 关节式坐标测量机配激光扫描头。8图1 - 9 内置绝对编码器的关节式坐标测量机9图1 1 0p c d m l s 测量软件界面图9图1 1 1p o w e r n 寸s p e c t 软件界面图1 0图1 1 2 温度引起误差与测量总误差关系图1 0图2 1 导热1 5图2 - 2 温度传感器分布图1 8图2 3 各测点温度曲线图1 9图2 4 关节式坐标测量机两特殊位姿图2 0图2 5 测量机关节4 部件的有限元仿真2 l图2 6 光栅系统示意图2 l图2 7 两光栅不平行度偏角下光场分布误差仿真2 7图2 8 传感器接收光场在对传感器宽度方向数值平均的仿真图2 8图2 - 9 不同偏角下光场误差均值仿真图2 8图2 10 关节处光栅传感器温度测试现场及关节式坐标测量机位姿一2 9图2 1 1 位姿一下光栅传感器1 输出2 9图2 1 2 关节式坐标测量机位姿二2 9图2 1 3 位姿二下光栅传感器5 输出2 9图2 1 4 温度变量的动态聚类图一3 6图3 1 数据采集系统结构框图3 8图3 - 2 圆光栅传感器输出信号3 9图3 3 角度数据采集模块组成3 9图3 _ 4m c 3 4 8 6 内部逻辑图3 9图3 5 转换及整形电路图4 0图3 - 6s 7 2 6 6 r 1 内部结构简图4 l图3 7 计数电路图4 1图3 8m a x14 0 2 内部框图4 3图3 - 9 两路温度传感器数据采集电路图4 4图3 1 0 路温度传感器四线制电路原理图一4 4图3 1 lm a x l 4 0 2 和单片机连接图4 5图3 1 2 通信寄存器各位定义图4 5图3 1 3m a x l 4 0 2 初始化编程流程图4 6图3 1 4c p 2 1 0 2 结构框图4 7图3 1 5c p 2 1 0 2 通信模块电路设计4 8图3 1 6 单片机模块电路图4 9图4 1 神经元模型图5l图4 2 激励函数5 1图4 3b p 网络拓扑结构5 2图4 - 4a a c m m 的基于空间点的b p 网络结构5 5图4 5 采用梯度下降法和动量梯度下降法时出现状态图5 6图4 - 6 不同隐层节点数训练过程图5 8图4 7 一坐标点经n n l 修正前后坐标点图5 9图5 1 不同位姿测量同一点的测量数据三维坐标图6 0图5 - 2 数据层属性融合结构图6 3图5 3 特伍层属性融合结构图6 4图5 - 4 决策层属性融合结构图“图5 5a a c m m 的基于位姿的b p 网络结构一6 8图5 6 使用基于位姿的神经网络对一测试点热变形补偿前后误差曲线图6 9图5 - 7 基于神经网络集成的决策层数据融合的热变形误差修正模型结构图。6 9图5 8 神经网络集成图7 0图6 1 热变形误差补偿及修正实验系统框图7 1图6 2 标定现场图7 2图6 3标准杆件及锥窝测量示意图7 2图6 - 4 测量机相对于平台的坐标系图7 4图6 5 用测量机测量设置点7 5图6 6 测量机距离测量的温度一距离曲线图7 6图6 7 关节式坐标测量机在不同温度下测量时间距离曲线图7 7图6 8 不同温度下用修正模型进行热变形修正。7 8图6 - 9 点点距离热变形误差修正图7 9图6 - 1 0 不同温度、不同姿态融合模型对热变形误差修正图8 l图6 - 11 补偿前后长度测量误差曲线图( 相对于2 0 度测量值的误差) 8 2表格目录表2 一l 杆长热变形引起的位置误差仿真结果2 0表2 - 2 两光栅不平行度偏角下光场分布误差仿真参数和仿真结果2 7表2 3 不同环境温度下各温度测点的温度数据表3 4表3 一ll s 7 2 6 6 r 1 读写控制一4 2表3 - 2 铂电阻p t l0 0 的温度阻值对应关系表4 3表3 3 电压转换为1 8 位数字量对应值表4 4表3 4 控制和数据寄存器选择表4 5表3 5c p 2 1 0 2 串行总线的数据格式和波特率4 8表4 - l 神经网络仿真数据表5 8表5 1 对同一点不同位姿进行测量的数据表6 l表5 - 2 不同温度下对a 和b 点测量数据及数据计算表6 2表6 - l 激光跟踪仪所测得的部分待测点空间坐标7 2表6 - 2 标准杆件测量数据7 3表每3 租大误差剔除例7 4表6 4 室温2 5 1 时对标准杆两锥窝的一组测量数据的修正7 5表每5 各环境温度下测量机测量两组设置点数据表：7 6表6 - 6 室温1 6 8 、2 6 下测量机对标准杆件的测量数据7 7表每7 修正前后测量点相对于其在2 0 测量位置的均方差表7 8表6 8c 、d 、e 、f 、g 、h 点用于神经网络仿真的部分数据7 9表6 - 9 用于融合模型仿真坐标、温度数据样本例8 0表6 - 1 0 用于融合模型仿真角度数据样本例8 0表6 11 各模型补偿前后长度测量误差表8 2第l 章绪论第1 章绪论在工业测量和计量部门，精密坐标测量主要用三坐标测量机( c o o r d i n a t em e a s u r i n gm a c h i n e ，简称c m m ) ，它是近5 0 年来发展的一种高效率和新型精密测量仪器，在提高产品质量、缩短生产周期及新产品开发中起着重要的作用，并能与柔性制造系统相连接，业已成为一大类型精密仪器。三坐标测量机( 无论是生产型还是计量型) 绝大部分都是以正交坐标系为基础设计的，它制作复杂、价格昂贵，其测量范围受到导轨长度的限制，被测工件要搬到坐标测量机( 一般在室内) 的工作台上进行测量，越来越难以满足现代生产中提出的多种场合不同测量的要求。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。目前，“非正交坐标系”测量系统按测量系统的硬件一般分为：电子经纬仪测量系统、全站仪测量系统、数字近景摄影测量系统、激光跟踪测量系统、激光扫描测量系统和关节式坐标测量机等6 类。由于比“正交坐标系”测量机的测量空间更加开阔、简便、可移动、对使用环境无特殊要求等，因此已成为一大类“非正交坐标系”测量系统，在工业部门得到了广泛应用，关节式坐标测量机是其中成长最快的。关节式坐标测量机可以看成是人的身体运动结构的模拟，它从一个已知坐标和方位点出发，通过点间的距离和角度测量来得到各点坐标值，具有灵活方便、测量范围大、成本低等优点，广泛应用于机械产品的逆向工程、模具制造的计算机辅助检测、产品加工装配的在线或离线检测等。近年来，关节式坐标测量机发展迅速，易于实现现代制造业对复杂异型零件的在线检测，且其测量功能越来越强，测量精度已达到传统三坐标测量机中端产品的精度水平【。本论文在已研制的关节式坐标测量机基础上，研究了关节式坐标测量机的热变形，并提出了热变形误差修正方法，本文的研究成果能够进一步提高关节式坐标测量机的精度水平。1 1 关节式坐标测量机及研究现状关节式坐标测量机( a r t i c u l a t e da r mc o o r d i n a t em e a s u r i n g ma c h i n e s ，简称a a c m m ) 于2 0世纪八十年代开始研制，比较典型的研究方案有两种，第一种方案是在1 9 8 6 年由日本小阪研究所提出的关节式坐标测量机闭；第二种方案是在1 9 9 6 年由德国学者wl o t z e 提出的双关节s c a n m a x 型坐标测量机【3 1 。该设备结合了光电、信息、计算机等技术，具有优异的在线检测性能。目前国外有成熟的新品出现，两家较大公司f a r o 和r o m e r 的产品均已进军国内市场。f a r o 公司的产品( 如图1 - 1 ) 功能涉及三维坐标，几何元素，扫描逆向工程，曲线曲面测量和c a d 数字模型与实际零件比对检测装配等方面，主要有q u a n t u m 、p l a t n u m 、f u s i o n2合肥工业大学博士论文等系列，可供选择测量范围由1 2 米到3 7 米不等，q u a n t u m 系列精度最高，单点精度为0 0 1 3 m m - _ 4 - 0 0 6 7 m m ( 不同臂长) ，空间长度精度可达0 0 1 8 姗0 0 8 6 m m ；经济型f u s i o n 系列2 4 m m 空间长度精度为0 0 6 1 m m 。测量臂采用航空标准级复合碳素纤维材料制造，该材料有高硬度、重量轻和抗弯曲性等特点。测量臂不需要专业训练的人员就可以将其直接用于在生产过程中或平台上部件和组件的测量，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【4 1 。图1 。1f a r o 公司的p l a t n u m 型和f a r og a g e 型关节臂r o m e r 公司号称便携式关节臂测量系统的发明者，于1 9 8 6 年将关节式坐标测量机投放市场，1 9 9 6 年推出1 0 0 0 系列移动三坐标测量机，2 0 0 1 年推出s t i n g e r 、3 0 0 0 i 、g d d l o c k 系列。它生产的s t i n g e ri i 系列可移动式柔性三坐标测量机( 见图1 2 ) 有1 8 m 、2 4 m 、2 8 m 、3 6 m 等多种规格可供选择，空间长度精度为0 0 5 5 r a m - - 0 1 5 5 m m ，其中2 4 m 产品空间长度精度为0 0 7 0 r a m 。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，非常适合于金属加工、装配与模具制造等检测和逆向工程。内部集成了无线传输数据技术的模块，并配有内置式电源存储包；内嵌式双平衡杆系统，这样平衡掉测量臂身的大部分自重，使用起来更加轻便、内置u s b 摄像机，可拍摄所测物体，实时反应出在测量时出现的问题并记录；快速钳位安装机构使得系统安装不必使用任何工具即可瞬间完成；该公司高端的i n f i n i t e 2 0系列为其测量精度最高的产品，2 4 m 空间长度精度为0 0 2 9 m m 【5 1 。t 。毒图1 - 2r o m e r 公司的s t i n g e r i 产品和m u l t ig a g e 产品在国内关节式坐标测量机的市场几乎全部被上述所提及的国外产品所占领。虽然f a r o 、r o m e r 等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，造成产品的生产第1 章绪论3成本升高，迫切需要具有自主知识产权的、性价比高的国产的关节式坐标测量机。国内的哈尔滨工业大学、天津大学、华中科技大学和浙江大学等高校和研究院所也一直在从事相关的研究，但未见到相应的产品出现。以合肥工业大学费业泰教授为组长，联合w h o l s e no p t i c a li n s t n m m n t sl t d 公司、九江精密测试技术研究所自2 0 0 4 年开始了关节式坐标测量机的研究工作，已先后试制了三批样机，一款机型如图1 3 所示。该机于2 0 0 7 年被科技部评为“国家重点新产品”作者自2 0 0 4 年就参加了该项目，承担关节式坐标测量机电系统研制，量机温度误差及修正研究工作。目前，对测量机精度的评定指标一般采用了单点重复精度与空间长度测量精度，其中，长度精度测试是在不同位置和方向测量标定过的标准长度尺寸得到数据后再求均方差，最终得到的测量机精度用标准差( s i g m a ) 进行数字化描述，一般采用2 s i g m a可靠度，即测量误差有9 5 5 位于所给的精并成功应用于测量机中；同时专注于测度指标范围内。这一般被认为是最能够反图i - 3 合肥工业大学研制r 0 、限i 型关节臂映测量机实际测量精度的指标。近年来，在关节式坐标测量机领域出现了唯一的标准，即美国机械工程师协会给出了a s b 8 9 4 2 2 2 0 0 4 标准，被用于评估关节式坐标测量机的性能和进行测量机之间性能比较【6 】。该标准针对最高为7 个自由度的、硬的或触发式测头的手动机器，为了统一和消除对关节式坐标测量机评价方法不明确，这个标准给出了长度，单点及容积的测量方法及评价函数，但没有给出参数识别、标定或修正方法【7 1 。关节式坐标测量机以角度测量基准取代长度基准，它是仿照人的关节结构，将一系列杆件通过旋转关节串联连接。随着其精度水平的提高，关节式坐标测量机由于其便携性而更广泛应用于工业中的检验和质量控制中，而在那些场合，正三坐