机床真实运动副与球杆仪测量机构的运动几何学研究.pdfVIP

摘要

本文以机床真实回转副与移动副的运动精度测量与评价为工程背景，研究真实运动

副的弹性误差运动精度测量与评价的机构运动几何学原理与方法。以最常见的真实回转

副与真实移动副的弹性误差运动测量与评价方法为切入点，分析真实回转副与真实移动

副测量的运动几何学原理、完备性条件及其退化形式，进而扩展到机床多真实运动副球

杆仪测量的真实机构模型，将机床真实运动链球杆仪测量的运动设计、球杆仪安装参数

设计、测量轨迹设计、误差辨识以及精度评价等系列问题转化为真实机构分析与综合问

题，丰富了机构学理论与方法的应用领域，发展了真实机构的理论与方法，主要内容如

下：

(1)研究了真实运动副（回转副与移动副）弹性误差运动测量的运动几何学原理，

提出被测对象几何要素、被测对象测量运动、传感器感知参数等运动精度测量的三要素，

建立了三要素恒定满足的精度测量运动几何模型——闭环矢量方程。以真实回转副与真

实移动副弹性误差运动的常用检测方式为研究对象，探讨运动部件弹性误差运动参数的

求解方法与误差运动的不变量，进而以测量闭环矢量方程组导出运动测量的完备性条件，

并以其退化的非完备性测量对应单项精度测量，为机床真实运动副测量方案设计和精度

评价方法提供了运动几何学原理和完备性测量条件。

(2)建立了机床真实回转副RR链和球杆仪测量运动规律与安装位置确定的真实机

构设计方法。将平面机构组成原理推广为机床运动精度球杆仪测量的空间机构组成原理，

通过球杆仪SPS基本杆组与被测机构运动链的衔接构成球杆仪测量机构。以机床真实运

RRRRSPS

动副链球杆仪测量为具体对象，依据测量机构组成原理构建空间机构模型，

设计出球杆仪测量机床真实运动副RR链的运动规律——RRSS测量机构运动参数。在

此基础上，分析空间曲柄摇杆机构RRSS极限位置与曲柄存在条件，建立空间曲柄摇杆

机构RRSS的优化综合模型，求解给定约束下的空间机构优化综合，其结果为机床运动

RR

链满工作空间测量时的球杆仪安装参数（位置）。为机床运动精度球杆仪测量提供

了运动规律规划和满工作空间测量安装位置设计提供了有效的真实机构设计方法。

(3)构建了机床真实运动副RR链球杆仪测量机构的误差参数辨识方法。将球杆仪

安装位置误差与机床真实回转副结构误差等效为真实测量机构构件尺度误差，真实回转

副运动误差等效为真实测量机构运动副误差，揭示各类误差对球杆仪测量结果的影响规

律。建立了真实测量机构鞍点规划模型，辨识真实测量机构参数，将其映射为球杆仪安

装位置与机床结构参数，基于球杆仪实际测量数据，辨识出真实测量机构的参数。与其

同时，将真实测量机构的参数辨识结果代入球杆仪测量机构运动模型，获得真实测量机

构的理论输出参数，以其作为球杆仪测量运动精度评价的客观基准数据（理论值），从

RR

而提高精度评价的准确性。为机床真实回转副链球杆仪测量的误差参数辨识和精度

评价提供了理论基础和真实机构方法。

(4)PPPPP

形成了机床真实移动副链与链球杆仪测量的真实机构分析与综合的统

-

一方法。将机床真实回转副运动链球杆仪测量空间机构的组成原理、运动分析与综合及

真实机构参数辨识方法推广到两至三移动轴复合运动精度测量。分别以两真实移动副和

三真实移动副为对象，基于球杆仪测量时的空间机构闭环矢量方程和多自由度测量运动

学正解，获得两移动副和三移动副球杆仪测量运动轨迹及其对应驱动参数，将球杆仪测

量数据代入真实测量机构参数辨识模型，辨识出移动副运动链结构误差、球杆仪安装位

置误差以及真实移动副误差运动，获得对应球杆仪测量的运动精度评价基准数据。由此

形成适用于机床多真实移动副和回转副运动链球杆仪测量的真实机构设计和参数辨识

的统一方法。

关键词：机构；空间机构；运动精度；球杆仪；机床

KeyWords：Mechanism;Spatialmechanism;Kinematicaccuracy;Doubleballbar;Machine