基于内点法实现关节式坐标测量机参数标定

提出一种基于内点法的关节式坐标测量机参数自标定方法。首先,基于D-H方法,建立关节式坐标测量机的运动学模型,在此基础上建立参数误差模型。利用自制标定块,采用多位姿测量多点的方法获得标定用数据,从而使该标定方法能够在现场应用;以测量机的长度测量精度为基础建立目标函数,利用内点法进行参数辨识,该算法对迭代初值无要求,可有效提高参数标定成功率。通过标定实验得到坐标测量机的运动学参数,验证了该方法的可行性。经过标定后,关节式坐标测量机的单点重复性精度和长度测量精度分别提高了93.65倍和100.13倍。     

关节臂式坐标测量机测量力误差分析及补偿

针对接触测量力对关节臂式坐标测量机(AACMM)测量精度的影响展开研究。对测量力引起的长度测量误差进行理论和实验分析,得到测头与被测件的局部变形、测杆的弯曲变形是影响关节臂式坐标测量机测头精度的主要因素。建立了关节臂式坐标测量机测头与被测件的局部变形、测杆的弯曲变形的数学模型,并对测量结果进行了测量力误差补偿。实验结果研究表明,测量力引起的误差对接触式关节臂式坐标测量机测量精度影响很大。通过本研究成果,可在很大程度上补偿测量力引起的误差:平均长度测量误差降低82%左右,最大误差降低约47μm,有效地提高了关节臂式坐标测量机的测量精度。     

基于改进模拟退火算法的关节臂式坐标测量机参数辨识

结构参数误差是影响关节臂式坐标测量机精度的主要因素之一,精确辨识其结构参数可以有效地提高测量机的精度。建立基于Denavit-Hartenberg模型的六自由度关节臂式坐标测量机坐标变换方程,分析基于锥孔的参数辨识原理,提出一种改进的模拟退火算法用于测量机的结构参数辨识,该算法在接近最优解时将减小搜索范围以提高搜索效率和求解精度,并保留中间过程的最优解。以单点重复精度为目标函数,利用改进的模拟退火算法对研制的六自由度关节臂式坐标测量机的结构参数进行辨识。实验结果表明,经过参数辨识后,测量机的单点重复精度提高了7.87倍,长度测量精度提高了5.59倍。     

关节臂式坐标测量机角度传感器偏心参数辨识

对关节臂式坐标测量机中圆光栅角度传感器分度盘安装存在的偏心误差进行修正,可以有效提高测量机的测量精度。为了实现坐标测量机动态、实时的现场标校,建立了一种六自由度关节臂式坐标测量机的坐标系统,分析了圆光栅分度盘的安装偏心对角度测量的影响,推导了由于偏心引起的测量误差及其修正公式。分析表明,较小的安装偏心便会引起较大的角度测量偏差。以测量机的单点重复测量精度为目标函数,提出了一种基于模拟退火算法的角度传感器偏心参数辨识方法,并将其用于测量机关节圆光栅12个偏心参数的辨识和修正,实验结果表明,修正之后测量机的重复测量精度提高了11.3%。     

圆光栅角度传感器的误差补偿及参数辨识

基于正弦函数和粒子群算法提出了一种误差补偿及参数辨识方法,用于提高圆光栅角度传感器的测量精度。使用光电自准直仪和金属多面体对圆光栅角度传感器的测量误差进行了离散标定,通过对标定数据的频谱分析,发现传感器测量误差主要由几种不同频率的正弦函数信号组成,由此提出了一种基于正弦函数的圆光栅角度传感器误差补偿模型。补偿模型中包含7个待定常量,本文采用粒子群算法求解这7个待定常量以克服最小二乘法无法收敛的问题。以待定常量为粒子位置坐标,以平均误差为适值函数,建立了一种基于粒子群算法的参数辨识模型,并根据参数辨识模型求出最优的待定常量。应用补偿模型对关节臂式坐标测量机的6个圆光栅角度传感器测量误差进行了补偿,结果表明:补偿后各角度传感器的平均测量误差减小了约398～1102.5倍,大大地提高了传感器的测量精度。     

关节臂式坐标测量机的数学建模及参数标定

关节臂式坐标测量机(AACMM)是一种便携式高精度测量设备,由于测量机末端探头中心坐标的关系且关节的旋转角度非常复杂,有必要建立准确的数学模型以达到所需的精度。其经典的数学模型是Denavit-Hartenberg(D-H)模型,但它在相邻关节轴平行时存在缺陷且忽略了静态柔性误差。为了消除D-H模型的不足,研究了一种基于广义几何误差理论的数学模型,并采用非常快速模拟退火算法对广义几何误差参数进行标定。对比实验结果表明,广义几何误差模型进行算法标定后平均误差减小了0.500 1 mm,标准偏差减小了0.337 3 mm;基于广义几何误差模型的长度测量的平均误差为0.045 4 mm,标准偏差为0.032 3 mm,均优于采用MDH模型测量的平均误差和标准偏差,验证了方法的有效性。     

关节臂式坐标测量机的运动学与工作空间分析

关节臂式坐标测量机的运动学理论模型和工作空间是其机械结构优化和精度分析的基础。首先利用D-H法建立关节臂式坐标测量机运动学理论模型,并在SolidWorks二次开发的基础上进行了运动学三维仿真以验证所建理论模型是否正确。然后,采用蒙特卡洛法对其工作空间分析仿真,得到了关节臂式坐标测量机的工作空间点云图。最后,利用层切法和边界扩展更精确地计算出该工作空间的体积,为结构优化提供支持。仿真结果表明关节臂式坐标测量机测量空间分布均匀,无空腔,满足实际测量要求。     

用蚁群算法求解关节式坐标测量机的最佳测量区

本文提出了一种求解最佳测量区的方法,以进一步提高关节式坐标测量机的测量精度。首先,根据关节式坐标测量机的测量模型,建立了基于圆编码器测角误差的关节式坐标测量机误差模型。利用蒙特卡洛理论得到6个关节转角的随机数,采用数值法仿真分析测量机的测量空间。然后将包含测量空间的一立方体区域等间隔切割成343个小立方体区域,采用蚁群算法确定每个小区域由于圆编码器误差所引起的最大测量误差。最后,通过比较找到其中最大测量误差最小的区域,即为最佳测量区。研究结果表明,对于所研究的关节式坐标测量机,各个小区域的最大误差为0.069 9~0.189 6mm,其中最小值为0.069 9mm的区域为-100mm≤x≤100mm,-100mm≤y≤100mm,400mm≤z≤600mm。采用本文方法确定的最佳测量区在测量空间内为一个立方体区域,故在最佳测量区进行较高精度的测量具有实用性和可操作性。     

基于测量构型周期性特性的多关节测量系统残差修正方法

不同构型下各种动态因素的影响使得多关节测量系统在不同位置、构型下的精度呈现一定的规律。掌握由各种动态因素综合引起的单点精度规律,有利于提高多关节测量系统的标定和测量效果。以六关节测量臂为研究对象,分析了测量臂构型对末端执行器位置误差影响的周期性特性,构建了一套构型关键参数(θ3,θ4,θlen)与末端执行器位置在柱坐标系下残差(Δs,Δh,Δz)之间的多项式残差修正方法。验证实验包括1)采用本文方法在不同位置下对测量臂进行多构型单点测量,获得测量臂在径向方向上的残差分布图谱,并以此结果拟合计算周期性多项式系数;2)与非周期性多项式修正方法进行单点、长度及形位公差精度对比测试。实验结果表明,本方法能更方便、快速地提高多关节测量系统单点、长度及形位公差精度,相比非周期性多项式修正方法,本方法精度更高,对多关节测量臂精度补偿具有一定参考意义。     

自驱动关节臂坐标测量机臂杆变形静态误差预测模型

自驱动关节臂坐标测量机关节上增加了驱动电机、减速器等器件,受重力作用导致杆件弹性变形,由此带来的测量误差不容忽略。基于旋量指数积公式建立了自驱动关节臂坐标测量机测量模型,建立了关节重力坐标系间变换矩阵表达式。因臂杆具有柔性,提出了自驱动关节臂坐标测量机静态变形误差预测模型。对自驱动关节臂坐标测量机三种典型姿态的臂杆变形误差进行预测,利用ANSYS Workbench软件进行有限元静力学仿真。设计研制了自驱动关节臂坐标测量机臂杆变形等效实验样机,进行了臂杆变形检测实验,实验结果表明,经臂杆变形误差预测模型修正后,变形误差减少了88%左右。仿真和实验的结果表明该研究可使自驱动关节臂坐标测量机的测量精度有效提高。     

3自由度并联坐标测量机运动学参数标定与计算机仿真

首先对3自由度并联坐标测量机的组成结构及工作原理进行了介绍,然后针对该坐标测量机的运动特点,提出了一种基于逐次逼近算法的运动学参数标定方法,并利用该方法对所研究的并联坐标测量机的22个主要运动学参数进行了辨识,最后通过计算机仿真,对辨识结果进行了验证,从而为提高该坐标测量机的测量精度奠定了理论基础。     

基于RBF神经网络的关节转角误差补偿

关节转角误差对关节臂式坐标测量机的精度有非常重要的影响,影响关节转角误差的因素众多,难以用准确的数学模型来描述,为此提出一种采用三坐标测量机标定关节转角误差、基于径向基函数(Radial basis function,RBF)神经网络进行关节转角误差补偿的方法。应用该方法对关节臂式坐标测量机6个关节的转角误差进行离散标定,标定数据训练各关节的RBF神经网络,使用经过训练的RBF神经网络分别对6个关节进行转角误差补偿。试验结果表明经过补偿后关节转角精度提高了约两个数量级,基于RBF神经网络的补偿效果优于正弦函数补偿模型,且其适用范围更广,具有很强的工程应用价值。     

运用改进的教学-模拟退火算法辨识关节臂式三坐标测量机的结构参数

为了提高关节臂式三坐标测量机的精度，降低其运动不确定度，提出了一种改进的教学-模拟退火混合优化算法来辨识其结构参数并补偿其误差，从而提高其精度。分析了教学算法(teaching-learning-based optimization, TLBO)的优缺点并对其进行改进从而得到改进的教学算法；提出了一种收敛精度转换准则，将改进的教学算法(modified TLBO, mTLBO)和模拟退火算法(simulated annealing, SA)融合得到改进的教学-模拟退火算法(mTLBO-SA);基于此理论和单点重复率误差实验，分别用TLBO、SA和mTLBO-SA对关节臂式三坐标测量机的结构参数进行了辨识；分别用辨识前后的关节臂式三坐标测量机再次进行单点重复率误差实验，并比较相应的实验结果。实验结果表明，所提算法能有效且高效地辨识关节臂式三坐标测量机的结构参数，进而有效提高其定位精度，降低其运动不确定度。     

基于标定和关节空间插值的工业机器人轨迹误差补偿

轨迹精度是工业机器人重要的动态性能,目前工业机器人的轨迹精度远低于定位精度,提出一种基于机器人运动学标定和关节空间插值误差补偿的方法来提高机器人轨迹精度。基于MD-H方法建立机器人的运动学模型,在此基础上运用机器人微分运动学理论建立末端位置误差模型和轨迹误差模型。为克服最小二乘法等传统方法在数据噪声较大且不符合高斯分布时收敛慢甚至发散的问题,提出一种基于扩展卡尔曼滤波算法的机器人运动学参数辨识方法,实现运动学参数辨识的快速收敛。经过分析发现机器人误差在关节空间具有连续性的特点,为此提出一种关节空间插值误差补偿方法,建立网格形式的误差补偿数据库,并利用关节空间距离权重函数和已知的网格顶点误差计算各控制点的关节转角误差。通过试验对所提出的参数辨识和关节空间误差补偿方法进行了验证,试验结果表明：经过运动学参数辨识和补偿后机器人的绝对定位精度由1.039 mm提高到0.226 mm,轨迹精度由2.532 mm提高到1.873 mm,应用关节空间插值误差补偿后机器人的轨迹精度进一步提高到1.464 mm。     

柔性坐标测量机空间误差模型研究

为了进一步提高柔性坐标测量机的测量精度,针对基于D-H方法的误差模型设计缺陷,提出基于泛函网络的空间误差模型设计方法。在介绍目前国内外常用D-H测量模型和误差模型的基础上,详细给出柔性坐标测量机泛函网络拓扑结构的设计过程,讨论基函数的选择问题,研究泛函网络的逼近算法,并通过800mm标准量块进行标定试验。精度测试结果表明,基于泛函网络方法建立的误差模型所得出的800mm量块长度测量误差远远低于基于D-H方法建立的误差模型测量误差,从而验证误差模型及逼近算法的有效性。     

3-PSS并联机构正解及其在坐标测量机中的应用

针对传统坐标测量机和关节臂测量机存在的技术局限,基于3-PSS并联机构原理,提出了只需一只长光栅、一条精密导轨即可实现三维空间精密测量的坐标测量机,并研究了测量系统的测量模型、测量误差模型及并联机构误差平均效应.根据并联机构基本理论建立了测量机的六杆测量模型,在此基础上进行了杆长制造、装配误差和光栅读数误差的理论分析.然后,从理论上展示和说明了并联机构存在误差平均效应的数学本质和依据.最后,介绍了样机的设计及制造,并给出初步的实验结果.在没有进行误差修正和系统标定的前提下,该样机在X,Y,Z3个坐标方向上的测量误差分别为0.029 mm,0.045 mm和0.058 mm.得到的结果可指导新样机的优化设计.     

关节式坐标测量机关节轴晃动导致测量误差的分析及建模

针对关节式坐标测量机测量精度不易保证的问题,在讨论导致关节式坐标测量机测量误差的各种原因的基础上,对关节晃动导致的测量误差进行了定量分析,建立了测头的测量运动方程和因关节晃动引起的测量误差的数学模型。     

关节臂式坐标测量机的数学模型和参数简化

首先基于Denavit-Hartenberg方法建立了关节臂式柔性三坐标测量机的理想数学模型和误差模型,然后建立复合球坐标系,简化了误差模型,为进一步研究关节臂式坐标测量机的标定和误差补偿奠定了理论基础。     

关节臂式坐标测量机误差仿真系统建模与分析

为了提高六自由度关节臂式坐标测量机的测量精度,建立了相应的坐标系统及误差模型,并基于误差模型在Matlab软件中建立了误差仿真系统,根据误差仿真结果绘制了关节空间的误差分布图.仿真结果表明:当关节长度、杆长和测头长度的误差传递到测量结果上时,没有被放大或缩小,且不受测量机位姿的影响;而关节转角和关节扭转角误差传递到测量结果上时,被严重放大,放大效果受关节顺序和测量机位姿影响显著.最后根据分析结果对角度传感器和轴承的选择、零件的加工精度要求和测量位姿提出了建议.     

基于测量臂构型的单点残差修正方法

测量臂杆件和关节的弹性变形与臂的摆放构型相关,会影响臂的测量精度.提出了一种基于测量臂构型的单点测量残差修正方法.通过分析测量臂在某一构型下的关节角度与测量臂末端点坐标偏差值之间的映射关系,再根据有序摆放构型下单点测量坐标相对平均坐标的变化曲线,利用不同构型下的关节角度和相应的坐标变化值建立了残差修正数据库,进而应用该数据库对测量臂任意构型下的末端坐标值进行修正.实验证实了其有效性和正确性.