基于误差流理论的多自由度精密运动平台误差建模与设计研究

Multi-axis precise motion platform is widely adopted in aeronautical & aerospace, robotics motion control and precision manufacture area, and the accuracy design is the key of high-efficiency and high-accuracy for product manufacture. In order to achieve high-efficiency and high-accuracy of motion control in multi-axis precise motion platform, this project raises an error modeling and precision design method for multi-axis precise motion platform based on stream of variation theory. Firstly, based on the configuration of multi-axis precise motion platform, the error propagation path is obtained. Different error composition in single degree-of-freedom motion unit is analyzed, and the coupling relationship in error terms is revealed. Secondly, based on stream of variation theory, the multi-dimension and progressive error frame of multi-axis precise motion platform is established, and the error model of multi-axis precise motion platform is established. Thirdly, the error sensitivity analysis approach of multi-axis precise motion platform is analyzed, and the optimized model of system configuration and motion order is established. Furthermore, the optimized design for system configuration and motion order for multi-axis precise motion platform is raised. This project provides basic theory and essential technology for multi-axis precise motion platform in high-accuracy and high-efficiency motion control, which has academic meaning and practical application.

多自由度精密运动平台广泛应用于航空航天、机器人运动控制以及精密加工等领域，其精度设计是保证加工产品效率与质量的关键。项目以实现多自由度精密运动平台高效高精度运动控制为目标，提出基于误差流理论的多自由度精密运动平台误差建模与设计方法。首先，根据多自由度精密运动平台的装配结构确定误差传递路径，分析单自由度运动单元各类误差的组成，揭示各误差参数的耦合关系；其次，基于误差流理论，构建多自由度精密运动平台误差多维度及递进关系框架，建立基于误差流理论的多自由度精密运动平台的误差模型，揭示各误差参数的传递规律；第三，研究多自由度精密运动平台误差敏感性分析方法，建立其自由度装配与运动顺序的优化模型，提出自由度装配与运动顺序优化设计方法。项目为实现多自由度精密运动平台高效高精度运动控制提供理论依据与关键技术，具有重要的学术意义和应用价值。

本项目针对应用于多自由度精密运动平台的误差传递和精度分析问题进行专题研究，重点分析了影响各项运动误差的因素、定位精度特性，以及多自由度运动系统的误差建模问题，揭示了阵列光纤空间位姿偏差的传递过程，结合针对单自由度精密滚珠丝杠运动平台运动误差的分析，对提高光电子封装系统工作效率有巨大的帮助。1..提出了一种基于该运动平台定位精度测量数据分布的方法。该方法从定位精度的公式与定义入手，分析了影响定位精度的几项因素。同时，基于对影响定位精度因素分析的结论，对应用于光电子封装系统微米级精度平台进行了研究，测量了不同行程下定位精度数值，观察了定位精度与行程变化之间的关系，探讨了不同行程下定位精度的特性。2.提出了一种用以分析导轨表面与直线度误差、角度误差之间精确关系的方法，通过测量导轨表面参数进行拟合，计算得出直线度误差与角度误差的数值。该结果一方面较于传统的三角函数代替导轨表面精度，具有较强的适用性和精确性；另一方面也为后续的误差补偿、提高运动平台精度提供数据支撑。3..在多自由度精密运动平台误差建模中，运用多体系统运动学理论与多体系统拓扑结构建立了应用在光电子封装系统的多自由度精密运动系统的误差模型。根据该误差模型，提出了一种基于Monte Carlo法的误差敏感性新的分析方法，可对误差模型进行简化，对提高误差模型的计算效率以及成本降低有较大的帮助。同时，该方法通过敏感阶段控制可对敏感性分析进行了优化，厘清误差参数控制顺序，使误差模型的应用更精确、更有效。4.提出了一种将误差流理论引入多自由度精密运动误差建模的方法。以光电子封装系统六自由度精密运动系统为例，建立了基于误差流理论的误差模型，将其应用到同轴型激光焊接系统，对误差敏感性分析的精确性、运动系统结构优化，均提出了有价值的参考建议，能更好地了解在多自由度精密运动平台运动过程中误差与偏差的传递、积累过程，为优化系统结构和提高质量奠定了基础。