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基本信息

项目名称:
关节式柔性坐标测量机
小类:
机械与控制
简介:
关节式柔性坐标测量机是依据仿生运动学原理而设计的一种新型坐标测量系统,与工业常见的机械手相类似,由6个旋转关节构成。它不仅能够测量和评价一般几何特征如直线、平面、圆柱、球体等,评价一般零件加工精度如平面度垂直度平行度、球度等;还能够对体积大质量重的物体进行测量、实现现场快速测量、在加工装配过程中进行在线检测,若配以扫描测头可根据产品模型或样件进行产品设计开发;在模具制造等领域有广泛地应用前景。
详细介绍:
关节式柔性坐标测量机能够方便地应用于对复杂零件进行现场快速测量,重大物体测量和逆向工程等。该测量机系统包括机械结构,电路,软件,三大系统构成。测量模型及标定方法是它的两个核心技术。它是由六个转动关节通过一系列的杆件串联而成。每个关节上安装有一个角度编码器用来测量关节转动的角度。采用 FPGA设计的电路系统处理各角度编码器输出信号的来获得各关节转动的角度,并发送到 PC 机。采用D-H方法建立了测量模型,通过坐标转换最终获得测头的坐标信息。关节式坐标测量机具有多项误差源。我们首先对测量结果影响较大的角度偏心误差进行了测量和修正。在测量机装配完成后,难以通过直接测量的方法来获得测量机实际参数。我们分别采用标准锥窝和量块对测量机进行单点标定和空间距离标定。即可获得测量机各参数。在进行标定后,测量误差大大降低。 我们基于 VC 和 OPENGL 设计了基本的测量机程序,它接受从测量电路发来的角度信息,经过误差修正和处理后得到三维坐标信息。我们设计的关节式坐标测量机。填补了国内空白,同时相对于国外的产品我们的成本更低,精度也能满足实际测量要求。

作品图片

  • 关节式柔性坐标测量机
  • 关节式柔性坐标测量机
  • 关节式柔性坐标测量机

作品专业信息

设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标

作品设计:所谓关节式柔性坐标测量机是依据仿生运动学原理而设计的一种新型坐标测量系统,与工业常见的机械手相类似,由6个旋转关节构成。这是一种属于非正交串联空间机构的坐标测量系统,与传统的正交三坐标测量机有很大不同。 发明目的:本发明旨在提供一种能够满足工业现场各种测量需求的便捷的坐标测量手段。 创新点及关键技术: ① 对测量机系统设计运用精度理论进行指导,即保证了测量机的精度,又降低了成本。 ② 采用新型的标定装置,对测量机进行标定,新型的标定装置具有极高的温度稳定性,对环境要求低,标定效果好。 ③ 电路系统是采用FPGA设计的,使用FPGA设计了多个计数器,完成了对角度编码器的计数; 它的结构设计、数学模型、参数标定技术及误差修正技术为其最为关键的技术。 技术指标:经过标定后的关节式柔性坐标测量机精度可达到0.08mm,其测量范围相对传统的正交坐标测量机更大,最大可测空间为直径2.4m的球形空间。

科学性、先进性

科学性:关节式柔性坐标测量机采用圆光栅作为标尺基准,与传统的正交式三坐标测量机相比具有造价较低,结构灵巧,测量空间大的特点,可应用于较大尺寸的测量;它重量轻,能够提供便携式测量服务,适用于工业现场测量。关节式坐标测量机的结构参数多,而在制造过程中又难以保证其参数的精度,所以一般其结构参数是通过标定的方法来获得,这样就降低了对制造工艺的要求,同时也降低了生产成本。 先进性:在国外关节式坐标测量机的研究起步较早,目前已有成熟的产品,但在国内售价都相对昂贵。国内也有高校和科研院所进行相关的研究,但都还没有实现产品化,有些研究所能达到的精度也较低,目前我们的作品处于国内领先行列。它是通过测量角度量及数学运算获得三维信息,这与传统的正交式坐标测量机直接测量三维长度量获得坐标值有很大的不同,它结构灵活轻便,对工作环境要求不高, 有很大的优势。

获奖情况及鉴定结果

该作品于2008年获得某校第11届“斛兵杯”大学生课外学术科技作品竞赛中获得一等奖。 该作品在今年第三届“挑战杯”合锻集团安徽省大学生课外学术科技作品竞赛中获得特等奖。

作品所处阶段

生产阶段

技术转让方式

技术入股

作品可展示的形式

实物 图片 录像

使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测

技术特点 ①测量机由机座大臂小臂以及测头通过相互垂直配置的双关节结构串连而成,交叉轴和内嵌轴均采用了双角接触轴承背对背安装,具有稳定的机械结构; ②对关键关节采用了双读数头的测角系统,提高了测角的精度和稳定性; ③通过对角度误差的修正保证测角精度; ④电路系统是采用FPGA设计的; ⑤通过标定的方法保证测量机整体的精度; ⑥测量机的软件采用VC和OpenGL编程。 适应范围及推广前景 关节式柔性坐标测量机通过坐标测量来实现其测量功能的,它不仅能够测量和评价一般几何特征如直线、平面、圆柱、球体等,评价一般零件加工精度如平面度垂直度平行度、球度等;还能够对体积大质量重的物体进行测量、实现现场快速测量、在加工装配过程中进行在线检测,若配以扫描测头可根据产品模型或样件进行产品设计开发;在模具制造等领域有广泛地应用前景。 市场分析及经济效益 随着工业技术的发展人们越来越需要便捷的测量手段,因此关节式柔性坐标测量机有着广阔的市场前景,同时其制造成本较低,有着可观的经济效益。

同类课题研究水平概述

关节式坐标测量机是应用传感器技术的接触式三维测量装置,通过安装在各关节及杆件内部的角度编码器获得各关节转角和杆件转角,再结合测量机的机械参数(杆长、关节偏置量、杆件垂直度等)坐标转换方法计算出测量点的三维坐标。国外在这一领域的研究起步最早,目前己经取得了非常瞩目的成就,如 FARO 公司已经研制出如 Faro Arm-Platinum等具有高精度的多种型号测量机, CIMCORE(星科)公司的也推出了STINGER II等类型的关节式坐标测量机。 国内也有相关的高校和科研院所从事相关研究,对测量机的机械结构、数学理论及标定技术等方面进行了系统的研究,但大多数只停留在理论研究和基于国外产品的分析,并没有实现产品化和生产加工。目前国内在该领域的研究进展缓慢。这是因为关节式坐标测量机在技术上存在以下特点: ① 关节式坐标测量机在结构形式上是一个串联开链系统,它是由几个杆件通过一系列的转动关节串联起来构成的,因此对微小的误差有放大作用,极难提高测量精度。 ② 关节式坐标测量机在使用时是通过人手进行操作的,所以在使用时由于操作方式及测量力的不同,会引起测量机各运动部件之间发生微小形变,也会造成测量误差。因此,关节式坐标测量机对机械结构的稳定性要求极高。 ③ 关节式坐标测量机是通过测量角度来获得三维信息的,所以角度测量系统的精度对测量机整体精度有很大的影响,由于在使用时测量力的不同会影响角度测量系统的实际测量精度,所以精度难以提高。 ④ 国内的圆光栅编码器的尺寸较大,集成度不高,刻线密度不高,测角精度较低。因此关节式坐标测量机的关节采用的角度编码器需要依赖进口,成本较高。 ⑤ 关节式坐标测量机的结构参数不能依靠加工和装配来保证,需要通过标定实验来进行参数识别,而参数识别的效果对测量机的精度也能产生较大影响。 我们研制的关节式坐标测量机,关节部位采用了双角接触轴承背对背安装,机械结构比较稳定,在关键的两个关节采用了双读数头的测角系统,进一步提高了测角的稳定性,采用基于Gauss-Newton法的参数辨识方法,并利用了自制的高精度标定装置,实验证明能够有效地提高测量机的精度。目前研制的测量机测量范围可达到Φ2.4m的球形空间,测量精度可达到0.08mm,可与国外中等精度的产品相媲美。
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