多關節(jié)式坐標測量系統(tǒng)的關鍵技術研究.pdf

1、隨著先進制造技術的快速發(fā)展，逆向工程作為一種快速獲取物體三維模型的先進技術手段，在現(xiàn)場大型零、部件的幾何尺寸檢測、質量控制和虛擬現(xiàn)實等眾多領域得到了廣泛的應用。傳統(tǒng)的逆向測量設備是笛卡爾式三坐標測量機，它以其成熟的技術和卓越的性能而享有“測量中心”的美譽，但由于受相互垂直的三軸導軌和安裝環(huán)境的限制，難以滿足工業(yè)生產中提出的多種現(xiàn)場測量要求。作為一種新型的多自由度非笛卡爾式坐標測量機，多關節(jié)式坐標測量臂應運而生。它以角度測量基準取代三坐標

2、測量機的長度測量基準，具有便攜性好、體積小、重量輕、運動靈活、現(xiàn)場測量方便、價格較便宜等優(yōu)點，因此有著廣闊的發(fā)展前景。
　　 本論文主要研究內容包括多關節(jié)式坐標測量臂的機械結構、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、運動學模型、運動學參數(shù)誤差分析，系統(tǒng)標定方法關鍵問題，論文從理論和技術兩個層面上在這些問題進行了系統(tǒng)而深入地探討。
　　 針對多關節(jié)式坐標測量臂的特點，設計了機械結構和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。為了保證整個測量設備的測量精度和結構緊湊，關節(jié)旋轉

3、機構采用了高精度的滾動軸承，并盡可能地減輕旋轉機構的晃動；選用滑環(huán)結構以實現(xiàn)無限旋轉的目的，從而避免了信號線在測量臂內部絞斷的問題。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用了先進的嵌入式系統(tǒng)和現(xiàn)場總線技術，減少了信號傳輸線的數(shù)量，降低了機械結構的復雜性，并且提高了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。
　　 據(jù)文獻研究表明，測量臂定位誤差中的95％是由所建立運動學模型的不準確所引起的。由此可見，運動學模型對測量臂的測量精度極為重要。目前國內外機構或者學者大多仍

4、采用傳統(tǒng)的D-H模型來作為測量臂的運動學模型，其缺陷在于它是4自由度參數(shù)模型，缺乏完備性。針對這一研究現(xiàn)狀，本文提出建立最佳基準位姿原則，便于利用POE公式和LocAlPOE公式來建立測量臂的運動學模型。這兩個模型均是6自由度參數(shù)模型，可以較好地克服傳統(tǒng)D-H模型的缺陷。在所建立的運動學基礎上，提出關鍵桿長的設計原則，以避免測量空間內出現(xiàn)“空腔”現(xiàn)象。
　　 從三個運動學模型出發(fā)，分析了測量臂的誤差源成因，建立了運動學修正模型并

5、研究了各運動學參數(shù)誤差對測量精度的影響規(guī)律，為測量臂的設計和制造提供了理論依據(jù)。
　　 為了提高測量臂的測量精度，提出了兩種新穎的測量臂標定方法。這兩種標定方法的特點是算法易于實現(xiàn)，標定過程簡便。它們克服了以往標定方法中所用的優(yōu)化算法復雜，矩陣病態(tài)，初值選取過于苛刻，迭代計算中的求導和求逆會引入較大的計算誤差，計算的結果極有可能陷入局部最優(yōu)解而得不到全局最優(yōu)解等諸多問題。標定實驗結果顯示，標定后的測量精度可以滿足測量臂的精度要求