【導(dǎo)讀】師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加。而使用過(guò)的材料。對(duì)本研究提供過(guò)幫助和做出過(guò)貢獻(xiàn)的個(gè)人或集體，均已在文中作了明確的說(shuō)明并表示了謝意。作所取得的成果，所有數(shù)據(jù)、圖片資料真實(shí)可靠。本學(xué)位論文的知識(shí)產(chǎn)權(quán)歸屬于培養(yǎng)單。隨著工業(yè)的發(fā)展，三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)在現(xiàn)代制造工程領(lǐng)域中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。柔性機(jī)械臂式非正交測(cè)量機(jī)正是在這種情況下產(chǎn)生的。決很多以往傳統(tǒng)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)不能解決的問(wèn)題。首先介紹了柔性臂式。三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，給出了整體的機(jī)械設(shè)計(jì)方案。測(cè)量機(jī)的測(cè)量空間及相關(guān)概念。并對(duì)薄弱的環(huán)節(jié)進(jìn)行了強(qiáng)度和剛度的校核，以確保設(shè)計(jì)的方。給出了包括基座，橫縱關(guān)節(jié)，臂身在內(nèi)的具體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。測(cè)量臂系統(tǒng)進(jìn)行了誤差分析，分析了其主要的誤差及誤差源。并對(duì)關(guān)節(jié)晃動(dòng)和桿。件參數(shù)導(dǎo)致的誤差建立了誤差模型并對(duì)其進(jìn)行了分析。提出了提高精度的一些方。最后對(duì)本文進(jìn)行了總結(jié)和展望。

　　

【正文】 Ai1= =I+ ???? () 中國(guó)計(jì)量學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 21 令ξ = ，可得 Ai1=I+ξ 其中 I為單位矩陣， δ x,δ y,δ z分別為繞 X,Y,Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)的微小角 度， dx， dy，dz分別 為微分平移矢量的 個(gè)分量 。 以上為關(guān)節(jié)晃動(dòng)所導(dǎo)致的微分運(yùn)動(dòng)所引起的誤差。在實(shí)際中，我們要選用P2 級(jí)的高精度雙軸承來(lái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，來(lái)減少 承的徑向跳動(dòng) 、 軸向竄動(dòng) 、 以及角 度的擺動(dòng) [5]。 桿件參數(shù)導(dǎo)致的誤差 由于在生產(chǎn)、加工和裝配過(guò)程中不可避免的存在各種偏差，實(shí)際上不可能達(dá)到理想的 DH坐標(biāo)矩陣。 DH 矩陣的參數(shù)會(huì)因存在著偏差而改變 [32]。 用 ?θ i, ?di, ?ai, ?α i來(lái)定義各參數(shù)的該變量，式 ： Ai2= ? ? () 當(dāng) ?θ i, ?di, ?ai, ?α i 足夠小時(shí)， ?θ idθ i， ?diddi， ?aidai ，?α idα i。又因?yàn)椋? ??? ? ? () 有： dAi= ??????? ? ?? ? ?? () 對(duì) 化簡(jiǎn)有： Ai2=Ai+dAi。 定義： = 中國(guó)計(jì)量學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 22 ?????? () 則 : ?????????????? ??? ????? () ?ii1為 關(guān)節(jié)坐標(biāo)系除去基座坐標(biāo)系 i相對(duì)前一坐標(biāo)系 i1的 微分轉(zhuǎn)換矩陣 。式 , 即為 綜合考慮關(guān)節(jié) 晃動(dòng) ， 桿件幾何參數(shù)引起的微分轉(zhuǎn)換矩陣 。 將其帶入式 ，即是最后修正后的綜合測(cè)量方程。 結(jié)構(gòu)的精度分析 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)是一種以精密機(jī)械為基礎(chǔ)的高效率高精度的測(cè)量設(shè)備。測(cè)量機(jī)的精度是衡量一臺(tái)機(jī)器好壞的重要指標(biāo)。 要使測(cè)量機(jī)具有高的測(cè)量精度 ， 其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)首先要穩(wěn)定 ， 即測(cè)量機(jī)的隨機(jī)誤差要小 ， 這樣即使 系統(tǒng)誤差 較大 ， 也能在后續(xù)的處理中修正掉 ， 但隨機(jī)誤差是不確定的 ， 會(huì)嚴(yán)重阻礙測(cè)量精度的進(jìn)一步提高 ， 因此要保證整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性 ，即機(jī)械結(jié)構(gòu)的各部分要具有穩(wěn)定性 ， 包括各部分的連接 。 其次是三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的定位等要牢固 ， 不能產(chǎn) 生松動(dòng) ， 各回轉(zhuǎn)軸的回轉(zhuǎn)精度要高 ， 且力變形和熱變形要較小電氣部分的各測(cè)量元件的測(cè)量精度以及處理電路的精度都要滿足一定的要求軟件部分的數(shù)據(jù)處理也要保證一定的精度 [21]。 柔性坐標(biāo)測(cè)量機(jī)由六個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)六自由度的旋轉(zhuǎn) ， 每個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)均安裝了角度編碼器來(lái)測(cè)量旋轉(zhuǎn)角度值 ， 通過(guò)對(duì)旋轉(zhuǎn)角度的測(cè)量來(lái)實(shí)現(xiàn)最終的坐標(biāo)測(cè)量 。 因此 ,角度測(cè)量的精度將直接影響最終的測(cè)量精度 ,并且 ,由于整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)是串聯(lián)結(jié)構(gòu) ,角度誤差會(huì)通過(guò)長(zhǎng)度傳遞并進(jìn)一步放大 ,從而對(duì)最終的測(cè)量精度造成更大影響 。 所以 ,角度的測(cè)量誤差對(duì)整個(gè)測(cè)量機(jī)精度的影響很大 ,除了選 用高精度光柵傳感器以外 ,還需對(duì)角度測(cè)量進(jìn)行測(cè)試 ,進(jìn)一步消除系統(tǒng)誤差的影響 ,從而提高測(cè)量精度 。 本章小結(jié) 本章 主要討論了柔性臂 坐標(biāo)測(cè)量機(jī) 的 誤差分析。首先闡述了誤差分析與提高中國(guó)計(jì)量學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 23 精度對(duì)于 三坐標(biāo) 測(cè)量機(jī)的重要性。 分析了柔性臂坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)的主要誤差 —— 系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差 ， 以及由于 測(cè)量機(jī)的 特點(diǎn)導(dǎo)致其 主要 誤差來(lái)源的 7 個(gè)主要誤差來(lái)源。 在 節(jié)，我們重點(diǎn)對(duì)由關(guān)節(jié)晃動(dòng)導(dǎo)致的誤差和桿件參數(shù)導(dǎo)致的誤差進(jìn)行了闡述 和介紹 。 這兩種誤差是臂式測(cè)量機(jī)的最主要誤差。 通過(guò) DH 方程， 關(guān)節(jié)上微分運(yùn)動(dòng)的 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換 和參數(shù)誤差的變換，可以建立測(cè)量 機(jī)誤差的數(shù)學(xué)模型，以通過(guò)軟件進(jìn)行補(bǔ)償。 在 節(jié)，我們對(duì)測(cè)量臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)單的精度分析。 測(cè)量機(jī)的精度是衡量一臺(tái)機(jī)器好壞的重要指標(biāo)。 由于測(cè)量機(jī)為串聯(lián)結(jié)構(gòu)， 角度測(cè)量 誤差會(huì)隨著長(zhǎng)度的傳遞而放大，直接影響精度。在研制柔性坐標(biāo)測(cè)量機(jī)時(shí)，不僅 要使用高精度的軸承以使結(jié)構(gòu)達(dá)到穩(wěn)定性，還要盡可能的選擇精度高的角度傳感器，來(lái)提高測(cè)量機(jī)的精度。 5 總結(jié)與展望 總結(jié) 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)在工業(yè)生產(chǎn)中的地位十分重要。 本文從介紹 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)開(kāi)始，介紹了三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)以及各種三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)。 其中， 柔性臂式 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī) 作為 一種先進(jìn)的測(cè)量?jī)x器， 以其 體積輕，靈活， 使用方便， 測(cè)量空間大 等 特點(diǎn) 相 比 于 其他 傳統(tǒng)測(cè)量機(jī)相比有著無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。 然而， 相對(duì)于其他三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)而言，柔性臂式三坐標(biāo)測(cè)量機(jī) 本身 的機(jī)構(gòu)特性 決定了 它精度的 不易保證 ， 和其他傳統(tǒng)的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)相 比其測(cè)量精度上 仍不占優(yōu)勢(shì)。 目前柔性臂式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的技術(shù)仍不是很成熟，本文 根據(jù)國(guó)內(nèi)外已有的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)和研究成果，重點(diǎn)對(duì)柔性臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了簡(jiǎn)單的研究 ，并對(duì)其精度問(wèn)題進(jìn)行了簡(jiǎn)單的介紹。 本文的主要內(nèi)容可總結(jié)為以下幾個(gè)方面： 1） 介紹了柔性臂式三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作 原理。借鑒了國(guó)內(nèi)外 的先進(jìn)技術(shù)和已有的研究，確定了測(cè)量臂的 整體 設(shè)計(jì)方案。 首先 ， 文章 對(duì)測(cè)量機(jī)的測(cè)量空間進(jìn)行了 一個(gè)簡(jiǎn)要的 介紹 ，指出了為避免出現(xiàn)“空腔”現(xiàn)象臂長(zhǎng)所要滿足的條件 。 然后， 具體介紹了測(cè)量臂的機(jī)械設(shè)計(jì)方案，包括了測(cè)量臂的關(guān)節(jié)和臂長(zhǎng) 的 設(shè)計(jì)。 在 臂身的 材料選擇上我們選擇 強(qiáng)度大，密度小，熱穩(wěn)定性好的 碳纖維作為 臂身的材料， 以使臂身具有重量輕強(qiáng)度高，抗熱變性好的特點(diǎn) 。 同時(shí)，本文還對(duì)桿長(zhǎng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)， 選擇合適的參數(shù) 以使其 誤差達(dá)到最小，中國(guó)計(jì)量學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 24 并避免 測(cè)量空腔的產(chǎn)生。 最后，我們對(duì)機(jī)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行了強(qiáng)度和剛度校核，以 驗(yàn)證設(shè) 計(jì)的合理性 。 2）對(duì)柔性臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了具體的設(shè)計(jì)。主要包括了基座部分的設(shè)計(jì)，橫關(guān)節(jié)部分 的設(shè)計(jì)和縱關(guān)節(jié)部分的設(shè)計(jì)。給出了具體的設(shè)計(jì)尺寸參數(shù)和機(jī)械結(jié)構(gòu)裝備 圖。 3） 對(duì) 柔性臂測(cè)量系統(tǒng)的誤差進(jìn)行了簡(jiǎn)單的分析。 分析了系統(tǒng)的主要誤差和主要誤差源。 在誤差補(bǔ)償小節(jié)， 針對(duì)關(guān)機(jī)晃動(dòng)和桿件參數(shù)所導(dǎo)致的誤差，本文進(jìn)行簡(jiǎn)單的分析。通過(guò) 分析 建立數(shù)學(xué)模型以達(dá)到 補(bǔ)償?shù)哪康摹Ｗ詈笪恼逻€對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)做了一個(gè)簡(jiǎn)單的精度分析， 根據(jù)柔性臂式測(cè)量機(jī)的串聯(lián)結(jié)構(gòu)特性， 提出了 除了提高加工裝配精度，使用高精度的軸承的方法外， 在使用 高精度角度編碼器的情況下可 大大提高測(cè)量系統(tǒng)的精度 。 展望 本文主要對(duì)柔性臂式測(cè)量機(jī)的 測(cè)量臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。然而，由于時(shí)間倉(cāng)促，本人能力有限 還有很多地方需要完善。特別是對(duì)于精度有特別要求的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)來(lái)說(shuō)， 要完成一臺(tái)柔性臂式三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的設(shè)計(jì)僅僅進(jìn)行 設(shè)計(jì) 簡(jiǎn)單的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，其電氣系統(tǒng)， 平衡系統(tǒng)， 軟件部分，誤差補(bǔ)償 系統(tǒng) 的設(shè)計(jì)以及 編碼器的選擇 都是必不可少的部分。 同時(shí)，本研究還有很多地方需要改進(jìn)： 1） 柔性測(cè)量臂系統(tǒng)的關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)還需進(jìn)一步優(yōu)化，以使其更加輕巧。 2） 在誤差分析和精度分析章節(jié) 中 ， 本文在 誤差分析 時(shí)只 是對(duì)一 般的方法 進(jìn)行了簡(jiǎn)單的介紹 ， 在誤差分析建模以及 誤差量分析，誤差坐標(biāo)矩陣 轉(zhuǎn)換的過(guò)程中省略了很多 方程轉(zhuǎn)換的 步驟 。因此， 在誤差分析章節(jié)仍需改進(jìn)。 3） 本文中的誤差模型也有待改進(jìn)。柔性臂式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的誤差種類有很多 。本文僅考慮了最主要的關(guān)節(jié)晃動(dòng)誤差和桿件參數(shù)誤差這兩點(diǎn)。還有很多誤差因素沒(méi)有考慮。在今后的設(shè)計(jì)中仍需改進(jìn)。 4） 隨機(jī)誤差分析中需進(jìn)一步對(duì)力變形與熱變形誤差進(jìn)行建模并在結(jié)構(gòu)中加入測(cè)量力與熱變形的傳感器 ， 以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)量力 、 熱變形誤差并進(jìn)行實(shí)時(shí)修正 。 5） 由于本次設(shè)計(jì)只是對(duì)測(cè)量臂的設(shè)計(jì)進(jìn)行了理論上的研究，沒(méi)有進(jìn) 行實(shí)物的 設(shè)計(jì)。文中提到的一些設(shè)計(jì)方案和設(shè)計(jì)方法沒(méi)有經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn)，因此還存在很多不足需要 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 。 中國(guó)計(jì)量學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 25 參考文獻(xiàn) [1]張國(guó)雄 .三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的發(fā)展趨勢(shì) .中國(guó)機(jī)械工程， 2020, 11(12): 222225. [2] Ja,L..關(guān)于未來(lái)制造業(yè)的戰(zhàn)略思考 .中國(guó)機(jī)械工程， 1999,10 (4): 361368. [3]李廣云 .空間坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)基線長(zhǎng)的測(cè)定及精度分析 .測(cè)繪技術(shù) ,1991(3):813. [4]嚴(yán)家弊 .空間點(diǎn)的坐標(biāo)測(cè)量 .計(jì)量技術(shù)， 1992(12):4246. [5]周雄輝 .坐標(biāo)測(cè)量 機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與精度研究 .浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文， 2020. [6]榮烈潤(rùn) .三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的現(xiàn)狀和發(fā)展動(dòng)向，機(jī)電一體化， 2020(6):2125. [7]王芳 .國(guó)內(nèi)外三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)發(fā)展動(dòng)向 .機(jī)械工人（冷加工）， 1999（ 4）： 5. [8] [9] [10]曹麟祥 ,汪慰軍 .三坐標(biāo)測(cè) 量機(jī)的現(xiàn)狀、發(fā)展與未來(lái) .宇航計(jì)測(cè)技術(shù) ， 1996,16(2):4347. [11]王建利 .智能三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)中關(guān)鍵技術(shù)的研 究，天津大學(xué)碩士學(xué)位論文， 1998. [12]劉祚時(shí)，倪瀟娟 .二坐標(biāo)測(cè)量機(jī) (CMM)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì) .機(jī)械制造 .(8),3234. [13] Trapet E, Waldele F. The Virtual CMM Concept,Euro conference: Advanced Mathematical Tools in Metology, Oxford, UK, 1997:1一 17. [14] Werner Lotze, ScanMaxa novel 3D coordinate measuring machine for the shopfloor environment[J].Measurement,1996,18(1):1725. [15]張啟先編著，空間機(jī)構(gòu)的分析與綜合，上冊(cè)，北京 :機(jī)械工業(yè)出版社， 1984. [16]桂定一，陳育榮，羅寧編著，機(jī)器精度分析與設(shè)計(jì)，北京 :機(jī)械工業(yè)出版社， 2020. [17]尚平 ,費(fèi)業(yè)泰 . 柔性關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析 .合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào) .2020,6. [18]理查德 P保羅 .機(jī)器人操作手 : 數(shù)學(xué)、編程與控制 [M] .鄭時(shí)雄 ,謝存禧 ,譯 .北京 :機(jī)械工業(yè)出版社 , 1982: 4060. [19]汪平平 .柔性坐標(biāo)測(cè)量機(jī)精度理論及應(yīng)用技術(shù)研究 [D].合肥 :合肥工業(yè)大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院 , 2020. [20] Young C P, Delaney M J. Digital power metering manifold[J]. IEEE transactions on Instrumentation and Measurement,1998,(2): 224228. [21]王春花，胡鵬浩，費(fèi)業(yè)泰 .柔性三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的平衡機(jī)構(gòu) .組合機(jī)床與 自動(dòng)化加工技術(shù)2020,(5):38. [22]王春花 .柔性坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的設(shè)計(jì)和研制 .合肥工業(yè)大學(xué)碩士論文 .2020,7. [23]徐霞潔 .關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的研制 .碩士學(xué)位論文 .合肥工業(yè)大學(xué) .. [24]汪平平 ,費(fèi)業(yè)泰 ,林慎旺柔性三坐標(biāo)測(cè)量臂精度的優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用 .科學(xué)學(xué)報(bào) .2020:24(4):813. [25]Long Yefeng and Liu Qiangqin, On the optimum tolerances of structural parameters and kinematic parameters of robot manipulators. Mech. March . Theory, 1993 , 28(6):819824. [26]尚平 ,費(fèi)業(yè)泰 .柔性關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析 .合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào) (自然科學(xué) 版 ).2020,31(6). [27]浦昭邦 ,王寶光 ,測(cè)控儀器設(shè)計(jì) ,北京機(jī)械工業(yè)出版社 ,2020. [28]張啟先編著 ,空間機(jī)構(gòu)的分析與綜合 ,上冊(cè) ,北京機(jī)械工業(yè)出版社 ,1984. [29]彭商賢 ,張平 ,唐蓉城 .裝配機(jī)器人位姿誤差分析 ,機(jī)器人 ,1988,2(1):1418. [30]張國(guó)雄 .誤差修正－提高坐標(biāo)測(cè)量機(jī)精度的重要方向 .機(jī)床 ,1986,(8):3739. 中國(guó)計(jì)量學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 26 [31]宋開(kāi)臣 ,張亦群 ,李書(shū)和等 .三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)動(dòng)態(tài)誤差補(bǔ)償?shù)难芯?.儀器儀表學(xué)報(bào)，1999,20(1):2326. [32]Adhmad Shaheen. Analysis of robot drive train errors, their static effect, and their pensations. IEEE Journal of Robotics and ,4(2),117~128. 中國(guó)計(jì)量學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 27 附錄 ： 主要零件圖 12 張，裝配圖 3 張，共 15 張 ： 中國(guó)計(jì)量學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 28 中國(guó)計(jì)量學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 29 中國(guó)計(jì)量學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 30 中國(guó)計(jì)量學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 31 中國(guó)計(jì)量學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 32 中國(guó)計(jì)量學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 33 中國(guó)計(jì)量學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 34 中國(guó)計(jì)量學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 35 學(xué)位論文數(shù)據(jù)