（控制科学与工程专业论文）关节式坐标测量机的研究.pdf

摘要 关节式坐标测量机的研究 摘要 关节式坐标测量机由于其成本低廉、安装方便、动作灵活、重量轻巧、 理论上无死角测量等特性在近些年备受关注。本文针对关节式坐标测量机 的研发做了以下几项工作： 第一，以三关节坐标测量机样机为基础，借鉴机器人学中常用 d e n a v i t h a r t e n b e r g ( 简称d - h ) 方法对测量机建模，这个模型表达了测量 机测头在其基座坐标系中的坐标，在模型中用四个参数来表达每一个关节 的特征。 第二，转角参数是由安装在关节上的光栅读数来决定的，因此光栅数 据采集系统的设计决定了这个参数是否准确。本文设计了数据采集电路的 通讯方式，并且介绍了三关节坐标测量机的测量软件。 第三，对三关节坐标测量机的测量范围进行理论分析，绘出样机的测 量范围，提出合理的结构参数的设计方法，由此保证实现无死角测量。 第四，关节式坐测量机研究的难点之一是对其测量误差的分类和误差 补偿，即对原始的机械结构进行标定。随机误差的分析有两个作用，一是 掌握系统误差补偿的最佳情况，二是设计补偿实验中测量机的较优实验空 间。本文设定了单参数波动和多参数波动两种情况，对于这两种情况下的 分别提出随机误差分析算法及绘出随机误差空间分布图。 第五，由于随机误差分析提供了的较优实验空间，本文提出了六种补 偿实验方法，在较优空间中进行实施，对于每种实验方法都提出其标定原 北京化t 人学硕i ：学位论义 则、参数补偿算法及补偿结果。 关键词：三关节坐标测量机，测量空间，结构参数，误差补偿 a b s t r a c t r e s e a r c ho na r t i c u l a t e dc o o r d i n a t e m e a s u r i n g m a c h i n e ( a c m m ) a b s t r a c t t h ea r t i c u l a t e dc o o r d i n a t e m e a s u r i n gm a c h i n e ( a c m m ) h a s b e e n i n c r e a s i n gg i v e na t t e n t i o nd u et ot h ea d v a n t a g eo fl o wc o s t ，e a s yi n s t a l l a t i o n ， a g i l ea c t i o n ，l o ww e i g h ta n dn od e a dz o n em e a s u r e m e n t t h ep a p e rt a k et h e o r i e si nr o b o t i c sc a l l e dd e r a v i t h a r t e n b e r g ( d h ) m e t h o da sr e f e r e n c et og i v et h em o d e lo ft h r e e - jo i n ta c m m p r o t o t y p e ，t h i s m o d e le x p r e s st h ec o o r d i n a t eo fp r o b ei na c m m sc o o r d i n a t es y s t e m i nt h e m o d e lo f a c m m ，t h e r ea r ef o u r p a r a m e t e r st oe x p r e s sj o i n t sc h a r a c t e r t u r i n ga n g l ew a sa c q u i r e db yt h eo p t i c a lg r a t i n g sw h i c hw e r ef i x e do n j o i n t s s ot h ed e s i g n i n go fd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mi sv e r yi m p o r t a n t t h e p a p e rd e s i g nt h ec o m m u n i c a t i o nm e t h o do ft h ed a t aa c q u i s i t i o nc i r c u i ta n d i n t r o d u c em e a s u r i n gs o f t w a r eo ft h r e e - j o i n ta c m m t h ep a p e ra n a l y z e sm e a s u r i n gs p a c e ，d r a wu pi ti nm e a s u r i n gs p a c ea n d d e s i g n st h ea l g o r i t h mf o rh o wt oc a l c u l a t er e a s o n a b l es t r u c t u r ep a r a m e t e r , s o a st oa v o i dm e a s u r i n gd e a dz o n e t h em o s td i f f i c u l to fr e s e a r c ho na c m ma r em e a s u r i n ge r r o rc l a s s i f ya n d m e a s u r i n ge r r o rc o m p e n s a t i o n ，t h a ti sc a l i b r a t i o no fa c m m s t o c h a s t i ce r r o r a n a l y s i sh a st h ef o l l o wu s a g e ，o n ei st ok n o w t h eb e s tc o m p e n s a t i o nc o n d i t i o n ， i i i 北京化t 人学硕f ：学位论文 t h eo t h e ro n ei st od e s i g nb e t t e re x p e n r i m e n t a ls p a c eo fa c m m t h ep a p e r a n a l y z e ss t o c h a s t i ce r r o rd i a t r i b u t i o n e r r o rd i s t r i b u t i o ni s d i s c u s s e db yt w o w a y s ：s i n g l ep a r a m e t e rr u c t i o na n df o u r - p a r a m e t e rr u c t i o n t h ep a p e rd e s i g n t h es t o c h a s t i ce r r o r a n a l y s i sa l g o r i t h m a n dd r a w u p s t o c h a s t i ce r r o r d i s t r i b u t i o ni nm e a s u r i n gs p a c e b e c a u s es t o c h a s t i ce r r o ra n a l y s i sp r o p o s et h eb e t t e re x p e r i m e n ts p a c e ，t h e p a p e rp r o p o s e s i x e x p e r i m e n t s b a s e do ns t o c h a s t i ce r r o r a n a l y s i s a n d i m p l e m e n tt h e mi nt h ea b o v es p a c e i ne v e r ye x p e r i m e n t ，t h ep a p e rp r o p o s e c a l i b r a t i o np r i n c i p l e ，p a r a m e t e rc o m p e n s a t i o na l g o r i t h ma n dc o m p e n s a t i o n r e s u l t k e y w o r d s ：t h r e e - j o i n ta r t i c u l a t e dm e a s u r i n gm a c h i n e ( a c m m ) ， m e a s u r i n gs p a c e ，s t r u c t u r ep a r a m e t e r , p a r a m e t e rc o m p e n s a t e i v 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 作者签名： 婴迄 日期： 2 口fp 。矿争易 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文的规 定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京化工大 学。学校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 许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可 以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在上年解密后适用本授 权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 作者签名：里益釜日期： 塑f 竺：翌羔：圭 导师签名：日期：趔! ：! 姿 第章绪论 1 1 课题来源 第一章绪论 项目名称：便携式三坐标测量仪的精度提升与标定技术研究。 合作单位：北京机械设计研究院中机生产力促进中心。 1 2 课题研究背景和意义 在工业生产过程中有各种各样的被测对象，如轴类零件、齿轮类零件、盘类 零件、箱体类零件、叉架类零件等。在实际测量中，尽管不同的测量对象有不同 的被测量，但总体而言几何量的测量均可归结为两类，即长度测量和角度测量， 因此，长度测量在工业生产的测量过程中占据重要地位。 1 6 世纪，在机械制造中已有角尺、卡钳等机械式测量工具使用。1 7 7 2 年英 国的j 瓦特制造出瓦特千分尺。1 8 0 5 年，h 莫兹利制造出校准用测长机。1 9 3 1 年，法国数学家维尼尔皮尔发明游标卡尺。2 0 世纪2 0 年代，出现了光学测量仪 器。 然而在这期间出现的仪器都只能实现一维或二维坐标的测量，但是对于具有 复杂形体的三维工件而言，之前尚未出现专用的测量工具。随着制造业的发展， 各种形状的零件越来越多，测量其尺寸的方法和仪器急待解决。 1 9 5 9 年英国的f e r r a n t i 公司首先提出了三维坐标测量的概念，并发明了第一 台真正意义上的d c c ( d i r e c tc o m p u t e ra s s i s t ) 坐标测量机，这就是我们常说的正 交式坐标测量机。同年夏季法国巴黎召开的国际机床博览会上，f e r r a n t i 公司展 出了这一台三坐标测量机。 经过几十年不断的发展和完善，现代的正交式三坐标测量机已发展成为一种 集机械、光学、数控技术和计算机技术等多种技术为一体的大型精密智能化仪器。 近年来，正交式三坐标测量机广泛应用于机械制造、电子、汽车和航空航天等工 业部门中，它的主要作用是检测零部件的尺寸、形状和相互位置。例如进行箱体、 缸体、涡轮、叶片、齿轮、导轨等空间形面的测量，因此成为工业生产中不可缺 少的技术工具川。 2 0 世纪八、九十年代，随着柔性制造系统( f m s ) 和计算机集成制造系统( c i m s ) 的出现和发展，坐标测量场合对坐标测量技术的要求也越来越高，除了传统的坐 标测量要求即保证测量精度之外，还要求测量时的高速性、便捷性、灵活性，只 北京化t 人学硕l ：学位论文 有这样才能够适合不断发展的科学技术。因此，近年来随着生产和科学的发展， 有许多测量场合都凸现出传统的笛卡尔坐标系三坐标测量机即正交测量机的不 足。正交式坐标测量机的结构特点是由三根固定的测量导轨组成其测量范围，测 量的时候要把被测工件摆在这个测量范围内。由于这样形成的测量范围相对固 定，即x 轴、y 轴和z 轴的测量范围有局限，在测量工件时x 轴、】，轴和z 轴 必须有与之相应的行程。对于一些大型工程项目的测量，不可能将这些机器搬到 正交坐标测量机上进行测量。另外正交三坐标测量机的直线导轨和安装在直线导 轨上的指示长光栅制作复杂、价格昂贵。于是一种基于非笛卡尔式坐标测量的仪 器应运而生。 1 9 8 6 年，日本小坂研究所的小美漂武久等研制了关节式的坐标测量机。关节 式坐标测量机是将坐标测量技术和仿生学技术相结合的产物，模仿人类手臂的关 节进行机械结构制作。关节式坐标测量机的问世是对测量概念的又一次突破。关 节式坐标测量机借助机器人学中的建模方法构造出空间点在基座坐标系中的位 置，其显著特点是通过测量角度而得到空i 、日j 长度。与j 下交坐标测量机相比，其实 现回转运动的轴承和指示回转角度的圆光栅结构形式都很小巧，而且价格较为便 宜。在测量空间方面，关节式坐标测量机由于其铰链式结构，可以深入到一些正 交式测量机不容易接触到的位置，所以在理论上不受测量范围限制，且方便安装 在任何平面上。 近年来，国内外有许多对于关节式坐标测量机的研究。在国外，关节坐标测 量机虽然已成产品，但是由于不像正交坐标测机有一定的标准，所以在机械结构、 通讯和补偿方面各公司有不同方法，因此能供参考的资料很少。在国内，大部分 研究还停留在高校的理论研究阶段，近年来也有少量产品问世。 1 3 国内外研究现状 在理论研究方面，总体分为两个部分：一是测量机的建模，二是误差分类和 补偿。 对于关节式坐标测量机的建模，正确的模型是对关节坐标测量机研究的开 始。由于关节式坐标测量机与铰链式机器人结构相似，所以对关节式坐标测量机 的模型，大多沿用了机器人的建模方法。d e n a v i t 和h a r t e n b e r g 提出了在机器人学 广泛运用的d h 方法，此方法用齐次变换矩阵表示测量机测头在空间中位置【2 】。 在后来的研究中，针对不同的需要，对于d h 方法的表示方式和参数形式都进一 步完善【3 。 建模完成后，各参数的理论值均与实际参数值有一定误差，误差分类和补偿 是关节式坐标测量机的核心。在结构与关节式坐标测量机类似的机器人的标定方 2 第一章绪论 面已有不同方面的研究。ta r a i l 提出用两台摄像机辅助自动标定机器人的方法 ”】，一部分研究着重于讨论温度造成的误差对模型标定的影响 9 - 1 2 】，将误差分为 几何误差和非几何误差两类，主要针对非几何误差进行讨论i l ”。虽然机器人标定 可以为关节式坐标测量机标定提供一定的参考，但实际上由于机器人标定重视的 是重复性，而关节式坐标测量则重视精度，所以两者标定有很大的差异。对于关 节式坐标测量机的标定研究匿前还是比较少，前人的研究主要分为两个部分。一 部分是设计了辅助标定的量具：k e n s h i m o j i m a 等a 发表了系列文章讨论了关节 式坐标测量设备的标定，设计了九球标定量具i 5 】；a n t o m a p h 等人设计了嵌 有孔的量具，并讨论了测头测量方向产生的误差【l ”；s a n t o l a r i a j 等人设计各方 向综合球棒辅助标定【l ”。第二部分是标定方法的设计其中最常用的是晟小二乘 法【t s ar ，其他优化方法也有应用，如混合遗传算法f 竭和改进模拟退火算法田】。 在产品方面，国外生产关节式坐标测量机起步较早，技术已经比较成熟。以 下列举三个不同厂家的坐标测量机的机械外观与精度指标以做参考，分别为美国 的c i m c o r e 公司、f a r o 公司、法国的r o m e r 公司生产关节式坐标测量机。 髓寻喜 圈l - t r o m e r l n f i n i t e 2 0 ( 6 轴) 关节式测量机 i , v l - i r o m e r i n f i n i t e 2 0 ( 6 - $ o i a t ) a c m m 图1 i 为c m i c o i l e 公司的产品r o m e r i n f i n i t e2 0 的六轴关节式坐标测 量机，表l 一1 为其部分型号的测量范围和精度指标。 表1 - 1r o m e r i n f i n i t e 2 , 0 ( 6 轴) 精度指标 t a b k l 一1 r o m e r i n f i n i t e2 叫6 - j o i a 0a c o w a 。y 北意化i 大学t 学位论立 巨1 ds t i n g e r l l 2 关节式测量机 f i g 1 0s t i n g e r1 1 2a c m m 第一章绪论 圉1 3 为r o m e r 公司的产品s t f n g e r i l 2 关节式测量机，表1 3 为其部分 型号的测量范围和精度指标。 表1 4s t b 、】g e r 2 糟度指标 t a b l e l - 3s t q g e r b 2a c c u r a c y 2 0 0 8 年，由合肥工业大学和中国船舶工业集团公司第6 3 5 4 研究所共同开发 的z g c - i 型关节坐标测量机问世。z g c 1 型关节坐标测量机是六自由度的机械 结构。z g c 1 型关节坐标测量机的测量范围为2 4 m ，空问长度测量精度为o0 7 r a m 。图1 4 为此关节坐标测量机外型。 图l - 4 z g c 一1 型关节式测量机 f 酵l - 4 z b c - ia c m m 1 4 论文各部分的主要内容 本文共分七章，组织结构如下： 第一章，绪论。主要对长度测量设各的发展情况做了总结，对于关节式坐 标测量机的研究作了概述，并且介绍了目前国外的产品情况。 第二章，三关节坐标测量机的建模。对三关节坐标测量机的样机建立坐标 。1- 每，z 北京化t 人学顾l ：学位论文 系，利用齐次坐标变换的方法建立测量机的模型，得出测量机测头在基座坐标系 中的坐标值。 第三章，三关节坐标测量机数据采集系统和测量软件。介绍了三关节坐标 测量机的数据采集电路，编制数据采集电路与上位机通讯程序。 第四章，测量范围理论分析与结构参数设计。对三关节坐标测量机测头可 达的范围进行理论分析并且绘图，以此为基础设计无测量死区的测量机结构参数 关系。 第五章，理论误差分析。总结了三关节坐标测量机的误差来源，给出了随 机误差理论分析算法。分单参数和多参数波动两种情况进行理论误差分析并绘图 直观表示误差在测量空间的分布情况。 第六章，补偿实验。提出六种实验方案，对于实验数据进行分析总结，并 且对这六种实验方案进行对比。 第七章，结论及工作展望。总结本文研究的结论，对今后需要补充研究的 工作进行展望。 6 第二章二三关节坐标测量机的建模 2 1d h 方j 法 第二章三关节坐标测量机的建模 对三关节坐标测量机样机的建模采用在机器人学中广泛运用的d h 方法。 图2 1 相连两杆件之i 司的相互关系不意图 f i g 2 - 1r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt w ob a r s d e n a v i t 和h a r t e n b e r g 在1 9 5 5 年提出了对两个相互连接且相对运动的关节建 立两个特殊坐标系的方法。以这样的坐标系为基础，运用d e n a v i t h a r t e n b e r g ( 简 称d h ) 齐次变换矩阵方法可以表达测量机末端测头相对于基座坐标系的坐标。 如图2 1 所示，设杆f 与杆f 一1 通过关节f l 相连，与杆f + 1 通过关节f 相连。按 照d h 方法，设关节f 的轴线和关节f + 1 的轴线的公垂线与关节f 的轴线相交处 为 q ，王，z ，互) 的坐标原点，z f 轴与关节f 的轴线重合，置轴与上述公垂线重合， 且方向从关节f 一1 指向关节f ，z 轴按“右手定则”确定。 对每个关节定义如下四个参数来表现其特征：口为第f 级关节的转角，定义 是右手大拇指指向互一四指从五一，转向置的角度；口，为第蹈受关节的扭角，定 义是右手大拇指指向置，四指从互一转向互的角度；d ，是第f 级关节的杆长，定 义是墨一。和z 在z f 一。上的距离；q 是第i 级关节的偏距，定义是互一。和z f 在置上 的距离。在上述四个参数中，只有谚是变化的，其他三个参数都是固定的，称为 结构参数。 在用d h 法建立了杆件坐标系后， q 一。置一。z 一。z f i 与 q 五r z f ) 之间的变换 可以用坐标系的平移、旋转来实现。先使 q 一。z 一。r i 一。z f l 绕互一。轴旋转曰，再沿 轴互一。平移t ，然后沿置轴移动q ，最后绕五旋转q ，即可使 q 一。置一，y 一。互一。) 坐 标系与 q 置z 互l 坐标系重合。用变换矩阵表示，则有： 7 北京化i 丈学坝翠位论史 气山，= n 。o ， h ，o m乱 00 式( 2 1 】中： 【n xn ，n ：r d ，p ， a ，p y n 二卫 0 1 c o s 8 s i n 0 , 0 0 s i n 伊c o s c r c o s 醴c o $ 必 表示第i 个坐标系石轴相对于第i boq 1 7 表示第i 个坐标系y 轴相对于第i s i n 以 0 s i n 伊s i n “ 一s 8s i n d c o s c t i o qc o s 皇 a ，s i n 0 4 1 1 个坐标系的三个坐标轴的方向余弦 1 个坐标系的三个坐标轴的方向余弦 f 4 ，q 口= r 表示第i 个坐标系z 轴相对于第f 一1 个坐标系的三个坐标轴的方向余弦 k p 。p 。p 表示第f 个坐标系原点在第l - 1 个坐标系中的坐标。 2 2 三关节坐标测量机建模 ( 2 一i ) 为了循序渐进地对关节坐标测量机进行理论和实验研究，制作了结构较为简 单的三关节坐标测量机i 洲，样机如图2 - 2 所示。 图2 - 2 三关节坐标测量机样机 f 毡2 2 t m 比- j o i n t a c m m 第一二章二三关节坐标测量机的建模 图2 - 3 三关节坐标测量机示意简图 f i g 2 - 3t h r e e - j o i n ta c m ms t r u c t u r ed i a g r a m 图2 3 为三关节坐标测量机样机的示意图，关节一j l 为图中最底部3 6 0 度回 转关节，关节二j 2 和关节三j 3 分别以实心圆表示，回转轴为其圆心，并标注了 相关尺寸。末端黑点所示为测量机测头。 图2 - 4 三关节坐标测量机坐标系 f i g 2 - 4c o o r d i n a t e o ft h r e e - j o i n ta c c m 9 z 4 北京化t 人学硕i ：学位论文 以图2 4 所示位置作为测量机初始位置建立其坐标系，此坐标系如图2 4 中 细实线所示。测量机底座中心取为坐标系原点d n ，z 0 、z 。和z ：分别与以、以和 以的轴线重合，z ，取与测头连接的杆的轴线。z 。与z ，方向相同，这样可以减少 未知参数数量。墨取纸面上向左的方向，x i 与z n 和z l 构成的平面垂直，方向 符合右手定则。由于z l 和z 平行，z 取为z i 和z ，的公垂线，方向从z l 指向z 2 ， x ，垂直于z ，和乙形成的平面，托与墨方向相同。 按照以上定义，可得出测量机在图2 4 所示位姿时各关节的转角e 、扭角、 杆长d i 和偏距a ，的数值，将其列于表2 1 中。 表2 1 三关节坐标测量机初始位置参数表 t a b l e2 - 1i n i t i a lp a r a m e t e rf o rt h r e e - j o i n ta c m m 在实际测量中，三个关节以、以和以上安装有圆光栅指示关节转过的角度， 将三个圆光栅读值一、r r 2 和与结构参数扭角q 、杆长4 和偏距q 的数值代入 ( 2 1 ) 则相应的齐次变换矩阵如下： t o l 。 互：= 死= c o s o , 0s i n o , 0 s i n 0 10 c o s o , 0 olo1 8 7 o0o1 c o s 0 2 s i n 0 2 0 o c o s 0 3 s i n 岛 o o s i n 岛 c o s 0 2 o o 0 5 0 3 0 1 6 c o s 0 2 0 5 0 3 0 1 6 s i n 0 2 1o ol 0 s i n 0 3 0 c o s 0 3 1o oo 1 0 第一二章三关节坐标测量机的建模 五。= 1o0o o1oo oo15 5 5 0o0l 其中，由于 d 4 置z 4 与 q 墨匕z ， 坐标轴方向均相同，所以巧。中幺= 0 。 测头坐标系 o , x 4 r , z 4 相对于基座坐标系 哦五k z o 的位姿记为气，则其 表达式应为： 毛= ，互：互，互。= n 口ro ” n 口r0 n 口r o d r oo a p tp 口r a p 旷 a 口rp 口r 01 式中 p p p p r 7 表示测头探针球心在测量机基座坐标系中的坐标。 2 3 本章小结 ( 2 - 2 ) 本章主要介绍了三关节坐标测量机的建模。第一节介绍了机器人学中的d h 方法。第二节对三关节坐标测量机的样机建立坐标系，给出模型各参数的意义及 参数值，利用齐次坐标变换方法求得测头中心在测量机基座坐标系的坐标值。 第二章三关节坐标抛营机数据采集系统曰i i 9 1 0 量软件 第三章三关节坐标测量机数据采集系统和测量软件 3 1 三关节坐标测量机的数据采集系统 三关节坐标测量机的数据采集系统有三个部分：光栅、测头、数据采集电路。 图3 1 为主机读取光栅数据流程图。关节坐标测量机的三个关节上的读数头输出 的信号经过光栅数据采集电路的滤波、整形、辨向、细分、读数、锁存和输出经 过单片机系统通过并口或串口通讯将数据发送到主机。 三关节坐标测量机分为两种状态：跟踪和触发。跟踪时实时显示关节坐标测 量机的坐标值，触发时利用按键开关发出采样开关信号，通过光栅数据采集电路 输入到计算机。 滤波、整形、辨向、细， 分、读数、锁存、输出 一 一 光栅l 读数义输出 l 蜩 i 一一 并e l 或串口通讯 图3 - 1 主机读取光栅数据流程图 f i g 3 - 1m a i nc o m p u t e rc a t c hd a t a sf r o mo p t i c a lg r a t i n g s 关节式坐标测量机的测头用来拾取信号。测头可视为一种传感器，但比一般 传感器复杂一些，其主要作用为测量和发讯。本文使用r e n i s h a w 硬测头。硬测 头主要用于手动测量，由于本文中使用按键丌关进行发讯，因此采用其只用作测 量而不用作发讯的特点，使测量过程更加简单明确。 # 目n i 大i # 论卫 j - 圈3 - 2 r e n i s h a w 匮光栅 n g 3 - 2 r e n i s h a w 印h c d 口a t i a g 本文选用r e n i s h a w 的圆光栅，型号为r c h 2 0 h 1 5 d 3 3 a ，此光栅为相对零位 光栅，即光栅零位需要人工设定。跚表3 - 1 列出了所选光栅的参数。 表孓1 r c h 2 0 h 1 5 d 3 3 a 圆光栅的参数表 t a b l e3 - 1 p a r a m e t e r so f r c h 2 0 h 1 5 d 3 3 a 图3 - 3 r e n i s h a w 硬铡头 f 1 9 3 - 3 p “m i s h a w p r o b e 圈3 - 3 中所示的r e n i s h a w 的硬测头的尖端测针，直径为5 r a m 。 图3 4 所示为本文中所使用的数据采集电路。 第= 乖= 关节坐标测量帆数据采集系统和测量软件 图3 - 4 光栅数据采集电路 f 堙3 4 d a t a a c q u i s i t i o nc i 扎u i t 光栅读数头输出正弦信号，它的一个电周期对应光栅的一个栅距。由于光栅 r c h 2 0 h 1 5 d 3 3 a 栅距为2 0 1 1 m ，这样的空间分辨率显然不能满足关节坐标测量 机的要求，因此需要对此信号进行细分。细分后，光栅一周3 6 0 度对应的脉冲数 为3 2 7 6 0 0 0 个。则数据采集电路的每次输出均为关节转动后相于人为设定光栅零 位的脉冲数差值。 3 2 正交坐标测量机测量软件m v o r k s2 0 0 6 近来来，世界各国的三坐标测量机生产厂家都越来越重视二坐标测量机软件 系统。由于目前市场上各生产厂家都采用不同的测量软件，且一般没有专用于关 节坐标测量机的测量软件，因此在本文的研究中，采用了一般适用于正交坐标测 机的安徽文斯特公司的m w o r k s2 0 0 6 三坐标测量机测量软件m i 。图3 - 5 和图3 _ 6 所示为m w o r k s 的图形界面窗口和零件程序窗口。 m w o r k s 2 0 0 6 是一种非常直观的测量套装软件。其主要功能如下： a 1 轻而易举的澜4 量方法 b 1 教导式编程 c ) 程序可重复执行 m 离线编程 e 1 图文并茂的报表输出 n 完全支持形状和位置公差报表输出 g 1 逆向工程 镟 北京化i 大学硬上学位论文 ? 画女- _ o q ，o i # m r - 1 i ：n 。_ 。4 ，5 川ol ! ! ! 兰j 蕾 k l - 圈3 占图形界面窗口 f ，- 5 q 叩h i 衄l 枷珂知ew j n 曲哪 - 城。 “，# i j t 自 t t 目& _ - 日- 自_ _ _ - - - _ _ i l i - - i ，t j 一5 j o ， o 十ot t 。l k t 目0 图3 石零件程序窗口 f 1 9 3 - 6 c 伽鲫枷芦舯伽d o w $ ：mo。 吐：甜。喑o。童吼甑豢=譬舭 第三章三关节坐标测量机数据采集系统和测量软件 3 3 三关节坐标测量机测量软件 m w o r k s2 0 0 6 一般应用于正交坐标测量机，即正交测量机三根导轨上安装的 长光栅值直接读进软件即可。因此，将m w o r k s2 0 0 6 用于关节式坐标测量机时 需要将圆光栅读值转化为空间坐标值这一过程写入动态链接库，在m w o r k s 中引 入此动态链接库使m w o r k s 运用于关节坐标测量机。图3 7 为测量机测量流程： 其中主机软件分为两部分：m w o r k s2 0 0 6 和动态链接库程序。 图3 - 7 测量机测量流程 f i g 3 7a c m mm e a s u r i n gd i a g r a m 在图3 7 中，动态链接库程序完成功能如下： l 、与数据采集电路通讯得到字节数据。 2 、将数据采集电路采集到的字节数据进行重新拼接组合，组成光栅实际指 示的脉冲数。 3 、由脉冲数得到光栅转角度数。 4 、将光栅转角度数与其他结构参数及所有参数补偿值代入三关节坐标测量 机模型，计算出测头末端球心坐标值。 5 、由测头补偿程序段计算测头末端与被测面接触点坐标。 动态链接库( d l l ) 是w i n d o w s 操作系统的基础。动态链接库通常都不能直接 运行，也不能接受消息。在实际编程时，通常是将完成某种功能的函数放在一个 动态链接库中，然后提供给其他程序调用【2 7 】。在本文中，需要将上述五种功能写 入动态链接库中供主函数调用。 1 7 北京化t 人学硕i ：学位论文 在本文的程序中，实际情况如下。 动态链接库d l l 导出函数为d c d g s h 。函数功能为由光栅读值通过三关节坐 标测量机模型计算所采点的空间坐标值。 函数全名：_ d e c l s p e c ( d l l e x p o r t ) f l o a t * d c d g s h ( i n ta 2 0 0 ) ，其输入a 2 0 0 ，全零 数组即可。输出为指针值，指向的依次为目f ； 状态( 跟踪0 或触发1 ) 及采集到点 的x ，y ，z 值。 此d l l 被其他函数调用时，调用语句为： s t a t e = 宰d c d g s h ( a ) ； x = 木( d c d g s h ( a ) + 1 ) ； y = 木( d c d g s h ( a ) + 2 ) ； z = 宰( d c d g s h ( a ) + 3 ) ； s t a t e 为目前的状态，0 为跟踪，l 为触发。 其x 、y 、z 分别为采集到点的x 、y 、z 坐标值。 3 3 1 光栅数据采集电路与上位机通讯 、接口的控制方式 c p u 通过接口对外设进行控制的方式有以下几种： 1 、程序查询方式 2 、中断处理方式 3 、d m a ( 直接存储器存取) 传送方式【2 8 】 本文采用第一种，即程序查询方式。由主机向光栅数据采集电路发送一个字 节，等待外设准备好向主机发送数据。 二、并口通讯与串口通讯 1 、并口通讯 i e e e l 2 8 4 标准一共定义了5 种数据传输模式。本文首先使用的通讯方式是 高速增强型并行端口e p p 模式，这是一种双向传输模式。 在s p p ( 标准并行端口) 定义了3 个寄存器相对于端口基地址的偏移地址： d a t a 端口、s t a t u s 端口和c o n t r o l 端口。基地址就是数据寄存器在计算机i o 空间 上分配的地址。通常情况下，l p t l 和l p t 2 端口对应的地址是0 x 3 7 8 h 和0 x 2 7 8 h 。 e p p 占用并口基地址+ 0 + 7 共8 个相邻的i o 映像地址。基地址+ 3 是e p p 的地址口，基地址+ 4 是e p p 的数据口。如软件使用1 6 位或3 2 位的i o 操作， 则会用到基地址+ 4 + 7 的映像地址。本文只是使用8 位的i o 操作，传递8 位 的数据，因此未用到这些地址。本文所使用基地址为0 x 3 7 8 h 。为了直观理解， 第三章三关节坐标测量机数据采集系统和测量软件 将在通讯程序中用到的端口寄存器列出： p o r t s = 0 x 3 7 9 状念口； p o r t c = 0 x 3 7 a 控制口； p o r t d = 0 x 3 7 c 数据口； p o r t g = 0 x 7 7 ae p p 端口。 另外，在3 2 位的w i n d o w 应用程序中不允许直接读写端口。如果程序中需 要直接读写端口的功能，则需要引入w i n l o 程序库。w i n l o 程序库允许在3 2 位 的w i n d o w s 应用程序中直接对i o 端口进行存取操作。 在v c + + 环境中使用w i n l o 库的步骤如下： 1 、将w i n i o d l l 、w i n i o s y s 、w i n i o v x d 放在d e b u g 目录下。 2 、将w i n i o 1 i b 加入工程，方法是在工程区点右键添加文件到工程。 3 、在源文件( c p p ) 中写入# i n c l o d e “w i n i o h ，。 4 、调用i n i t i a l i z ew i n i o 函数。 5 、调用s h u t d o w nw i n l o 函数。 光栅数据采集电路对于并口通讯有以下规定： l 、向控制口输出0 ，向状态口输出8 0 h ，等待采集电路的数据。 2 、当状态口字节数据第3 位为o ，第7 位为1 的时候，即设备己准备好发送数 据。 3 、从数据口读取1 0 个字节数据。 4 、这1 0 个字节顺序如下： 第1 个字节为状态标识位，跟踪时状态标识位是0 ；触发时状态标识位是l 。 第2 、3 、4 个字节为光栅一读取的脉冲数，依次从高位到低位排列。正数直接 表示，负数以补码的形式表示。 第5 、6 、7 个字节为光栅二读取的脉冲数，依次从高位到低位排列。正数直接 表示，负数以补码的形式表示。 第8 、9 、1 0 个字节为光栅三读取的脉冲数，依次从高位到低位排列。正数直 接表示，负数以补码的形式表示。 1 9 北京化t 人学硕f j 学位论文 初始w i n l o 函数库 向控制i - j 送入0 ， 向e p p 端l 】送入1 2 8 读状态uh 一一一一 一一一，一一童一一 ：墨态u 第3 位是o ，第7 位足! = = 一j 一，一一一 n y 一一t 一一一 从数据u 连续读取1 0 个节 一， 将1 0 个节拼j & 3 个s i t a 值 t 一 l 将参数代入模型 l 。 得i f f 所测点的坐标值 图3 - 8e p p 模式并口通讯算法 f i g 3 8e p pm o d ep a r a l l e lc o m m u n i c a t i o na l g o r i t h m 参照图3 8 中e p p 模式并口通讯算法，将从光栅读取电路中读取数据、数据 重新组合、建模计算、输出测头状态和测头空间坐标数值的过程写入d l l 中， 其中并口通讯部分程序段如下： i n td lo z j ( i n ta 2 0 0 ) u n s i g n e di n tj ； s e t p o r t v a l ( p o r t c ，0 x 0 0 4 ，1 ) ； f o r ( j = o ；j 10 ；j + + ) d o g e t p o r t v a l ( p o r t s ，& d w p o r t v a l1 ，1 ) ； d w p o r t v a l l = d w p o r t v a l l & 0 x 0 8 8 ； ) w h i l e ( d w p o r t v a l l1 = 1 2 8 ) ； g e t p o r t v a l ( p o r t d ，& d w p o r t v a l 2 ，1 ) ； d w p o r t v a l 2 = d w p o r t v a l 2 0 x 0 f f ； a j = i n t ( d w p o r t v a l 2 ) ； 2 0 第三章二三关节坐标测量机数据采集系统和测量软件 s e t p o r t v a l ( p o r t c ，0 ，1 ) ； r e t u r n ( 1 ) ； ) 2 、串口通讯 在我们的实际实验中，起初使用并口传送数据，发现有时会出现“丢数”的 情况，而且从实际情况而言，用关节坐标测量机测量需要从光栅传送到上位机的 数据量比较少，所以串口传输速度不会明显慢于并口传输。在改换为串口传输后， 传输效果很稳定，没有再出现“丢数”状况，所以决定采用串口通讯的方式。 在w i n 3 2a p i 中，串口和其他通信设备是被当作文件来处理的。串口的打开、 关闭、读取和写入所用的函数与文件操作函数相同【3 0 1 。 ( 1 ) 打开和关闭串口 通信会话以调用c r e a t e f i l e 开始。 本文的程序中，c r e a t e f i l e 函数如下： h c o m = c r e a t e f i l e ( ”c o m l t t 使用串口l g e n e r i c _ r e a d i g e n e r i c _ w r i t e ， 采取可读可写的访问方式 0 ，非共享方式 n u l l ，默认设置 o p e n _ e x i s t i n g ， 操作时文件必须存在，对串口操作时固定使用 f i l ea t t r i b u t e 默认设置n o r m a l n u l l 默认设置 ) ； ( 2 ) 串口配置 g e t c o m m s t a t e 函数用来获取串口的当前配置，s e t c o m m s t a t e 函数用来重 新分配串口资源的各个参数。 本文程序中，g e t c o m m s t a t e 和s e t c o m m s t a t e 函数如下。 首先本文中使用串口通讯时串口设置如下： 串口号为c o m l ； 波特率为9 6 0 0 ； 校验位为偶校验； 数据位为8 ； 2 l 北京化t 人学硕i j 学位论文 停止位为1 。 g e t c o m m s t a t e ( h c o m ，& d c b ) ； d c b b a u d r a t e = c b i l 9 6 0 0 ； d c b b y t e s i z e = 8 ： d c b p a r i t y= e v e n p a r i t y ； d c b s t o p b i t s = 1 ； s e t c o m m s t a t e ( h c o