[發明專利]六自由度關節式柔性坐標測量機高精度標定方法

無效

• 申請號: 200710302604.1
• 申請日: 2007-12-28
• 公開（公告）號: CN101216299A
• 公開（公告）日: 2008-07-09
• 發明（設計）人: 費業泰;程文濤;于連棟;夏豪杰;李光珂;陳寶剛
• 申請（專利權）人: 合肥工業大學
• 主分類號: G01B21/04
• 分類號: G01B21/04
• 代理公司: 安徽省合肥新安專利代理有限責任公司
• 代理人: 何梅生

技術領域

本發明屬于坐標測量技術領域，具體涉及關節式柔性坐標測量機的標定方法。

背景技術

關節式柔性坐標測量機通常是由各測量臂串聯各旋轉關節(簡稱關節)構成開鏈結構，該開鏈結構的末端是測量機的測頭。各關節可以繞其自身的軸線進行轉動，為記錄關節轉動的角度，需要在關節上安裝角度傳感器，作為角度傳感器，高精度的圓光柵是選擇之一。每個關節有一個自由度，六自由度的關節式柔性坐標測量機則有六個關節。在使用測量機進行坐標測量時，測量機測頭的坐標是測量機結構參數與其六個關節角度的函數。

未經標定的關節式柔性坐標測量機測頭位置誤差往往很大，不能滿足使用要求，為了保障測量機的整體精度，一項重要的工作是對測量機進行標定并進行修正。其中，標定的過程是獲得測量機精確幾何參數的過程，修正是將標定的結構應用于測量機系統以獲得更精確坐標。柔性坐標測量機的誤差主要包括結構幾何誤差(geometric?errors)與非幾何誤差(non-geometric?errors)，前者是指測量機基于測量方程的結構參數誤差，而后者主要是指測量機關節間隙、變形等引起的誤差。

一種已有的標定方法，是將待標定機置于更高精度坐標測量儀器(比如正交坐標測量機、激光跟蹤儀等)的測量空間中，形成兩個坐標系，一個是高精度坐標測量儀器的標準坐標系，另一個是待標定機坐標系。首先像測量工件一樣在待標定關節式坐標測量機(簡稱待標定機)的原點建立待標定機坐標系。改變待標定機的關節角度以調整待標定機的空間擺放姿態，對應于每一擺放姿態，獲得測頭在標準坐標系中的坐標值，以及測頭在待標定坐標系中的測量坐標；以標準坐標和測量坐標作為采樣數據，對于所獲得的所有采樣數據，通過計算獲得待標定機的誤差參數。

上述已有的標定方法雖然能夠實現參數識別，但是它們在采樣策略上存在缺陷：《柔性三坐標測量臂的標定技術研究》(西安交通大學學報，2006.3，pp284-286)(以下簡稱為文獻1)中采取的采樣策略是“在測量臂工作空間中均勻選取12個點”；《柔性三坐標測量機的結構系統及誤差修正標定分析》(工具技術，2006.40，pp76-78)(以下簡稱為文獻2)中沒有給出具體的采樣策略；而《關節式柔性坐標測量機參數辨識方法》(農業機械學報，2007.7，pp129-132)(以下簡稱為文獻3)則采用了單點錐窩的標定方法，將一個錐窩固定在測量空間的一個位置，使用關節式柔性坐標測量機對錐窩頂點連續采樣200點。這些標定方法無一例外地忽略了這種形式的坐標測量機空間誤差分布規律。從測量方程分析，在測量機所能達到的球形測量空間內的不同位置測量機的誤差大小不同，相應各參數的傳遞函數也不同。誤差區間是一個球體，在空間不同測量點誤差球的直徑也不同。測量機的主要誤差因素在于編碼器的精度，編碼器使用的分度位置的不同編碼器的誤差變化決定了空間任何一點的誤差不同，這決定了測量空間任何一點誤差球體的大小不同。在實際標定過程中也發現了標定時在空間某一區間內效果較好，可使整機達到較高精度，在另一區間內整機效果則較差。這樣一來，如果測量區間與標定區間不一致，最終造成了測量機實際精度不高。

此外，現有的標定方式由于采樣時的隨意性大，采樣密度不夠，比如在文獻1中記載的是“在測量臂工作空間中均勻選取12個點”，但這是遠遠不夠的；文獻3是將一個錐窩固定在測量空間的一個位置，使用關節式柔性坐標測量機對錐窩頂點連續采樣200點，這樣的一個點并不能代表關節式坐標測量機在整個測量空間內的表現；這一原因導致標定效果不理想，突出的問題是某一空間區域內的標定不能保證其它空間區域中實際測量時的精度。

發明內容

本發明是為避免上述現有技術所存在的問題，提供一種六自由度關節式柔性坐標測量機高精度標定方法，以進一步提高參數識別精度，進而提高測量機的整體精度。

本發明解決技術問題所采用的技術方案是：

本發明六自由度關節式柔性坐標測量機高精度標定方法是以關節式坐標測量機為待標定機，選擇使用具有更高精度的三坐標測量機為標準機，將所述待標定機置于標準機的測量空間內；形成兩個坐標系，一個是三坐標測量機的標準坐標系，另一個是在關節式坐標測量機的原點建立待標定機坐標系，改變待標定機的關節角度以調整待標定機的空間擺放姿態，對應于每一擺放姿態，分別獲得測頭在標準坐標系中的標準坐標，以及測頭在待標定坐標系中的測量坐標；以所述標準坐標和測量坐標作為采樣數據，對于所獲得的所有采樣數據，使用最小二乘法得到待標定機的誤差參數；

本發明方法的特點是：