便携关节式坐标测量机
一、成果简介
（一）成果概述
便携关节式坐标测量机是精密几何量测量仪器，该仪器采用串联式结构，主体结构含有3对旋转关节，可实现自由旋转，不同型号仪器的测量范围为1.2m至3.6m，测量精度介于0.049mm至0.119mm。该仪器具有测量精度高、适用于现场测量和快速测量的优点，从而广泛应用在大科学工程、汽车、航空航天、模具制造等领域。
（二）技术特点及技术指标
便携关节式坐标测量机具有以下关键核心技术：
①精密机械结构：便携关节式坐标测量机的机械结构主要3对互相垂直的旋转关节通过高强度的碳纤维管连接而成的。采用滑环技术解决旋转关节在360°过程中绕线问题；研制力平衡系统，安装在第一对关节内，克服后面2对关节的自重对测量精度的影响和增加了操作人员的舒适性。
②角度传感器测角误差修正：借助自准直仪和23面棱体搭建了测角误差检测系统，使用傅里叶级数展开-遗传算法优化BP神经网络方法，显著提高了圆光栅传感器在不同环境温度下的角度测量精度。
③多参数建模：采用广义误差模型建立关节式坐标测量机的测量模型，进一步提高了模型精度。
④3D标准件：设计了一款 3D 标准件，相较于量块、球杆、步距规等标准件为便携关节式坐标测量机的结构参数标定提供更多标准量，以提高其测量精度。
⑤标定算法：为了克服便携关节式坐标测量机的结构参数辨识过程中存在病态问题，提出一种基于粒子群算法与同步干扰随机逼近算法相结合的混合算法用于测量机的结构参数标定。
⑥纳米时栅角度传感器：研发世界首创的精密时栅角度传感器，研究基于SOPC的纳米时栅电路小型化技术，开发输出绝对位移值的SSI接口电路和软件，取代圆光栅传感器。
⑦光学测头结构优化：建立线结构光视觉系统的数学模型，分析各结构参数对测量精度的影响，通过仿真分析的方法对结构参数优化，为高性能的光学扫描测头集成提供理论支撑。
⑧手眼关系标定技术：研究手眼标定的基本原理，建立手眼标定中的旋转关系，给出了手眼标定的求解方法。为光学扫描测头集成到便携关节式坐标测量机上，建立光学扫描测头和关节式坐标测量机两者之间的关系提供理论支撑。
⑨几何测量软件系统开发：开发了具有常见几何特征测试的几何测量软件，能够实现直线、球、平面等特征的拟合，并给出拟合结果以及拟合精度。
技术指标包含以下内容：
已研制5款测量范围为1.2m-3.6m的便携关节式坐标测量机，其单点重复性介于±0.018-0.036mm，长度测量重复性0.049-0.119mm；成功研制安装在便携关节式坐标测量机旋转关节内的绝对式时栅角度传感器，其测量精度为±1.7″；安装于仪器的光学扫描测头，测量精度为0.009mm，扫描速度为6000点/秒。
相较于国内外同类产品，本团队开发的便携关节式坐标测量机具有完全的自主知识产权，性能基本达到国际先进水平，打破了国外垄断。研制了适用于便携关节式坐标测量机的精密时栅角度传感器，取代圆光栅角度传感器，提高了测角精度，降低成本。
二、技术成熟程度
研制开发阶段，形成样机、样品或软件
三、推广合作方式
其他
四、团队简介
团队面向国家重大仪器研发需求，围绕微纳智能传感和精密测试技术研究。依托精密测量与智能传感技术实验室和现代测试技术与精密工程学科创新引智基地（111引智项目）平台，已发展成为国内精密测量与微纳传感技术领域具有重要影响的研究团队。团队负责人于连栋教授2017年入选“百千万人才工程国家级人选”并授予“国家级有突出贡献中青年专家”称号，享受国务院政府特殊津贴，2019年入选中国仪器仪表学会“当代仪器仪表与测量控制优秀科技创新人才”。团队先后主持/参与国家及省部级科研项目40余项，主持国家重大科学仪器设备开发专项、国家自然科学基金重大科研仪器研制项目、国家重点研发计划国际合作项目、111学科创新引智基地计划项目、国家自然科学基金面上项目等科研项目10项；在Photonics Research、Lab on a Chip、Optics Express、Measurement Science and Technology等精密测量与微纳传感技术领域权威期刊发表SCI论文120余篇；主编/参编著作2部；授权国家发明专利60余项；获省部级及以上科研奖励8项，包括中国仪器仪表学会科学技术一等奖、中国石油和化学工业联合会一等奖、安徽省人民政府技术发明二等奖等，全国仪器仪表学会优秀博士论文提名1篇，山东省优秀硕士论文2篇。
五、专利授权及申请情况
1、国家发明专利：一种基于虚拟球的空间标定体及其标定方法（授权）
2、国家发明专利：圆光栅安装时产生二维微小角度的测量装置及方法（授权）
3、国家发明专利：用于便携关节式坐标测量机误差标定的3D标定场（授权）
4、国家发明专利：大长径比管件内径多参数测量装置（授权）
5、国家发明专利：大长径比管件内径多参数测量装置及其测量方法（授权）
6、国家发明专利：微型尺蠖式压电驱动旋转关节机构（授权）
7、国家发明专利：一种空间两球心距离测量仪及其测量方法（授权）
8、国家发明专利：一种自助实训平台（授权）
9、国家发明专利：一种微型冲击式压电驱动的耦合装置（授权）
10、国家发明专利：基于便携关节式坐标测量机圆光栅测角误差的自校准方法（授权）
11、国家发明专利：坐标测量机测量路径规划方法（授权）
12、国家发明专利：一种基于误差源分析的圆光栅传感器测角误差修正方法（授权）
13、国家发明专利：基于聚焦二值图案的快速灰度条纹合成方法（授权）
14、国家发明专利：一种圆光栅测角误差补偿方法（授权）
15、国家发明专利：一种利用内置压簧实现力平衡和机构限位的摆动关节（授权）
16、国家发明专利：一种平行双关节坐标测量机的Z轴阿贝误差修正方法（授权）
17、国家发明专利：用于便携关节式坐标测量机标定的O型标准件（授权）
18、国家发明专利：一种基于BP神经网络的圆光栅传感器测角误差修正方法（授权）
19、国家发明专利：一种关节式坐标测量机的底座紧固机构（授权）
20、软件著作权：便携关节式坐标测量机标定数据采集软件V2.0.1（登记）
六、受资助及获奖情况
1、国家重大科学仪器设备开发专项，2013YQ220893，便携关节式坐标测量机开发与应用，2013-12至2018-06；
2、国家自然科学基金面上项目，51375137，三维阿贝误差补偿技术在关节式坐标测量机中的应用研究，2014-01至2017-12；
3、国家自然科学基金面上项目，51075117，柔性坐标测量机创新精度理论与应用技术研究，2011-01至2013-12；
4、国家自然科学基金面上项目，50775062，平行双关节坐标测量机关键技术研究，2008-01至2010-12；
5、安徽省科学技术奖，二等奖，便携非正交3D坐标测量系统研制及应用，2020；
6、中国仪器仪表学会科学技术奖，一等奖，柔性关节式3D坐标测量技术及系统，2019。
联系方式：0532-86983018。
