关节式坐标测量机的研究

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1、北京化T人学硕l：学位论文有这样才能够适合不断发展的科学技术。因此，近年来随着生产和科学的发展，有许多测量场合都凸现出传统的笛卡尔坐标系三坐标测量机即正交测量机的不足。正交式坐标测量机的结构特点是由三根固定的测量导轨组成其测量范围，测量的时候要把被测工件摆在这个测量范围内。由于这样形成的测量范围相对固定，即X轴、y轴和Z轴的测量范围有局限，在测量工件时X轴、】，轴和Z轴必须有与之相应的行程。对于一些大型工程项目的测量，不可能将这些机器搬到正交坐标测量机上进行测量。另外正交三坐标测量机的直线导轨和安装在直线导轨上的指示长光栅制作复杂

2、、价格昂贵。于是一种基于非笛卡尔式坐标测量的仪器应运而生。1986年，日本小坂研究所的小美漂武久等研制了关节式的坐标测量机。关节式坐标测量机是将坐标测量技术和仿生学技术相结合的产物，模仿人类手臂的关节进行机械结构制作。关节式坐标测量机的问世是对测量概念的又一次突破。关节式坐标测量机借助机器人学中的建模方法构造出空间点在基座坐标系中的位置，其显著特点是通过测量角度而得到空I、日J长度。与J下交坐标测量机相比，其实现回转运动的轴承和指示回转角度的圆光栅结构形式都很小巧，而且价格较为便宜。在测量空间方面，关节式坐标测量机由于其铰链式结构

3、，可以深入到一些正交式测量机不容易接触到的位置，所以在理论上不受测量范围限制，且方便安装在任何平面上。近年来，国内外有许多对于关节式坐标测量机的研究。在国外，关节坐标测量机虽然已成产品，但是由于不像正交坐标测机有一定的标准，所以在机械结构、通讯和补偿方面各公司有不同方法，因此能供参考的资料很少。在国内，大部分研究还停留在高校的理论研究阶段，近年来也有少量产品问世。1．3国内外研究现状在理论研究方面，总体分为两个部分：一是测量机的建模，二是误差分类和补偿。对于关节式坐标测量机的建模，正确的模型是对关节坐标测量机研究的开始。由于关节式

4、坐标测量机与铰链式机器人结构相似，所以对关节式坐标测量机的模型，大多沿用了机器人的建模方法。Denavit和Hartenberg提出了在机器人学广泛运用的D．H方法，此方法用齐次变换矩阵表示测量机测头在空间中位置【2】。在后来的研究中，针对不同的需要，对于D．H方法的表示方式和参数形式都进一步完善【3～。建模完成后，各参数的理论值均与实际参数值有一定误差，误差分类和补偿是关节式坐标测量机的核心。在结构与关节式坐标测量机类似的机器人的标定方2第一章绪论面已有不同方面的研究。tArail提出用两台摄像机辅助自动标定机器人的方法”】，一

5、部分研究着重于讨论温度造成的误差对模型标定的影响[9-12】，将误差分为几何误差和非几何误差两类，主要针对非几何误差进行讨论Il”。虽然机器人标定可以为关节式坐标测量机标定提供一定的参考，但实际上由于机器人标定重视的是重复性，而关节式坐标测量则重视精度，所以两者标定有很大的差异。对于关节式坐标测量机的标定研究匿前还是比较少，前人的研究主要分为两个部分。一部分是设计了辅助标定的量具：KenShimojima等A发表了系列文章讨论了关节式坐标测量设备的标定，设计了九球标定量具I⋯5】；AntomaPH等人设计了嵌有孔的量具，并讨论了测

6、头测量方向产生的误差【l”；SantolariaJ等人设计各方向综合球棒辅助标定【l”。第二部分是标定方法的设计．其中最常用的是晟小二乘法【tsar]，其他优化方法也有应用，如混合遗传算法f竭和改进模拟退火算法田】。在产品方面，国外生产关节式坐标测量机起步较早，技术已经比较成熟。以下列举三个不同厂家的坐标测量机的机械外观与精度指标以做参考，分别为美国的CIMCORE公司、FARO公司、法国的ROMER公司生产关节式坐标测量机。髓》寻喜圈l-tROMERLNFINITE2．0(6轴)关节式测量机i№,Vl-IROMERINFINIT

7、E2．0(6-$oiat)ACMM图1．I为CMICOILE公司的产品ROMERINFINITE2．0的六轴关节式坐标测量机，表l一1为其部分型号的测量范围和精度指标。表1-1ROMERINFINITE2,0(6轴)精度指标Tabkl一1ROMERINFINITE2．叫6-joia0aco．wa。y北意化I大学《t学位论立巨1dSTINGERll2关节式测量机Fig．10STINGER112ACMM第一章绪论圉1．3为ROMER公司的产品STFNGERIl2关节式测量机，表1．3为其部分型号的测量范围和精度指标。表14STB、】G

8、ERⅡ2糟度指标Tablel-3STⅡqGERB2accuracy2008年，由合肥工业大学和中国船舶工业集团公司第6354研究所共同开发的ZGC-I型关节坐标测量机问世。ZGC．1型关节坐标测量机是六自由度的机械结构。ZGC．1型关节坐标测量机的