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。     

在机测量激光测头位姿的线性标定

针对在机激光扫描测量中激光测头安装位置和姿态引起的测量误差,提出了一种适用于在机激光测量的测头标定方法。构造了在机激光扫描测量原型系统,建立了激光测头随机床运动的测量模型;通过多角度扫描标准球球面拟合球心,给出了一种线性求解测头安装位姿参数的算法,避免了非线性优化求解中的大量计算和不稳定问题。分析了测量过程中机床各个轴的运动误差对测量结果的影响,建立了误差模型,并给出补偿机床系统误差的方法。实验显示,对直径已知的标准球进行测量时,测头在不同摆角测得的标准球直径误差小于0.05 mm,误差补偿后球心位置误差减小了83%。实验结果验证了该标定方法的可行性,以及机床误差对测量精度影响的模型及补偿方法的正确性。     

五轴机床旋转轴误差的在机测量与模糊径向基神经网络建模

考虑五轴机床中的旋转轴误差会影响加工精度和在机测量结果,本文研究了旋转轴误差的在机测量与建模方法。介绍了基于标准球和机床在机测量系统的旋转轴综合误差测量方法,采用随机Hammersely序列分组规划旋转轴的测量角位置,通过自由安放策略确定标准球初始安装位置。然后,引入模糊减法聚类和模糊C-均值聚类(Fuzzy C-means,FCM)建立旋转轴误差的径向基(Radial basis function,RBF)神经网络预测模型。最后,进行数学透明解析,从而为误差的精确解析建模提供新途径。利用曲面的在机测量实例验证了提出的旋转轴误差测量与建模方法。结果表明:利用所建模型计算的预测位置与实测位置的距离偏差平均值为9.6μm,最大值不超过15μm;利用所建模型补偿工件的在机测量结果后,其平均值由32.5μm减小到13.6μm,最大误差也由62.3μm减小到18.6μm。结果显示,提出的测量方法操作简单,自动化程度高;模糊RBF神经网络的学习速度快、适应能力强、鲁棒性好,能满足高度非线性、强耦合的旋转轴误差建模要求。     

二维线性模组空间运动误差实时测量

为实时检测二维线性模组的运动误差，搭建了误差实时测量系统。该系统由四自由度运动误差测量模块、滚动角误差测量模块和线性光栅尺组成，实现单轴六自由度运动误差测量。基于齐次坐标转换矩阵（Homogeneous Transformation Matrix,HTM）原理构建二维模组的空间误差模型，对功能点的实际空间位置进行表示；完成测量系统标定实验，并基于阿贝-布莱恩原则处理实验数据完成比对实验。最终，测量系统的定位误差、直线度误差和角度误差测量精度分别达到±1.2μm，±1.3μm和±1′′，并根据空间误差模型分析二维线性模组XZ平面对角线位置的测量误差。结果表明，使用二维线性模组空间误差模型求解后，XZ平面对角线位置的测量误差由68μm降至13μm，证明采用该系统进行线性模组误差测量是有效的；此外，因为加载状态下二维线性模组各位置的运动误差会改变，为验证测量系统能够实时测量出线性模组的空间误差变化，在Z轴滑块上加装质量为2 kg的标准砝码进行对照实验。结果显示，在使用二维线性模组空间误差模型求解后，XZ平面对角线位置的测量误差由56μm降至14μm。     

基于旋量理论的被动式跟踪测量系统误差分析与补偿

被动式跟踪测量系统由一个二维旋转平台和一个径向伸缩机构组成,用于测量目标的空间坐标。伸缩机构的末端固定有一个标准球,该标准球被目标磁吸,其径向位移由直线光栅尺测量。二维转盘的旋转角度由两个各自的圆形光栅测量。分析了被动式跟踪测量系统的主要误差来源,基于旋量理论建立了误差模型。最后,利用三坐标测量检测误差模型的补偿效果。经过误差补偿后,被动式跟踪测量系统在450×450×200mm空间的最大测量误差降低到132.2μm。     

计算全息补偿检测自由曲面的高精度位姿测量

为实现自由曲面的定位与位姿高精度测量,提出了“光学-机械”基准定位法,建立了位姿测量模型,并对该方法的定位误差和基准选择展开研究。根据三坐标测量机与计算全息提出了“光学-机械”基准定位法。然后,采用球形安装的回射器（Sphere Mounted Retroreflector,SMR）、猫眼、基准球作为基准,基于波像差理论与视差效应分别建立了3种基准的位姿测量模型,得到了位置误差与基准区域波前像差的函数关系,并对3种位姿测量模型进行对比。最后,对3种基准位姿测量方法进行仿真及实验验证,实测结果与模型的残差结果均小于0.05λ,相对误差均小于2.43%,验证了模型的准确性。实验结果表明,当检测距离为1 000 mm时,猫眼法的轴向定位误差为24μm;基准球法的轴向定位误差为50μm;SMR靶球法的轴向定位误差为16μm,X,Y方向的定位误差为1μm,滚转角定位误差为3.26″。SMR靶球法的定位误差最小、检测动态范围最大且检测光学元件的自由度最多,更适用于自由曲面的高精度位姿检测。     

光学非球面形摆臂式轮廓法测量顶点曲率半径优化算法研究

摆臂式轮廓测量法通过测量非球面与某一球面之间的偏离量实现对非球面形的测量,但无法测量非球面的顶点曲率半径.在开发了测量试验系统的基础上,通过对测量原理的深入研究,利用被测非球面名义面形与测量数据建立了测量参考球面半径非线性最小二乘优化模型,利用该模型,可以在测量非球面形误差的同时获得被测非球面的顶点曲率半径值.同时分析了该模型的理论收敛误差,并在MATLAB下对算法进行了仿真.最后对直径200mm,顶点曲率半径1400mm的凹形抛物面镜进行了测量实验.仿真和测量试验表明了算法的有效性.     

大尺寸球形件的光笔式视觉测量系统设计

为实现大尺寸球形零件的三维形貌、球径和球度误差等参数的测量,设计了光笔式视觉测量系统,系统主要由高分辨率摄像机、光笔和配套的图像处理软件组成。首先介绍了系统的测量原理,然后依次研究了其中的关键技术：光笔的结构设计和基于近景摄影测量的光笔标定方法,利用单应性矩阵建立光笔坐标系和摄像机坐标系之间转换关系的方法。基于光栅尺的精度评价实验表明,在2 000 mm×1 500 mm视场范围内,相对测量精度优于0.05 mm/m。选取大尺寸金属球为实验对象,提取了球面若干点的三维坐标,生成拟合球并计算出球度误差为2.068 mm。     

球坐标测量系统测量模型

针对球坐标测量系统,提出1种基于机器人运动学的建模方法,建立其包含几何误差的精确测量模型。在分析球坐标测量系统几何误差源的基础上,基于准刚体假设,运用齐次坐标变换矩阵,通过坐标系之间的运动变换,建立了球坐标测量系统精确的测量模型。该模型包含球坐标测量系统20项几何误差,为进一步进行误差辨识和误差补偿奠定了理论基础。     

转台-摆头式五轴机床几何误差测量及辨识

为降低转动轴几何误差对转台-摆头式五轴机床精度的影响,提出了基于球杆仪的位置无关几何误差测量和辨识方法。基于多体系统理论及齐次坐标变换方法建立了转台-摆头式五轴机床位置无关几何误差模型,依据旋转轴不同运动状态下的几何误差影响因素建立基于圆轨迹的四种测量模式,并实现10项位置无关几何误差的辨识。利用所建立的几何误差模型进行数值模拟,确定转动轴的10项位置无关几何误差对测量轨迹的影响。最后,采用误差补偿的形式实验验证所提出的测量及辨识方法的有效性,将位置无关几何误差补偿前后的测量轨迹进行比较。误差补偿后10项位置无关几何误差的平均补偿率为70.4%,最大补偿率达到88.4%,实验结果表明所提出的建模和辨识方法可用于转台-摆头式五轴机床转动轴精度检测,同时可为机床精度评价及几何精度提升提供依据。     

旋转台几何误差的在机测量与辨识

旋转台是多轴数控机床的基本组成部件,其几何误差对加工精度具有显著的影响。以旋转台轴线的4项定位误差及6项运动误差的测量与辨识为目标,利用标准球和接触式测头设计简易、高效的综合误差在机测量方案,提出基于综合误差的分步辨识方法。首先,在旋转工作台上安装高度不等、位置不一的标准球以构建测量点系,并在不同旋转角度下,利用直线轴的插补运动带动高精度测量头测量球心误差。然后,依据小误差理论和齐次变换原理依次构建4项定位误差和6项运动误差的分步辨识模型,辨识出全部误差项。在带旋转轴的机床上进行实验验证与实际应用,结果表明:利用辨识结果计算的预测值与实际测量值相比,绝对误差不超过0.004 mm;利用辨识误差项修正后的工件在机测量结果与三坐标测量值相比,绝对误差也不超过0.006 mm,满足了高精度的应用要求。该方法具有操作简单、占机时间少、辨识精度高的特点,适合加工现场的快速、短周期标定。     

双盘式渐开线测量装置误差的计算机补偿方法

以双盘式渐开线测量装置为研究对象，研究了对此装置的微机误差补偿方法。从众多的误差源中选出最大的三种误差进行补偿，使装置不确定度由原来的≤±0．7μm下降到≤±0．5μm。     

激光制导测量机器人几何误差分析

目的: 为了实现对工件进行自动高效地测量,建立了激光制导测量机器人系统,研制了测量机器人样机。对测量机器人的光靶自动跟踪装置旋转轴偏心误差和光靶与两轮中心连线误差进行了研究。方法:首先,介绍了基于“光束运动-光靶跟踪”理论的激光制导测量机器人技术和原理。接着,根据系统原理,研制了实验样机,并给出其理想的几何关系。然后,推出了旋转轴偏心误差和光靶与两轮中心连线误差几何误差数学模型。最后,利用三坐标测量机与激光制导测量机器人系统对样机进行了比对实验。结果：实验结果表明：光靶中心偏离理想位置的误差（x轴）为0.13mm。结论：对激光制导测量机器人移动反馈控制系统的设计和实现具有指导性作用。     

经济型大尺寸激光自动坐标测量系统

利用手持式激光测距仪和二轴转台,设计了一种经济型大尺寸激光三维自动测量系统,用于船舶等大型工件的现场测量.介绍了系统的测量原理和主要组成部分,系统无需合作目标,在计算机的控制下自动对目标进行测量来获得相对系统的三维坐标数据.分析了系统的主要误差对测量结果的影响,完成了主要误差的提取实验.最后,利用激光跟踪仪对系统测试水平两点间的距离的测量精度进行了评定,并对船分段模型进行了测量实验.实验表明,该系统对水平放置物体的两点间距离的测量精度达到了1.73 mm,对船分段模型的平行平面之间的距离测量精度达到了1.5 mm.由于系统构成简单,硬件成本较低,测量精度较高,测量速度大约为1 point/s,非常适用于船分段的测量.     

在机测量线激光传感器安装位姿的全局标定

针对三轴数控机床激光测头安装位姿误差造成测量误差且不易调整和校准的问题,提出了一种在机测量线激光传感器安装位姿标定方法。建立了线激光在机测量系统的数学模型,通过机床运动带动线激光测头对标定基准点的空间位置进行测量,基于手眼标定原理给出了关于测头安装位姿参数的线性求解算法,完成了对测头安装误差的全局标定。考虑了机床定位误差对于标定结果精度的影响,采用蒙特卡洛模拟进行了误差分析。采用半径为35 mm的圆孔进行测量验证,实验结果表明,标定后圆孔测量误差为0.051 6 mm,测量精度提高了约96%,实验结果验证了该标定方法的有效性和可行性。     

面向激光跟踪测量的大范围高精度姿态测量

针对我国高端制造业对高精度空间六自由度测量系统的迫切需求,提出一种面向激光跟踪测量的基于单目视觉的大范围全自动高精度姿态测量方法。阐述了面向激光跟踪测量的姿态测量系统构成、合作靶标硬件设计,并建立了姿态测量数学模型;其次,分析了自适应清晰成像的姿态测量模块特性,基于光学畸变模型与张正友标定法建立了实时相机成像模型,动态校正特征点像素坐标模型,提升了特征点的提取精度;之后,结合合作靶标几何特性、EPnP算法、Soft-POSIT算法提出一种改进的姿态测量方法,建立了姿态测量系统的自动监测纠错机制,实现测量范围内任意动态位姿的自动测量。最后,利用二维精密转台搭载合作靶标对激光跟踪测量的姿态测量系统进行精度测试。实验结果表明：在3～10 m,方位角/俯仰角为±30°、滚动角为±180°内,适配有14个特征点的合作靶标,姿态测量精度优于0.049°;适配有10个特征点的合作靶标,姿态测量精度优于0.065°。此方法普适性强,对合作靶标特征点布局约束较小,可以满足高端制造业激光跟踪测量的精密测量需求。     

用单站光电雷达一体化系统测量目标三维姿态

设计了单站光电雷达三维姿态测量系统,讨论了将该测量系统用于飞行目标三维姿态测量的可行性,研究了用该系统测量飞行姿态的原理、算法和误差项。依据选取的三维姿态解算算法确定了系统的关键技术指标,计算了系统对模拟目标的作用距离,并分析其三维姿态测量精度。分析结果表明,系统对模拟目标的作用距离不小于60 km,实时三维姿态测量总误差不大于120′。利用外场现有仪器的校飞试验进行了单站三维姿态解算实验,结果表明,利用单站光电雷达一体化测量系统来测量飞行目标的三维姿态信息方法切实可行,不但可提高仪器测晨的实时精度,而且可消除传统交汇测量法对布站的限制,提高了仪器使用效率。     

用于多传感器坐标测量机探测误差评价的薄环规标准器

设计了一种薄环规标准器,用于配有光学影像测头和接触式测头的多传感器坐标测量机的探测误差评价。该标准器兼有环规和二维平面标准圆的特征,孔的有效部分厚度为0.1 mm,圆度为0.5μm,可以满足大多数坐标测量机的校准需求,避免了普通标准器如标准球、环规对影像测头测量成像的影响。该标准器同时适用于接触式测头测量,锥孔结构保证了标准器的稳定性,用于接触式测量时,不会引起变形。利用设计的薄环规标准器实现了配有光学影像测头和接触式测头组合测量系统的探测误差评价,结果表明该标准器有效解决了上述组合系统探测误差的校准问题。参照ISO10360-9标准,给出了多传感器组合测量系统的探测误差、尺寸测量误差以及位置误差,并利用坐标变换方法修正了位置误差,优化了系统参数。     

平面子孔径拼接测量实验研究

通过椭圆形口径（长轴225mm,短轴161mm）SiC平面反射镜的全口径面形测量加工实验,验证了一种新的子孔径拼接测量算法—子孔径拼接迭代算法（SASL算法）的有效性。首先用100mm口径平面平晶的子孔径拼接测量与全口径测量的对比实验,确定了拼接测量相关参数及测量装置的精度指标。在此基础上设计了SiC平面反射镜的子孔径拼接实验,在搭建的拼接装置上实现了五次离子束迭代加工过程中和最终的全口径面形测量。这是国内首次将子孔径拼接测量方法用于指导加工实践,加工过程中的测量结果为面形误差修正提供了准确的数据,保证了最终全口径面形误差快速收敛到RMS 50nm。实验证明,SASL算法能大大放宽拼接装置对准运动的精度要求,并减少拼接过程对拼接结果的影响。     

接触测量中的微探球力变形研究

随着微纳米测量系统中测头微探球尺寸的不断减小和测量不确定度要求的不断提高,测力所引起的力变形误差对测量系统不确定度有着不可忽略的影响。根据Hertz理论,构建了微探球与工件接触时的接触模型、微探球与试样力变形模型,给出了最大允许测力估计方法和力变形计算方法。以现有的3种微纳米三坐标测量机微探球为参考,分别估计了允许最大测力及引起的力变形。结果表明,对于纳米量级测量不确定要求,接触式测量中微探球的受力变形误差是不可忽略的。