三维阿贝误差补偿技术在关节式坐标测量机中的应用研究

Based on successful research work of theory and techniques on first domestic parallel-articulated coordinate measuring machine(CMM), this proposal focuses on precision improvement technology of the 3-DOF parallel-articulated CMM. The new structure of parallel-articulated CMM including servo-motor and measurement force feedback system is designed. Employed the standard prism and autocollimeter, the angle measurement errors of circular gratings are inspected and compensated. Because the new design of the CMM has Abbe offset which will change during measurement in Z measurement shaft, the Abbe error real-time compensation model has been developedand. Used the technology of calibration method on the parameters of parallel-articulated CMM, the parameters of the machine is calibrated. With the help of technologies of gratings data sampling, software editing and servo motor controlling, a portable high measurement precision parallel-articulated CMM has been devoloped. The CMM is of the measurement scope of X×Y×Z (mm):400×650×400, and measurement uncertainty is 5μm+L/50. The proposal is valueble and helpful for improving the measurement uncertainty of articulated CMMs.

在成功研制我国首台平行双关节坐标测量机的理论与技术基础上，本项目研究提高3DOF平行关节坐标测量机精度的理论与方法。设计具有力反馈系统并控制电机随动的新型平行关节坐标测量机结构；利用标准棱体和光电自准直仪对光栅安装偏心误差进行补偿；研究具有自补偿功能的Z轴阿贝误差实时补偿模型；搭建光电测试系统，对杆件变形进行高精度测量；研究由于转轴与圆光栅安装偏摆和俯仰导致的测角阿贝误差补偿模型；建立包含3D阿贝误差补偿功能的测量机模型；利用已掌握的关节式坐标测量机参数标定技术对测量机参数进行标定；结合光栅数据处理、测量软件编制以及电机控制等工程技术，研制一台新颖高精度便携式平行关节坐标测量机。其测量范围为X×Y×Z（mm）:400×650×400，整机测量不确定度为5μm+L/50（L为测量长度）。本项目研究为进一步提高关节式坐标测量机精度提供创新理论依据，具有较大的经济意义与科学价值。

平行双关节坐标测量机采用一个直光栅传感器和两个圆光栅传感器（双关节）协同工作实现三维在线实时测量，解决传统CMM的弊端，适用于车间现场进行实时测量。在成功研制我国首台平行双关节坐标测量机的理论与技术基础上，本项目深入研究了提高3DOF平行双关节坐标测量机精度的创新理论和方法。采用双读数头，提出了一种圆光栅传感器测角误差自补偿方法，修正圆光栅安装偏心造成的测角误差；综合分析圆光栅的安装偏心以及旋转轴的径向误差运动造成的测角阿贝误差，建立了测角阿贝误差修正模型，结合两项技术，圆光栅传感器测角误差小于±1arcsec；搭建光电测试系统，经过二维双三次样条插值法对测量结果进行修正，系统极限误差达到δlim=1.32μm，以实现对杆件变形量进行高精度测量；精确分析阿贝臂和关节转角变量的关系，阿贝角和连杆变形量的关系，建立了一种新颖的Z轴阿贝误差实时补偿模型，修正Z轴方向的阿贝误差；采用粒子群优化算法标定仪器的结构参数；以理论成果为指导，建立包含三维阿贝误差补偿功能的测量模型，结合相应工程技术，研制了一台具有创新理论支撑的平行双关节坐标测量机，其测量范围为X×Y×Z(mm):400×650×400，使用125mm、175mm和300mm量块检验仪器的测量精度，测量不确定度为6.9μm。本项目为未来我国产品达到国际先进和领先水平提供了可靠理论与技术保障体系。