便携式关节型三坐标测量仪的研制
摘要
便携式关节型三坐标测量仪采用了全转动副的连杆级联结构的一种测量仪器。相对于传统的直角坐标测量机，它具有体积小，重量轻，便于携带，测量柔性好，可实现无障碍测量的优点。但缺点是：测量端误差放大严重，非笛卡儿坐标系下建立的数学模型比较复杂，其误差也比较复杂，误差的标定和补偿困难，所以一般处于中低精度水平。关节型三坐标测量仪可广泛用于机械制造、电子、汽车、航空航天、军工、模具等工业领域以及反求工程等领域，特别适用于现场的移动测量。
本文进行了测量原理分析、机械结构设计、原型机试制、电测系统开发、误差标定和检测等方面的系列工作，初步掌握了该仪器的设计与制造技术，为其产品化奠定了基础。
在精度控制方面，采取了以下办法减小测量误差：采用碳纤维作为测量臂的材料，以降低自重弯曲和温度变化对测量精度的影响；采用“背对背”成对安装的精密角接触轴承，并施加一定的预紧力，以增加关节旋转轴的刚性；研究了可能的制造误差及其补偿原理；改进了单点标定技术标定了系统的综合测量误差。
The protable multi-joint coordinate measuring machine(PCMM), which basedon the coordinate measuring technology and the theory of the bionics, is a precisemeasuring instrument. Comparing with the traditional CMM, smaller, lighter, Port--able, flexible, infinite measure is its advantage. PCMM is widely applied in thefield of mechanical manufacturing, electronics, automobile, aeronautics andastronautics, army industry, mold and reverse engineering, particularly suitableto the on-the-spot mobile measure.
Because the PCMM uses the whole serial revoluted-joint structure, the error ofthe tip is magnified severely. And the maths modle which made in thenon-cartesian coordinate system is complex, and its error is also complex, the erroris not easy calibrated and the compensated. How to guarantee that ultimateaccuracy is a critical technology. The paper surrounds how to increase the accuracyof the instrument, proceeding the following research:
In the aspect of the mechanical structures design, I adopt the following methodto decrease the measuring errors: using carbon fiber carbon fiber to be the materialof the arms to reduce effect of the accuracy when temperature changes; In everyjoint, I adopt "back to back" precision shaft bearing in pairs and impress a littlepretightening force to increase the ragid of the rotating shaft, thus it can decreasethe measuring errors because of the joint shaken. In the aspect of the errorscalibration and compensation, with the experimental method to eliminate zeroerrors, and using the improved single-point calibration technich to calibrate thesystematical integrate measuring errors.
本文进行了测量原理分析、机械结构设计、原型机试制、电测系统开发、误差标定和检测等方面的系列工作，初步掌握了该仪器的设计与制造技术，为其产品化奠定了基础。
在精度控制方面，采取了以下办法减小测量误差：采用碳纤维作为测量臂的材料，以降低自重弯曲和温度变化对测量精度的影响；采用“背对背”成对安装的精密角接触轴承，并施加一定的预紧力，以增加关节旋转轴的刚性；研究了可能的制造误差及其补偿原理；改进了单点标定技术标定了系统的综合测量误差。
The protable multi-joint coordinate measuring machine(PCMM), which basedon the coordinate measuring technology and the theory of the bionics, is a precisemeasuring instrument. Comparing with the traditional CMM, smaller, lighter, Port--able, flexible, infinite measure is its advantage. PCMM is widely applied in thefield of mechanical manufacturing, electronics, automobile, aeronautics andastronautics, army industry, mold and reverse engineering, particularly suitableto the on-the-spot mobile measure.
Because the PCMM uses the whole serial revoluted-joint structure, the error ofthe tip is magnified severely. And the maths modle which made in thenon-cartesian coordinate system is complex, and its error is also complex, the erroris not easy calibrated and the compensated. How to guarantee that ultimateaccuracy is a critical technology. The paper surrounds how to increase the accuracyof the instrument, proceeding the following research:
In the aspect of the mechanical structures design, I adopt the following methodto decrease the measuring errors: using carbon fiber carbon fiber to be the materialof the arms to reduce effect of the accuracy when temperature changes; In everyjoint, I adopt "back to back" precision shaft bearing in pairs and impress a littlepretightening force to increase the ragid of the rotating shaft, thus it can decreasethe measuring errors because of the joint shaken. In the aspect of the errorscalibration and compensation, with the experimental method to eliminate zeroerrors, and using the improved single-point calibration technich to calibrate thesystematical integrate measuring errors.
引文
[1] 张伯雄．三坐标测量机．天津：天津大学出版社．1999．7
[2] 殷际英，何广平．关节型机器人．北京：化学工业出版社．2003
[3] 傅则绍，卢子馨．机构设计(修订版)．东营：石油大学出版社，1998．5
[4] 成大先．机械设计手册(第四版)．北京：化学工业出版社．2002．1
[5] 李岩，花国梁．精密测量技术(修订版)．北京：中国计量出版社．2001．9
[6] 李殿奎．光栅计量技术．北京．中国计量出版社．1987．12
[7] 邱宣怀．机械设计(第四版)．北京：高等教育出版社，1996．10
[8] 李庆祥．现代精密仪器设计．北京：清华大学出版社，2004．2
[9] 殷纯永．光电精密仪器设计．北京：机械工业出版社，1996．5
[10] 张善锺．精密仪器结构设计手册．北京：机械工业出版社．1993．10
[11] 机械制造基础标准应用手册(下册)．汪恺．北京：机械工业出版社．1997．8
[12] 谭浩强．c程序设计(第二版)．北京：清华大学出版社，1999．12
[13] 叶东．多关节坐标测量机的理论和技术．博士论文．哈尔滨工业大学．1999．8
[14] 樊志新．多关节坐标测量机的机械结构与标定技术研究．硕士论文．哈尔滨工业大学．
[15] 史艳霞，车仁生，黄庆成．虚拟坐标测量机构成和实现方法．光学精密工程．1999
[16] 刘得军．三自由度并联机构坐标测量机建模理论及其虚拟原型研究．博士论文．哈尔滨工业大学．2003
[17] 高宏．非正交系坐标测量系统的原理、检定及应用研究．硕士论文．信息工程大学．2003
[18] 汪平平，费业泰，林慎旺柔性三坐标测量臂的标定技术研究．西安交通大学学报，2006，40(3)
[19] 宋开臣，张国雄PH9／PH10回转测头系统的数学模型．机械科学与技术，2000，19(1)
[20] 李锐军，王效岳 切削加工机器人结构设计及加工算法研究．山东理工大学 学报，2003．
[21] 皱璇，李德华 多关节机械臂的坐标模型和参数标定．光学精密工程，2001，9(3)
[22] 李中伟，王从军，周晓慧 多关节坐标测量机的数学模型和参数标定．《新技术新工艺》，2006，6
[23] 叶东，黄庆成，车仁生 多关节坐标测量机的误差模型．光学，精密工程，1999，7(2)
[24] 叶东，车仁生 仿人多关节坐标测量机的数学建模及其误差分析．哈尔滨工业大学学报，1999，31(2)
[25] 王学影，刘书桂，王斌，张国雄 关节臂式柔性三坐标测量系统的数学模型及误差分析，纳米技术与精密工程，2005，3(4)
[26] 郭丽峰，张国雄，郑志翔等 关节臂式坐标测量机数据采集系统的研制．中国机械工程，2007，18(7)
[27] 吴汉欣，张启先，郑时雄 关节式三坐标测量机系统误差的补偿及其实验．北京航空航天学报，1987，2(5)
[28] 刘源，黄志东 关节式坐标测量机测量误差分析．机械与电子，2005，8
[29] 任继文，龙铭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．华东交通大学学报，2005，39(11)
[30] 卞振娥 机器人的位姿标定及其误差补偿．机器人，1991，36
[31] 周学才，谢存禧 机器人理论关节参数的标定方法及软件设计．机器人，1991，13(4)
[32] 安永植，安永辰 机器人位姿误差校正方法．哈尔滨工业大学学报，1993，25(1)
[33] 叶东，黄庆成，车仁生 六自由度关节式坐标测量机关节零位偏差的标定算法．哈尔滨工业大学学报，1998，34
[34] 呼刚义，郭俊杰，杨军良 球坐标测量机器人的误差分析与补偿．西安理工大学学报，2005，3
[35] 汪平平，费业泰，林慎旺 柔性三坐标测量臂精度的优化设计．应用科学学报，2006，24(4)
[36] 王春花，费业泰，汪平平 柔性三坐标测量机的结构系统及误差修正标定分析．工具技术，2005，76
[37] 王春花，胡鹏浩，费业泰 柔性三坐标测量机的平衡机构．工艺与装备，2006，5
[38] 刘兴占，张令波，孙富春 柔性双连杆机械臂末端振动测量的研究．光学技术，2000，26(3)
[39] 李春，刘书桂 三坐标测量机的测头半径补偿与曲面匹配．仪器仪表学报，2003，24(4)
[40] 张国雄 三坐标测量机的发展趋势．中国机械工程，2000，11(1-2)
[41] 朱正德 谈国产坐标测量机在汽车行业的市场前景及相应的产品开发对策．现代计量仪器与技术，2003，43
[42] 付中正，叶东，张之江等 新型关节式三坐标测量机的研究．哈尔滨工业大学学报，1996，3 8
[43] 郭阳宽，李玉和，李庆祥等 运动偏心对圆光栅副测量的影响及误差补偿．清华大学学报，2005，45(2)
[44] 邵以东，兰海东，黄碧梧坐标测量机的测头及其校准．计测技术，1995，4
[45] 彭东明，祖江嵩，毕勇等 坐标测量机的结构设计特点与应用性能．坐标测量机技术专题报道，2004，2(9)
[46] 王为农，朱志先 坐标测量机的中间检查用标准器．坐标测量机技术专题报道，2004，2(14)
[47] 王为农 坐标测量机技术综述．坐标测量机技术专题报道，2004，2(8)
[48] 王晋 坐标测量机软件的技术发展．坐标测量机技术专题报道，2004，2(14)
[49] 夏伯雄，杨均青 坐标测量机软件的正确选择与使用．计量技术，2003，1(27)
[50] 王为农．坐标测量机性能评价的国际标准．坐标测量机技术专题报道，2004，2(16)
[51] 王红敏，石沛林．三坐标测量机测头的测球半径补偿误差的计算．工具技术．2003，7(37)
[52] 解林中．浅析在三坐标领域里的间接测量．中国测试技术．2003年3月
[53] 黄志东．关节式坐标测量机机械结构和测量误差研究．华中科技大学硕士论文．2005年4月
[54] John A. Bosch. coordinate measuringt machines and systems. New York : M. Dekker, c1995.
[55] Jianbo Gou. Theory and Algorithms for Coordinate Metrology. The Hong Kong University of Science and Technology. January 1999.
[56] Steven Nadav Spitz. DIMENSIONAL INSPECTION PLANNING FOR COORDINATE MEASURING MACHINES. FACULTY OF THE GRADUATE SCHOOL UNIVERSITY OF SOUTHERN CALIFORNIA. August 1999.
[57] introduction to coordinate metrology. Brown & Sharpe.
[58] C. Birkenhofer, K.-U.Scholl,J.M.Z"ollner, R.Dillmann.Forschungszentr-um Informatik Karlsruhe. A New Modular Concept for a Multi-joint, Autonomous Inspection Robot. Interactive Diagnosis and Service Systems .Germany.
[59] Mechanism.T.Oiwa.Coordinate Measuring Machine Using Parallel Shizuoka University, Japan.
[60] Kiyoshi Takamasu. International Standard Development of Virtual CMM(Coordinate Measuring Machine). The University of Tokyo, JAPAN.May 2002
[61] Kiyoshi Takamasu, Satoshi Ozawa, Takayuki Asano,Akihiro Suzuki, Ryoshu Furutani and Shigeo Ozono, Basic Concepts of Nano-CMM(Coordinate Measuring Machine with Nanometer Resolution). Hongo 7-3-1, Bunkyou-ku, Tokyo, 113 Japan
[62] Wang Xueying, Liu Shugui, Zhang Hongtao, Zhang Guoxiong Error Analysis of Articulated Arm Flexible CMM. CHINESE JOURNAL OF SENSORS AND ACTUATORS, 2007, 20(2)
[2] 殷际英，何广平．关节型机器人．北京：化学工业出版社．2003
[3] 傅则绍，卢子馨．机构设计(修订版)．东营：石油大学出版社，1998．5
[4] 成大先．机械设计手册(第四版)．北京：化学工业出版社．2002．1
[5] 李岩，花国梁．精密测量技术(修订版)．北京：中国计量出版社．2001．9
[6] 李殿奎．光栅计量技术．北京．中国计量出版社．1987．12
[7] 邱宣怀．机械设计(第四版)．北京：高等教育出版社，1996．10
[8] 李庆祥．现代精密仪器设计．北京：清华大学出版社，2004．2
[9] 殷纯永．光电精密仪器设计．北京：机械工业出版社，1996．5
[10] 张善锺．精密仪器结构设计手册．北京：机械工业出版社．1993．10
[11] 机械制造基础标准应用手册(下册)．汪恺．北京：机械工业出版社．1997．8
[12] 谭浩强．c程序设计(第二版)．北京：清华大学出版社，1999．12
[13] 叶东．多关节坐标测量机的理论和技术．博士论文．哈尔滨工业大学．1999．8
[14] 樊志新．多关节坐标测量机的机械结构与标定技术研究．硕士论文．哈尔滨工业大学．
[15] 史艳霞，车仁生，黄庆成．虚拟坐标测量机构成和实现方法．光学精密工程．1999
[16] 刘得军．三自由度并联机构坐标测量机建模理论及其虚拟原型研究．博士论文．哈尔滨工业大学．2003
[17] 高宏．非正交系坐标测量系统的原理、检定及应用研究．硕士论文．信息工程大学．2003
[18] 汪平平，费业泰，林慎旺柔性三坐标测量臂的标定技术研究．西安交通大学学报，2006，40(3)
[19] 宋开臣，张国雄PH9／PH10回转测头系统的数学模型．机械科学与技术，2000，19(1)
[20] 李锐军，王效岳 切削加工机器人结构设计及加工算法研究．山东理工大学 学报，2003．
[21] 皱璇，李德华 多关节机械臂的坐标模型和参数标定．光学精密工程，2001，9(3)
[22] 李中伟，王从军，周晓慧 多关节坐标测量机的数学模型和参数标定．《新技术新工艺》，2006，6
[23] 叶东，黄庆成，车仁生 多关节坐标测量机的误差模型．光学，精密工程，1999，7(2)
[24] 叶东，车仁生 仿人多关节坐标测量机的数学建模及其误差分析．哈尔滨工业大学学报，1999，31(2)
[25] 王学影，刘书桂，王斌，张国雄 关节臂式柔性三坐标测量系统的数学模型及误差分析，纳米技术与精密工程，2005，3(4)
[26] 郭丽峰，张国雄，郑志翔等 关节臂式坐标测量机数据采集系统的研制．中国机械工程，2007，18(7)
[27] 吴汉欣，张启先，郑时雄 关节式三坐标测量机系统误差的补偿及其实验．北京航空航天学报，1987，2(5)
[28] 刘源，黄志东 关节式坐标测量机测量误差分析．机械与电子，2005，8
[29] 任继文，龙铭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．华东交通大学学报，2005，39(11)
[30] 卞振娥 机器人的位姿标定及其误差补偿．机器人，1991，36
[31] 周学才，谢存禧 机器人理论关节参数的标定方法及软件设计．机器人，1991，13(4)
[32] 安永植，安永辰 机器人位姿误差校正方法．哈尔滨工业大学学报，1993，25(1)
[33] 叶东，黄庆成，车仁生 六自由度关节式坐标测量机关节零位偏差的标定算法．哈尔滨工业大学学报，1998，34
[34] 呼刚义，郭俊杰，杨军良 球坐标测量机器人的误差分析与补偿．西安理工大学学报，2005，3
[35] 汪平平，费业泰，林慎旺 柔性三坐标测量臂精度的优化设计．应用科学学报，2006，24(4)
[36] 王春花，费业泰，汪平平 柔性三坐标测量机的结构系统及误差修正标定分析．工具技术，2005，76
[37] 王春花，胡鹏浩，费业泰 柔性三坐标测量机的平衡机构．工艺与装备，2006，5
[38] 刘兴占，张令波，孙富春 柔性双连杆机械臂末端振动测量的研究．光学技术，2000，26(3)
[39] 李春，刘书桂 三坐标测量机的测头半径补偿与曲面匹配．仪器仪表学报，2003，24(4)
[40] 张国雄 三坐标测量机的发展趋势．中国机械工程，2000，11(1-2)
[41] 朱正德 谈国产坐标测量机在汽车行业的市场前景及相应的产品开发对策．现代计量仪器与技术，2003，43
[42] 付中正，叶东，张之江等 新型关节式三坐标测量机的研究．哈尔滨工业大学学报，1996，3 8
[43] 郭阳宽，李玉和，李庆祥等 运动偏心对圆光栅副测量的影响及误差补偿．清华大学学报，2005，45(2)
[44] 邵以东，兰海东，黄碧梧坐标测量机的测头及其校准．计测技术，1995，4
[45] 彭东明，祖江嵩，毕勇等 坐标测量机的结构设计特点与应用性能．坐标测量机技术专题报道，2004，2(9)
[46] 王为农，朱志先 坐标测量机的中间检查用标准器．坐标测量机技术专题报道，2004，2(14)
[47] 王为农 坐标测量机技术综述．坐标测量机技术专题报道，2004，2(8)
[48] 王晋 坐标测量机软件的技术发展．坐标测量机技术专题报道，2004，2(14)
[49] 夏伯雄，杨均青 坐标测量机软件的正确选择与使用．计量技术，2003，1(27)
[50] 王为农．坐标测量机性能评价的国际标准．坐标测量机技术专题报道，2004，2(16)
[51] 王红敏，石沛林．三坐标测量机测头的测球半径补偿误差的计算．工具技术．2003，7(37)
[52] 解林中．浅析在三坐标领域里的间接测量．中国测试技术．2003年3月
[53] 黄志东．关节式坐标测量机机械结构和测量误差研究．华中科技大学硕士论文．2005年4月
[54] John A. Bosch. coordinate measuringt machines and systems. New York : M. Dekker, c1995.
[55] Jianbo Gou. Theory and Algorithms for Coordinate Metrology. The Hong Kong University of Science and Technology. January 1999.
[56] Steven Nadav Spitz. DIMENSIONAL INSPECTION PLANNING FOR COORDINATE MEASURING MACHINES. FACULTY OF THE GRADUATE SCHOOL UNIVERSITY OF SOUTHERN CALIFORNIA. August 1999.
[57] introduction to coordinate metrology. Brown & Sharpe.
[58] C. Birkenhofer, K.-U.Scholl,J.M.Z"ollner, R.Dillmann.Forschungszentr-um Informatik Karlsruhe. A New Modular Concept for a Multi-joint, Autonomous Inspection Robot. Interactive Diagnosis and Service Systems .Germany.
[59] Mechanism.T.Oiwa.Coordinate Measuring Machine Using Parallel Shizuoka University, Japan.
[60] Kiyoshi Takamasu. International Standard Development of Virtual CMM(Coordinate Measuring Machine). The University of Tokyo, JAPAN.May 2002
[61] Kiyoshi Takamasu, Satoshi Ozawa, Takayuki Asano,Akihiro Suzuki, Ryoshu Furutani and Shigeo Ozono, Basic Concepts of Nano-CMM(Coordinate Measuring Machine with Nanometer Resolution). Hongo 7-3-1, Bunkyou-ku, Tokyo, 113 Japan
[62] Wang Xueying, Liu Shugui, Zhang Hongtao, Zhang Guoxiong Error Analysis of Articulated Arm Flexible CMM. CHINESE JOURNAL OF SENSORS AND ACTUATORS, 2007, 20(2)