多自由度非正交系统测量设备的位置参量溯源关键技术的研究

【摘要】：多自由度非正交系统在进行工业校准和在线测量补偿时,需要借助外部测量仪器来获取性能参数,但ISO标准中的静态测量校准部分只规定了仪器性能和精度的定性指标,缺少量化分析;动态测量校准部分未对仪器的动态性能给出明确规定,随着人们越来越多的关注动态性能,定性和定量的评定外部测量设备的精度和稳定性成为了亟待解决的问题。本文主要针对激光跟踪仪和双目视觉系统的动静态测量精度和性能进行定性定量分析研究,并使用多边坐标测量法的高精度特性对两种测量设备进行在线校准溯源。针对测量仪器的静态测量精度,本文选取机械臂的位置特性作为评定指标,分析机器人运行速度与位置误差的关系,反映设备在不同条件下的响应特性。实验表明机器人性能稳定,两种设备测量结果的整体变化趋势均为先减小后趋于稳定,但测量精度间存在差异。针对激光跟踪仪测量光束被遮挡中断次数对仪器位置测量误差的影响进行了实验分析,发现激光跟踪仪断光次数对仪器自身的精度影响为0～3μm,最大影响程度占机器人位置误差测量结果的6.6%,可近似忽略;针对双目视觉系统位置测量精度较低的问题,采用标准长度建立高精度坐标系并获得修正量,修正双目视觉系统误差,这种方法可以将双目视觉系统的静态位置测量准确度和重复性分别提高32%和80%,量化的提高至激光跟踪仪精度水平。针对测量仪器的动态测量精度,本文选取机械臂的轨迹特性作为评定指标,分别针对跟踪性能和动态测量精度,选取目标运动速度和仪器测量距离作为变量进行研究;由于仪器采样频率不同会造成拟合误差,通过仿真分析采样点布局、数量和位置误差对目标轨迹拟合的影响,确定拟合标准为采样点大于15个较好且均匀分布在大于1/2轨迹上。通过实验得出结论:随着运动速度的增大和测量距离的增加,激光跟踪仪和双目视觉系统测量的动态轨迹准确度和重复性均增加,但激光跟踪仪的最大跟踪速度和动态轨迹测量精度均优于双目视觉系统。本文设计了合作靶标,将三种测量设备的接收器(大、小靶球和标志点)均匀分布在机械臂末端,完成同步同时的位置特性测量实验,实验结果表明,在测量距离为4m处,激光跟踪仪和双目视觉系统测量的位置重复性精度分别为10μm和24μm,均优于理论分析精度,这主要是由实验现场环境情况较好且变化稳定,无人员走动带来的地基震动、空气扰动等原因导致的。