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1、 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 I摘摘 要要 反求工程作为一种新型的设计方法，在引进国内外的先进制造技术、缩短产品的开发周期以及降低生产成本等方面发挥着重大的作用。关节式坐标测量机由于其体积小、重量轻、携带方便、测量范围不受工作台面限制等优点，已日益受到逆向工程领域的重视。本文在前人工作的基础上，对新开发的关节式坐标测量机的数学模型和参数标定进行了以下几方面的研究。 首先论述了关节式坐标测量机的系统机械结构设计，并在 Denavit-Hartenberg 方法的基础上，建立了关节臂的数学模型和测量运动方程，对机构的坐标转换方程进行深入的推理和验证；同时
2、用 Matlab 软件做仿真试验，模拟出系统的相应位姿，从而精确、直观地验证了数学模型的正确性。 其次建立了关节臂的误差模型，通过误差模型实验，证明了参数误差模型的真实、可靠；设计一种全新的标定块，运用矩阵全微分方法分析误差，利用最小二乘法和迭代法快速、高精度地实现了关节臂的结构参数和运动参数标定，预计精度可达到亚像素级。 最后设计了关节臂参数与坐标变换标定软件模块，即数据记录、标定计算和测量模块。运用 Visual C+6.0 和 Matlab7.0 混合编程，具有良好的实用性和通用性；在 Pro/MECHANICA 模块中实现了 ACMM 的运动分析和模拟仿真，更清晰、逼真地再现了机构运动
3、的情况，同时可获得几何图元速度、加速度以及机构运动的轨迹曲线，以及判断元件间的干涉情况。 关键词：关键词：反求工程 关节式坐标测量机 数学模型 参数标定 仿真实验 运动分析 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 IIAbstract Reverse Engineering (RE) as a new designing method can do a lot of things in the absorption domestic and international advanced technique, shortening the products dev
4、elopment period and lowering the production cost. Nowadays articulated coordinate measuring machine(ACMM) is becoming more and more popular in the field of RE and gained great interest from the field of RE, because of its a lot of advantages such as convenience to be used, portability to be carried
5、for its small volume and light weight and flexibility to the worktable. Based on a series of previous researches in this field, a lot of researches on mathematical module and parameter calibration based on newly developed ACMM were carried out as follow in this dissertation. Firstly, the systematic
6、mechanical design about the links and joints for Articulated Coordinate Measuring Machine is discussed. On the basis of D-H method, the mathematical module and movement equation for probing the joint arm end were built; the coordinate transformation equations of the machine were thoroughly inferred
7、and validated. And the verification method was used to simulate the experiment results with the powerful mathematical toolMATLAB, and therefore the position and posture were simulated. The good agreement of numerical simulation with those of corresponding indicated that the developed model was reaso
8、nable and feasible. Secondly, the error model of joints was established, the parameters of joints error were within the extent of permission. The error model was therefore proved true and reliable. Furthermore a new calibration block for calibration was designed. By the aid of a series of analysis w
9、ith exact differential matrix and least squares method equations, calibration of the structure with high precision was achieved. And the accuracy is expected to reach sub-pixel degree. Finally the articulate arm parameters and coordinate transformation calibration software modules, three independent
10、 modulethe data recording, calibration calculation and measurement were designed. Compiled with Matlab7.0 and Visual C+ + 6.0, the practicality and universality of the software modules were good. Kinematic analysis and 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 IIIsimulation experiment could be realized cl
11、early and vividly in the Pro/MECHANICA module. Simultaneous the rate, geometric acceleration and movement traces of the machine could be also achieved in ACMM, furthermore the interference between components can be judged. Keywords: Reverse Engineering Articulated Coordinate Measuring Machine(ACMM)
12、Mathematical Module Parameter Calibration Simulation Experiment Kinematic Analysis 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 I独创性声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知， 除文中已经标明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用
13、授权书 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密，在_年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 11 绪绪 论论 当今世界市场竞争日益激烈，测量技术和计算机技
14、术的发展迅速，以实体为研究对象，利用逆向工程技术对产品进行建模、仿真、优化及新产品开发成为现代设计的一大热点1。对于经济全球化的国际大环境， 采取各种手段获取先进的技术和引进技术尤其是对其消化和吸收，并在此基础上开发自己的新产品是各个国家尤其对于中国这样的发展中国家是充分发挥后发优势的必由之路。逆向工程技术就是在这样的背景下应运而生，其在缩短产品设计周期、消化国内外的先进技术和产品中发挥着越来越重要的作用2。 1.1 引言引言 在瞬息万变的产品市场中，能否快速地生产出合乎市场要求的产品就成为企业成败的关键，而往往在产品设计过程中都会遇到这样的难题，就是客户给的只有一个实物样品或手板模型， 没有
15、图纸或 CAD 数据档案， 工程人员没法得到准确的尺寸，制造模具就更为烦杂。用传统的雕刻方法，时间长而效果不佳，这时候你就需要一个一体化的解决方案：从样品数据产品，逆向工程系统就专门为制造业提供了一个全新、高效的三维制造路线。 逆向工程是由高速三维激光扫描机对已有的样品或模型进行准确、高速的扫描，得到其三维轮廓数据，配合反求软件进行曲向重构，并对重构的曲面进行在线精度分析、评价构造效果，最终生成 IGES 或 STL 数据，据此就能进行快速成型或 CNC数控加工。 1.2 逆向工程概述逆向工程概述 新经济时代（或称数字经济时代、后经济时代）的来临，使制造业进入了新一轮更加残酷的竞争设计的竞争，
16、也促使产品设计开发产生了极大的变化。传统的产品开发流程多是采用顺向工程（Sequential Engineering）的方式进行，这种方法在华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 2一些复杂设计中已经显现出明显弊端，整合 CAD/CAM/CAE 技术，已经成为必由之路。正是因此，近些年来有一些专家学者提倡在产品设计中引入逆向工程（Reverse Engineering）技术。 1.2.1 顺向工程与逆向工程顺向工程与逆向工程 1. 顺向工程 传统的工业产品开发通常是按照严谨的研究开发流程，从确定功能与规格的预期指标开始，构思产品的组件，然后进行各个组件的设计、制造以及检验，再经过组装、整机检验、性能测试等程序来完成。此类开发工程亦通称为顺向工程3,4（forward engineering） 。对每一组件来说，其顺向工程的流程如图 1.1 所示。 规格确定设 计制 造
