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柔性臂测量机误差补偿与系统标定的研究

朱杰  
【摘要】:传统的正交三坐标测量机(CMM)因其较高的精度和强大的功能而具有“测量中心”的美誉,被广泛应用于生产与科研。但是,随着科学技术和生产的发展,它在越来越多场合的应用受到限制,诸如:不适合于现场测量及大尺寸测量,测量盲区多等。基于非正交坐标系统的柔性臂测量机将机器人技术与测量技术相结合,相对于传统正交三坐标测量机它具有体积小、重量轻、价格便宜、灵活性好、操作方便、便于携带、测量范围大、基本无测量盲区、便于现场测量等优势,应用与需求日益增长。但是柔性臂测量机的测量精度相对偏低,成为限制其推广应用的主要瓶颈。本文主要对柔性臂测量机系统及精度理论进行研究,包括测量机的机械结构、运动学建模及误差建模、标定技术、误差补偿等内容。 根据柔性臂测量机的机械结构,采用D-H法建立了其运动学模型,并通过图解法验证了模型的正确性。分析了柔性臂测量机的误差源,建立了全微分误差模型和解析法误差模型。针对不同级别的关节转角和关节扭转角误差对测量精度的影响进行了大量仿真分析,仿真结果为今后柔性臂测量机如何在设计、制造及装配等技术环节严格控制,以进一步提高测量精度提供了理论指导。 分析了柔性臂测量机的圆光栅安装偏心误差、温度变化导致的热变形误差和力学弯曲应变变形误差,并探讨了减少或消除上述误差的补偿方法。采用模块化设计方案,搭建了简易实验平台;该实验台主要由机械结构系统、计算机测控系统、基于虚拟仪器LabVIEW开发的软件系统、针对动态应变和环境温度变化的误差补偿系统等主要模块构成。应用搭建的简易试验台,对角度测量原理进行实验验证;并通过在测量臂上安置智能传感器以实时监测臂的温度热变形及力学应变变形,实现对温度热变形及力学应变误差的实时误差补偿,以提高其测量精度及稳定性。 本文围绕柔性臂测量机的关键技术,研究内容包括系统机械结构分析、运动学建模、误差建模,参数标定、误差补偿等。并从理论和技术两个层面上对上述问题进行了深入地探讨。在以上研究的基础上,还搭建了简易实验平台,通过该平台对测量机进行实验研究。最后对论文研究工作进行了总结,并指出今后研究需要加强和改进的方面。


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