平行双关节坐标测量机精度分析和标定技术的研究

摘要

平行双关节坐标测量机属于一种非正交坐标测量设备。非正交坐标测量系统较正交坐标测量系统具有造价低、运动灵活、测量空间开阔、适合现场测量等优点,近年来获得了迅速的发展。基于非正交坐标测量系统的平行双关节坐标测量机具有两个精密关节和角度盘,可实现在X-Y平面上测量,并具有Z轴方向测量的线位移导轨和标尺。非正交坐标测量系统的精度低于正交坐标测量系统,坐标换算关系较复杂。因此,非正交坐标测量机的误差补偿环节对提高系统测量精度至关重要。
　　 本论文的主要工作包括以下几个方面:
　　 分析测量机的测量特点,利用改进的五参数D-H模型导出测量机的带误差的数学补偿模型。理论上,补偿后的平行双关节坐标测量机的系统误差为12μm。
　　 分析了仪器的误差来源,对光栅传感器的精度、轴系的跳动、直线关节的跳动、扭矩变形等随机误差项对测量结构的影响进行了分析计算,对产生随机误差源的器件进行了精度限制,进行了结构设计上的改进；对系统自重引起的弯矩变形、圆光栅偏心引起的读数误差等对仪器精度的影响大小进行了分析,从而研究了现有机械设计参数的合理性。
　　 利用参数测定法和反转法等方法的基本思想,设计了平行双关节式坐标测量机的标定方案,并对标定过程中所引入的误差进行了分析计算。
　　 设计了直线关节的定位误差、直线度误差、光栅回零误差和温度变形误差的检测方案,以便在实验中检测这些误差项的大小,分析规律进行补偿。
　　 利用大型有限元分析软件ANSYS10.0对重力变形、扭矩变形模型进行了仿真验证；在以上随机误差精度和标定精度的基础上,分析推导了仪器的总极限误差。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 平行双关节坐标测量机概述及发展

1.1.1 平行双关节坐标测量机概述

1.1.2 国内外发展现状

1.2 平行双关节坐标测量机的关键技术

1.3 课题的研究意义和主要工作

1.4 研究难点

第二章 系统结构和数学模型的建立

2.1 系统工作原理

2.1.1 总体结构

2.1.2 理想模型

2.2 系统测量模型的建立

2.2.1 坐标变换矩阵

2.2.2 系统运动学描述

2.3 误差来源

2.3.1 系统误差来源

2.3.2 随机误差来源

2.4 系统带误差模型的建立

2.4.1 系统参数引起的坐标系微分运动

2.4.2 系统的带误差模型

2.5 系统主要技术指标

第三章 测量机的结构精度分析

3.1 光栅传感器的精度限制

3.2 旋转轴跳动带来的误差

3.3 直线关节的跳动误差分析

3.3.1 导轨间隙引起的偏摆角运动误差

3.3.2 直线关节的俯仰角运动

3.4 大连接杆受扭矩变形误差

3.5 圆光栅的偏心误差

3.5.1 圆光栅的偏心误差的精度分析

3.5.2 圆光栅的偏心误差的补偿

3.6 系统的重力变形误差

3.6.1 小连接杆Ⅱ的模型

3.6.2 大连接杆Ⅰ的模型

3.6.3 立柱的模型

第四章 仪器的标定和检测

4.1 需要标定和检测的误差量

4.2 平行度误差的标定

4.2.1 Z1与Z3在X-Z平面内平行度的标定

4.2.2 Z2与Z3之间在X-Z平面内的平行度标定

4.2.3 Z1与Z3在Y-Z平面内平行度的标定

4.2.4 Z2与Z3在Y-Z平面内平行度的标定

4.3 长度误差标定

4.3.1 连接杆a2长度标定

4.3.2 连接杆a1长度标定

4.4 零位误差的标定

4.5 圆光栅的偏心引起的角度误差的标定

4.5.1 标定方案

4.5.2 标定精度分析

4.5.3 小结

4.6 直线关节的定位误差的检测

4.7 直线关节的直线度误差的检测

4.8 回零误差的检测

4.8.1 圆光栅Ⅰ的回零误差的检测

4.8.2 圆光栅Ⅱ的回零误差的检测

4.8.3 直线关节的回零误差的检测

4.9 环境温度的变化引起的杆件伸缩量

第五章 模型验证和总精度分析

5.1 模型验证

5.1.1 仪器重力引起的弯矩变形验证

5.1.2 大连接杆受扭矩变形验证

5.2 系统总精度分析

第六章 全文总结和展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明