精密角位置信号数字化测量系统的研究

感应同步器、旋转变压器是一类基于电磁感应原理的角位置传感器,广泛应用于自动控制、伺服系统中,其输出信号是一组随角位置变化呈比例关系的交流电压信号。要对该信号实现精密测量或校准需要使用专用角度指示器,此仪器功能单一且价格高昂。因此,使用通用数字化仪研制了一套精密角位置信号数字化测量系统,实现了分辨力达0.0001°,测量准确度达±0.001°(k=2)的同步分解信号测量能力。该系统不仅可应用于角度模拟器、感应同步器、旋转变压器的校准或检测中,相关技术还可以应用于国产化精密角度指示器研制中,具有良好的应用前景。

球坐标扫描仪校准结果的不确定度评定

在大尺寸空间坐标测量领域,球坐标扫描仪以高精度激光干涉仪为核心设备,具有测量范围广、计量精度高、重复性好等优势,能在复杂的环境中快速稳定地开展测量工作,已成为大尺寸空间测量的主要技术手段。本文主要介绍了球坐标扫描仪的工作原理及应用,以激光干涉仪标准装置和标准球为标准器对径向距离示值误差测量不确定度进行评定,以及以标准平面为标准器对平面扫描测量误差测量不确定度进行评定。

换热翅片几何量数字化测量技术研究及在智能制造中的应用

为解决换热翅片开窗角度的数字化测量问题,研究了面向换热器智能制造产线的翅片几何量参数测量装置。该装置采用激光轮廓传感器进行非接触测量,对获取的多组原始轮廓数据进行数据剔除和取均值预处理,将处理后的数据逐点求导以识别兴趣测量区域,在各兴趣测量区域采用定长逐点步进的方式进行最小二乘拟合运算,选取最优拟合线段进行夹角计算,可自动实现对翅片8个开窗角度及3个长度参数的测量,设计了基于JSON的数据交互格式实现与制造执行系统的数据对接。实验结果表明:装置角度测量最大允许误差(MPE)为±0.5°,具备数字化测量及数据交互能力,测量精度满足企业质控需求。

机器人几何参数标定误差模型对定位精度影响研究

机器人几何参数误差是影响机器人定位精度的主要因素,通过对几何参数标定能够有效提高机器人定位精度。为了解决机器人在标定过程中的奇异性问题,采用改进的Denavit-Hartenberg(MDH)方法建立机器人几何参数模型,根据微分误差原理分别建立了机器人几何参数标定位姿误差和位置误差及姿态误差模型,并通过对几何参数冗余性分析及采用Levenberg-Marquardt(LM)算法辨识几何参数误差,研究不同误差模型对机器人定位精度影响。实验结果表明:采用位姿误差模型对机器人几何参数标定后其末端位置和姿态精度均能提升约75%,适于在有高精度定位要求的机器人中推广应用。

标准核燃料组件几何轮廓校准装置的研制

针对标准核燃料组件竖直状态下几何参数溯源需求,研制了一种标准核燃料组件几何轮廓校准装置。该装置以空间坐标测量为理念,利用多路接触式传感器作为轮廓测量采集单元,结合测量工作台高度位置获得轮廓坐标。通过直线度及扭转度测量与误差补偿,进一步提高了几何轮廓测量精度;并使用集成运动控制和专用测量软件,实现了标准核燃料组件几何轮廓参数(直线度、扭转度、垂直度、平行度)的自动检测。通过分析及实验验证,几何轮廓参数中直线度和平行度测量标准不确定度为0.01 mm,扭转度测量标准不确定度为0.007 mm,垂直度测量标准不确定度为0.017 mm,说明该装置能够满足标准核燃料组件的溯源需求。

标准钢卷尺计量比对关键技术研究

标准钢卷尺是线纹计量器具检定系统中的三等线纹标准,用于我国大量钢卷尺等带状工作线纹尺的量值传递。为了保障我国标准钢卷尺的量值一致性,并科学评估我国计量机构标准钢卷尺的测量校准能力(CMC),中国计量科学研究院主导组织了首次全国标准钢卷尺计量比对(项目编号2019-B-05)。介绍了比对的基本情况、方案及比对结果,分析了比对结果及参比装置,研究了标准钢卷尺校准中关键技术问题及主要误差来源,提出了解决问题的方法,以推动标准钢卷尺量值校准能力的提升。

六轴串联机器人关节转角误差补偿及运动学标定

机器人运动学标定是几何量计量领域的热门研究方向之一。针对现有串联机器人运动学标定方法一般都忽视关节转角误差补偿的问题,在六轴串联机器人关节转角误差实验数据分析基础上,提出一种基于切比雪夫多项式拟合的机器人关节转角误差补偿,并在关节转角误差补偿之后进行机器人本体运动学标定。然后,利用激光跟踪仪对ABB IRB 1410机器人进行关节转角误差补偿和本体运动学标定实验验证,实验结果表明:该方法可以将机器人的绝对定位误差均值由2.11 mm降至0.66 mm。研究工作将为进一步提升机器人定位准确度提供理论基础和技术条件。

基于深度学习的水域实例分割尾矿库干滩长度测量

提出了基于YOLOv8的水域实例分割方法,实现了在实时视频流下快速、高效、准确的尾矿库干滩长度测量。首先,完成一份高质量水域实例分割的COCO数据集;其次,分析主流深度学习实例分割算法,选用YOLOv8模型训练出高效识别水线并输出图像坐标;最后,标定相机内外参数,应用相机成像原理,在尾矿库尾部安装监控摄像头,预测出干滩长度。实验证明:此模型不仅能够准确预测出干滩长度,并且对不同尾矿库水域边界分割有较好的稳定性;对实时视频流模式下的野外非接触式测量具有较好的效果,误差控制在2%以内。

基于LSTM-GRU神经网络的机床主轴回转误差分离降噪研究

频域三点法是分离主轴回转误差的常用方法,其误差分离精度受被测信号中噪声的影响较大,不适当的降噪方法会使测试结果失真。为此,提出了基于LSTM-GRU神经网络的机床主轴回转误差分离降噪方法。首先,使用经遗传算法优化的传感器夹角搭建测试系统并对主轴回转误差进行数据信号采集。然后,配置卡尔曼滤波器对3个传感器信号进行降噪,通过三点法分离出同步误差和异步误差。最后,使用LSTM-GRU模型分别对同步误差和异步误差降噪,并将该模型降噪结果与LSTM-LSTM双层神经网络降噪、卡尔曼滤波和小波阈值降噪和结果对比,分别计算其Allan方差来评价不同方法的降噪效果。实验结果显示,使用该LSTM-GRU模型降噪后的同步误差Allan方差为2.014×10^(-8)mm^(2),异步误差Allan方差为3.967×10^(-8)mm^(2),均小于卡尔曼滤波、小波阈值降噪和LSTM-LSTM双层神经网络降噪结果。LSTM-GRU模型的降噪效果最优,被测主轴在转速为6000 r/min时的同步误差为2.42μm,异步误差为3.21μm,符合实际情况。

基于改进乌鸦搜索算法评定圆度误差

针对传统启发式智能优化算法评定圆度误差计算效率低且容易陷入局部最优解的问题,提出采用改进乌鸦搜索算法评定圆度误差。根据最小区域拟合准则建立乌鸦搜索算法评定圆度误差数学模型,并引入权重系数,提高算法全局搜索能力,同时设定最小二乘圆心附近为乌鸦搜索初始位置,提高算法搜索效率。最后通过模拟和实验验证了所提算法的准确性和高效性,并通过多组数据对比发现改进乌鸦搜索算法的全局搜索能力较遗传算法(GA)、粒子群算法(PSO)和传统乌鸦搜索算法(CSA)得到明显提升。

基于多传感器信号的主轴回转误差在线回归预测方法研究

通过对主轴回转误差形成机理分析,基于多传感器信号构建了主轴回转误差回归预测模型。首先,使用LMD分解方法和皮尔逊相关系数算法对主轴回转误差密切相关的主轴前轴承振动信号、主轴电流信号和前轴承声发射信号进行特征量提取和寻优降维,克服了以往机床主轴回转误差预测中原始信号类型过于单一的问题。其次,针对各监测信号与机床主轴回转误差之间的非线性问题,利用支持向量机模型特有的RBF核函数实现多输入量下的非线性预测、找到数据之间的复杂关系,但模型中宽度系数σ、惩罚因子C和不敏感损失系数ε的有效确定是建立其RBF核函数的难题,为此建立了基于粒子群算法的支持向量机模型对主轴回转误差进行回归预测。再次,为评价该模型的有效性,提出了基于均方误差、平均绝对误差和决定系数的主轴回转误差回归预测模型评价方法。最后,使用i5m4数控加工中心对上述预测模型进行了实验研究,结果表明:该PSO-SVM回归预测模型的均方误差为0.19%,平均绝对误差为4.58%,决定系数为0.9237,相对于优化前模型,该PSO-SVM回归预测模型可准确有效实现主轴回转误差的预测。

基于双目视觉距离误差测量的工业机器人运动学标定方法

针对机器人标定中存在的成本昂贵以及应用生产中末端精度低问题,提出了一种基于双目视觉距离误差测量的工业机器人运动学标定方法。首先,进行双目相机标定和畸变矫正,通过双目视觉测量模型计算匹配特征点的距离并提出三维空间坐标的双目视差空间位置匹配策略。其次,以机器人运动学模型为基础,引入微分算子建立机器人微分运动模型,建立机器人运动学误差模型,得出机器人各个关节的运动学参数与机器人末端位置误差之间的关系。最后,以IRB1200机器人为研究对象,对比分析应用高精度激光跟踪仪与双目视觉测量方法得到的距离误差和位置误差,两者误差均在10^(-1)mm级别,满足距离误差和位置误差测量要求,且经多种优化算法对机器人进行运动学标定后,其距离误差比优化前平均降低了61.5%。基于双目视觉距离误差测量工业机器人运动学标定方法可有效提高机器人末端精度,降低标定成本。

海面溢油激光探测系统及相关算法的研究

激光诱导荧光(LIF)技术是目前较为有效的海面溢油探测技术之一,但基于该技术的油膜厚度反演算法不适用于评估厚油膜(>800μm)。激光方向性强且能量集中,研究已表明其具备评估海面油膜的能力,然而现有探测系统将激光信号作为干扰信号加以抑制或去除。为了重新找回该信号以实现探测海面厚油膜的目的,研究了一种海面溢油激光探测系统并对其协调控制方法进行了探讨,另外,基于此系统建立了一种利用激光反射信号评估海面厚油膜的模型。通过选用原油和白油的混合油(1:50)作为实验油,验证了海面溢油激光探测系统的可行性和油膜厚度评估算法的有效性。

基于激光扫描仪的点云配准方法

针对激光扫描仪实际扫描得到的不完整点云配准困难问题,提出了一种基于对应点对的配准方法。通过激光扫描仪进行实验,得到被测工件的实测点云数据,基于Visual Studio软件配置Point Cloud Library环境,对实测模型与理想模型的点云配准进行研究。首先对实测点云数据进行体素滤波以及均匀下采样的预处理;其次通过对应点对的方式进行对齐为后续精细配准提供较好的变换初值,后基于ICP算法实现点云配准精配准;最终以均方根误差作为点云配准精度评价指标对配准结果进行评价。借助CloudCompare软件对配准结果进行直观展示分析可知,在实测工件本身存在不绝对光滑的情况下,配准的均方根误差可控制在0.62 mm,表明该方法对于不完整点云的配准效果较好。

单目三维视觉测量技术研究进展

单目三维视觉测量在视觉测量领域具有低成本、简便性、结构紧凑等优势,是以智能化、网络化制造为特征的先进制造典型技术之一。经过不断发展,单目三维视觉测量技术已成功应用于无人机导航、智能机器人、工业检测、医疗健康等领域,如今呈现出精准化、快捷化、微型化、自动化、动态化等发展趋势。以孔径数量为标准,将单目三维视觉测量技术分为单孔径及多孔径两大类,分别综述两类方法的研究现状和发展历程,重点论述了应用较广的运动恢复结构法(Structure From Motion,SFM)和光场三维测量方法,并对单目三维视觉测量技术的未来方向进行了展望。

基于对称性评价的曲线对称中心拟合算法

在缺乏形状先验信息的前提下,对有噪声干扰的一维图像(灰度曲线)进行中心位置估计是机器视觉测量中的关键问题之一。以曲线与其镜像的匹配误差作为对称性评价函数,提出一种对称中心拟合算法,并采用最小二乘法计算最佳匹配点作为对称中心。该算法在使用中需要迭代计算,并可能收敛至错误的位置,通过对迭代初始值选取可能产生的局部收敛进行分析,证明了局部极值点仅可能出现在真值相邻的半像素之内,就此提出了收敛点验证策略,解决了错误收敛的问题。通过仿真模拟与实例,验证了对称中心拟合算法在各种干扰下的稳健性,在强噪声干扰下,灰度质心法的位置变化量达到了数十甚至上百像素,而对称中心拟合算法的位置变化量均方根值仍能保持在1像素左右,在其他噪声条件下,对称中心拟合算法的表现也远优于灰度质心法。

用于引力波探测的星间激光干涉测量模拟系统

星间激光干涉仪具有比地面干涉仪更长的干涉臂(10^(6)km),能够探测更低频段0.1 mHz~1 Hz的引力波。星间激光干涉仪具有典型的应答式外差干涉仪结构,其本质是一个光学锁相环。在地面环境下搭建模拟的星间激光干涉仪,成功将从激光器的频率锁定到稳频的主激光器频率上。结果显示:锁相环的锁定时间超过2×10^(4)s,满足了低频信号的探测条件;在较短位移和较长位移的不同条件下,干涉仪无粗大误差。经过分析得出:温度、气压等环境扰动带来的噪声是制约干涉仪精度的关键因素。

基于贝叶斯滤波理论的目标命中概率估计与判决方法研究

为了降低兵器试验中目标命中概率指标的判决错误率,提出了基于贝叶斯滤波理论的目标命中概率估计和判决方法。该方法构建了目标命中概率与试验观测数据的统计数学模型,依据贝叶斯滤波理论推导了目标命中概率后验概率密度函数、后验均值估计以及均方误差的解析表达式,并给出了基于目标命中概率后验均值估计的判决方法。依据不同的真实目标命中概率生成观测数据,分别利用传统方法和所提方法进行了估计和判决试验。结果表明:所提方法判决错误率仅为传统方法的1/3,证明所提方法具有可行性。

基于激光干涉仪同步测量的动态校准装置

为满足时变几何量的瞬时动态测试需求,研制了一种基于激光干涉仪同步测量的动态校准装置。该装置采用直线运动导轨和运动发生器、长度标准器激光干涉仪,以基于GNSS驯服时钟的同步触发器实现同步测量并确保时间准确稳定,并使用动态校准软件实现控制一体化。经综合分析激光干涉仪的最大允许误差、直线运动导轨的直线度、环境因素、触发信号间时延及激光干涉仪测量时延等因素,该装置的长度示值的测量不确定度为Q[1.8μm,3×10^(-7)L](k=2)。与同型号激光干涉仪的比对实验和激光跟踪仪瞬时长度测试实验,证明了不确定度评定的合理性以及该装置在瞬时动态准确度测试中的可行性。

海面溢油激光探测系统接收装置的研究

提出一款适用于海面溢油激光探测系统的接收装置,通过对该装置中的平行光管、光学天线以及积分球等光学部件进行研究,分析了激光在装置中的能量传输变换等系列问题。然后,以不同油膜厚度对应的激光反射信号强度作为仿真参数,在不同海况下验证了接收装置的有效性。结果表明,同一油膜厚度下,经过接收装置的激光强度远小于未经过接收装置的激光强度,此外,在平静海面或风速为0.3、0.5和0.8 m/s的微浪海面下,使用经过接收装置后的激光强度可以有效反演海面油膜厚度。