五连杆机构测量仪及其标定方法研究

摘要

五连杆机构测量仪是用于测量平面曲线的并联机构，轻巧灵活，重复精度高，但参数标定困难是亟需解决的问题。本文针对五连杆机构测量仪，在误差分析与标定方面进行了如下研究。
　　首先，分析了五连杆机构测量仪的机械结构，针对半径较小的地铁车轮，重新设计了测量仪。给出了测量仪的正逆解模型，并对测量仪的测量域进行优化仿真。
　　其次，分析仪器的误差源，用Matlab对误差进行仿真，结果表明，杆长误差和编码器位置误差引起的测量误差为10-3mm数量级，量化误差和编码器（3600线）零点位置误差引起的测量误差在±0.03mm以内，同时量化误差存在整体趋势，可通过补偿半个脉冲来消除。采用闭环矢量链法推导出参数误差与末端坐标误差之间的传递函数，建立了测量仪的误差模型，并根据误差模型计算出末端位置关于各个参数误差的灵敏度系数。结果表明，编码器零点位置误差的灵敏度系数最高。
　　然后，本文分析了测量轮半径补偿过程的原理以及传统半径补偿方法中的二点法。针对偏移和量化JM3样板标准曲线后得到的轮心坐标，采用Fourier级数拟合轮心坐标的方法对其进行半径补偿，补偿结果与二点法相比有明显改善，用拟合曲线导数补偿后的误差在±3×10-4mm以内。
　　最后，以建立的误差模型为基础，设定了四组标定仿真试验，每组试验分别以水平直线和竖直线为标定路径，建立标定模型，得出标定结果并计算标定后的测量误差。此四组试验分别为:1）考虑参数误差，不考虑量化误差;2）考虑参数误差和量化误差;3）只考虑编码器零点位置误差与量化误差;4）在试验2的基础上考虑在标定时将杆长误差和编码器位置误差等效为编码器零点位置误差，并设计正交试验，避免特殊性。
　　仿真结果表明:当标定方程系数矩阵中含有所有参数分量时，矩阵呈病态，微小的误差将引起方程解的大幅度改变;当系数矩阵中只含有编码器零点位置误差分量时，矩阵呈良态;大部分试验中，水平线上的参数标定的准确度高于竖直线;当杆长误差和编码器位置精度越高，试验4）的方法越能降低标定误差。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 论文背景以及研究意义

1．1．1 并联机构及其应用

1．1．2 五连杆机构测量仪的研究意义

1．2 并联机构参数标定的研究现状

1．3 论文主要工作内容

第2章 侧板设计及测量仪仿真

2．1 五连杆机构测量仪

2．1．1 测量仪的机械组成部分

2．1．2 测量仪的测量过程

2．2 侧板的重新设计与仿真

2．2．1 侧板的设计

2．2．2 踏面曲线仿真

2．3 正逆解模型

2．3．1 正解模型

2．3．2 逆解模型

2．4 测量域仿真

2．5 本章小结

第3章 仪器误差分析

3．1 误差源

3．2 测量仪误差仿真

3．2．1 参数误差

3．2．2 编码器量化误差

3．2．3 测量轮半径误差

3．3 误差模型

3．3．1 建立误差模型

3．3．2 省略误差仿真

3．4 灵敏度分析

3．5 本章小结

第4章 半径补偿

4．1 半径补偿原理

4．2 传统半径补偿方法

4．3 曲线拟合半径补偿方法

4．4 算例

4．5 本章小结

第5章 标定试验设计与结果分析

5．1 试验设计思路

5．2 考虑参数误差，不考虑量化误差

5．2．1 标定路径x=30

5．2．2 标定路径y=-100

5．3 考虑参数误差和量化误差

5．3．1 标定路径x=30

5．3．2 标定路径y=-100

5．4 只考虑编码器零点位置与量化误差

5．4．1 标定路径x=30

5．4．2 标定路径y=-100

5．5 考虑参数误差和量化误差的改进

5．5．1 标定路径x=30

5．5．2 标定路径y=-100

5．5．3 正交试验设计

5．6 试验总结

5．7 本章小结

结论

致谢

参考文献

附录

攻读硕士期间发表的论文及科研成果