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《合肥工业大学》 2007年
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坐标测量机误差建模与修正技术研究

杨洪涛  
【摘要】: 现代制造业的发展对三坐标测量机提出更高的速度和精度要求。本文根据作者近年来所承担的几项科研课题的研究成果,选择通用的移动桥式测量机作为研究对象,重点对中等精度常规三坐标测量机的动态误差建模与修正技术进行较系统和深入的分析研究。不同结构测量机的测量精度要求不同,所应用的误差建模与修正技术有很大差别。因此本文对高精度小型纳米测量机和低精度在线坐标测量机的误差建模与修正技术也进行了系统的研究。论文的主要研究工作包括:1)研究了三种类型三坐标测量机不同结构特点对静、动态精度的影响;2)深入研究了三坐标测量机静、动态测量误差建模的几个问题;3)建立了误差分离实验装置,利用误差测量数据验证三种测量机误差建模与修正技术的理论研究结果。论文的研究内容和创新点如下: 对三坐标测量机的静态误差源进行了分析归纳。在研究纳米测量机和在线坐标测量机结构特征和受力分析基础上,对纳米测量机和在线坐标测量机的静态相关性误差源进行分析。分析了移动桥式测量机各动态误差源及相互关系。对引起测量机桥架振动的原因进行了原理性研究,推导了测量机机体动变形和测量机测量误差之间的理论关系式,研究了测头系统动态特性、光栅动态特性对测量机动态测量精度的影响。从惯性力、滚动导轨的振动特性和悬臂的放大作用等方面对在线坐标测量机的动态误差源进行了详细分析,从理论上研究了滚动导轨的振动特性对测量机振动的影响,分析了在线坐标测量机动态误差的表现形式。 根据三种类型三坐标测量机误差分布的特征,提出了利用三次样条原理和双三次样条函数建立测量机一维和二维相关性误差模型。根据在线坐标测量机结构特点和零位不重合的特征,利用齐次变换矩阵建立测量机的误差修正模型。为了解决传统建立高精度单维动态误差模型需要大量样本数据的缺点,研究了利用有选择性插入标准量的贝叶斯预测建模方法的理论基础和算法,准备应用于建立移动桥式坐标测量机单项动态误差模型。介绍了BP神经网络和支持向量机的特点和算法,准备应用于建立移动桥式坐标测量机在不同空间结构状态下的测量系统三维动态误差相关性模型。 为了验证对三种测量机误差建模与修正技术的理论研究结果,修正测量机的静、动态测量误差,提高测量机的静、动态测量精度,利用双频激光干涉仪和辅助夹具建立移动桥式测量机动态误差分离装置,分析了测量机测量系统动态精度与各个特性参数之间的关系,得到了测量机取得最佳测量精度的测量速度和测量空间。利用贝叶斯一步预测、多步预测、等间隔插入标准量和有选择性插入标准量方法建立测量机测量系统动态误差一维模型。利用双三次样条、BP神经网络和支持向量机方法建立不同空间结构下的测量机测量系统三维动态误差模型,并进行建模效果比较。根据纳米测量机的结构和精度要求,选用测量头和激光源分开的三光束平面反射激光干涉仪SP2000-TR设计误差分离装置,设计了纳米测量机各单项误差的分离方案,实现了测量机示值误差、直线度角运动误差、线值误差的一次性分离。进行了利用直角棱镜进行转折光路和绝对零位对测量结果影响的理论研究,设计了相关的误差分离原理验证实验进行验证。研究基于速度瞬时中心的工作台导轨误差高精度分离方法,认为工作台实际瞬时中心是时变的,进行了工作台速度中心坐标和任意点的坐标误差的计算公式的理论推导,从理论上设计了基于运动瞬时中心的误差分离与修正方法。利用双频激光干涉仪长度测量系统、小角度测量系统、电感测微仪、角尺设计并建立了在线坐标测量机的误差分离系统,进行了测量机X、Y、Z三个方向示值误差、直线度偏摆和滚转误差的分离,分析获得的误差数据特征,对测量机的单轴定位误差进行了修正。
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