关节臂式柔性三坐标测量系统的数学模型及误差分析

关节臂式柔性三坐标测量系统是一种新颖的基于旋转关节和转动臂的三坐标测量系统,以角度测量基准取代了长度测量基准,它具有量程大、体积小、重量轻及使用灵活等优点．首先基于Denavit-Hartenberg方法建立了关节臂式柔性三坐标测量系统的理想数学模型和误差模型,并通过几何作图法对模型进行了验证.根据系统的特点和通过对系统中实际存在的影响测量结果的各种误差因素进行了详细分析,为进一步研究系统的误差补偿提供了理论基础．

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%。

应用改进模拟退火算法实现关节臂式坐标测量机的参数辨识

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。本文基于Denavit-Hartenberg模型建立了六自由度关节臂式坐标测量机坐标变换方程,分析了基于锥孔的参数辨识原理,提出了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。

关节臂式坐标测量机测量力误差分析及补偿

针对接触测量力对关节臂式坐标测量机(AACMM)测量精度的影响展开研究。对测量力引起的长度测量误差进行理论和实验分析,得到测头与被测件的局部变形、测杆的弯曲变形是影响关节臂式坐标测量机测头精度的主要因素。建立了关节臂式坐标测量机测头与被测件的局部变形、测杆的弯曲变形的数学模型,并对测量结果进行了测量力误差补偿。实验结果研究表明,测量力引起的误差对接触式关节臂式坐标测量机测量精度影响很大。通过本研究成果,可在很大程度上补偿测量力引起的误差:平均长度测量误差降低82%左右,最大误差降低约47μm,有效地提高了关节臂式坐标测量机的测量精度。

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。

变臂关节式坐标测量机的参数自标定方法研究

为了有效地提高关节式坐标测量机的测量精度,变臂关节式坐标测量机通过锁定坐标测量机的前2个关节,减小前端关节转角误差的引入降低系统传递误差。经D-H方法建模,变臂关节式坐标测量机和关节式坐标测量机具有相同的数学方程,但是两者具有不同的结构参数,主要差别体现在前2个关节转角。提出了一种基于逆运动学分析方法和非线性规划遗传算法的参数自标定方法。首先,采用Robotics Toolbox中的逆运动学分析方法反求到达同一标定点的多组可能位姿;其次,根据这些反求的位姿结合测量模型计算标定点的坐标值;最后,以单点重复误差为目标函数通过遗传算法进行全局搜索并利用非线性规划算法进行局部搜索获取最优标定结果。实验结果表明,所提出的参数自标定方法使得变臂关节式坐标测量机的单点测量精度提高1 000倍,长度测量精度提高8倍。

关节臂式坐标测量机参数标定方法

采用对称点法对关节臂式坐标测量机的各参数进行标定。该标定方法把各参数分离,使标定过程更简单。首先,在D-H参数建模法的基础上,利用基于准球坐标系的建模方法,建立了关节臂式坐标测量机的数学模型,使关节间各个参数正交,进而推导了运动学方程。借助设计的固紧装置,在ROMER Infinite 2.0型关节臂式坐标测量机上运用该方法进行了标定实验,得出了坐标测量机的结构参数,验证了参数标定方法的可行性和实验结果的准确性,为进一步提高关节臂式坐标测量机的测量精度奠定了基础。

关节臂式坐标测量系统关键技术研究

关节臂式坐标测量机是一种新型的多自由度非笛卡尔式坐标测量系统.介绍了该系统硬件系统和软件系统的基本构成、主要特点及实现方法.基于DH参数法建立了误差参数模型,提出了一种将并行机制的模拟退火算法和两次最优保存策略的遗传算法相结合的参数标定方法,同时利用改进的多点交叉算子和自适应变异算子加快了标定过程.本标定算法在Faro Platinum 2.4 m关节臂式坐标测量机上进行了实验验证,证明了标定算法精确性.

虚拟关节臂式坐标测量机模型的构建与验证

关节臂式坐标测量机的测量误差受到众多因素的影响,且由物理构件带来的误差无法被消除。为此,笔者旨在构建一种虚拟关节臂式坐标测量机。首先,采用D-H矩阵建立其运动学模型,其次,利用PC-DMIS测量软件分析测量机数据并对模型的精确性进行检验,最后使用蒙特卡罗法和测量机模型完成仿真测量。通过与实际参数构建的模型、制造商参数构建的模型相对比,可知所构建测量机模型的测量精度能够满足要求。仿真结果表明提出的模型构建与验证方法对坐标测量的应用具有较高的工程价值。

基于PSO-BP神经网络的关节臂式坐标测量机长度误差补偿

针对关节臂式坐标测量机(AACMM)长度误差补偿问题,分析了误差来源,通过实验确定了影响其测量长度的误差参数。引入BP神经网络对长度误差补偿模型进行了建模,并通过粒子群化算法对BP神经网络的权值和阈值进行全局寻优,克服了BP神经网络收敛速度慢和易陷入局部极值的缺陷。在不同输入参数的条件下测量标准尺,获得了误差补偿模型的训练样本。进行了长度误差补偿验证,补偿后误差均值减小了0.014 mm,使AACMM的测量精度提高了31.8%。

关节臂式坐标测量机的运动学建模

关节臂式坐标测量机作为一种串联式结构的便携坐标测量仪器,其角度误差对其测量精度的影响呈放大效应。针对上述问题,在DH模型的基础上,提出了一种具有旋转轴倾斜误差运动补偿的关节臂式坐标测量机运动学建模方法,研究了旋转轴系误差运动分离方法并搭建相应的测试系统,建立了基于空间距离的结构参数误差标定模型并进行了实验。实验结果表明,相比于DH模型,采用具有旋转轴倾斜误差运动补偿的运动学模型,关节臂式坐标测量机的测量标准差由0.055 mm降低至0.037 mm。该模型能够有效提高关节臂式坐标测量机的测量精度。

关节臂式坐标测量机垂直度误差标定方法

为了实现对关节臂式坐标测量机垂直度误差的直接标定,提出两点对称法的标定方法。首先,建立了关节臂式坐标测量机的数学模型,得出运动学方程。其次,分析了关节臂式坐标测量机垂直度误差的标定原理,推导出垂直度误差的求解公式。最后,在ROMER Infinite 2.0型关节臂式坐标测量机上进行了实验,利用测量标准球的实验对标定结果的准确性进行了验证。通过标定可以提高关节臂式坐标测量机的精度,使关节臂式坐标测量机测量结果的相对误差由原来的0.384%减小到0.225%。

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。

提高关节臂式坐标测量机测量精度的关键技术

在不增加关节臂式坐标测量机硬件成本的基础上,为了提高测量精度,讨论了几点关键技术。分析了一个测量模型的不足,提出了一机多模思想;分析了空间误差的不均匀性,探讨了最佳测量区;分析了随机采样的弊端,研究了数据采集技术;分析了标定技术的难点,论述了标定内容。

关节臂式坐标测量机空间误差建模

关节臂式坐标测量机误差源多且复杂,其测量空间的误差存在不确定性,为了准确快速的得到关节臂式坐标测量机测量空间中的误差,利用标准锥窝对关节臂式坐标测量机进行了空间单点测量精度实验,获得了训练样本和测试样本;利用BP神经网络对空间误差进行了建模,为了提高其收敛速度和运算速度,引入粒子群优化算法(PSO)对BP神经网络模型进行了优化,并对模型进行了预测和验证;结果表明,BP神经网络和PSO-BP神经网络都可以对关节臂式坐标测量机进行空间点误差预测,PSO-BP神经网络模型的预测结果更加精确,相对误差更小。

基于复合标定和极限学习机的关节臂式坐标测量机残差建模及补偿

运动学标定是提高关节臂式坐标测量机精度的主要方法,但运动学标定后的残余误差对其测量精度和稳定性仍有很大影响。本文提出一种基于复合标定和极限学习机的关节臂式坐标测量机残差建模及补偿方法,以提高关节臂式坐标测量机的测量精度。首先,在关节臂式坐标测量机运动学建模和误差建模的基础上,建立了运动学参数辨识模型,并依次进行角度参数辨识、长度参数辨识和长度参数等比例缩放的复合辨识,完成了七自由度关节臂式坐标测量机的运动学标定。其次,通过对标定后残余误差图谱的分析,发现残余误差与测量构型有关联,进而构建了以测量摆角、仰角、距离和转角为变量的测量构型。由于测量构型变量与残余误差存在强非线性关系,提出一种基于极限学习机的残余误差预测和补偿方法。通过实验对本文所提模型及方法的有效性进行验证,结果表明:进行残差修正后关节臂式坐标测量机的单点测量误差最大值由0.061 mm下降到0.044 mm,误差均值由0.023 mm下降到0.017 mm,误差标准差由0.011mm下降到0.007 mm;长度测量误差最大值由0.137 mm下降到0.074 mm,误差均值由0.033 mm下降到0.021 mm、误差标准差由0.037 mm下降到0.019 mm。

关节臂式坐标测量系统的数学模型和参数简化

关节臂式柔性三坐标测量系统,是一种新颖坐标系测量系统,它具有量程大、体积小、重量轻、使用灵活等优点。论文首先基于Denavit-Hartenberg方法建立了关节臂式柔性三坐标测量系统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奠定了理论基础。

关节臂式坐标测量机转角误差的仿真研究

在关节臂式坐标测量机的众多误差源中关节转角误差是影响其测量精度的主要因素之一。采用D-H方法,建立了关节臂式坐标测量机的测量模型和转角误差模型。运用MATLAB仿真技术对关节转角误差分布进行仿真研究。基于仿真结果给对测量精度影响较大的关节转角所处的关节选用高精度的圆光栅编码器,经计算证实这样做可以显著提高关节臂式坐标测量机的精度。

运用改进的教学-模拟退火算法辨识关节臂式三坐标测量机的结构参数

为了提高关节臂式三坐标测量机的精度,降低其运动不确定度,提出了一种改进的教学-模拟退火混合优化算法来辨识其结构参数并补偿其误差,从而提高其精度。分析了教学算法(teaching-learning-based optimization,TLBO)的优缺点并对其进行改进从而得到改进的教学算法;提出了一种收敛精度转换准则,将改进的教学算法(modified TLBO,mTLBO)和模拟退火算法(simulated annealing,SA)融合得到改进的教学-模拟退火算法(mTLBO-SA);基于此理论和单点重复率误差实验,分别用TLBO、SA和mTLBO-SA对关节臂式三坐标测量机的结构参数进行了辨识;分别用辨识前后的关节臂式三坐标测量机再次进行单点重复率误差实验,并比较相应的实验结果。实验结果表明,所提算法能有效且高效地辨识关节臂式三坐标测量机的结构参数,进而有效提高其定位精度,降低其运动不确定度。