变臂关节式坐标测量机关键理论与技术研究

关节式坐标测量机是一种多自由度，以精密机械为基础，整合机械、光学、电子与计算机信息等技术为一体的多功能精密测量仪器。它是一种低成本、灵活轻便的坐标测量机，具有广阔的应用前景。由于关节式坐标测量机是一种串联式的极坐标测量系统，与其它类型的坐标测量机相比具有不同的误差源及分布特征，其三个测量臂及六个角度传感器是主要的误差源，它们均具有明显的周期性特征，而且其相位和幅值在装配时呈现出随机性，由于测量时各个角度传感器使用的部位和范围不同，致使六个角度传感器的误差状态组合是随机的，导致它们对测量精度的影响难以控制。本研究拟在对坐标测量机进行全面误差分析计算和高精度校正基础上，创新性地研究变臂式关节坐标测量机原理与技术。根据实际测量需要对测量机结构进行改进，使测量机具有利用三个臂和两个臂进行测量的功能，减少角度传感器数，大大地减少了误差源，从而有效地提高关节式坐标测量机的测量精度，而不增加其制造成本。

关节式坐标测量机是一种多自由度，以精密机械为基础，整合机械、光学、电子与计算机信息等技术为一体的多功能精密测量仪器。本研究在对坐标测量机进行全面误差分析计算和高精度校正基础上，创新性地研究变臂式关节坐标测量机原理与技术，根据实际测量范围改变测量机结构，锁定第一级臂，减少关节臂数和角度传感器数。研究证明，第一级臂及其二个角度传感器的各项误差逐级放大传递到测量端，其综合误差占整体误差一半以上，在被测对象几何参数允许范围内，只有两个臂的测量机显著提高了测量精度。使测量机具有利用三个臂和两个臂进行测量的功能，有效地提高了关节坐标测量机的测量精度。本项目取得的成果：（1）自主设计变臂关节式坐标测量机结构，提出臂长比例优化模型，完成了测量机的臂长规划；（2）创新性研制了基于电磁技术的变臂关节式坐标测量机锁紧结构，不额外增加机械结构，对测量机力学分布无影响；（3）研究了关节式坐标测量机测量空间误差分布特性，分析了各关节角度传感器误差对测量机最终测量结果影响机理，在此基础上，提出了变臂关节式坐标测量机的测量模型和误差模型；（4）提出了热变形误差补偿模型及基于支持向量机的关节式坐标测量机动态误差预测模型，开发了测量处理软件及参数标定软件；（5）提出了基于非线性遗传算法、序列二次规划方法的两种参数辨识方法，建立了一种变臂关节式测量机结构参数自标定方法及可同时标定角度传感器偏心参数的测量机结构参数标定方法。本项目面向工程领域的客观需要，展示了研究精密测量问题的一种新思想，所研制的变臂关节式测量机原型机精度显著提高，具有广阔的应用前景。