自驱动关节臂坐标测量机双关节模组结构设计与优化

由模块化单关节构成的六自由度自驱动关节臂坐标测量机存在运动学求逆解困难、制造与安装误差大等问题,难以满足测量机高精度、低误差的测量需求。通过分析自驱动关节臂坐标测量机的工作原理和技术要求,提出双关节的设计指标,设计了一种集俯仰和旋转于一体的新型双关节模组,关节采用电机驱动、减速器输出和制动器保护的传动方案,对模组内部关键零部件进行选型和设计,并在SolidWorks软件中对双关节模组进行结构组装。利用ANSYS Workbench软件对双关节模组进行结构静态变形与双轴垂直度分析,并对关节外壳、端盖等部件进行结构优化。结果表明,双关节模组最大静力变形为0.02208mm,结构柔性变形为0.011029mm,关节主轴间垂直度误差为7.2″,优化后的关节外壳和端盖体积分别减少了9%和12%,满足双关节刚度和精度的设计要求。     

自驱动关节臂测量机双电机同步控制系统研究

针对自驱动关节臂测量机双电机的同步控制问题,设计了一套适用于双电机同步运动控制系统.该系统以FPGA为主控芯片,STM32为辅助芯片,通过CAN总线通信,采用LabVIEW软件编写上位机软件,并搭建了双电机控制调试界面.通过对双电机设定不同的位置和速度参数进行了正、反转实验,对实验结果进行分析计算,得到电机转角的最大误...     

自驱动关节臂测量机结构设计与仿真分析

为了使自驱动关节臂测量机的结构满足测量和定位精度要求,通过分析自驱动关节臂测量机的工作原理,建立了测量机的运动传递模型,完成了测量和定位误差源分析,在此基础上对关键部件进行设计和选型。对测量机进行了整体结构设计和关节结构设计,得到最优设计方案,在此基础上推算出各个关节的重力矩及惯性矩,完成了各关节模组的选型。建立了测量机的三维虚拟样机,对虚拟样机的几种典型测量姿态进行了静力学和结构变形分析,根据仿真结果进行优化设计,使测量机在典型和极限测量姿态下的静态变形均符合设计要求。针对测量机测量过程的触测段进行动态变形仿真,仿真结果表明竖直(Y)方向动态变形误差较大,需要建立动静态误差补偿模型进行修正。进一步对测量机进行模态分析,分析结果表明测量机的最高运行频率低于最低阶固有频率,不会产生结构共振以致影响测量和定位精度。     

新型关节臂坐标测量机的设计

关节臂坐标测量机是一种新型非正交系坐标测量设备,相比传统的三坐标测量机,具有体积小、重量轻、灵活、轻便等特点,现已在机械制造、电子、汽车和航空航天等领域得到应用,具有巨大的应用前景.在前期工作的基础上设计出一种六自由度关节臂坐标测量机,该关节臂坐标测量机关节零件采用航空铝合金材料、连杆采用碳纤维材料,因而具有强度高、重量轻的特点,内置式平衡机构可减轻操作者劳动强度,精密的关节角度传感器保证了测量机的高精度.基于Open CASCADE和VC++6.0平台开发了关节臂坐标测量机的测量软件和标定软件,并进行了整机的联机调试,验证了系统的可靠性.     

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数据采集系统的研制

研制了一种关节臂式坐标测量机多参数数据采集系统。在测量机的关节和臂身处分别设置由角度传感器、温度传感器、应变传感器以及单片机组成的智能传感器单元，各传感器单元由RS485总线进行连接，并通过RS485-USB接口与PC机进行通信。单片机完成各个传感器数据的采集并将数据上传到PC机；PC机程序由虚拟仪器开发平台LabVIEW完成，实现与单片机间的通信和数据处理，并通过动态链接库将坐标数据传送到标准三坐标测量软件POSCOM。实验表明，该测量系统能够很好地完成关节臂式坐标测量机的数据采集任务。     

自驱动关节臂坐标测量机关节角度实时测量系统

针对传统的光电编码器角度测量方法无法满足自驱动关节臂坐标测量机角度高精度实时测量的问题,设计了基于FP GA组合设计方法的光电编码器角度实时测量系统,由原理图输入设计的抗扰动模块、Verilog HDL语言设计的四倍频辨相计数模块、Qsys搭建的数据传输模块和Visual Studio设计的软件模块组成.通过与数字采样...     

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.     

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%。     

多关节测量臂的小生境混沌优化校准

多关节测量臂是一种便携式的坐标测量设备,它由一系列的旋转关节组成。为了提高多关节测量臂的测量精度和可重复性水平,必须对其运动学参数进行校准。首先,利用小生境的混沌优化算法提出了一种新的运动学校准方法以及一种混合目标的运动学校准函数,它考虑了诸如单点测量实验、容积性测量实验等多种性能测量实验的实验结果,然后,采用Levenberg Marquardt(L-M)算法和小生境混沌优化算法应用于运动学参数校准。小生境混沌优化算法显示出了优于L-M算法的性能。实验结果表明:使用NCOA算法校准后,测量误差的标准差始终优于LMA算法,并且校准前后多关节测量臂的测量精度提高了40倍。采用L-M算法和小生境混沌优化算法应用于运动学参数校准。小生境混沌优化算法显示出了优于L-M算法的性能。     

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。     

The calibration and error compensation techniques for an Articulated Arm CMM with two parallel rotational axes

The calibration and error compensation techniques for an Articulated Arm Coordinate Measuring Machine (AACMM) with two parallel rotational axes are proposed. An improved six-parameter D–H model is established. The reversal techniques are used to calibrate the parallelism errors, arm lengths and zero position of the AACMM. The effects of the bending and torsion deformations caused by the gravity of the arms are removed. The experiments prove that the calibration method is simple and the measurement expanded uncertainty (_2uc$2_{u_c}$) of the developed AACMM with a measuring range of (∅200–∅1000 mm) × 250 mm is less than 10 μm after error compensation.     

“Isara400”超精密坐标测量机的设计与标定

介绍了Isara 400 3维超精坐标测量机标定的关键技术,包括平台标定和系统镜面台非垂直度标定.同时,提出了一种新的超精接触探针系统,给出了这种3维灵敏度探针的标定结果.     

微纳测量机测头弹性结构的参数设计

根据微纳米三坐标测量机对测头各项指标的要求,提出了4种测头弹性结构的设计方案.通过力学分析建立测头弹性结构三维刚度模型,应用有限元分析软件ANSYS分别对4种弹性结构的刚度进行仿真计算;然后,分析讨论了4种弹性结构的性能特点.综合考虑测量刚度、灵敏性及结构紧凑稳定等多种因素,选择十字型结构作为微纳米测量机测头的弹性结构,并对其进行了结构参数的优化和测头刚度各向同性设计.搭建了高精度三维微位移测试平台,对测头的测量范围、线性、位移误差进行了实验验证.仿真分析和实验结果表明,测头的弹性结构满足测量范围40 μm×40 μm×20 μm、测量刚度小于0.5 mN/μm及刚度各向同性的要求,整体测量误差小于100 nm.     

基于柱面坐标系的新型光学坐标测量机的研制

研制了一种基于柱面坐标系的新型专用非球面坐标测量机,通过测量非球面多条子午截线实现对非球面形的全口径检测。在结构设计方面,采用了龙门框架加回转运动的形式,利用高精度气浮导轨实现水平运动,利用端齿盘实现对工件的精确分度,通过点位测量的方式实现对非球面形的高精度检测。在软件方面,建立了系统的数学模型和柱面坐标系下回转对称非球面形全口径检测算法,并在VC++6.0和Matlab平台上编制了测控软件和数据处理软件。系统最大测量口径为600 mm,测量高度为25 mm,最小测量步长为1 mm,经过系统误差补偿后,系统精度优于1 μm,满足了精磨、粗抛阶段非球面形检测要求。试验表明:系统运行良好,精度满足要求,同时具有良好的通用性,可用于非球面精磨、粗抛阶段的检测。     

Wear Measurement and Assessment of Explanted Cross-Linked PE Acetabular Cups Using a CMM

Wear has been considered the main limiting factor in the longevity of hip replacements. Wear analysis is thus essential for determining wear-related failure mechanisms and prediction of wear, which will consequently enable biomedical engineers to improve the design, material, and service life of the bearing components. This article presents wear measurement and assessment of the explanted conventional cross-linked polyethylene (XPE) and second-generation highly cross-linked polyethylene cups (X3) using a coordinate measuring machine (CMM). An expanded uncertainty analysis was performed to assess the performance of wear measurement. Wear measurement using the CMM method was validated with the gravimetric technique. The normalized error between volumetric wear measurement of the CMM method and that of the gravimetric technique was estimated to be always less than 1, suggesting that the CMM method applied to explanted hip wear measurements under the specific conditions was accurate and reliable. The approach to CMM measurement with uncertainty analysis was shown not only to locate 3D wear scar and wear direction but also to accurately quantify linear and volumetric wear with a maximum volumetric uncertainty of ±3.15 mm³ (95% confidence level). It is shown that identifying the key uncertainty components involved in the measurement process including validation, which contributes to an overall expanded uncertainty budget, is crucial to improve the confidence and the reliability of hip wear measurement results using a CMM.     

逆向工程中不同数据采集方法的误差分析

数据测量是逆向工程的首要阶段，测量数据的好坏直接决定着后续数字化模型能否在误差控制范围内还原为已有的实物样件：现对三坐标测量机和结构光测量仪在进行数据采集过程中产生的测量误差进行了详细的分析，并提出了相应的解决方案，为最终构造出精度高、品质好的CAD模型奠定了基础。