[發(fā)明專利]圓柱坐標測量機下非正交非線性三維掃描測頭標定方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010517186.3
• 申請日: 2020-06-09
• 公開（公告）號: CN111678470B
• 公開（公告）日: 2021-09-17
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張旭;楊康宇;朱利民
• 申請（專利權(quán)）人: 無錫身為度信息技術(shù)有限公司
• 主分類號: G01B21/00
• 分類號: G01B21/00
• 代理公司: 無錫市大為專利商標事務所(普通合伙) 32104
• 代理人: 曹祖良;屠志力

1.一種圓柱坐標測量機下非正交非線性三維掃描測頭標定方法，其特征在于，包括：采用標準球作為標定參考物，構(gòu)建多條掃描軌跡，建立以球面約束為目標函數(shù)的優(yōu)化問題，并針對三階項系數(shù)過小，進行系數(shù)估計調(diào)整，得到適合優(yōu)化的球面約束目標函數(shù)，利用Levenberg-Marquardt算法實現(xiàn)優(yōu)化；

該方法具體包括：

步驟一，在圓柱坐標測量機定義三根軸，包括兩根平動軸X軸和Z軸，以及一根旋轉(zhuǎn)軸C軸；并相應建立坐標系；

建立圓柱坐標測量機的機器坐標系W_M和圓柱坐標測量機上測頭的測頭坐標系W_T；其中機器坐標系以圓柱坐標測量機機器零位為坐標原點，測頭坐標系以測頭上的測球中心為原點；測頭坐標系與機器坐標系的三軸方向相同；

建立轉(zhuǎn)臺坐標系W_C：以轉(zhuǎn)臺軸線為轉(zhuǎn)臺坐標系的Z軸，坐標原點取為其軸線與機器坐標系W_M的xy平面的交點，以轉(zhuǎn)臺坐標系的Z軸與機器坐標系的X軸叉乘結(jié)果作為轉(zhuǎn)臺坐標系的Y軸，然后根據(jù)右手法則確定轉(zhuǎn)臺坐標系的X軸；

建立活動轉(zhuǎn)臺坐標系W_R：初始位置與W_C完全重合，隨轉(zhuǎn)臺一起轉(zhuǎn)動的坐標系；

確定測頭坐標系下的點^TP和活動轉(zhuǎn)臺坐標系下的點^RP相互變換關(guān)系；

步驟二，在轉(zhuǎn)臺上安裝標準球，測定標準球球心；

步驟三，以測頭變形量為δ，根據(jù)標準球球心坐標S₀規(guī)劃六條掃描軌跡：根據(jù)測頭性質(zhì)選擇兩個合適變形量δ₁和δ₂規(guī)劃掃描軌跡并得到圓柱坐標測量機的三根軸的運動控制量；

步驟四，在掃描前，記錄測頭初始電壓輸出量p₀、q₀、r₀；然后控制圓柱坐標測量機三軸聯(lián)動掃描標準球上六條軌跡，實時掃描時記錄每個位置對應的三根軸運動量，測頭電壓輸出量p₁、q₁、r₁；

測頭變形對應的電壓輸出量分別為：

步驟五，根據(jù)泰勒函數(shù)展開理論得到測頭變形量與測頭變形對應的電壓輸出量之間的三階等式關(guān)系：

所有測量點都在以S為球心，半徑為R的球面上，R＝R₁+R₂，R₁為標準球半徑，R₂為測頭上的測球半徑；構(gòu)建以球面約束為目標函數(shù)的最優(yōu)化問題：

步驟六，把數(shù)據(jù)代入目標函數(shù)中，進行兩次優(yōu)化：第一次將三階系數(shù)C設(shè)置為0，利用Levenberg-Marquardt算法，優(yōu)化出系數(shù)A和B；第二次根據(jù)A和B的數(shù)量級預估C的數(shù)量級，然后將B和C的數(shù)量級調(diào)整和A數(shù)量級大致一樣，避免因為系數(shù)C過小而無法優(yōu)化；據(jù)此調(diào)整目標函數(shù)然后再次利用Levenberg-Marquardt算法優(yōu)化出系數(shù)A、B、C，以及球心位置S和測頭的測球半徑。

2.如權(quán)利要求1所述的圓柱坐標測量機下非正交非線性三維掃描測頭標定方法，其特征在于，

步驟一中，測頭坐標系下的點^TP和活動轉(zhuǎn)臺坐標系下的點^RP相互變換關(guān)系為：

記

^RP＝Trans(Z,X,θ)^TP

^TP＝Trans^-1(Z,X,θ)^RP

其中，為轉(zhuǎn)臺坐標系到機器坐標系的變換關(guān)系，為活動轉(zhuǎn)臺坐標系到轉(zhuǎn)臺坐標系的變換關(guān)系，為圓柱坐標測量機平動軸Z軸坐標系到機器坐標系的變換關(guān)系，為圓柱坐標測量機平動軸X軸坐標系到圓柱坐標測量機平動軸Z軸坐標系的變換關(guān)系，為測頭坐標系到圓柱坐標測量機平動軸X軸坐標系的轉(zhuǎn)換關(guān)系；Trans(Z,X,θ)就是在圓柱坐標測量機三根軸運動量(Z,X,θ)下的一個坐標系間轉(zhuǎn)換式。

3.如權(quán)利要求1所述的圓柱坐標測量機下非正交非線性三維掃描測頭標定方法，其特征在于，

步驟二中，手動控制圓柱坐標測量機三根軸運動在標準球上探測五個點，運用最小二乘法擬合得到球心。