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可重构的关节臂式坐标测量机研究

作　者: 张选高
导　师: 王文
学　校: 浙江大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 关节臂式坐标测量机测量精度可重构测量空间误差分析数学模型
分类号: TH721
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

关节臂式坐标测量机是一种新型非正交坐标测量系统,与传统的正交坐标测量机相比,具有结构简单、体积小、重量轻、测量范围大、操作方便灵活、成本低、可在现场或野外测量等特点,已较广泛地应用于模具设计、零件逆向工程测量、产品质量在线检测、设备装配与维修等领域。然而关节臂式坐标测量机的测量精度与传统的正交坐标测量机相比要低(两者通常相差一至两个数量级),导致其使用范围受到较严重的限制。究其原因,自由度大、关节数目多、空间串联结构等特点,其结构参数的误差在过程中会发生积累和放大,导致其精度不高。另外,采用关节臂式坐标测量机测量小尺寸零件时,其测量空间往往比被测零件大得多,造成测量空间较大的浪费,损失了测量精度。因此,如何提高关节臂式坐标测量机的测量精度成为研究的焦点与热点。本论文提出一种可重构的关节臂式坐标测量机,采用变测量空间和变自由度的方法提高测量精度,具体实现方法为采用重构的方式实现关节臂式坐标测量机测量臂长度和关节数目可变,测量时根据被测量工件的几何特点,选择满足工件测量个性化需求的、较少冗余测量空间的方案,提高测量分辨率和测量精度。全文围绕这个思路展开理论分析、系统设计、仿真研究与实验验证工作,主要章节内容包括：第一章首先介绍关节臂式坐标测量机的研究背景与意义,然后综述国内外关于关节臂式坐标测量机的研究现状、相关产品的优点与不足,最后结合课题任务要求提出本论文的主要研究内容,并对论文的整体构架进行阐述。第二章介绍可重构的关节臂式坐标测量机的工作原理,将可重构的关节臂式坐标测量机与普通的关节臂式坐标测量机进行对比,阐述可重构的关节臂式坐标测量机在测量精度方面的优势,最后给出可重构的关节臂式坐标测量机的数学计算模型和误差模型。第三章阐述可重构的关节臂式坐标测量机的设计思路,然后详细介绍可重构的关节臂式坐标测量机机械结构及工作方式。第四章设计一种基于现场可编程门阵列(FPGA)的数据采集系统,用于可重构的关节臂式坐标测量机的测量系统数据采集,其采集功能包括6路光栅传感器、1路温度传感器以及3个按钮等相关信号的采集和处理,并通过RS-232C串口与计算机通讯。第五章对可重构的关节臂式坐标测量机的测量空间与测量精度之间的关系进行了研究,主要是对不同臂长、不同自由度配置时测量机的测量误差进行仿真分析和实验验证。基于可重构的关节臂式坐标测量机解析误差模型,采用Matlab软件进行误差仿真分析,并在一台商品化的关节臂式坐标测量机上进行实验验证。第六章对论文的研究内容和取得的结论进行总结,并对今后的研究工作进行展望。

全文目录

致谢  5-6
摘要  6-8
Abstract  8-10
目录  10-13
第1章绪论  13-20
  1.1 论文研究的背景与意义  13
  1.2 关节臂式坐标测量机的国内外研究现状  13-17
  1.3 论文课题来源与主要技术要求  17
  1.4 论文的主要研究内容  17-19
  1.5 本章小结  19-20
第2章可重构关节臂式坐标测量机的测量原理研究  20-29
  2.1 可重构关节臂式坐标测量机测量原理  20-22
    2.1.1 坐标测量机与机器人的关系  20-22
    2.1.2 可重构关节臂式坐标测量机与普通关节臂式坐标测量机  22
  2.2 可重构关节臂式坐标测量机数学模型  22-26
    2.2.1 D-H矩阵  22-24
    2.2.2 可重构关节臂式坐标测量机的数学模型  24-26
  2.3 可重构关节臂式坐标测量机误差模型  26-28
    2.3.1 可重构关节臂式坐标测量机的误差来源分析  26
    2.3.2 可重构关节臂式坐标测量机的全微分线性误差模型  26-27
    2.3.3 可重构关节臂式坐标测量机的解析误差模型  27-28
  2.4 本章小结  28-29
第3章可重构关节臂式坐标测量机结构设计  29-42
  3.1 可重构关节臂式坐标测量机总体设计思路  29-30
  3.2 机械结构设计  30-37
    3.2.1 可重构关节臂式坐标测量机主要部件的划分  30
    3.2.2 连接接口设计  30-34
    3.2.3 回转关节设计  34-35
    3.2.4 摆动关节设计  35-37
  3.3 可重构关节臂式坐标测量机的安装和重构方法  37-41
  3.4 本章小结  41-42
第4章可重构关节臂式坐标测量机的数据采集电路设计  42-57
  4.1 FPGA简介  42-44
  4.2 硬件电路总体方案设计  44-47
    4.2.1 硬件电路功能需求分析  44
    4.2.2 FPGA外围硬件电路总体方案设计  44-46
    4.2.3 FPGA内部信号处理电路总体方案设计  46-47
  4.3 基于FPGA的数据采集系统设计  47-55
    4.3.1 电子元件的选型  47-48
    4.3.2 整形电路  48-49
    4.3.3 辨向电路  49-50
    4.3.4 计数电路  50-51
    4.3.5 转换锁存电路  51
    4.3.6 分频电路  51-52
    4.3.7 I~2C驱动模块  52-53
    4.3.8 串行发送模块  53-54
    4.3.9 串行发送控制模块  54-55
  4.4 FPGA资源使用情况  55-56
  4.5 本章小结  56-57
第5章可重构关节臂式坐标测量机的误差仿真分析与实验研究  57-74
  5.1 可重构关节臂式坐标测量机的结构形式分析  57-59
  5.2 杆长误差对测量误差影响的仿真分析  59-60
  5.3 杆长变化对测量误差影响的仿真分析  60-65
  5.4 自由度数对测量误差影响的仿真分析  65-67
  5.5 自由度数对测量精度影响的实验研究  67-72
    5.5.1 不同自由度数的关节臂式坐标测量机单点重复测量实验  67-71
    5.5.2 不同自由度数的关节臂式坐标测量机长度测量实验  71-72
  5.6 本章小结  72-74
第6章结论和展望  74-76
  6.1 结论  74-75
  6.2 展望  75-76
参考文献  76-81
作者简历  81-82

可重构的关节臂式坐标测量机研究

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