摘要
随着世界科技产业的快速发展与深刻变革，智能制造成为我国未来科技发展的主攻方向，对工业智能制造过程中的产品形貌及其几何特征检测提出了在线高精度自动测量要求。关节臂坐标测量机作为一种非笛卡尔式空间坐标测量设备，具有结构简单、重量轻、测量效率高、环境适应性强等特点，广泛应用于航空航天、汽车、船舶、生物医学等重要工程领域。现有手动式关节臂坐标测量机采用人工牵引测量模式，可实现复杂曲面几何特征的灵活测量，但该模式存在测量位姿随机、测量力无法控制、测量稳定性较差以及定位与测量精度较低等问题，难以满足工业智能制造发展的在线自动测量需求。为此提出一种新型自驱动关节臂坐标测量机(简称测量机)，通过在旋转关节内部引入集成化关节模组以实现测量机的自驱动控制和自动测量。 为了提升自驱动关节臂坐标测量机的自动定位与测量精度，以上述新型测量机为研究对象，针对其因关节引入驱动控制和自动测量系统而产生的关节模组转角误差建模、动态特性、结构参数误差建模、动态综合误差建模等问题进行深入探究，具体研究工作如下: (1)基于新型自驱动关节臂坐标测量机的工作原理和结构设计，采用经典Denavit-Hartenberg(DH)参数法建立了测量机的理想测量模型，利用数值法求解了测量机的理论测量空间范围，系统分析了影响测量机自动定位与测量精度的误差来源，对自驱动关节臂坐标测量机进行整体结构静力学仿真与关键零件结构优化设计。结果表明，测量机在X、Y、Z向理论测量空间范围分别为[-818.9mm，824.4mm、[-834.2mm，812.8mm]、[-549.3mm，1015mm]，经关键零件结构优化后的自驱动关节臂坐标测量机末端测头静态偏移量最大降低了0.204mm，保证了测量机的800mm实际测量空间范围，提高了测量机结构静态定位精度。 (2)针对测量机旋转关节因引入关节模组而产生的关节转角误差问题，基于关节模组结构原理分析了转角误差来源及误差产生机理，分别建立了关节模组的关节扭转变形转角误差、谐波减速器转角误差、磁编码器测角误差、伺服电机转角误差等单项模型，在此基础上建立了测量机关节转角误差模型。开展了关节模组转角误差数值仿真与标定实验。研究表明，关节模组转角仿真与标定误差在0°～360°范围内均呈周期性变化规律，谐波减速器和磁编码器中的高次谐波误差为关节模组转角误差的主要影响因素，验证了关节模组转角误差模型的正确性，为测量机关节转角误差补偿提供了理论依据。 (3)为了精确补偿测量机在自动定位与测量过程中的动态误差，开展了不同运动参数下的测量机动力学仿真和动态特性实验，研究发现测量机的动态定位误差与关节转动速度、关节转动加速度以及测头移动速度等运动参数有关，且存在最佳运动参数(关节转动上限速度和加速度分别为120RPM、100RPM/s，测头移动速度为6.6mm/s)使得测量机的动态定位误差最小。分别建立了自驱动关节臂坐标测量机在零部件制造安装误差、连杆动态弯曲变形误差、关节动态扭转变形误差等多因素影响下的结构参数误差模型和动态综合测量误差模型，进行了特定工况下的动态综合误差理论计算与实验验证。实验结果表明，与原始测量误差相比，经动态综合误差模型补偿后的测量误差最大减小了0.0708mm，提高了自驱动关节臂坐标测量机的在线自动测量精度。 (4)根据球坐标系原理对自驱动关节臂坐标测量机的球形测量空间进行了测量区域划分，基于四元数球面线性插值算法求解了测量机空间点的不同测量姿态，利用仿真软件分析了测量机上半球测量空间中采样点的定位误差分布规律。开展了测量机分别在测量半径380mm～790mm、测量转角0°～180°、测量俯角5°～80°范围内面向不同对象的最佳测量区实验。实验结果表明，测量机在测量半径532.2249mm～659.6279mm、测量转角130°～180°、测量俯角20.1028°～48.9367°范围内，以某一测量姿态测得标准量块/标准球的几何特征误差均较小，其平均测量误差最大值分别为-1.3166mm、-0.3324mm，该区域为自驱动关节臂坐标测量机面向不同对象的最佳测量区。将待测工件置于该测量区域内，可以进一步提高自驱动关节臂坐标测量机的自动测量精度和测量效率。
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