基于最小二乘法的一维定位精度自校准方法

为提高测量仪器的定位精度,采用一维自校准方法来分离仪器的系统误差。该方法利用一个精度小于或等于待校准仪器精度的辅助测量标尺,通过平移得到每个标记点在多个不同位姿时的测量数据。最后,利用自校准算法分离出仪器的系统误差,从而实现一维定位精度的自校准。仿真结果表明：无论是否有随机测量噪声,该算法都能有效地分离出仪器的系统误差。实验研究证实了该算法的有效性。     

超精密级二维工作台的自标定

为了提高超精密级二维工作台的运动定位精度,提出了一种实现工作台系统误差分离的二维自标定算法.基于工作台测量误差模型,该算法利用辅助标记板的5个不同测量位姿,分别得到迭代模型和迭代初始值,最终建立完整的迭代二维自标定模型.应用该算法对系统误差为0.2 μm的二维工作台进行仿真,结果显示:当不存在随机测量噪声时,标定精度为0.33 nm;引入随机测量噪声时,标定精度与噪声同一量级.对x、y向给定测量精度分别为2.98 μm和3.22μm的二维工作台进行自标定,得到x、y向测量精度分别为2.59 μm和3.14 μm.提出的自标定算法对随机测量噪声有很好的鲁棒性,能够用于精密或超精密级二维工作台自标定.     

四维坐标至三维坐标的转换方法研究

在精密测量中,经常使用带旋转转台的坐标测量机。由于误差评定要求测量点必须在同一坐标系下,但测量过程中转台旋转改变了工件坐标系,因而不易进行误差评定。为此建立了一个四维坐标系到三维坐标系变换的模型,通过坐标系变换算法,利用转台坐标系作为中间坐标系,将四维坐标测量点经坐标系变换至三维转台坐标系,然后再将转台坐标系变换到工件坐标系或者机器坐标系,从而实现误差评定。实验结果表明,数学模型正确,可以满足精密测量要求。     

机器人柔性坐标测量系统现场校准技术研究

机器人柔性坐标测量系统能够实现大型工件尺寸在线快速测量,是自动化生产线的关键质量监控设备.现场校准技术是柔性坐标测量系统的关键技术之一,校准精度直接影响系统测量精度.现场精确建立机器人末端工具坐标系与视觉传感器坐标系形成的手眼关系、机器人运动学模型参数以及机器人基坐标系是现场校准的主要内容.通过设计中间靶标,利用激光跟踪仪直接测量的方法建立手眼关系,其转换精度不受机器人运动学误差影响;设立校准球体,实现基于距离不变模型的连杆参数现场快速校准;根据机器人正向运动学模型和激光跟踪仪的测量,利用基于奇异值分解的配准方法求解转换矩阵,高精度地建立机器人基坐标系.经过激光跟踪仪一次校准后,测量系统可利用基准球体实现机器人快速在线校准,减小模型参数变化对测量系统精度的影响.试验证明,校准后的测量系统整体误差低于0.2 mm.     

基于复合位姿的二维自校准研究

自校准与校准相比,无需精度等级高于被校准对象的标准样板,能以较低的条件成本实现精密测量仪器系统误差的校准。二维自校准中的标准样板常采用初始、相对旋转和平移的传统三位姿组合。位姿之间相互独立且所有位姿变换均以初始位姿为基础。采用旋转和平移两种位姿复合后的位姿,能避免两次位姿变换之间必须将标准样板回归初始位姿的冗余操作,简化了二维自校准流程。基于复合位姿的二维自校准经仿真实验证明能在模拟噪声环境中有效分离被校准对象的误差,其不确定度与传统非复合位姿组合的相等。复合位姿的引入不影响二维自校准的噪声抑制能力。在影像测量仪上实施二维自校准实验,采用包含复合位姿的三位姿组合的二维自校准分离的工作台系统误差接近传统三位姿组合。两种位姿组合对应的工作台系统误差结果相差0.167μm。另外通过采用包含复合位姿的四位姿组合的实验结果,进一步论证了基于复合位姿的二维自校准效果。     

三维激光球杆仪的系统误差分析与补偿

三维激光球杆仪是自研发的一种被动式激光跟踪仪,为了提高其测量精度,该文系统地分析了其主要误差源及补偿方法。首先,通过误差源分析,基于多体系统误差建模理论对仪器进行精度建模;其次,针对误差补偿模型,提出了简单有效的模型参数测量方法,即多齿分度台和光电自准直仪标定二维转台两测角误差,正倒镜法测量两旋转轴的不相交度,精密三轴机床测量轴系不垂直度误差;最后,完成精度补偿验证。实验结果表明,在有效测量范围内,补偿后的垂直度误差从120μm减小到28μm,X轴定位误差从20μm减小到8μm,Z轴定位误差从60μm减小到25μm。研究表明该补偿方法在不改变硬件结构的基础上能有效提高仪器的精度。     

机器人工具坐标系自动校准

为了实现工业现场中对机器人工具坐标系进行快速高效地校准,同时提升坐标系的校准精度,提出了一种机器人工具坐标系快速校准方法,搭建了校准系统和实验平台。对校准系统的校准测量速度和精度进行了测量和研究。该校准方法使机器人按照预定圆周和直线的轨迹进行运动,运动时统计该系统在光电传感器中出现的时刻,得到工具坐标系偏斜的位置。本文分析了光电传感器由于装配工艺的原因无法形成直角坐标系而引起的误差,同时根据坐标系转换原理,对此项误差进行分析。最后实验结果表明:机器人工具坐标系的校准精度为±0.5mm,恢复时间为15s。该结果满足汽车生产线对于精度和效率的要求,能够快速有效地对机器人工具坐标系进行校准。     

激光跟踪视觉导引测量系统的全局校准方法

针对柔性装配中现有激光跟踪测量系统存在效率低、成本高、自动化程度低等问题,提出用单目视觉系统联合激光跟踪仪实现大尺寸组合式自主导引测量.为实现该系统的全局校准,提出了一种新的基于平面的全局校准方法,该方法通过获取靶标平面分别在视觉系统和激光跟踪仪坐标系中的平面方程,求解两坐标系间转换矩阵,完成系统全局校准.建立了数学模型,进行了算法仿真和全局校准实验.实验中测量30个不同位姿的平面靶标,并进行全局校准.结果表明,该方法操作简单,稳定性强,有实际应用价值,校准后平面法向量夹角、原点到平面距离的RMS误差分别为0.13°和1.50 mm.     

基于梯度下降算法的空间直线度误差评定

针对空间直线度误差评定问题,采用梯度下降算法对深孔直线度误差评定、坐标系旋转、测量点投影和最小覆盖圆等进行研究.引入被测零件测量点数据,基于梯度下降算法建立数学模型,求出拟合直线的方向向量,并根据方向向量与投影面夹角、投影面投影线与坐标轴夹角对测点坐标进行坐标转换,将空间直线度问题转换为平面最小包容区域.采用MATLAB软件编写相应程序,运用该程序对空间直线度误差进行实例计算,将计算结果与其它直线度误差评定算法进行对比,得出以下结论:梯度下降算法应用于深孔直线度检测,对测点数据进行计算处理可以得到精度较高的直线度误差,适用于对精度要求较高的场合.     

磁梯度张量系统传感器阵列的快速旋转校准

为有效消除磁梯度张量系统传感器阵列间非对准误差和传感器系统误差对测量精度造成的影响,提出了一种只需绕系统任意轴旋转一周便可理论上实现所有磁传感器与参考平台正交系间精确校准方法。利用两组无数学简化的非线性转换构建传感器系统误差线性校正模型,仅需同一旋转周期的10组测量数据便能得到参考平台与各传感器的理想正交输出。通过构建磁传感器三轴横倾、俯仰、方位转换的旋转矩阵,得到传感器空间任意姿态的非对准误差校正模型并对旋转角进行最小二乘估计,仅需同一旋转周期的3组测量数据便能对准张量系统。仿真和实测结果表明:在理想情况下仿真参数估计准确率接近100%,实验校正后各传感器输出具有较高重合与同轴性,张量分量RMSE(均方根误差)小于30nT/m。能以较简单步骤和较少采样数据高效提高差分法磁梯度张量系统测量精度。     

凸轮升程误差在三坐标测量机上的精确测量

根据凸轮升程误差的设计要求与测量要求,提出了在三坐标测量机上用搜索点法实现的凸轮升程误差的测量方法,介绍了方法的原理、实现步骤,并对测量方法进行了误差分析。理论分析与测量实践表明,本文提出的凸轮升程误差测量方法的测量极限误差为±1.8 μm,比传统的凸轮升程误差测量方法如桃尖点法、敏感点法的测量极限误差小40%左右。     

齿轮误差三维评定方法

研究了齿轮误差三维评定方法,以消除测量仪器定位误差对齿轮误差评定的影响,提高齿轮测量仪器的测量精度。分析了传统齿轮二维评定方法的弊端,提出将齿轮误差评定从二维评定模式转变为三维评定模式。该评定模式不再要求齿轮各项误差测量点位于特征面内,实现了三维空间内的齿轮误差测量与评定。为提高齿轮三维误差评定算法的效率,通过螺旋降维方法将三维数据降至二维数据,再对二维测量数据进行各项误差的评定。以特大型齿轮激光跟踪在位测量系统作为实验对象,对4级标准齿轮的齿廓误差进行了测量,并与传统的齿轮二维误差评定方法以及德国ZEISS公司InvolutePro软件的评定结果进行了对比。结果表明:传统齿轮二维误差评定方法有较大误差,三维齿廓评定方法与德国ZEISS公司InvolutePro软件评定结果一致,精度达到0.1μm,证明了提出的齿廓误差三维评定方法完全正确,可以消除仪器定位误差对测量结果的影响,提高了测量仪器的测量精度。     

基于误差转换的汽车曲轴圆度及圆柱度误差评价数学模型构建研究

针对国内汽车曲轴轴颈圆度误差、圆柱度误差检测普遍存在的效率低、精度低等问题,建立基于误差转换的平面曲线和空间曲线误差数学模型,结合圆和圆柱的数学表达建立满足最小包容条件的圆度和圆柱度误差评定数学模型,并采用遗传优化算法计算出符合最小评定要求的曲轴轴颈形位误差,解决了理想包容要素位姿参数不精确的问题。同时,建立基于图像域的汽车曲轴轴颈形状误差检测试验台,针对测量过程中连杆轴颈沿主轴颈公转运动,从而导致连杆轴颈图像域检测数据存在坐标不归一问题,以曲轴法兰端特征孔为基准,通过模板匹配特征与孔边缘提取实现了连杆轴颈圆度和圆柱度测量数据空间坐标归一化处理。以某型号发动机曲轴为例进行大样本误差检测试验,并与三坐标测量机测得的结果进行对比,数据分析表明提出的曲轴轴颈形状误差检测方法的精度为1μm,且重复检测误差在0.1μm以内,证明了其理论上的正确性及实践操作的可行性。     

An exact algorithm for self-calibration of two-dimensional precision metrology stages

We describe an algorithm that can achieve exact self-calibration for high-precision two-dimensional (2-D) metrology stages. Previous attempts to solve this problem have often given nonexact or impractical solutions. Self-calibration is the procedure of calibrating a metrology stage by an artifact plate whose mark positions are not precisely known. By assuming rigidness of the artifact plate, this algorithm extracts the stage error map from comparison of three different measurement views of the plate. The algorithm employs the orthogonal Fourier series to expand the stage error map, which allows fast numerical computation. When there is no random measurement noise, this algorithm exactly calibrates the stage error at those sites sampled by the mark array. In the presence of random measurement noise, the algorithm introduces a calibration error of about the same size as the random measurement noise itself, which is the limit to be achieved by any self-calibration algorithm. The algorithm has been verified by computer simulation with and without random measurement noise. Other possible applications of this algorithm are also discussed.     

螺纹参数测量中工件定位误差分析和补偿

利用齐次坐标变换方法从理论上研究了单针扫描式螺纹测量仪的工件定位误差模型,并考虑探针尖头的几何形状,建立了更加精准的曲线方程。以该曲线作为最小二乘拟合曲线,根据数学模型的特点和参数的取值范围,采用改进的单纯形-模拟退火(SMSA)算法,通过对标准件的测量,求解模型参数,补偿对应误差,减小了简单直线拟合的模型误差。基于该方法,在自主研发的测针式螺纹测量仪上进行了实验验证,结果表明,所述模型更符合实际情况,能够有效地减小工件定位误差。     

Volumetric error modelling of a stereo vision system for error correction in photogrammetric three-dimensional coordinate metrology

Optical three-dimensional coordinate measurement using stereo vision has systematic errors that affect measurement quality. This paper presents a scheme for measuring, modelling and correcting these errors. The position and orientation of a linear stage are measured with a laser interferometer while a stereo vision system tracks target points on the moving stage. With reference to the higher accuracy laser interferometer measurement, the displacement errors of the tracked points are evaluated. Regression using a neural network is used to generate a volumetric error model from the evaluated displacement errors. The regression model is shown to outperform other interpolation methods. The volumetric error model is validated by correcting the three-dimensional coordinates of the point cloud from a photogrammetry instrument that uses the stereo vision system. The corrected points from the measurement of a calibrated spherical artefact are shown to have size and form errors of less than 50 μm and 110 μm respectively. A reduction of up to 30% in the magnitude of the probing size error is observed after error correction is applied.     

薄板件任意点法向力学参数测量仪误差建模与仿真

文中按Denavit-Hartenberg方法,建立了薄板件任意点法向力学参数测量仪末端测头中心相对于机座参考坐标系的测量运动数学模型,在此基础上运用矩阵函数的全微分方法,建立起测量运动模型参数误差传递到末端测头中心坐标之间的误差传递关系,并通过计算机仿真验证了所建立误差模型的正确性.     

基于误差修正模型的机翼风洞试验弯扭变形测量方法

风洞试验中,机翼在高速气流下产生弯曲、扭转变形,本文提出一种基于误差修正模型的机翼弯扭变形测量方法。 首 先,利用基于摄影测量的相机标定方法求得相机畸变参数,采用数字图像相关法定位与追踪荧光点的无畸变像素坐标。 然后根 据摄影测量技术建立气流坐标轴系标定板,并利用气流坐标轴系标定板标定相机外参及求取机翼上荧光标记点的 Y 坐标。 最 后,根据标记点已知的 Y 轴向约束,建立单双目测量系统各自的三维重建模型及弯扭变形的误差修正模型,并以模型迎角为 0° 水平时为基准状态计算吹风状态下机翼弯扭变形。 经试验验证,本文提出的机翼扭转变形测量误差小于 0. 01°,机翼弯曲变形 测量误差小于 0. 15 mm/ m。 该方法可为飞行器设计提供可靠及鲁棒的实验数据。     

用合像水平仪测量直线度误差的问题探讨

通过用合像水平仪测量直线度误差实例,分析了在测量过程中如桥板定位、数据处理和图线绘制时容易忽略的问题,采用正确的方法可减小测量误差.