（机械制造及其自动化专业论文）柔性坐标测量机的结构设计与精度研究.pdf

浙江大学硕：l ：学位论文 摘要 摘要 目前，随着工业测量和加工技术的发展，传统的正交坐标测量机在很多场合 的应用受到限制，例如：生产线中零件的在线检测、车间现场中零件的检测、大 尺寸零件的测量、室外环境中物品的逆向数据采集等。而基于非正交系的坐标测 量系统，结构上采用仿人工关节臂等结构形式，与传统的坐标测量机( c o o r d i n a t e m e a s u r i n gm a c h i n e ，c m m ) 相比，具有体积小、重量轻、灵活轻巧、搬运方便、测 量空间大、操作简单、价格低等优势，近年来其应用需求不断扩大。但限制其广 泛使用的关键因素是测量精度相对偏低。本论文开展一种非正交坐标测量系统一 柔性坐标测量机的研究，重点围绕柔性坐标测量机的结构设计与精度问题，建立 系统运动学模型和误差模型，讨论结构参数的优化与精度的关系，并进行了仿真 分析与实验验证。 首先设计了柔性坐标测量机的机械结构。确定了机械结构的关节自由度数及 关节连接方式，关节之问测量信号线的连接采用滑环装置，实现了关节的无限制 旋转，使操作灵活、方便，且无测量死角。关节材料选用高硬度的航空铝合金， 臂身杆件材料选用碳素纤维，降低结构重量以便于操作，同时也降低杆件由于室 温变化所引起的热变形。 建立了柔性坐标测量机的运动学模型和误差模型。具体包括：第一步建立理 想运动方程，第二步在考虑结构参数误差与角度传感器误差后得到综合测量方 程，第三步根据综合测量方程推导出测量机的系统误差模型和随机误差模型。 分析了2 5 项结构参数的误差对测头位置精度的影响权重，重点对测量机的 关节杆长和零件公差进行了优化分析。对回转轴等关键零件进行了应力与应变的 有限元分析，验证了结构设计的合理性。 利用m a t l a b 软件对测量机系统误差模型和随机误差模型进行了仿真计算，以 验证模型的j 下确性。对论文设计的柔性坐标测量机的系统误差和随机误差进行了 实例计算，并对系统误差进行了标定仿真，有效地消除系统误差对测量精度的影 h 向。 最后，对论文研究工作和取得的结论进行了归纳总结。 关键词：柔性坐标测量机，结构设计，运动学模型，误差模型，精度优化，仿真 计算 浙江人学硕士学位论文摘要 a bs t r a c t a tp r e s e n t ，谢t ht h ed e v e l o p m e n to fi n d u s t r i a lm e a s u r e m e n ta n dp r o c e s s i n g t e c h n o l o g y ，t h ea p p l i c a t i o no ft h et r a d i t i o n a lo r t h o g o n a lc o o r d i n a t em e a s u r i n gm a c h i n e i sr e s t r i c t e do nm a n yo c c a s i o n s f o re x a m p l e ，o n l i n ed e t e c t i o no ft h ep r o d u c t i o nl i n e p a r t s ，t e s to ft h ew o r k s h o ps c e n ep a r t s ，m e a s u r eo ft h el a r g ep a r t s ，c o n v e r s ed a t a c o l l e c t i o no fo u t d o o ri t e m si nt h ee n v i r o n m e n t ，a n ds oo n c o m p a r e dw i t ht h e t r a d i t i o n a lc o o r d i n a t e m e a s u r i n gm a c h i n e ，n o n - o r t h o g o n a lc o o r d i n a t em e a s u r i n g s y s t e m sm e c h a n i c a ls t r u c t u r eu s e sj o i n ta r m s ，a n di t i ss m a l ls i z e ，l i g h tw e i g h t ， f l e x i b l e ，e a s yt ot r a n s i t ，s u r v e y i n gal a r g es p a c e ，s i m p l et oo p e r a t e ，l o w - p r i c ea n ds oo n t h e ni t sa p p l i c a t i o ni sg r o w i n gi nr e c e n ty e a r s h o w e v e r ，t h er e l a t i v e l yl o wa c c u r a c y l i m i t e di t sw i d e s p r e a du s e t h i st h e s i ss t u d i e dan e w t y p eo fn o n - o r t h o g o n a lc o o r d i n a t e m e a s u r e m e n ts y s t e m ( f l e x i b l ec 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 es t u d yf o c u s e do n t h ea c c u r a c yo fc o o r d i n a t em e a s u r i n gm a c h i n ea n ds t r u c t u r a ld e s i g n ，e s t a b l i s h e d s y s t e mk i n e m a t i c sm o d e la n de r r o rm o d e l ，d i s c u s s e dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e p a r a m e t e r so ft h es t r u c t u r ea n dt h ea c c u r a c yo p t i m i z e ，a n dt h e nd o n et h es i m u l a t i o n a n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a lv e r i f i c a t i o n f i r s t l y ，d e s i g n t h em e c h a n i c a ls t r u c t u r eo ff l e x i b l ec o o r d i n a t em e a s u r i n g m a c h i n e ，d e t e r m i n et h en u m b e ro ft h es t r u c t u r ef r e e d o ma n dt h ew a yo fi o i n t c o n n e c t i o n s u s eas l i pr i n gt oc o n n e c tt h em e a s u r es i g n a ll i n e sb e t w e e ne a c ho ft h e i o i n t s ，a n ds oa c h i e v et h eu n r e s t r i c t e dr o t a t i o no ft h et h r e ej o i n t s t h em a t e r i a lo ft h e i o i n t su s e da v i a t i o na l u m i n u ma l l o y ，a n dt h em a t e r i a lo fa r t i c u l a t e da r mu s e dc a r b o n f i b e r b yt h i sw a y r e d u c et h ew e i g h to ff l e x i b l ec o o r d i n a t em e a s u r i n gm a c h i n ea n di t c a nb ee a s yt oo p e r a t e ，a tt h es a m et i m ea l s or e d u c et h eh e a td i s t o r t i o no ft h ea r m w h i c hi sc a u s e db yc h a n g e si nt e m p e r a t u r e e s t a b l i s ht h ek i n e m a t i c sm o d e la n de r r o rm o d e lo ft h ef l e x i b l ec o o r d i n a t e m e a s u r i n gm a c h i n e i n c l u d i n gs p e c i f i c ，t h ef i r s ts t e pe s t a b l i s h e da ni d e a lm o t i o n e q u a t i o n ，a n dt h es e c o n ds t e pw o r k e do u tt h ei n t e g r a t e dm e a s u r e m e n te q u a t i o na f t e r c o n s i d e r i n gt h es t r u c t u r a lp a r a m e t e r s e r r o ra n dt h ea n g l es e n s o r s e r r o r , a n dt h et h i r d s t e pe s t a b l i s h e dt h es y s t e me r r o rm o d e la n dr a n d o me r r o rm o d e lu n d e rt h ei n t e g r a t e d m e a s u r e m e n te q u a t i o n a n a l y s e st h er e l a t i o n st h a tb e t w e e nt h es t r u c t u r a lp a r a m e t e r s e r r o ra n dt h ep r o b e l o c a t i o na c c u r a c y f o c u so nt h eo p t i m i z a t i o no ft h el e n g t ho ft h ej o i n ta i m sa n dt h e 浙江大学硕十学位论文 摘要 p a r t s t o l e r a n c e s t u d yt h es t r e s sa n d s t r a i no fk e yp a r t si na n s y s v e r i 母t h ed e s i g n o ft h es t r u c t u r ei sr e a s o n a b l e s i m u l a t et h es y s t e me r r o rm o d e la n dt h er a n d o me r r o rm o d e li nm a t l a b ，a n d v e r i f yt h ec o r r e c t n e s so ft h em o d e l c a l c u l a t et h es y s t e me r r o ra n d r a n d o me r r o ri nt h e c a l c u l a t i o ne x a m p l e ，a n dc a l i b r a t et h es y s t e me r r o ri nc a l i b r a t i o nm o d e l ，t h e n e f f e c t i v e l ye l i m i n a t e dt h ei m p a c to fs y s t e me r r o rt ot h em e a s u r e m e n ta c c u r a c y f i n a l l y ，t h er e s e a r c ha n dt h ec o n c l u s i o n so ft h et h e s i sa r es u m m a r i z e d k e y w o r d s ：f l e x i b l e c 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 r u c t u r a ld e s i g n ， k i n e m a t i c sm o d e l ，e r r o rm o d e l ，o p t i m i z a t i o no fa c c u r a c y ，s i m u l a t i o n i i i 学号2 0 6 0 8 0 6 8 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，也不包含为获得浙江太堂或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我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：问萄戡筝签字嗍加占年名川闩 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解浙江太堂有关保留、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。本人授权逝江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。 学位做作者签名同无障孽 签字日期：沙子年6 月f 石日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字同期：莎矿疗年多月形日 电话： 邮编： 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 第1 章绪论 【本章摘要】本章首先介绍测量仪器在制造业中的地位，接着阐述三维测量技术的演变， 然后对传统正交坐标测量系统与非正交坐标测量系统的优缺点进行比较，最后重点介绍柔性 坐标测量系统研究的意义与本论文研究的主要内容。 1 1 引言 2 0 世纪6 0 年代以来，工业测量和加工技术有了很大的发展，特别是机床、 机械、汽车、航空航天和电子工业兴起后，各种复杂零件的研制和生产需要先进 的检测技术与仪器，因而采用三维测量技术的测试仪器应运而生，各项研究工作 也迅速开展。检测技术与仪器是“新技术革命”的先导和基础，是国民经济的倍 增器。资料显示，美国9 0 年代仪器仪表只占工业总产值4 ，但它对国民经济的 影响面却占6 6 l l ；2 。 1 2 三维测量技术的演变 三维空间尺寸的测量最开始是用一些原始的方法，如采用高度尺和量规等通 用量具在平板上测量，以及采用专用量规、心轴、验棒等量具测量孔的同轴度及 相互位置精度。这种方法劳动强度大、效率低、精度不易保证。 1 9 5 9 年英国f e r r a n t i 公司在法国巴黎召开的国际机床博览会上展出了世界上 最早出现的坐标测量机。该原型样机的结构非常简单，只在x 轴和y 轴方向设 置了两个可移动导轨和相应的数据采集装置，而在z 方向上则简单地放置一个 量程很小的位移传感器。直到1 9 6 9 年美国s h e m e l d 公司在美国制造工程学会产 品展示会上展出具有计算机辅助控制功能的坐标测量机，从而实现真正意义上的 “三维空间坐标测量”，成为第一台具有实际意义的三坐标测量机i ”】。 目前，三坐标测量机是国内外应用较普遍的三维测量仪器，是一种集光、机、 电、计算机一体化，随着电子技术、计算机技术的发展而迅速发展起来的精密测 量仪器。三坐标测量机的结构是在精密机床的基础上发展起来的，按其结构形式 特点分类，主要有以下几大类：由平板测量原理发展起来的三坐标( 如龙门式) ； 由镗床发展起来的三坐标( 如立柱式) ：由测量显微镜发展起来的三坐标( 如台式) 以及从极坐标原理发展起来的关节式三坐标测量仪。前面几种尽管在结构形式上 存在差别，但坐标模型的建立都是在j 下交坐标系( 笛卡尔坐标系) 下进行的，属 于正交坐标系坐标测量机；而后一种则属于非正交系坐标测量机i 。 国外关于正交的坐标测量机的发展历史可见表l 1 1 4 】，目前该类产品已比较 成熟、完善。 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 表1 1 国外三坐标测量机发展历史 研究阶段时问 代表公司 产品 初步研究2 0 世纪5 0 年代f e r r a n t i 公司世界上第一台数字移动式三坐标 初期( 英国)测量机 成形阶段2 0 世纪6 0 年代 s h e f f i e l d 公司( 美国) 第一台实现真正意义上的“三维 初期空间坐标测量”仪器 生产阶段2 0 世纪6 0 年代美国b r o m d u s h a p e 、日大批研制开发三坐标测量机 末本m i t u t o y 公司 产品仓q 新2 0 世纪8 0 年代 z e i s s 、l e i t z 、d e a 、 同定桥式、移动桥式、单臂 m i t u t o y 等三坐标测量机 成熟阶段2 0 世纪9 0 年代l e i t z 、d e a 、i m s ( 英国)手动式三坐标测量机i m p ( 英 初国) 、c n c 小型坐标测量机 e c l i p s e ( 德国c a r lz e i s s ) 国内的三坐标测量机起步比较晚，由于三坐标测量机的技术要求比较高，刚 开始时只能靠引进国外的专利技术。后来随着越来越多的学者和科研人员研究的 不断深入，国内的三坐标测量技术，无论是在理论研究还是产品开发方面，都有 了一定的发展。目前国内三坐标测量机企业中，实力最强的是青岛前哨与 h e x a g o n 集团合资的海克斯康测量技术( 青岛) 有限公司，年销售数量接近4 0 0 台，约占国产三坐标测量机份额的一半左右；其次是北京航空精密机械研究所， 约占国内三坐标测量机份额的五分之一【5 ：6 】。国内其它的生产企业还有：西安爱 德华、哈尔滨量具厂、成都工具研究所、北京机电研究院等。同时还有部分高校 在从事一些基础理论的研究，包括误差补偿、软件开发等方面。尽管我国的三坐 标测量技术获得了一定的成果，但是企业的产品技术和质量一直未达到能够进行 国际竞争的水平，在国外高技术、高质量的测量机产品的严重冲击下，市场占有 率相对比较少。 传统的直角正交坐标测量机能得到广泛的应用，首先是因为人们在生活和生 产中习惯用正交坐标系来做为确定空间位置的依据，具有测量结果直观、数据处 理简单、符合大多数工件测量需要的优点。在实际生产中，工件或机器的尺寸、 形状、运动关系等，大多数情况下都是按正交坐标系给出的，因此用正交坐标测 量机进行检测也最方侧。其次，正交坐标测量机也较容易保证高的测量精度， 因为在整个运动中有导轨保证它沿着直线运动，从标尺系统来看，虽然长度或线 位移的测量不确定度也会随着量程的增大而增大，但不会产生放大作用，这一方 面在有角度测量的回转结构系统中却表现特别明显，因为，如果以角度测量作为 基准，则角度基准的不确定度会随着距离的增大而被放大【_ 7 1 0 1 。 2 浙江大学硕上学位论文第l 章绪论 然而，因为传统的正交三坐标测量机是以正交坐标系为基础的，它有固定的 工作台面，三根相互垂直的运动轴及其标尺，这导致运动轴及标尺必须比被测尺 寸范围长。由于直线导轨和长标尺加工制作比较复杂，三坐标测量机的造价会随 量程加大而急剧上升。它的底座、工作台、立柱和导轨通常由金属、花岗岩或陶 瓷制成，一台三坐标测量机的总重量达数吨乃至数十吨，因而现在的三坐标测量 机都很笨重，不适宜大型工件现场快速测量的需要。利用三坐标测量机进行测量 需要将被测物体放到测量机上，而生产中往往要求在加工、装配现场进行测量， 还有一些对象根本无法搬到三坐标测量机上【l l - 1 3 1 。 另外，在生产和科学研究的实践中，有很多场合需要结构简单、体积小、精 度高、价格低廉、安装简单、易于操作、能够在现场方便地检测工件或机器的各 种部位的大量程的便携式三坐标测量系统【1 4 1 。 同时，随着产品快速数字化逆向设计技术的推广与应用，适合于逆向工程数 据采集的设备需求也越来越广泛。其特点是要求成本低、携带方便、精度适中。 模仿人的手臂关节形式、具有多个关节的非正交系坐标测量机便是基于上述 背景产生的。目前国外产品在我国模具发达地区的应用已呈现快速增长的趋势。 1 3 柔性坐标测量机的研究现状 1 3 1 非正交系坐标测量系统简介 非正交坐标测量机的研发开始于2 0 世纪8 0 年代末，图1 1 与图1 2 分别为 两种典型的关节式坐标测量机i l5 1 。典型的结构方案有：1 9 8 6 年由同本小阪研究 所提出的关节式坐标测量机；1 9 9 6 年由德国学者w l o t z e 提出的双关节s c a n m a x 型坐标测量机( 如图1 1 ) ，s c a n m a x 型坐标测量机是一种为在车间环境下工作而 设计的手动测量机，它具有简单而强大的能实现扫描测量、评定与误差修j 下的计 算机系统，基于非正交坐标系统，具有z 向的线位移导轨和标尺，为了实现在 x y 平面上进行测量而设置的两个精密关节与角度盘，在其自由端装有三维模拟 测头和力传感器，由于整个结构的质量轻，惯性力可以忽略，因而能快速地对工 件进行扫描测量1 1 6 ；1 7 l 。 非正交系坐标测量系统按测量系统硬件可分为：多视觉传感器坐标测量系 统、激光跟踪坐标测量系统、电子经纬测量系统、柔性坐标测量系统等。其中多 视觉传感器坐标测量系统主要应用于测绘领域，激光跟踪坐标测量系统与电子经 纬仪测量系统主要应用于超大尺寸物体的定位，柔性坐标测量系统主要应用于机 械零件和中小型物体的快速测量与逆向工程应用。上述四种测量系统真正与传统 三坐标测量机( c m m ) 功能相似的为柔性坐标测量系统，它们之间的区别在于柔 性坐标测量系统主要应用于一些中低精度的测量与一些要求具有便携性的场合。 下文将重点分析柔性坐标测量系统i l 引。 3 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 图1 1s c a n m a x 型测鼍机结构简图图1 2 多关节测量机 1 3 2 柔性坐标测量机的国内外研究现状 柔性坐标测量机属于空间支导法测量系统，是一种应用传感器技术的接触式 或非接触式三维测量装置。它通过安装在各关节及杆件内部的光电角度编码器获 得各关节转角，再结合机械臂的机械参数( 臂长、关节厚度等) 应用空间支导线 测量的原理计算出测量点的三维坐标【1 9 ；2 0 1 。 1 3 2 1 柔性坐标测量机的国际现状 与传统正交三坐标测量机相比，柔性坐标测量机的优点可归纳为以下几点： ( 1 ) 量程大、体积小、重量轻。对于传统的正交式三坐标测量机，必须选择 足够大的测量机，保证测量机的运动轴和标尺足够长才能测量较大的工件。一台 测量范围超过l m 的测量机重量以吨计。而关节臂式柔性三坐标测量机可以将臂 折叠起来，放入专用皮箱中，其测量范围却一点也不逊色。例如测量3 m 范围内 的点，必要的条件仅需各臂的长度总和超过3 m 。只要自由度足够，没有一个臂 的长度需要超过其它臂的长度总和，在理论上( 如果臂与臂之间不形成障碍的话) 仍然可以探及半径为3 m 的空间球域内的任意点。一台最大探测距离为3 7 m 的 关节臂式柔性三坐标测量机，其主要部件的重量仅有i o k g 左右，可以装在小箱 子中随意携带。 ( 2 ) 可以方便地在现场进行测量，甚至装在被测工件或机器上。这是由其便 携性和定位方便的特点决定的。这也是关节臂式柔性三坐标测量机与传统正交三 坐标测量机相比的最大优势。 ( 3 ) 运动灵活、活动部分质量小，可以探测工件或机器上光学方法不能探及 的位置点。 ( 4 ) 价格适中。一台关节臂式测量机的价格仅为同等测量范围的正交式三坐 标测量机的几分之一。 4 浙人学硕学位论文第1 章绪论 ( 5 ) 由于其棠性的特点和采用人手操作，与正交式二坐标测量机相比，测量 速度快，且无需考虑路径优化等问题。因此，芙节臂式澜0 量机使用更加复活、快 捷。 正是山丁柔性坐标测量机以卜的诸多优点，白推j j ；之初，便发展非常迅速， 同内外的研究机构在相关方面也做丫人量的研究。 口前国际上规模较大的柔性坐标测量机生产商t 要有法女n ( f a r o 俨”、海克斯 康( c i m c o r e 、r o m e r ) 1 2 2 1 。两家公司部自相应的产品在f h 场j 出售，并在市场上 占垄断地位。另外，r i 奉t o k y od e n k iu n i v e r s i t y 的s h i m o j i m a ，k e n 和两班牙 u n i v e r s i t yo f z a r a g o t a 的j o r g es a n l o l a r i a 也在进 r 相关的研究工作， = _ 要是进行 理论和标定技术方而的研究，并末见样机生产报道。 f a r of e c h n o l o g i e s i n c ( 如图】3 1 是世界上最大的关肯臂式c m m 供应商， 总部位丁羹国佛罗单达，号称生产出世界上第台秉性坐标测量机，市场占有率 8 0 以卜。f a r o 测量臂+ 要分为三个系列：钛金、锦金、g a g e 。可测量物体的 最大尺、j 达37 米。j i 产品轻巧方便，测量范围人。荚节和机械臂分别采用航空 铝合会和碳纤维材料制造，整机具有较高的精度和- 靠性。其单点町重复精度最 高为o0 0 5 m m ，艘测量范【| i 的精度为00 2 m m 。 ： 目 乎昭 hi 3 浊如的棠性坐标测城机hi 4 坶克斯康的桌性牮标测摧机 2 1 海克斯康( 如图1 4 注婴有c i m c o r e 和r o m e r 两个品牌，i f 场占有牢在逐 年 升。c i m e o r e 品牌fj 要有曲个系列：i n f i n i t e 、s t i n g e rl i i n f i n i t e 删 祜范围为24 m 的单点”，币复精度为：0 0 1 3 m m ，s t i n g e r i i24 m 的单点可雨复 精度为：00 2 8 m m 。i n f i n i t e 系列的测量机可实现空怕j 无限旋转。r o m e r 品牌 f 主要自i 个系列s i g m a 、f l e x 、o m e g a 。s i g m a25 m 的单点可重复精 度为：o0 1 7 r a m ，f l e x25 m 的巾点可摹复精度为：00 2 0 m m ，o m e g a l8 m 的 单点川1 l 艇精度为：o0 3 4 m m 口。2 2 。 13 2 2 柔性牮标测量机的国内研究现状 田内柔性坐怕、删量机的研究起步比较晚，卡要是部分高校在从事这方面的研 究，其- i 一摊产品的较少。内进行采性坐标测量机研究的主要单位有：哈尔滨 卜i k 人学、犬津人学、毕t | _ 科技大学、浙江大学、台肥t 业大学、凸安鲤德华公 一埯毫 新旺大学碗十学位论文第1 章绪论 州等。茛中后两家单位已经研制出样机1 2 3 , 2 4 】。 l 、哈尔滨工业大学是幽内最早从事柔性举杯测量机研究的单位，从1 9 9 6 年 开始，在“固体火箭发动机几何参数综合测量机的研制”项h 的支持f 研制成功 台6 自由度的关节臂式c m m ，其测量范围为：32 m ，在1 9 9 8 年其一鞋点可重 复精度町达o5 m m ，到1 9 9 9 年2 月其精度提引到o3 r a m 。 2 ) 天津人学在国家自然科学基台项目的支持f ，也在从事相关研究。从相 关文献来看要求达到的单点可重复精度是o0 5 m m ，测量范啊26 m 。 卦华中科技大学塑性成型模拟及模具幽家重点实验室也在，r 展桀性臂相关 项日的研究，引划达到技术指标：单点可重复精度0l m m ，测量范嗣圳21 。 4 ) 浙江大学现代制造上程研究所也， ：展过棚关研究，并研制出样机的部分结 构。 5 ) 合肥工业大学目前已有样机产品( 图1 5 ) 推出。相关的技术指标为：测量 范围24 m ，窄问k 度测量精度00 7 m m ，仪器总重量小于1 0 k g 。采片】外置式 平衡机构，6 个天节在一定范围内旋转实现空m 测量。 6 ) 两安爱德华公司日莳已自h e l i o s 型号的产品( 图1 6 ) 。h c l i o s 测最机使用 航空封 台金材料，数据接口通过u s b 连接史现，选用了智能化测头，即插即用， 无需重新校验。采川外置式、f 衡机构，6 个关带存定范m 内旋转实现空n - 测量。 氇遗 幽i 一5 台肥业人# 研制的样机阿i 6h e l i o s 样机 与幽外棠性坐标测量机相比，田内已推h 1 的样机精度偏低。另外，受结构设 计利加工的限制，国内研制的样机稍显笨重，操作小够灵活，旋转火仃h 能在 定范内回转。 1 4 论文研究的背景与意义 柔性坐标测量机的应_ l 】领域非常泛，包扦航空航天、汽午= 、船舶、电力、 军j 等领域。h 时由r 1 j 正交世标系的测量机相比精度偏低，丰要用n 业向t 程 领域作为数字化【具，川千具有二维复杂曲面造删设计和模且加丁等钉、忆如汽 介 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 车、飞机、船舶、叶轮、家用电器、轻工产品的工业设计制造，并已拓展到服装、 家具、皮鞋的三维打样和款式设计，以及人体外貌、雕刻艺术和工艺品的复制等。 目前国内的柔性坐标测量机市场全部是国外产品一统天下的格局，虽然国内 已有研究机构在做相关的研究，并有样机推出，但精度与国外相比偏低，市场推 广较难。 因此本论文提出研制低成本、中高精度、操作便捷的柔性坐标测量机，重点 研究探讨提高其精度的措施，包括模型建立、误差分析、结构优化等，努力解决 柔性坐标测量机的精度问题。为大型复杂零部件中的坐标测量以及逆向设计中产 品原型数据的获取提供相关装备，对于我国柔性坐标测量机技术的发展和应用具 有重要意义。 1 5 论文的主要研究内容 本论文的课题来源于杭州市科技攻关项目“基于嵌入式系统的便携式柔性臂 测量机系统研制 。 拟研制的柔性坐标测量机，其主要设计指标如下： 1 ) 空间测量半径：耋1 2 m ； 2 ) 单点重复精度：薹0 0 5 m m ； 3 ) 关节可实现空间无限旋转。 结合课题的任务要求，本论文主要针对柔性坐标测量机的机械结构、运动学 模型与误差模型、结构的优化等方面展开研究，论文的整体框架如图1 7 所示。 各章节内容安排如下： 第一章首先介绍了测量仪器在制造业中的地位，进而阐述了三维测量技术的 演变，然后比较了传统正交坐标测量机与非正交坐标测量系统的优缺点，最后重 点介绍了柔性坐标测量机的国内外研究现状及本课题的来源及设计指标。 第二章首先介绍柔性坐标测量机的总体方案，然后重点分析机械结构的详细 设计，并对机械结构中薄弱的结构部件进行有限元分析与强度校核。 第三章基于测量机的机械结构建立柔性坐标测量机的理想运动学模型，然后 分析测量机的各项误差源，建立了考虑误差因素后的综合测量方程，最后根据综 合测量方程得到各项误差模型。 第四章重点从测量机的机械结构出发，在分析各结构参数对测头位置误差的 影响权重的基础上，对结构参数进行优化，从而把结构参数对最终测头位置误差 的影响控制在最小。 第五章首先对柔性坐标测量机的误差模型进行了仿真验证，然后根据结构参 数的优化结果进行了实例计算，分析了各项误差在总误差中所占的比重，最后对 系统误差进行了标定仿真，并对实际关节进行了精度测试。 7 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 研究立项 j c j 互d； | ，：豇：二 i总体方案设计 柔性坐标测量机的运动学模型与误差模型的建立 ( 篇3 童) 1 6 本章小结 图1 7 论文整体框架结构 ( 1 ) 介绍了测量仪器在制造业中的地位，阐述了三维测量技术的演变，其中 重点是介绍了传统三坐标测量机( c m m ) 的历史演变。 ( 2 ) 比较了传统正交坐标测量系统与非正交柔性坐标测量系统的优缺点，从 而突出发展柔性坐标测量系统的重要性。 ( 3 ) 在介绍柔性坐标测量机的国内外研究现状的基础上，指出了国内柔性坐 标测量机目前研究的重点和面临的难点。 ( 4 ) 介绍了本课题的来源与论文研究的意义，并确定了本论文的主要研究内 容：柔性坐标测量机的机械结构设计、运动学模型与误差模型的建立及结构的优 化。 8 * 学酾l 学位论文第2 市柔性坐标测量机的总体方案+ j 站均礁计 第2 章柔性坐标测量机的总体方案与结构设计 【牟章摘要】丰章首先介纠柔性坐标圳胥机的总体a 案，然后重点分析机械 f ，构的详细 设l h 并对机械结构中部分关键结构部什进行钉限兀分析_ 强应枝桩。 2 1 柔性坐标测量机的总体方案 由国外研究的棠性4 标测量机可知，整个测量机系统由机械系统、信号采集 系统、软件系统三部分组成。h 前市场上= 人品牌( 美国的f a r o 及海克斯康的 r o m e r 与c i m c o r e ) 的秉性坐标测量机如图2 - 1 所示。1 6 ；4 f 之间的主要区别就在 于各关节结构及、r 衡系统小i 可。 。 留 a 】f ar l 】1 】c 】c 1 ( i 3 1 c t h c 1 遵鹰，2 哭口部什3 臂身轩州，4 。测头5 平衡部什 幽2 - i 乘性半帕、洲甜机，“一1 参考已有的测量机的结构彤式，小谍题拟定的柔性举杯测量机也由机械系 统、信号聚集系统、软件系统三太部分组成。其结构总体却局方案如图22 所示。 9 jlh ) 浙江大学硕士学位论文第2 章柔性坐标测量机的总体方案与结构设计 图2 2 柔性坐标测量机的结构总体布局 2 1 1 自由度的选择 柔性坐标测量机的设计，在结构上模仿了关节式机器人的“关节”形式，只 是去掉了机器人结构中的驱动装置和控制机构，而改为由人来完成测量机的手动 操作【2 5 1 。在确定柔性坐标测量机的自由度个数时，应考虑以下方面： 1 ) 针对被测的对象，仪器在工作的过程中整个测量范围内基本上不能出现 “死区 ，即仪器测量的“盲点 。 2 ) 能实现对被测物体内外表面的灵活测量。 3 ) 在满足上面两个条件的同时，应尽量减少自由度的个数( 角度编码器的 个数) ，这样一方面可以减少测量机中误差传递和放大的级数，从而保证仪器的 测量精度能够达到要求。另一方面也可以降低测量机的硬件成本。 参考关节式机器人的结构形式，在考虑上述三个方面因素的情况下，确定了 6 个自由度的机械结构形式，测量机的各关节结构示意如图2 3 所示。 本文中把与基座距离最近的关节称为第一关节，距离稍远的称为第二关节， 依此类推称为第三、四、五、六关节。其中关节一、三、五可以作空间无限制旋 转，从而保证测量时操作灵活方便。关节二、四、六可作俯摆运动，俯摆角度范 围为( 9 0 。，9 0 。) 。 1 0 浙江人毕j “# 镕女第2 章柔性标测量机的总体方案与结构垃计 h23 测晕机戈壮旋转示意嘲 2 1 2 信号采集系统 信号采集系统的主要功能是对角度编码器测角时形成的脉冲信号以及敬点 采样按钮的触发信寸进行采集，井以一定的格式和协议传递给计算机，以便进行 厉期的处理。它主要山二大部分组成：角度编码器、信号采集f 及l 位机。其原 州如图2 - 4 所小，其体实现过样为：编码器发h 脉冲信号，通过信号聚集 转换 成训数信号然后在j 位机中转化成角度值，虽后计算出相应的空间啦标值。 信弓聚集p 上位目l 削2 - 4 信甘采集系统原理酗 2 i 2 1 角度编码器的选取 mj 柔性坐枷、测量机是通过角度编码器将角度基准系统转换为长度牡准系 统1 2 6 ：2 v ，所以编码器的测量准确f b f n n j 靠性对于关竹式毕标测量机至关蘑要。 此在选择编码嚣时小仅要求其精度高，i 町h 要求奠角度测量性能稳定可靠。为 了最犬程度上减少整个仪器的体积午u 重量需尽量选用体积较小的角度编码器，因 为加度编器体私 加大，则必然导致并个关节部位的体积和重量增加。 根据柔什一柄、测量机的精度设训要求，需求的编码器精度须达到2 1 位，即 分辨率颈达到06 角秒。综合考虑结构设计的限制，奉课题i p 选川的是某公司的 嘲光栅编码器，编码嚣的外行为5 715 m m ，其一圈剿线为8 1 9 2 线1 实数又具仃 4 0 0 倍细分的功能，细分后的精度l j 达到3 6 0 0 ( 8 1 9 2 4 0 0 ) - 04 角秒，1 4 满足世计 1 1 新大自+ 学位论女第2 口集性坐标测量机的总体 粜。，结构设计 要求。编码器的外形和安装示意图如图2 5 所不。 凹2 - 5 编码器外形幽和安裂示意吲 2 1 2 , 2 信号采集卡的选择 信号采集卡主要是对六纽光栅信号和一组触发采样信号进行采样。网光栅编 码器输出信号有a + 、a 、b + 、b 一、i n d e x + 、i n d e x - 共六路脉冲。最高输出脉冲 频率按一秒钟转动一圈输入2 ”个脉冲束计算，约为2 m h z 。根据r 向两个参数， 本课题的采集i - 最终选用的是一款专用的f 变编码器信号采集卡，有4 t 1 4a + 、 a 、b + 、b 、i n d e x + 、i n d e x 一信号按八端，最高l f 交输入频率为2 m h z ，叮以满 足计数婪求。冈共有6 组编码器信弓，战需选_ l f j 两块信号采集仁。 2 1 3 软件系统 软什系统的主蛭功能是对柔性坐标测量机的系统误芹进行标定，并完成对信 号采集系统采集的信吁进行处理与坐标值算。软件系统应能提供一个人机交瓦 友好的界面，能万使的史现再项操作。目2 - 6 是奉课题编制的软件界而。 譬零霉 誊萋! 龟誓= 囊 幽26 删丛软什基本界 2 i ：嚣： ! ；兰茹 浙江大学硕士学位论文第2 章柔性坐标测量机的总体方案与结构设计 2 2 柔性坐标测量机机械结构详细设计 结构是整个柔性坐标测量机实现测量的基础，也是实现测量功能，建立测量 模型的基础。本课题设计的机械结构主要由基座、臂身杆件、横关节部件、测头 部件及平衡系统五大部分组成。 2 2 1 基座部件设计 柔性坐标测量机的基座用于支撑测量机上的所有部件，且测量机中的电信号 线从此部件引出与上位机进行连接，与基座直接配合的是测量机的第一关节。其 具体装置如图2 7 所示。 基座由圆套筒、内螺母、转盘、角接触轴承、底座、滑环支架、滑环等零件 组成。圆套筒的一端与测量机的第一关节配合，另一端与底座配合。滑环固定在 滑环支架上，滑环支架则固定在底座的上端面。滑环的作用是在安装与使用过程 中避免信号线的缠绕。转盘用于安装平衡机构。底座上开有两个孔，用于安装接 线头。整个底座装置固定在磁力吸盘上。 转 圆套 盘 j 内螺 ? l l l ，c 底座 ， j l i 图2 - 7 基座结构示意图 2 2 2 横关节部件设计 测量机中的横关节( 即2 、4 、6 关节) 部件主要用于连接相邻的两个臂身杆件， 且实现两杆件的高精度回转。相应的回转角度由角度传感器测得。对关节部件结 构设计要求是：结构紧凑，转动灵活，相应的转轴强度高，刚性大，弹性变形小； 各关节之间垂直连接，回转部分的径向跳动小，同轴度高2 8 l 。具体的结构装置 1 3 浙江大学硕士学位论文第2 章柔性坐标测量机的总体方案与结构设计 如图2 - 8 所示。 横关节部件由关节连接套、空心轴、外套筒、轴承、角度传感器等零件组成。 关节连接套( 上) 与空心轴配合，关节连接套( 下) 与外套筒配合。它们构成的整体 分别连接两个相邻的臂身杆件，关节连接套的回转轴线与臂身杆件的轴线垂直。 连接套的回转同时带动空心轴与外套筒一起回转，这里设计的关节连接套的回转 角度范围为( 9 0 。，9 0 。) 。空心轴与外套筒之间有一对轴承，采用双轴承结构， 可以减少单一轴承结构旋转时产生的径向跳动误差及偏转误差，提高回转精度。 在空心轴的一端固定有圆光栅盘，在外套筒的一端固定有读数头，外套筒相对于 空心轴回转时，带动其上的读数头相对于圆光栅盘回转，从而测得回转角度 2 9 ；3 0 。 图2 - 8 横关节部件的结构简图 下关节连接套 2 2 3 臂身杆件设计 臂身杆件的主要参数是杆长，使测量机达到预定的测量范围且在规定的测量 半径空间范围内，无测量死角。对臂身杆件的设计要求是：重量轻、刚性强、弯 曲变形与弹性变形小；结构紧凑，杆件的最大外径应该适宜手持操作，回转部分 的径向窜动要小。具体的结构装置如图2 - 9 所示。 臂身杆件与关节部件的结构相似，由关节连接套左、右、空心轴、外套筒、 编码器、滑环、延伸管等零件构成。同样关节连接套右与空心轴构成一个整体， 关节连接套左通过延伸管与外套筒构成一个整体，两者通过空心轴与外套筒间的 双轴承结构实现相对旋转，旋转角度通过角度编码器测得。为了使测量时操作灵 1 4 浙江大学硕士学位论文第2 章柔性坐标测量机的总体方案与结构设计 活且整个测量空间无测量死角，此处空心轴与外套筒可空间无限制旋转。为了