6-DOF并联坐标测量机结构参数的识别与修正

    0　引言

    理想情况下,可将6自由度并联机构坐标测量机[1-4]中的万向铰和球形副看作是位于各运动副中心处的一个点,移动副则被看作为位于各并联连杆中轴线上的长度可变的一条直线。但实际情况并非如此,因为在现有条件下,制造及装配误差是不可避免的,因而并联机构坐标测量机的实际结构参数(即与测头运动直接相关的各运动副的位置坐标和角度尺寸等)与其理论设计值(名义值)之间存在一定的差异,从而导致测头的运动偏离其理想轨迹,进而产生测量误差。通常并联机构坐标测量机的实际结构参数是无法通过测量而直接得到的。所以,为了提高并联坐标测量机测头位姿精度,就必须通过某些间接方法来准确地获取结构参数的实际数值。目前,间接获取这些参数的最经济、最有效的方法就是对并联机构坐标测量机的结构参数进行标定。所谓结构参数标定,就是要建立测头实际位姿与各构件实际结构参数之间的准确关系,然后通过该运动关系找出各运动机构的理想参数与实际参数之间的差异,并利用该差异对控制器中的理想模型系数(由结构参数决定)进行修正,从而抵消或减小加工与装配误差对测头位姿精度的影响,进而达到提高坐标机测量精度的目的。本文参照并联机器人结构参数标定与识别方法[5-10],并针对所研究的6自由度并联机构坐标测量机的结构及特点,提出了一种基于逐次逼近算法的结构参数识别方法,然后利用该方法对6自由度并联机构坐标测量机的43个主要结构参数进行了识别与修正,最后通过计算机仿真,对识别与修正结果进行了验证。

    1　并联坐标测量机的结构及工作原理

    本文所研究的基于Stewart平台的6-DOF (Six-De-grees-of-Freedom)并联机构坐标测量机结构如图1所示。该坐标测量机工作原理十分简单,它是通过移动副调节器来控制移动副的伸缩,使连杆长度发生变化,从而使测头移动至测点位置,然后再由安装在移动副内的长度测量装置(如光栅尺等)测出杆长的变化量,并以此为依据,计算出测点处的空间坐标。

    2　结构参数识别问题描述

    通过对并联机构坐标测量机结构参数的识别(即量值溯源),可准确地确定测量模型中的相关系数,进而提高测头运动机构的移动精度。并联机构坐标测量机结构参数识别问题一般可描述为:利用若干组并联连杆的实际长度及与之对应的测头位姿坐标,来估计各运动副的结构参数。通常所需要的测头实际位姿的个数(即标定点个数)由被估计的结构参数个数决定。对于6自由度并联机构坐标测量机来说,需要考虑的主要结构参数共有43个,它们是:上平台中6个万向铰运动副位矢量bi(i =1,2,…,6)的18个坐标分量;下平台中6个球形运动副位置矢量pi(i =1,2,…,6)的18个坐标分量;连接上、下平台的6个并联调节杆的长度li(i =1,2,…,6)以及与下平台垂直连接的测量杆的长度ls。