基本信息
- 項目名稱：
- 關節(jié)式柔性坐標測量機
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 關節(jié)式柔性坐標測量機是依據(jù)仿生運動學原理而設計的一種新型坐標測量系統(tǒng)，與工業(yè)常見的機械手相類似，由6個旋轉關節(jié)構成。它不僅能夠測量和評價一般幾何特征如直線、平面、圓柱、球體等，評價一般零件加工精度如平面度垂直度平行度、球度等；還能夠對體積大質量重的物體進行測量、實現(xiàn)現(xiàn)場快速測量、在加工裝配過程中進行在線檢測，若配以掃描測頭可根據(jù)產(chǎn)品模型或樣件進行產(chǎn)品設計開發(fā)；在模具制造等領域有廣泛地應用前景。
- 詳細介紹：
- 關節(jié)式柔性坐標測量機能夠方便地應用于對復雜零件進行現(xiàn)場快速測量，重大物體測量和逆向工程等。該測量機系統(tǒng)包括機械結構，電路，軟件，三大系統(tǒng)構成。測量模型及標定方法是它的兩個核心技術。它是由六個轉動關節(jié)通過一系列的桿件串聯(lián)而成。每個關節(jié)上安裝有一個角度編碼器用來測量關節(jié)轉動的角度。采用 FPGA設計的電路系統(tǒng)處理各角度編碼器輸出信號的來獲得各關節(jié)轉動的角度，并發(fā)送到 PC 機。采用D-H方法建立了測量模型，通過坐標轉換最終獲得測頭的坐標信息。關節(jié)式坐標測量機具有多項誤差源。我們首先對測量結果影響較大的角度偏心誤差進行了測量和修正。在測量機裝配完成后，難以通過直接測量的方法來獲得測量機實際參數(shù)。我們分別采用標準錐窩和量塊對測量機進行單點標定和空間距離標定。即可獲得測量機各參數(shù)。在進行標定后，測量誤差大大降低。 我們基于 VC 和 OPENGL 設計了基本的測量機程序，它接受從測量電路發(fā)來的角度信息，經(jīng)過誤差修正和處理后得到三維坐標信息。我們設計的關節(jié)式坐標測量機。填補了國內(nèi)空白，同時相對于國外的產(chǎn)品我們的成本更低，精度也能滿足實際測量要求。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術關鍵和主要技術指標
- 作品設計：所謂關節(jié)式柔性坐標測量機是依據(jù)仿生運動學原理而設計的一種新型坐標測量系統(tǒng)，與工業(yè)常見的機械手相類似，由6個旋轉關節(jié)構成。這是一種屬于非正交串聯(lián)空間機構的坐標測量系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的正交三坐標測量機有很大不同。 發(fā)明目的：本發(fā)明旨在提供一種能夠滿足工業(yè)現(xiàn)場各種測量需求的便捷的坐標測量手段。 創(chuàng)新點及關鍵技術： ① 對測量機系統(tǒng)設計運用精度理論進行指導，即保證了測量機的精度，又降低了成本。 ② 采用新型的標定裝置，對測量機進行標定，新型的標定裝置具有極高的溫度穩(wěn)定性，對環(huán)境要求低，標定效果好。 ③ 電路系統(tǒng)是采用FPGA設計的，使用FPGA設計了多個計數(shù)器，完成了對角度編碼器的計數(shù)； 它的結構設計、數(shù)學模型、參數(shù)標定技術及誤差修正技術為其最為關鍵的技術。 技術指標：經(jīng)過標定后的關節(jié)式柔性坐標測量機精度可達到0.08mm，其測量范圍相對傳統(tǒng)的正交坐標測量機更大，最大可測空間為直徑2.4m的球形空間。
科學性、先進性
- 科學性：關節(jié)式柔性坐標測量機采用圓光柵作為標尺基準，與傳統(tǒng)的正交式三坐標測量機相比具有造價較低，結構靈巧，測量空間大的特點，可應用于較大尺寸的測量；它重量輕，能夠提供便攜式測量服務，適用于工業(yè)現(xiàn)場測量。關節(jié)式坐標測量機的結構參數(shù)多，而在制造過程中又難以保證其參數(shù)的精度，所以一般其結構參數(shù)是通過標定的方法來獲得，這樣就降低了對制造工藝的要求，同時也降低了生產(chǎn)成本。 先進性：在國外關節(jié)式坐標測量機的研究起步較早，目前已有成熟的產(chǎn)品，但在國內(nèi)售價都相對昂貴。國內(nèi)也有高校和科研院所進行相關的研究，但都還沒有實現(xiàn)產(chǎn)品化，有些研究所能達到的精度也較低，目前我們的作品處于國內(nèi)領先行列。它是通過測量角度量及數(shù)學運算獲得三維信息，這與傳統(tǒng)的正交式坐標測量機直接測量三維長度量獲得坐標值有很大的不同，它結構靈活輕便，對工作環(huán)境要求不高， 有很大的優(yōu)勢。
獲獎情況及鑒定結果
- 該作品于2008年獲得某校第11屆“斛兵杯”大學生課外學術科技作品競賽中獲得一等獎。 該作品在今年第三屆“挑戰(zhàn)杯”合鍛集團安徽省大學生課外學術科技作品競賽中獲得特等獎。
作品所處階段
- 生產(chǎn)階段
技術轉讓方式
- 技術入股
作品可展示的形式
- 實物 圖片 錄像
使用說明,技術特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預測
- 技術特點 ①測量機由機座大臂小臂以及測頭通過相互垂直配置的雙關節(jié)結構串連而成，交叉軸和內(nèi)嵌軸均采用了雙角接觸軸承背對背安裝，具有穩(wěn)定的機械結構； ②對關鍵關節(jié)采用了雙讀數(shù)頭的測角系統(tǒng)，提高了測角的精度和穩(wěn)定性； ③通過對角度誤差的修正保證測角精度； ④電路系統(tǒng)是采用FPGA設計的； ⑤通過標定的方法保證測量機整體的精度； ⑥測量機的軟件采用VC和OpenGL編程。 適應范圍及推廣前景 關節(jié)式柔性坐標測量機通過坐標測量來實現(xiàn)其測量功能的，它不僅能夠測量和評價一般幾何特征如直線、平面、圓柱、球體等，評價一般零件加工精度如平面度垂直度平行度、球度等；還能夠對體積大質量重的物體進行測量、實現(xiàn)現(xiàn)場快速測量、在加工裝配過程中進行在線檢測，若配以掃描測頭可根據(jù)產(chǎn)品模型或樣件進行產(chǎn)品設計開發(fā)；在模具制造等領域有廣泛地應用前景。 市場分析及經(jīng)濟效益 隨著工業(yè)技術的發(fā)展人們越來越需要便捷的測量手段，因此關節(jié)式柔性坐標測量機有著廣闊的市場前景，同時其制造成本較低，有著可觀的經(jīng)濟效益。
同類課題研究水平概述
- 關節(jié)式坐標測量機是應用傳感器技術的接觸式三維測量裝置，通過安裝在各關節(jié)及桿件內(nèi)部的角度編碼器獲得各關節(jié)轉角和桿件轉角，再結合測量機的機械參數(shù)（桿長、關節(jié)偏置量、桿件垂直度等）坐標轉換方法計算出測量點的三維坐標。國外在這一領域的研究起步最早，目前己經(jīng)取得了非常矚目的成就，如 FARO 公司已經(jīng)研制出如 Faro Arm-Platinum等具有高精度的多種型號測量機， CIMCORE（星科）公司的也推出了STINGER II等類型的關節(jié)式坐標測量機。 國內(nèi)也有相關的高校和科研院所從事相關研究，對測量機的機械結構、數(shù)學理論及標定技術等方面進行了系統(tǒng)的研究，但大多數(shù)只停留在理論研究和基于國外產(chǎn)品的分析，并沒有實現(xiàn)產(chǎn)品化和生產(chǎn)加工。目前國內(nèi)在該領域的研究進展緩慢。這是因為關節(jié)式坐標測量機在技術上存在以下特點： ① 關節(jié)式坐標測量機在結構形式上是一個串聯(lián)開鏈系統(tǒng)，它是由幾個桿件通過一系列的轉動關節(jié)串聯(lián)起來構成的，因此對微小的誤差有放大作用，極難提高測量精度。 ② 關節(jié)式坐標測量機在使用時是通過人手進行操作的，所以在使用時由于操作方式及測量力的不同，會引起測量機各運動部件之間發(fā)生微小形變，也會造成測量誤差。因此，關節(jié)式坐標測量機對機械結構的穩(wěn)定性要求極高。 ③ 關節(jié)式坐標測量機是通過測量角度來獲得三維信息的，所以角度測量系統(tǒng)的精度對測量機整體精度有很大的影響，由于在使用時測量力的不同會影響角度測量系統(tǒng)的實際測量精度，所以精度難以提高。 ④ 國內(nèi)的圓光柵編碼器的尺寸較大，集成度不高，刻線密度不高，測角精度較低。因此關節(jié)式坐標測量機的關節(jié)采用的角度編碼器需要依賴進口，成本較高。 ⑤ 關節(jié)式坐標測量機的結構參數(shù)不能依靠加工和裝配來保證，需要通過標定實驗來進行參數(shù)識別，而參數(shù)識別的效果對測量機的精度也能產(chǎn)生較大影響。 我們研制的關節(jié)式坐標測量機，關節(jié)部位采用了雙角接觸軸承背對背安裝，機械結構比較穩(wěn)定，在關鍵的兩個關節(jié)采用了雙讀數(shù)頭的測角系統(tǒng)，進一步提高了測角的穩(wěn)定性，采用基于Gauss-Newton法的參數(shù)辨識方法，并利用了自制的高精度標定裝置，實驗證明能夠有效地提高測量機的精度。目前研制的測量機測量范圍可達到Φ2.4m的球形空間，測量精度可達到0.08mm，可與國外中等精度的產(chǎn)品相媲美。
