传统的关节臂测量机工作时是依靠工作人员牵拉实现运动和测量, 存在路径规划不佳、主观性误差大、测量效率低等问题很难适应智能制造对在线自动测量系统的新要求。本文提出了利用含有无刷电机、谐波减速器及精密轴系的模块化关节构成自驱动关节臂坐标测量机的构想, 并对模块化关节进行了构型设计, 建立了单关节扭矩估算模型, 在此基础上选择了关节2的电机和谐波减速器, 设计了关节模块的测控电路, 研制了单关节部件样机并进行了重复性实验。其中单方向测量数据表明, 为保证较小的测量重复性误差, 关节在运动时应尽量避免速度或加速度突变的运动形式; 双方向测量的数据表明, 当控制电机运动速率小于1.53 rad/s时, 测头因回弹产生误触发信号的概率较小, 此时最大误差数据为±2.11″。上述实验也验证了模块化关节设计方案的可行性, 为后续自驱动关节臂坐标测量机整机研制提供了理论和实验依据。

本文提出了一种求解最佳测量区的方法, 以进一步提高关节式坐标测量机的测量精度。首先,根据关节式坐标测量机的测量模型, 建立了基于圆编码器测角误差的关节式坐标测量机误差模型。利用蒙特卡洛理论得到6个关节转角的随机数, 采用数值法仿真分析测量机的测量空间。然后将包含测量空间的一立方体区域等间隔切割成343个小立方体区域, 采用蚁群算法确定每个小区域由于圆编码器误差所引起的最大测量误差。最后, 通过比较找到其中最大测量误差最小的区域, 即为最佳测量区。研究结果表明, 对于所研究的关节式坐标测量机, 各个小区域的最大误差为0.069 9~0.189 6 mm, 其中最小值为0.069 9 mm的区域为-100 mm≤x≤100 mm, -100 mm≤y≤100 mm, 400 mm≤z≤600 mm。采用本文方法确定的最佳测量区在测量空间内为一个立方体区域, 故在最佳测量区进行较高精度的测量具有实用性和可操作性。

结合惯性导航测试设备精密轴系的技术要求, 研发了滚动轴承综合参数测试仪。该测试仪能检测轴承回转过程中的摩擦力矩、轴承刚度及几何精度, 并能以图表或曲线的形式给出摩擦力矩与轴系预紧载荷、预紧载荷与轴承轴向位移等的关系。该系统集成了压力、位移、力矩等类型的传感器, 在虚拟仪器平台上设计硬件控制、测量系统和软件, 具有可扩展性好, 成本低等特点。该系统将装配中难以控制的最佳预紧力转换为对轴承隔套高度差的控制问题, 较好地解决了轴系装配过程中的最佳预紧问题并保证了轴系具有平稳的摩擦力矩。测量轴系的摩擦力矩特性显示, 在8 r/min转速下, 运行平稳后的转动摩擦力矩为(0.62±0.16) Nm。该实验数据为控制转台的低速率运动和建立准确的补偿干扰力矩模型提供了理论依据。

基于3-PUU并联机构原理, 提出一种只需一根光栅, 一对精密导轨即可实现三维空间精密测量的坐标测量机。在研制的第一台被动运动型样机的基础上, 对其结构参数进行优化设计并重新研制了一款主动运动型样机。首先, 依据正解运动学模型和测量空间最大化原则确定了主要部件的尺寸和位置参数; 然后, 对铰链的位姿进行重新设计和布置, 以保证仪器的测量空间。最后, 根据测量机的运动特性和参数, 对其关键部件的形变进行分析计算, 以便控制和减小形变对仪器精度的影响。与第一台样机相比, 新样机的测量空间达到了1 050 mm×535 mm×426 mm, 在x、y、z方向上测量范围分别扩大了92%、134%和113%; 样机的力学性能进一步得到了提高。

针对传统坐标测量机和关节臂测量机存在的技术局限，基于3-PSS并联机构原理，提出了只需一只长光栅、一条精密导轨即可实现三维空间精密测量的坐标测量机，并研究了测量系统的测量模型、测量误差模型及并联机构误差平均效应。根据并联机构基本理论建立了测量机的六杆测量模型，在此基础上进行了杆长制造、装配误差和光栅读数误差的理论分析。然后，从理论上展示和说明了并联机构存在误差平均效应的数学本质和依据。最后，介绍了样机的设计及制造，并给出初步的实验结果。在没有进行误差修正和系统标定的前提下，该样机在X，Y，Z 3个坐标方向上的测量误差分别为0.029 mm，0.045 mm和0.058 mm。得到的结果可指导新样机的优化设计。

针对集成芯片制造中对定位、校准的高精度、实时性要求,提出了用机器视觉技术解决芯片基板定位的方法,通过对几种模板匹配算法的研究,采用基于OpenCV的图像分析技术实现了对集成芯片基板的准确定位,解决了传统机械定位精度低、速度慢的问题。

介绍了一种新型纳米三坐标测量机Z轴的结构设计.提出了两级驱动式结构,即通过粗动与微动相结合的驱动方式实现纳米级精度.第一级粗动,采用2个NANOMOTION LS4系列大行程纳米电机从两侧同时驱动,克服了单侧驱动的不利因素,使得机构运行时更加稳定;第二级微动,采用压电陶瓷驱动,通过柔性铰链位移缩小结构将位移分辨率提高到1 nm.计算和分析表明,这种新型的两级驱动式结构可以满足纳米三坐标测量机Z向测量高精度、大行程要求.