一种关节臂测量机精度标定技术研究与系统开发.pdfVIP

摘要

将测量装置与自动化加工系统紧密结合，基于测量信息快速构建加工程序，

有望实现大尺寸、小批量非标零件的高效切割、焊接和打磨等任务。关节臂测量

机因其具有体积小、重量轻、测量范围大、操作便捷、容易实现测控一体化等优

点，是一种潜在的可与制造系统深度融合的测量装置。面向新型关节臂测量机的

研发，本文设计出一种模块化小型关节臂坐标测量机，重点围绕该关节臂测量机

的结构设计、误差建模、精度标定以及测量系统开发等内容，主要研究工作如下：

（1）机械结构设计与运动学建模：设计出一种模块化测量关节，采用六自

由度串联结构形式，完成关节臂测量机的结构设计。基于D-H法建立其运动学

模型，采用MATLAB编写运动学程序，借助RoboticToolbox验证了运动学模型

的正确性。

（2）误差分析与误差建模：对影响测量机测量精度的误差参数进行分析，

得到几何误差对测量精度的影响规律。依据对末端误差的影响权重，为制定加工

与装配公差提供理论依据。基于运动学模型的泰勒展开式建立了测量臂的位置误

差映射模型，通过算例验证了该误差映射模型的正确性。

（3）参数辨识与精度标定：基于矩阵奇异值分解理论去除冗余误差参数，

利用最小二乘法建立了去除冗余运动学参数的测量机参数误差辨识模型。采用了

自标定方法，设计标定平台，利用测点位姿与测量机读数获得末端位置误差。应

用误差参数辨识模型辨识出各项误差参数，并对运动学模型进行修正，仿真和实

验结果验证了所提方法及辨识算法的正确性和可靠性。

（4）系统开发与实验验证：依据加工系统对测量系统的需求，搭建出测量

系统的硬件电路，采用DLL动态链接库实现测量系统的数据采集。基于MATLAB

节点，采用LabVIEW和MATLAB联合编程的方式设计了测量机的人机交互软

件，实现了自标定与测量功能。开展测量机标定和测量实验，结果表明论文提出

的测量臂及其标定方法，可实现较高精度的标定与测量。

关键词：关节臂测量机，测量精度，误差分析，参数标定，系统开发

ABSTRACT

Thecloseintegrationofmeasurementdeviceswithautomatedmachiningsystems

andtherapidconstructionofmachiningprogramsbasedonmeasurementinformation

areexpectedtoenableefficientcutting,weldingandgrindingtasksforlarge-size,small-

lotnon-standardparts.Thejointarmmeasuringmachineisapotentialmeasuringdevice

thatcanbedeeplyintegratedwiththemanufacturingsystembecauseofitssmallsize,

lightweight,largemeasuringrange,convenientoperation,andeasyintegrationof

measurementandcontrol.Inordertodevelopanewtypeofarticulatedarmmeasuring

machine,thispaperdesignsamodularsmallarticulatedarmcoordinatemeasuring

machine,focusingonthestructuraldesign,errormodeling,accuracycalibrationand

measurementsystemdevelopmentofthearticulatedarmmeasuringmachine,andthe

mainresearchworkisasfollows.

(1)Mechanicalstructuredesignandkinematicmodeling:amodularmeasurement

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