关节式坐标测量机测头接触力研究

【摘要】：关节式坐标测量机(Articulated Arm Coordinate Measuring Machine,AACMM)具有测量空间大、灵活性好、便于现场测量等优点,广泛应用于逆向工程、汽车车身设计、现场零件检测等领域。但是由于关节式坐标测量机的串联机械结构特点,各个关节上的误差会被累积并逐级扩大,最终导致测量机精度不高。总结国内外研究现状可知,目前改进关节式坐标测量机精度的措施集中于提高测量机结构精度要求,或采取更有效的标定方法等手段。然而关节式坐标测量机应用的一个重要特征就是人工手动操作,手动操作虽然有较好的测量灵活性,但也对使用人员的操作技能有较高的要求,不同人员在完成测量操作时对测头施加的力必然不一样,这就引入了测头接触力这一不可预测的误差来源。因此,本文设计了一种面向关节式坐标测量机的测头接触力检测装置,并将测头受力变形模型集成进关节式坐标测量机运动学模型中,标定测头挠度参数,补偿测头接触力引起的测量误差(本文后面内容中涉及的同一概念,全部简称接触力误差),进一步提高测量机精度。论文开展的主要研究工作包括:(1)关节式坐标测量机误差源分析与数学模型建立。结合结构特点系统地分析关节式坐标测量机存在的主要误差源,依次构建关节式坐标测量机的运动学模型、误差模型和标定模型。(2)测量机的测头受力分析与面向关节式坐标测量机的接触力检测装置设计。根据赫兹公式和悬臂梁基本原理建立测量机触球局部压缩模型与测杆挠度变形模型。分析接触力对关节式坐标测量机精度的影响规律,提出一种面向关节式坐标测量机的接触力检测方法与装置,实现接触力信号和关节式坐标测量机坐标点信号数据的同步采集。(3)基于F-DH模型的关节式坐标测量机自标定方法研究。建立集成接触力的关节式坐标测量机运动学模型和误差模型,把测头变形补偿模型集成到运动学模型中,为测量机精度提高开辟新途径。引入雅可比矩阵条件数作为标定效果评价指标,仿真分析测量姿态数、测量点数量对自标定结果的影响。(4)接触力误差补偿方法实验研究。设计接触力误差补偿实验方案,开展基于DH模型与基于F-DH模型的关节式坐标测量机自标定方法对比实验,验证本论文所提出方法的可行性与有效性。