关节式坐标测量机姿态记忆参数辨识标定原理及应用研究

Articulated arm CMM (coordinate measuring machine) is widely used geometric measurement instrument. With the existing limitation on the measuring machine technical level to improve the accuracy, this project analyses the problems existing in the current, and proposes a novel articulated arm CMM accuracy calibration method and related theories and techniques, based on the principle of orientation memory parameter identification. The research is to establish the full error model, and attempts to improve the measurement accuracy by combining traditional calibration methods with measurement error theory. It is the first time the impacts on measuring machine calibration accuracy from the machine orientation have been analyzed, and it is proposed that the best condition and spatial sampling planning principles and methods which can effectively improve the measurement accuracy. The limited space discrete sampling points are fitted and interpolated by using modern mathematical methods like 3D-spline and computational techniques, and the results are calculated by measurement software. The methodology proposed by this project is novel, although research is difficult with a number of theories and techniques need to be overcome. According to the level of existing research, it will effectively improve the measuring machine accuracy after efforts to solve the difficulties and key technologies of the project, and research results are of great academic value and practical significance.

关节式坐标测量机是普遍应用的几何量测量仪器，由于现有测量机技术水平对提高精度有所限制，本项目分析了目前存在的问题，提出一种新颖的基于姿态记忆参数辨识原理的关节式坐标测量机精度标定方法及相关理论与技术。研究建立全误差模型，将传统标定方法与测量误差理论结合于一体，有利于提高测量精度；首次分析了测量机姿态对精度标定的影响，提出最佳状态与空间采样点的规划原理及方法，能够有效提高测量精度；运用三维样条等现代数学方法和计算技术，对空间有限离散采样点进行拟合与插值，并用测量软件计算测量结果。本项目提出的方法原理新颖，研究难度较大，具有多项理论与技术难度需要攻克，但根据现有研究水平，经过努力能够解决本项目的难度与关键技术，有效提高关节式测量机精度，研究成果具有重要学术价值与实际意义。

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。精度问题一直是国内外关节式坐标测量机研究的重点，由于现有测量机技术水平对提高精度有所限制，本项目围绕该问题进行了大量研究，涉及误差建模、采样、参数标定等多方面，提出了一种新颖的基于姿态记忆参数辨识原理的关节式坐标测量机精度标定方法及相关理论与技术，研制了原型样机及相关装置。所取得的成果：1) 建立了基于双读数头的圆光栅编码器偏心误差模型，给出了低成本、高效率的自标定方法，使圆光栅的测量误差接近于自身精度；2) 在对误差源全面分析的基础上，建立了基于支持向量机的全误差模型，给出了基于粒子群-支持向量机的参数辨识方法，为标定后的关节式坐标测量机精度进一步提高提供了有效方法；3) 研究了测量机测量空间误差分布特性，根据其分布密度设计了基于DBSCAN聚类方法的测量机标定采样策略，对测量空间进行了优化划分；4) 提出了基于系统聚类方法的测量机姿态优化策略，给出了指导采样的最佳姿态范围；5) 提出了基于内点法的关节式坐标测量机结构参数自标定方法，标定效率优于其它方法；6) 研究了线性采样与非线性采样结果的拟合精度问题，给出了不同情况下采用的插值方法，为有效进行数据处理提供了基础；7) 编写了具有姿态记忆参数辨识功能的标定软件和数据处理软件；8) 研制了变臂关节式坐标测量机原型样机、标定采样标准件、测量臂支撑锁紧夹具。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，研究成果可使关节式坐标测量机的精度显著提高，具有重要学术价值与实际意义，有着广阔的应用前景。