[發明專利]一種基于虛擬球的空間標定體及其標定方法

有效

• 申請號: 201410023084.0
• 申請日: 2014-01-18
• 公開（公告）號: CN103791868A
• 公開（公告）日: 2014-05-14
• 發明（設計）人: 于連棟;趙會寧;董釗;李維詩;鄭文興;魯思穎;韓麗玲
• 申請（專利權）人: 合肥工業大學
• 主分類號: G01B21/00
• 分類號: G01B21/00
• 代理公司: 安徽合肥華信知識產權代理有限公司 34112
• 代理人: 余成俊

技術領域

本發明涉及基于虛擬球的空間標定體屬于關節式坐標測量機技術領域，尤其涉及一種基于虛擬球的空間標定體及其標定方法。

背景技術

關節式坐標測量機通常由各測量臂串聯各旋轉關節或者線位移關節形成的開鏈式結構，其末端為關節式坐標測量機的測頭。有的關節繞其自身軸線轉動，有的關節沿其軸線方向進行平移。為了記錄關節的變化量，各個發生相對運動的關節可以安裝有角度傳感器或者線位移傳感器。在使用關節式坐標測量機進行測量時，其三維坐標是由測量機的結構參數與各關節相對變化的角度或者線位移量為變量的構成函數。實際上，未標定的關節式坐標測量機的測頭位置和理想值之間有很大的誤差。為了保證關節式坐標測量機的測量精度，需要對測量機的結構參數進行標定，并加以修正。其結構參數的標定過程是采用高精度測量儀器或者標準件進行對比，獲取更為精確的結構參數過程。

目前，對關節式坐標測量機標定時，常采用標準件有高精密標準球、量塊等。下面分別針對這兩種標準件進行介紹：

采用高精密標準球作為標準件時，通過在球表面進行數據點采集并進行球擬合得出球的半徑或者直徑和高精密標準球的標稱值進行對比，同時也可以改變其在空間中的位置，以獲取更多的測量位姿的誤差信息。利用高斯-牛頓算法計算出關節式坐標測量機的幾何參數值。但它存在一定的缺陷：

1、高精密標準球的加工成本高

高精密標準球是通過測量其表面上的點并進行球擬合確定其半徑或者直徑的標準量具。其球度誤差的大小直接影響標定結果的準確性。同時標準球的精度越高，那加工成本也就越高。

2、在使用高精密標準球時，采樣點分布引入的誤差

在使用高精密標準球時，由于每次或者不同人操作導會致采樣點分布不同，影響球擬合出來球的半徑或者直徑，進而影響標定結果的準確性。

采用量塊作為標準件時，用待標定的關節式坐標測量機測量量塊的兩個端面，以獲取量塊的長度與量塊的標稱值進行比對。同時可以改變量塊在測量空間中位姿，以獲得更多的測量位置的誤差信息。通過這些數據進行計算獲得關節式坐標測量機的幾何參數。但在使用量塊進行關節式坐標測量機標定時，仍存在著一定的缺陷：

1、熱變形誤差較大

通常情況下，量塊的材質由鉻錳鋼、鉻鋼和軸承鋼制成。其溫度線膨脹系數為α_s=(11.5±1)×10^-6/℃。按照膨脹系數公式，△L=[α_s×(t_s-20)]×l，t_s為量塊使用時測量溫度(℃)，l為使用量塊的標稱長度(m)。在非恒溫的測量環境下，使用標稱長度為500mm的量塊時，當測量環境溫度發生3～5℃的變化時，就會引入20～30μm的系統誤差，直接影響標定結果的準確性。

2、工作面的加工精度要求高

量塊是由兩個相互平行的被測面之間的距離來確定其工作長度的高精度量具。其兩個工作面的平面度和平行度高低直接影響量塊的精度。同時，其精度越高，量塊價格也越高。

3、在使用量塊時，工作面擬合引入的誤差

在使用量塊進行關節式坐標測量機標定時，通常以其中一個工作面作為參考面，在參考面上至少測量三個點進行平面擬合，再另一個工作面上取一點，計算該點到擬合平面的距離即為量塊的工作長度。事實上，參考面端采樣點分布的不同，擬合得到的平面也會存在著一定的誤差，直接影響量塊的工作長度，進而影響關節式坐標測量機標定結果的準確性。

發明內容

本發明的目的是為了彌補已有技術的不足，提供了一種標定結果準確性高，使用時能有效減少測量環境溫度、加工精度和采樣點分布引入的誤差，提高標定效率，使用簡單，成本較低的基于測量空間的用于關節式坐標測量機標定的基于虛擬球的空間標定體及其標定方法。

本發明是通過以下技術方案來實現的：

一種基于虛擬球的空間標定體及其標定方法，其特征在于：采用標準桿件和基座分離的形式以及激光跟蹤儀作為測量設備進行標定，其中基座采用硬質鋁合金板為標準桿件的安裝平臺；