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公海赌赌船|平山绫|我国几何量精密测量领域自主创新成果——关节式坐标测量机关键技

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  天津大学叶声华院士曾经说过“关节臂仪器项目的顺利实施得益于费老师和合肥工业大学在仪器精度理论领

  域积累的丰硕成果”ღ★ღ★◈。该项目历时近20年经过两代人的持续投入和潜心研发ღ★ღ★◈,完全掌握了关节式坐标测量机的核心关键技术和应用开发技术ღ★ღ★◈,实现了具有自主知识产权的关节式坐标测量机零的突破ღ★ღ★◈,该技术成果获中国仪器仪表学会科学技术奖一等奖ღ★ღ★◈。仪器专项在实施过程中得到合肥合锻智能制造股份有限公司ღ★ღ★◈、清华大学ღ★ღ★◈、重庆理工大学ღ★ღ★◈、北京信息科技大学等单位的大力支持ღ★ღ★◈,项目在申报过程中得到合肥工业大学夏豪杰教授的大力支持ღ★ღ★◈,项目实施过程中赵会宁公海赌赌船公海赌赌船ღ★ღ★◈、贾华坤等博士研究生及若干硕士研究生均做出了重要贡献ღ★ღ★◈,在此一并表示感谢ღ★ღ★◈!

  关节式坐标测量机是一种广泛应用于汽车制造ღ★ღ★◈、飞机装配ღ★ღ★◈、模具制造等领域的高精密几何量测量仪器ღ★ღ★◈。与传统正交式坐标测量机相比ღ★ღ★◈,关节类坐标测量机通常由6或者7个旋转关节串联而成ღ★ღ★◈,具有灵活性高ღ★ღ★◈、便携性好ღ★ღ★◈、测量范围大和适于在位测量等优点公海赌赌船ღ★ღ★◈。其测角系统由安装在各旋转关节上的高精度角度编码器实现; 关节类坐标测量机采用光学扫描测头可实现被测件复杂曲面的非接触快速测量; 为得到精确的测量模型ღ★ღ★◈,还需研究多种建模和参数辨识方法以及由不同国际组织制定的关节类坐标测量机的性能评价标准ღ★ღ★◈。针对上述关键技术ღ★ღ★◈,本文介绍了关节类坐标测量机的研究现状和技术进展ღ★ღ★◈,并对其未来

  传统D-H建模方法在某些情况下存在病态问题平山绫ღ★ღ★◈,极大地影响关节式坐标测量机的测量精度ღ★ღ★◈。为克服上述问题ღ★ღ★◈,提出了一种能够同时包含几何误差和非几何误差的运动学建模方法—广义误差模型建模理论ღ★ღ★◈,进一步提高了关节式坐标测量机的模型精度ღ★ღ★◈,如图1所示ღ★ღ★◈。

  将阿贝原则拓展到角度测量领域ღ★ღ★◈,定义了测角阿贝误差的概念ღ★ღ★◈,提出了测角阿贝误差的修正方法ღ★ღ★◈,在修正测角阿贝误差的基础上进一步对测角误差进行修正ღ★ღ★◈,圆光栅传感器的测角精度得以显著提高ღ★ღ★◈,如图2所示ღ★ღ★◈。为探究圆光栅传感器各主要的误差作用方式和各项误差成分比重ღ★ღ★◈,开展了基于误差源分析的测角误差修正技术研究ღ★ღ★◈,推导并验证了包括旋转主轴径向误差运动和光栅盘安装偏心的测角误差模型ღ★ღ★◈,并为精密轴系的设计和装调提供了理论指导作用ღ★ღ★◈;为进一步修正温度产生的测角误差ღ★ღ★◈,提出了基于傅里叶级数展开-遗传算法优化BP神经网络的方法ღ★ღ★◈,显著提高了圆光栅传感器的测角误差ღ★ღ★◈。

  结合现行ASME B89.4.22-2004ღ★ღ★◈、VDI/VDE 2617-9和ISO 10360-12-2016标准ღ★ღ★◈,提出一种全新的全测量空间3D体约束的标定系统并首次建立了全空间综合误差标定模型ღ★ღ★◈,如图4所示ღ★ღ★◈。基于全测量空间3D体约束标定体ღ★ღ★◈,利用最佳采样策略ღ★ღ★◈,获取全空间标定数据集ღ★ღ★◈,建立了基于虚拟距离和单点双重约束的关节式坐标测量机全空间综合误差标定模型(结构参数误差和非结构参数误差)ღ★ღ★◈,大幅消除了非参数系统误差ღ★ღ★◈、拟合误差ღ★ღ★◈,并根除了传统标准件位姿变化引起的变形误差ღ★ღ★◈,有效提升了标定精度和效率ღ★ღ★◈。该技术在机器人平山绫ღ★ღ★◈、极坐标测量仪器等误差修正方面具有普遍应用价值ღ★ღ★◈。

  自主设计了6-DOF关节式坐标测量机的结构公海赌赌船ღ★ღ★◈,其核心关键机械结构是精密旋转轴系ღ★ღ★◈。根据仪器测量精度的设计指标ღ★ღ★◈,选择高精密级轴承并依据轴孔配合原则合理设置公差带ღ★ღ★◈。制定零件加工质量检测规程ღ★ღ★◈,对旋转主轴等零件的关键部位尺寸使用正交式坐标测量机进行检验ღ★ღ★◈。利用热胀冷缩效应装配精密轴系ღ★ღ★◈,通过改变轴承预紧力实现对旋转主轴转动状态的调整ღ★ღ★◈,制定旋转主轴转动状态检测规程ღ★ღ★◈,利用自准直仪等仪器设备对旋转主轴的误差运动进行检测ღ★ღ★◈,评估精密轴系是否达到最佳工作状态公海赌赌船ღ★ღ★◈,如图5所示ღ★ღ★◈。

  由于关节式坐标测量机是一款手持式精密测量设备ღ★ღ★◈,需要在靠近基座的第二个关节处安装力平衡系统以平衡仪器自身的重力ღ★ღ★◈,提高工人在长期操作仪器时的舒适性ღ★ღ★◈,降低操作疲劳ღ★ღ★◈,保障测量结果的准确性和可靠性ღ★ღ★◈。经公式推导ღ★ღ★◈、仿真分析ღ★ღ★◈、定量实验和仪器整机平衡性能验证ღ★ღ★◈,研发了可靠的关节式坐标测量机力平衡系统ღ★ღ★◈,如图6所示ღ★ღ★◈。

  测量软件是仪器的重要组成部分ღ★ღ★◈,项目组以Qt软件为开发平台ღ★ღ★◈,结合OpenCasCade开发了适用于关节式坐标测量机的测量软件ღ★ღ★◈,完成直径ღ★ღ★◈、圆度ღ★ღ★◈、圆柱度ღ★ღ★◈、平面度等几何尺寸ღ★ღ★◈、形位公差的算法开发ღ★ღ★◈,并用标准测试数据与成熟商用软件进行比对ღ★ღ★◈,验证算法准确性ღ★ღ★◈。软件具备测量过程实时显示ღ★ღ★◈、数据存储ღ★ღ★◈、测试结果导出等功能ღ★ღ★◈,并方便进行功能扩展ღ★ღ★◈,如图7所示ღ★ღ★◈。

  经上述关键技术积累ღ★ღ★◈,成功研制了测量范围为1.2m-3.6m共5种关节式坐标测量机平山绫ღ★ღ★◈,如图8所示ღ★ღ★◈。其单点测量重复性介于±0.018-0.036mmღ★ღ★◈,长度测量重复性±0.049-0.119mmღ★ღ★◈。

  针对汽车行业模具标定ღ★ღ★◈、焊接夹具定位和人机工程测试三个典型应用场景ღ★ღ★◈,在奇瑞汽车股份有限公司开展了相关测试验证ღ★ღ★◈,如图9所示ღ★ღ★◈。

  提出利用关节式坐标测量机对汽车冲压模具进行现场测量平山绫ღ★ღ★◈。通过在测量现场测量被测模具的多个关键点ღ★ღ★◈,把测量机的测量坐标系统一到模具自身设计的坐标系内ღ★ღ★◈,然后通过关节式坐标测量机测量得到各被测点坐标值ღ★ღ★◈,与其理论设计值比较ღ★ღ★◈,给出测量结果评价ღ★ღ★◈,也可以通过关节式坐标测量机的测量软件拟合测量得到模具模型ღ★ღ★◈,与其设计理论模型比较ღ★ღ★◈,得到模具的形变平山绫ღ★ღ★◈,根据其形变情况标定模具ღ★ღ★◈。

  在使用关节式坐标测量机对焊接夹具进行定位检测时ღ★ღ★◈,通过对夹具体检测基准的测量ღ★ღ★◈,采用与理论数模相拟合的方式建立坐标系ღ★ღ★◈,分别测量夹具体的各个定位销及定位面与三维数模的偏差ღ★ღ★◈,以判定该夹具是否符合要求ღ★ღ★◈。

  为保证汽车乘坐人员的乘坐舒适性ღ★ღ★◈,需要保证汽车座椅空间3D位置的精密安装ღ★ღ★◈。在车身边架设关节式坐标测量机ღ★ღ★◈,将其测头伸进车厢内ღ★ღ★◈,完成对隐藏在车厢内座椅关键点的位置测量ღ★ღ★◈,并通过测量车身各关键点ღ★ღ★◈,来判断座椅的安装是否符合人机工程的要求ღ★ღ★◈。

  关节式坐标测量机在汽车制造中的应用ღ★ღ★◈,解决了汽车零部件几何尺寸测量和定位安装现场检测的难题ღ★ღ★◈,提高了生产效率ღ★ღ★◈,保障了生产质量ღ★ღ★◈。

  在民用飞机制造企业利用关节式坐标测量机对飞机舱门及装配工装进行检测ღ★ღ★◈,并对点云数据进行处理ღ★ღ★◈。该类测量可以保障装配人员通过可视化的方法提高装配质量ღ★ღ★◈,根据提供的详细尺寸参数ღ★ღ★◈,实现对飞机关键部件生产质量的全面控制ღ★ღ★◈,提升飞机关键部件的产品质量ღ★ღ★◈,促进了我国飞机制造业的自主高质量发展ღ★ღ★◈。如图10所示ღ★ღ★◈。

  全超导托卡马克核聚变 实验装置(EAST)内部含有种类繁多的关键零部件ღ★ღ★◈,每次放电后需要对其装配定位精度和形变进行精密测量ღ★ღ★◈。传统方法采用靠板ღ★ღ★◈、标尺等手段仅能进行定性测量ღ★ღ★◈。为解决核聚变装置内部关键部件装配定位测量难题ღ★ღ★◈,我们提出激光跟踪仪与关节式坐标测量机进行组合测量的模式ღ★ღ★◈,充分发挥激光跟踪仪超大尺寸全局测量和关节式坐标测量机灵活ღ★ღ★◈、便携ღ★ღ★◈、无测量障碍点的局部测量优势ღ★ღ★◈。通过升级EAST大厅外部基准ღ★ღ★◈、构建内部基准ღ★ღ★◈,统一内外基准网ღ★ღ★◈,在EAST核聚变装置维护改造期间通过搭建测量系统ღ★ღ★◈,顺利完成关键部件装配定位测量和形变检测ღ★ღ★◈,为核聚变实验的顺利进行提供了必要保障ღ★ღ★◈,如图11所示ღ★ღ★◈。

  风雨18年仪器研发路公海赌赌船ღ★ღ★◈,在两代仪器人的共同努力下ღ★ღ★◈,积累了基于“新原理ღ★ღ★◈、新装置ღ★ღ★◈、新工艺”的整套仪器研发经验ღ★ღ★◈,实现了自主知识产权的关节式坐标测量机从无到有ღ★ღ★◈,从原理样机到小批量生产的突破ღ★ღ★◈,打破了国外产品在国内市场的垄断平山绫ღ★ღ★◈,为相关仪器的国产化替代奠定了基础ღ★ღ★◈。

  于连栋ღ★ღ★◈,博士ღ★ღ★◈,教授ღ★ღ★◈,2003.9-2020.5年就职于合肥工业大学ღ★ღ★◈,2020年6月以来就职于中国石油大学(华东)ღ★ღ★◈,长期从事3D宏观尺度坐标测试技术ღ★ღ★◈、微纳传感技术ღ★ღ★◈、超快光学精密测试技术研究ღ★ღ★◈,2017年入选国家百千万人才工程ღ★ღ★◈、国家级有突出贡献中青年专家ღ★ღ★◈、享受国务院政府津贴ღ★ღ★◈。

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