[發明專利]基于虛擬樣機的關節式坐標測量機采樣仿真方法

有效

• 申請號: 201610147825.5
• 申請日: 2016-03-14
• 公開（公告）號: CN105783806B
• 公開（公告）日: 2018-06-15
• 發明（設計）人: 胡毅;江超;費業泰;胡鵬浩;王宏濤;萬侃然
• 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: 安徽省合肥新安專利代理有限責任公司 34101
• 代理人: 何梅生

一種基于虛擬樣機的關節式坐標測量機采樣仿真方法，在機械系統動態分析軟件中搭建六自由度關節式坐標測量機虛擬樣機；在虛擬樣機各關節位置處分別添加旋轉副，在測頭的頂端設置球副，約束測頭于采樣點，完成單點虛擬樣機的搭建；依次選擇第一關節到第六關節為驅動關節，按設定的角度步距步進式旋轉，帶動其他關節轉動，使虛擬樣機呈現不同的姿態，采集到單點多姿態下六個關節角度，并由此得到圓編碼器測量值。借助于已知的六個圓編碼器的誤差特性和采樣點多姿態下圓編碼器測量值，通過計算獲得該點由于測角誤差而引起的測量誤差，再將分析單點測量誤差的方法推廣到整個空間，使得能夠利用足夠多的數據樣本進行最佳測量區的分析。

技術領域

本發明涉及一種應用在坐標測量技術領域中的基于虛擬樣機的關節式坐標測量機采樣仿真方法。

背景技術

關節式坐標測量機為多桿通過旋轉關節串聯而成的空間開鏈式串聯結構，由于其具有測量空間開闊、操作簡便、便攜性、對使用環境無特殊要求、易于實現在線測量等優點，而被廣泛應用于各類幾何零件的質量控制、產品的逆向工程、模具制造的計算機輔助檢測、產品加工裝配的在線或離線檢測等。

六自由度關節式坐標測量機具有各測量臂、各關節、各圓編碼器以及測頭，各測量臂分別是第一臂、第二臂和第三臂；各關節分別是第一關節、第二關節、第三關節、第四關節、第五關節和第六關節；各圓編碼器分別是第一圓編碼器、第二圓編碼器、第三圓編碼器、第四圓編碼器、第五圓編碼器和第六圓編碼器。每一個關節可以繞其自身的軸線轉動，每一個旋轉關節對應有一個自由度，裝在關節上的圓編碼器可以記錄關節轉動的角度，六個圓編碼器記錄的角度和測量機結構參數決定了測量機測頭的坐標。

六自由度關節式坐標測量機對空間一測量點測量時可以呈現為不同的姿態。由于測量機上六個圓編碼器的誤差特性不一樣，測量機以不同姿態測量空間同一確定測量點時，不同測量姿態對應六個圓編碼器的不同測量角度組合，從而對應著六個圓編碼器的不同角度誤差組合，導致空間某一確定測量點測量誤差隨著六個圓編碼器的轉角位置不同而隨機變化，為一個不確定的變量，其空間三維誤差如圖1所示，圖中P點表示某個測量點的實際位置，黑色區域Q表示P點測量誤差的范圍。由于六自由度關節式坐標測量機全部測量點測量誤差變化量的最大值在全測量空間范圍內是連續變化的，存在測量點最大誤差為最小或較小的最佳測量區，圖2中包含有第一區域1、第二區域2和第三區域3，其中的第一區域1即為最佳測量區，在最佳測量區進行測量，可以得到高精度的測量結果。

已經公開的論文對最佳測量區進行了理論探討，在關節式坐標測量機測量空間內進行大量實驗獲得數據樣本，并通過所建的數學模型計算實現在最佳測量區內測量。研究最佳測量區僅考慮關節式坐標測量機圓編碼器測量誤差單獨對關節式坐標測量機產生的測量誤差的影響，但在現實中，關節式坐標測量機的測量誤差不僅僅包含由圓編碼器測量誤差所產生的誤差，還包括桿件彈性變形、環境溫度和干擾等產生的誤差，很難單獨分離出測角誤差所產生的誤差；且通過實驗獲取實驗樣本時，空間布點受標準件限制，同時為了減輕工作量，只能采用有限的測量姿態，獲取有限的采樣數據，數據樣本不可能足夠多。

在已知六自由度關節式坐標測量機上六個圓編碼器的誤差特性情況下，可以計算出由圓編碼器測量誤差產生的測量誤差，從而確定一測量點形如圖1所示的誤差分布，并進一步地去分析最佳測量區。然而，對于空間的一個采樣點，以計算的方式獲得多姿態下六個角度值是難以實現的。

虛擬樣機技術是一門新興技術，通過計算機仿真能很直觀表現產品外觀、空間關系以及運動學和動力學的特性，但是，運用虛擬樣機模擬測量機在虛擬環境空間中測頭固定于一點進行多姿態運動、并輸出各姿態下六個圓編碼器角度，以及關于采樣點的合理分布策略迄今未見報道。

發明內容