应用改进模拟退火算法实现关节臂式坐标测量机的参数辨识

　　1　引　言

　　三坐标测量机是一种高效率、高集成度的精密测量仪器,被广泛应用于机械制造、电子、汽车和航空航天等领域。但在产品快速反求设计、产品加工质量在线检测、大中型零件精度检验等场合,常规的三坐标测量机则难以适应,近年来出现了关节臂式坐标测量机可以成功地解决上述问题。

　　与传统的三坐标测量机相比,关节臂式坐标测量机具有体积小、质量轻、便于携带、测量灵活、测量空间大、环境适应性强、成本低等优点。但由于其结构环节较多、结构误差累积放大等因素,其测量精度较难保证[1],通常其长度测量示值误差为0.01~0.5 mm,并与测量范围密切相关,因此,该类测量机的应用受到较大限制,目前主要用于对精度要求较低的产品反求设计领域。如果能够提高其测量精度,关节臂式坐标测量机将具有广泛的应用前景。

　　关节机器人的连杆参数误差是影响其绝对定位精度的最主要因素[2],而结构形式源自于关节机器人的关节臂式坐标测量机,其结构参数的精度也是影响其测量精度及重复精度的主要因素之一,因此对结构参数进行精确估计或参数辨识是提高其精度的主要措施之一,也是关节臂式坐标测量机标定的一个主要内容。

　　目前,国内外对关节臂式坐标测量机的研究主要集中在参数的估计或标定上。I. Kovac等设计了一种专用量具并结合商业化软件对关节臂式坐标测量机进行标定[3-4];R. Furutani等利用装有多个标准球的金属板对关节臂式坐标测量机进行标定[5];J. Santolaria等使用带有14个球的球形量规,建立了基于傅里叶多项式的误差模型并对关节臂式坐标测量机的参数误差进行了估计[1];汪平平等根据高精度正交三坐标测量机提供的标准,运用最小二乘参数辨识法对关节臂式坐标测量机进行标定[6];王学影等提出了多重逆向标定方法,借助正交三坐标测量机对关节臂式坐标测量机的各参数误差进行分离[7];另外叶东[8]、王从军[9]、刘万里[10]等也对关节臂式坐标测量机的标定进行了研究。

　　以上这些方法标定流程通常都比较复杂、周期较长,一般需要借助于精密三坐标测量机或复杂的非标准量具等设备进行标定,且标定精度很大程度上依赖于设备精度。

　　本文提出一种操作简单、易于在工业现场应用的数据采集和参数辨识方法,利用研制出的六自由度关节臂式坐标测量机进行了参数辨识实验。

　　2　坐标变换模型

　　研制的关节臂式坐标测量机结构如图1所示,主要由基座、两个测量臂、六个关节和测头系统构成,具有六个自由度。

　　测量机的各关节转角和测头坐标之间的关系可表示为: