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关节臂式坐标测量机系统研究

王学影  
【摘要】: 关节臂式坐标测量机是一种新型的多自由度非笛卡尔式坐标测量系统,具有体积小、重量轻、运动灵活、方便现场行测量、价格较便宜等优点,因此具有广泛的应用前景。本文在对国内外关节臂式坐标测量机发展现状和趋势全面分析的基础上,围绕该类系统的关键技术展开研究。 本论文研究的课题是国家自然科学基金资助项目,项目编号是50475116。论文的主要研究工作包括以下几个方面: 针对关节臂式坐标测量机系统的测量特点,设计了系统整体结构,确保了系统的可靠性。在DH参数法基础上,提出了准球坐标系统定义,建立了更为简化和适合标定的系统数学模型,研究了不同关节数量和空间配置对测量空间的影响,对各臂长比例进行了优化设计。 从机构运动学基本关系出发,分析了关节臂式坐标测量机测头误差的产生原因,建立了测头误差数学模型。根据误差理论,对关节臂式坐标测量机进行了不确定度分析,研究了零件允差与测量机测头位置误差之间的定量关系,设计了关节臂式坐标测量机零件允差优化模型。 提出了一整套标定关节臂式坐标测量机各系统参数的新方法,使得标定过程简单实用,参数分离容易实现。克服了以往标定方法的算法复杂,初值选取敏感,矩阵病态等问题。整个测量方法的关键是要求其它参数以及各个关节臂的转角误差对标定结果基本上没有影响,即其它参数的标定误差和各个关节臂的转角误差对于被标定参数的影响仅为二次误差。 依据具体数据采集功能需求,在测量机的关节处分别设置由角度传感器以及单片机组成的智能传感器单元,提出了一种内部基于RS485总线的分布式采集系统,实现了各个关节角的角度处理功能。对编码器正交信号的辨向、四细分、可逆计数采用CPLD实现,并与传统的分立元件实现方案进行了对比。给出了采集板控制软件的基本结构,讨论了PC端USB驱动程序开发基本思路。 最后完成了与关节臂式坐标测量机精度有关的实验。通过实验分析了各结构参数误差的变化对测头位置误差的影响。基于反转法标定技术,对Faro Platinum 2.4m关节臂式坐标测量机的臂长、偏置以及垂直度误差参数完成了标定实验,实验结果验证了标定方法的可行性和精确性。在搭建的系统实验平台上,用逻辑发生卡产生光栅信号验证了数据采集系统的正确性。 总之,本文以上工作为研制具有自主知识产权的关节臂式坐标测量机奠定了良好的基础。


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