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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 關(guān)節(jié)式柔性坐標(biāo)測(cè)量機(jī)
- 小類：
- 機(jī)械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡(jiǎn)介：
- 關(guān)節(jié)式柔性坐標(biāo)測(cè)量機(jī)是依據(jù)仿生運(yùn)動(dòng)學(xué)原理而設(shè)計(jì)的一種新型坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)，與工業(yè)常見的機(jī)械手相類似，由6個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)構(gòu)成。它不僅能夠測(cè)量和評(píng)價(jià)一般幾何特征如直線、平面、圓柱、球體等，評(píng)價(jià)一般零件加工精度如平面度垂直度平行度、球度等；還能夠?qū)w積大質(zhì)量重的物體進(jìn)行測(cè)量、實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)快速測(cè)量、在加工裝配過程中進(jìn)行在線檢測(cè)，若配以掃描測(cè)頭可根據(jù)產(chǎn)品模型或樣件進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)；在模具制造等領(lǐng)域有廣泛地應(yīng)用前景。
- 詳細(xì)介紹：
- 關(guān)節(jié)式柔性坐標(biāo)測(cè)量機(jī)能夠方便地應(yīng)用于對(duì)復(fù)雜零件進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)快速測(cè)量，重大物體測(cè)量和逆向工程等。該測(cè)量機(jī)系統(tǒng)包括機(jī)械結(jié)構(gòu)，電路，軟件，三大系統(tǒng)構(gòu)成。測(cè)量模型及標(biāo)定方法是它的兩個(gè)核心技術(shù)。它是由六個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)通過一系列的桿件串聯(lián)而成。每個(gè)關(guān)節(jié)上安裝有一個(gè)角度編碼器用來測(cè)量關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。采用 FPGA設(shè)計(jì)的電路系統(tǒng)處理各角度編碼器輸出信號(hào)的來獲得各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，并發(fā)送到 PC 機(jī)。采用D-H方法建立了測(cè)量模型，通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換最終獲得測(cè)頭的坐標(biāo)信息。關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)具有多項(xiàng)誤差源。我們首先對(duì)測(cè)量結(jié)果影響較大的角度偏心誤差進(jìn)行了測(cè)量和修正。在測(cè)量機(jī)裝配完成后，難以通過直接測(cè)量的方法來獲得測(cè)量機(jī)實(shí)際參數(shù)。我們分別采用標(biāo)準(zhǔn)錐窩和量塊對(duì)測(cè)量機(jī)進(jìn)行單點(diǎn)標(biāo)定和空間距離標(biāo)定。即可獲得測(cè)量機(jī)各參數(shù)。在進(jìn)行標(biāo)定后，測(cè)量誤差大大降低。 我們基于 VC 和 OPENGL 設(shè)計(jì)了基本的測(cè)量機(jī)程序，它接受從測(cè)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(biāo)信息。我們?cè)O(shè)計(jì)的關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)。填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白，同時(shí)相對(duì)于國(guó)外的產(chǎn)品我們的成本更低，精度也能滿足實(shí)際測(cè)量要求。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 作品設(shè)計(jì)：所謂關(guān)節(jié)式柔性坐標(biāo)測(cè)量機(jī)是依據(jù)仿生運(yùn)動(dòng)學(xué)原理而設(shè)計(jì)的一種新型坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)，與工業(yè)常見的機(jī)械手相類似，由6個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)構(gòu)成。這是一種屬于非正交串聯(lián)空間機(jī)構(gòu)的坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的正交三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)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(chǎng)各種測(cè)量需求的便捷的坐標(biāo)測(cè)量手段。 創(chuàng)新點(diǎn)及關(guān)鍵技術(shù)： ① 對(duì)測(cè)量機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)運(yùn)用精度理論進(jìn)行指導(dǎo)，即保證了測(cè)量機(jī)的精度，又降低了成本。 ② 采用新型的標(biāo)定裝置，對(duì)測(cè)量機(jī)進(jìn)行標(biāo)定，新型的標(biāo)定裝置具有極高的溫度穩(wěn)定性，對(duì)環(huán)境要求低，標(biāo)定效果好。 ③ 電路系統(tǒng)是采用FPGA設(shè)計(jì)的，使用FPGA設(shè)計(jì)了多個(gè)計(jì)數(shù)器，完成了對(duì)角度編碼器的計(jì)數(shù)； 它的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、數(shù)學(xué)模型、參數(shù)標(biāo)定技術(shù)及誤差修正技術(shù)為其最為關(guān)鍵的技術(shù)。 技術(shù)指標(biāo)：經(jīng)過標(biāo)定后的關(guān)節(jié)式柔性坐標(biāo)測(cè)量機(jī)精度可達(dá)到0.08mm，其測(cè)量范圍相對(duì)傳統(tǒng)的正交坐標(biāo)測(cè)量機(jī)更大，最大可測(cè)空間為直徑2.4m的球形空間。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 科學(xué)性：關(guān)節(jié)式柔性坐標(biāo)測(cè)量機(jī)采用圓光柵作為標(biāo)尺基準(zhǔn)，與傳統(tǒng)的正交式三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)相比具有造價(jià)較低，結(jié)構(gòu)靈巧，測(cè)量空間大的特點(diǎn)，可應(yīng)用于較大尺寸的測(cè)量；它重量輕，能夠提供便攜式測(cè)量服務(wù)，適用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)參數(shù)是通過標(biāo)定的方法來獲得，這樣就降低了對(duì)制造工藝的要求，同時(shí)也降低了生產(chǎn)成本。 先進(jìn)性：在國(guó)外關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的研究起步較早，目前已有成熟的產(chǎn)品，但在國(guó)內(nèi)售價(jià)都相對(duì)昂貴。國(guó)內(nèi)也有高校和科研院所進(jìn)行相關(guān)的研究，但都還沒有實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化，有些研究所能達(dá)到的精度也較低，目前我們的作品處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先行列。它是通過測(cè)量角度量及數(shù)學(xué)運(yùn)算獲得三維信息，這與傳統(tǒng)的正交式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)直接測(cè)量三維長(zhǎng)度量獲得坐標(biāo)值有很大的不同，它結(jié)構(gòu)靈活輕便，對(duì)工作環(huán)境要求不高， 有很大的優(yōu)勢(shì)。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 該作品于2008年獲得某校第11屆“斛兵杯”大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽中獲得一等獎(jiǎng)。 該作品在今年第三屆“挑戰(zhàn)杯”合鍛集團(tuán)安徽省大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽中獲得特等獎(jiǎng)。
作品所處階段
- 生產(chǎn)階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 技術(shù)入股
作品可展示的形式
- 實(shí)物 圖片 錄像
使用說明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 技術(shù)特點(diǎn) ①測(cè)量機(jī)由機(jī)座大臂小臂以及測(cè)頭通過相互垂直配置的雙關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)串連而成，交叉軸和內(nèi)嵌軸均采用了雙角接觸軸承背對(duì)背安裝，具有穩(wěn)定的機(jī)械結(jié)構(gòu)； ②對(duì)關(guān)鍵關(guān)節(jié)采用了雙讀數(shù)頭的測(cè)角系統(tǒng)，提高了測(cè)角的精度和穩(wěn)定性； ③通過對(duì)角度誤差的修正保證測(cè)角精度； ④電路系統(tǒng)是采用FPGA設(shè)計(jì)的； ⑤通過標(biāo)定的方法保證測(cè)量機(jī)整體的精度； ⑥測(cè)量機(jī)的軟件采用VC和OpenGL編程。 適應(yīng)范圍及推廣前景 關(guān)節(jié)式柔性坐標(biāo)測(cè)量機(jī)通過坐標(biāo)測(cè)量來實(shí)現(xiàn)其測(cè)量功能的，它不僅能夠測(cè)量和評(píng)價(jià)一般幾何特征如直線、平面、圓柱、球體等，評(píng)價(jià)一般零件加工精度如平面度垂直度平行度、球度等；還能夠?qū)w積大質(zhì)量重的物體進(jìn)行測(cè)量、實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)快速測(cè)量、在加工裝配過程中進(jìn)行在線檢測(cè)，若配以掃描測(cè)頭可根據(jù)產(chǎn)品模型或樣件進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)；在模具制造等領(lǐng)域有廣泛地應(yīng)用前景。 市場(chǎng)分析及經(jīng)濟(jì)效益 隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展人們?cè)絹碓叫枰憬莸臏y(cè)量手段，因此關(guān)節(jié)式柔性坐標(biāo)測(cè)量機(jī)有著廣闊的市場(chǎng)前景，同時(shí)其制造成本較低，有著可觀的經(jīng)濟(jì)效益。
同類課題研究水平概述
- 關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)是應(yīng)用傳感器技術(shù)的接觸式三維測(cè)量裝置，通過安裝在各關(guān)節(jié)及桿件內(nèi)部的角度編碼器獲得各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角和桿件轉(zhuǎn)角，再結(jié)合測(cè)量機(jī)的機(jī)械參數(shù)（桿長(zhǎng)、關(guān)節(jié)偏置量、桿件垂直度等）坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法計(jì)算出測(cè)量點(diǎn)的三維坐標(biāo)。國(guó)外在這一領(lǐng)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(hào)測(cè)量機(jī)， CIMCORE（星科）公司的也推出了STINGER II等類型的關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)。 國(guó)內(nèi)也有相關(guān)的高校和科研院所從事相關(guān)研究，對(duì)測(cè)量機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)、數(shù)學(xué)理論及標(biāo)定技術(shù)等方面進(jìn)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(guó)外產(chǎn)品的分析，并沒有實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化和生產(chǎn)加工。目前國(guó)內(nèi)在該領(lǐng)域的研究進(jìn)展緩慢。這是因?yàn)殛P(guān)節(jié)式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)在技術(shù)上存在以下特點(diǎn)： ① 關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)在結(jié)構(gòu)形式上是一個(gè)串聯(lián)開鏈系統(tǒng)，它是由幾個(gè)桿件通過一系列的轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)串聯(lián)起來構(gòu)成的，因此對(duì)微小的誤差有放大作用，極難提高測(cè)量精度。 ② 關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)在使用時(shí)是通過人手進(jìn)行操作的，所以在使用時(shí)由于操作方式及測(cè)量力的不同，會(huì)引起測(cè)量機(jī)各運(yùn)動(dòng)部件之間發(fā)生微小形變，也會(huì)造成測(cè)量誤差。因此，關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性要求極高。 ③ 關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)是通過測(cè)量角度來獲得三維信息的，所以角度測(cè)量系統(tǒng)的精度對(duì)測(cè)量機(jī)整體精度有很大的影響，由于在使用時(shí)測(cè)量力的不同會(huì)影響角度測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)際測(cè)量精度，所以精度難以提高。 ④ 國(guó)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(cè)角精度較低。因此關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的關(guān)節(jié)采用的角度編碼器需要依賴進(jìn)口，成本較高。 ⑤ 關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)不能依靠加工和裝配來保證，需要通過標(biāo)定實(shí)驗(yàn)來進(jìn)行參數(shù)識(shí)別，而參數(shù)識(shí)別的效果對(duì)測(cè)量機(jī)的精度也能產(chǎn)生較大影響。 我們研制的關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，關(guān)節(jié)部位采用了雙角接觸軸承背對(duì)背安裝，機(jī)械結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定，在關(guān)鍵的兩個(gè)關(guān)節(jié)采用了雙讀數(shù)頭的測(cè)角系統(tǒng)，進(jìn)一步提高了測(cè)角的穩(wěn)定性，采用基于Gauss-Newton法的參數(shù)辨識(shí)方法，并利用了自制的高精度標(biāo)定裝置，實(shí)驗(yàn)證明能夠有效地提高測(cè)量機(jī)的精度。目前研制的測(cè)量機(jī)測(cè)量范圍可達(dá)到Φ2.4m的球形空間，測(cè)量精度可達(dá)到0.08mm，可與國(guó)外中等精度的產(chǎn)品相媲美。
