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研究生: 陳聖仁
Chen, Shen-Jen
論文名稱: 六維運動量測裝置機構參數分析及座標量測應用
Analysis of Kinematics Parameters of a Six DOFs Motion Measurement Device and its Application in Coordinate Measurement
指導教授: 雷衛台
Lei, Wei-Tai
口試委員: 吳隆庸
Wu, Long-Iong
徐永源
Hsu, Yung-Yuan
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 動力機械工程學系
Department of Power Mechanical Engineering
論文出版年: 2017
畢業學年度: 105
語文別: 中文
論文頁數: 88
中文關鍵詞: 六維運動量測裝置
外文關鍵詞: Six-Degree-of-Freedom Motion Measurement Device(
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  • 六維運動量測裝置是由上平板、下平板以及六支具有光學尺的伸縮量測桿所組成,六支可伸縮量測桿各別安裝於對應的上下平板球穴,將此六維運動量測裝置安裝於機器進行誤差量測時,上平板會相對固定的下平板進行運動,透過可伸縮量測桿的光學尺獲得量測桿的移動量,並藉由計算得到上平板相對下平板的六維運動關係。
    論文以六維運動量測裝置為基礎,提出機構參數建立流程的改善方法,並分析機構參數對量測的影響,並以嚴謹的機構參數建立方法得到準確之機構參數。另外,根據分析結果定義機構參數的誤差模型,提出機構參數之數值調變方法,使六維運動量測裝置能根據量測誤差以調變方法進行機構參數的修正。
    本論文也研究倒掛型之六維運動量測裝置,以安裝自製探頭的方式構成座標量測機,提出石英平板與龍門架熱誤差的補償模型以抑制熱誤差對於座標量測機的影響,經定位實驗驗證,倒掛式六維運動量測裝置於X、Y、Z方向之單向定位精度為±2.5μm、±1.5μm、±2.3μm,經由機構參數調變方法進行修正,可將定位精度提升至±1.6μm、±1.4μm、±1.5μm。


    The Six-Degree-of-Freedom Motion Measurement Device(MMD) is composed of a top plate, bottom plate and six extensible ball bars with linear scale which are installed to the corresponding socket on the plate. When the device is installed on the machine to preform error measurement, top plate will move relatively to the bottom plate, and can get the displacement of each extensible ball bar which can be used to calculate the six DOFs motion between top plate and bottom plate.
    The research of thesis is based on Six-Degree-of-Freedom Motion Measurement Device, give out the improved method of establishing kinematic parameters of the device and analysis the effect of these parameters and rigorously establish the kinematic parameters. Use the result of analysis can define the error model of kinematic parameters and give out the numerical method let the system can update its kinematic parameters through its measurement error.
    The thesis also research the inverted type of Six-Degree-of-Freedom Motion Measurement Device, by installing the self-made probe to perform a coordinate measurement device, also give out the thermal error compensation model of the quartz plate and gantry in the coordinate measurement device to suppress thermal error. Verified by the positioning experiments, the unidirectional accuracy of X, Y and Z axis of the inverted type of Six-Degree-of-Freedom Motion Measurement Device is ±2.5μm, ±1.5μm and ±2.3μm and by using the updated kinematic parameters from numerical method, the unidirectional accuracy of X, Y and Z axis can be improved to ±1.6μm, ±1.4μm and ±1.5μm.

    摘要 . i Abstract ii 誌謝 . iii 目錄 . iv 圖目錄 vi 表目錄 x 1. 前言 1 2. 文獻回顧 2 2.1. 工具機量測系統 2 2.2. 三次元座標量測機 3 2.3. 六維運動量測裝置 5 2.4. 六維運動量測裝置之量測原理 6 2.4.1. 史都華逆向運動學 6 2.4.2. 史都華正向運動學 8 2.5. 史都華平台之機構參數鑑定方法 9 2.6. 研究目的 9 3. 六維運動量測裝置之機構參數建立 10 3.1. 機構參數建立 10 3.1.1. 校正長度建立 11 3.1.2. 量測桿校正 11 3.1.3. 球穴座標建立 12 3.2. 起始化工具 12 3.2.1. 校正長度建立板 12 3.2.2. 起始化平板之三角基準板 15 3.2.3. 起始化平板之龍門架 16 3.2.4. 量測桿多線段校正方法 16 4. 六維運動量測裝置之機構參數分析 18 4.1. 起始化過程之機構參數分析 18 4.1.1. 基準長度之誤差分析 18 4.1.2. 起始化校正長度之誤差分析 25 4.1.3. 起始化平板工作桿桿長之誤差分析 29 4.1.4. 起始化平板基準三邊之誤差分析 33 4.1.5. 機構參數誤差模型 38 4.1.6. 機構參數之數值調變方法 39 5. 六維運動量測裝置之座標量測機 42 5.1. 座標量測應用之設計 42 5.1.1. 工作空間分析 42 5.1.2. 驅動機器類型決定 44 5.1.3. 平板設計 45 5.1.4. 龍門架設計 46 5.1.5. 探頭設計 47 5.1.6. 可動板連接件設計 48 5.2. 安裝與架設 49 6. 系統實現與驗證 52 6.1. 熱補償實驗 52 6.1.1. 參考桿挑選實驗 53 6.1.2. 石英平板熱誤差補償實驗 55 6.1.2.1. 石英平板熱動態模型建立 55 6.1.2.2. 石英平板熱誤差補償方式 61 6.1.3. 龍門架熱誤差補償實驗 62 6.1.3.1. 龍門架熱動態模型建立 62 6.1.3.2. 龍門架熱誤差補償方式 66 6.2. 精度驗證實驗 67 6.3. 探頭量測實驗 81 7. 結論 86 8. 參考文獻 87

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