六自由度关节式柔性坐标测量机高精度标定方法技术

六自由度关节式柔性坐标测量机高精度标定方法，以关节式坐标测量机为待标定机，选择使用具有更高精度的三坐标测量机为标准机，待标定机置于标准机测量空间内；分别获得测头在标准坐标系中的标准坐标，以及测头在待标定坐标系中的测量坐标；以标准坐标和测量坐标作为采样数据，使用最小二乘法得到待标定机的误差参数；其特征是设定采样密度是待标定机的每个关节至少在每周３６０内等分的两个角度位置上，由六个关节以不同的角度位置组合所形成的待标定机的不同摆放姿态至少为６４种。本发明专利技术方法可以进一步提高参数识别精度，提高测量机的整体精度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于坐标测量
，具体涉及关节式柔性坐标测量机的标定方法。
技术介绍
关节式柔性坐标测量机通常是由各测量臂串联各旋转关节(简称关节)构成开链结构， 该开链结构的末端是测量机的测头。各关节可以绕其自身的轴线进行转动，为记录关节转动 的角度，需要在关节上安装角度传感器，作为角度传感器，高精度的圆光栅是选择之一。每 个关节有一个自由度，六自由度的关节式柔性坐标测量机则有六个关节。在使用测量机进行 坐标测量时，测量机测头的坐标是测量机结构参数与其六个关节角度的函数。未经标定的关节式柔性坐标测量机测头位置误差往往很大，不能满足使用要求，为了保 障测量机的整体精度， 一项重要的工作是对测量机进行标定并进行修正。其中，标定的过程 是获得测量机精确几何参数的过程，修正是将标定的结构应用于测量机系统以获得更精确坐 标。柔性坐标测量机的误差主要包括结构几何误差(geometric errors)与非几何误差 (non-geometric errors),前者是指测量机基于测量方程的结构参数误差，而后者主要是指测量 机关节间隙、变形等引起的误差。一种已有的标定方法，是将待标定机置于更高精度坐标测量仪器(比如正交坐标测量机、 激光跟踪仪等)的测量空间中，形成两个坐标系， 一个是高精度坐标测量仪器的标准坐标系， 另一个是待标定机坐标系。首先像测量工件一样在待标定关节式坐标测量机(简称待标定机) 的原点建立待标定机坐标系。改变待标定机的关节角度以调整待标定机的空间摆放姿态，对 应于每一摆放姿态，获得测头在标准坐标系中的坐标值，以及测头在待标定坐标系中的测量 坐标；以标准坐标和测量坐标作为采样数据，对于所获得的所有采样数据，通过计算获得待 标定机的误差参数。上述已有的标定方法虽然能够实现参数识别，但是它们在采样策略上存在缺陷《柔性 三坐标测量臂的标定技术研究》(西安交通大学学报，2006.3， pp284-286)(以下简称为文 献1)中采取的采样策略是"在测量臂工作空间中均匀选取12个点"；《柔性三坐标测量机 的结构系统及误差修正标定分析》(工具技术，2006.40， pP76-78)(以下简称为文献2)中 没有给出具体的采样策略；而《关节式柔性坐标测量机参数辨识方法》(农业机械学报， 2007.7， ppl29-132)(以下简称为文献3)则采用了单点锥窝的标定方法，将一个锥窝固定 在测量空间的一个位置，使用关节式柔性坐标测量机对锥窝顶点连续采样200点。这些标定 方法无一例外地忽略了这种形式的坐标测量机空间误差分布规律。从测量方程分析，在测量机所能达到的球形测量空间内的不同位置测量机的误差大小不同，相应各参数的传递函数也 不同。误差区间是一个球体，在空间不同测量点误差球的直径也不同。测量机的主要误差因 素在于编码器的精度，编码器使用的分度位置的不同编码器的误差变化决定了空间任何一点 的误差不同，这决定了测量空间任何一点误差球体的大小不同。在实际标定过程中也发现了 标定时在空间某一区间内效果较好，可使整机达到较高精度，在另一区间内整机效果则较差。 这样一来，如果测量区间与标定区间不一致，最终造成了测量机实际精度不高。此外，现有的标定方式由于采样时的随意性大，采样密度不够，比如在文献1中记载 的是"在测量臂工作空间中均匀选取12个点"，但这是远远不够的；文献3是将一个锥窝固 定在测量空间的一个位置，使用关节式柔性坐标测量机对锥窝顶点连续采样200点，这样的 一个点并不能代表关节式坐标测量机在整个测量空间内的表现；这一原因导致标定效果不理 想，突出的问题是某一空间区域内的标定不能保证其它空间区域中实际测量时的精度。
技术实现思路
本专利技术是为避免上述现有技术所存在的问题，提供一种六自由度关节式柔性坐标测量机 高精度标定方法，以进一步提高参数识别精度，进而提髙测量机的整体精度。 本专利技术解决技术问题所采用的技术方案是本专利技术是以关节式坐标测量机为待标 定机，选择使用具有更高精度的三坐标测量机为标准机，将所述待标定机置于标准机的测量 空间内；形成两个坐标系， 一个是三坐标测量机的标准坐标系，另一个是在关节式坐标测量 机的原点建立待标定机坐标系，改变待标定机的关节角度以调整待标定机的空间摆放姿态， 对应于每一摆放姿态，分别获得测头在标准坐标系中的标准坐标，以及测头在待标定坐标系 中的测量坐标；以所述标准坐标和测量坐标作为采样数据，对于所获得的所有采样数据，使 用最小二乘法得到待标定机的误差参数；本专利技术方法的特点是设定采样数据的采样密度是待标定机的每个关节至少在每周360内等分的两个角度位 置上，由六个关节以不同的角度位置组合所形成的待标定机的不同摆放姿态至少为64种；对于采样所得到的至少64个测头位置的标准坐标和测量坐标，分别取其中任意两个点 的坐标值，计算两点间距离，获得两组表征两点间距离的线值，每组至少为2016个线值， 对应线值之差即为标定误差值。本专利技术方法的特点也在于-所述采样密度为每个关节在每周中相隔180度的两个角度位置上，由六个关节以各自两 个角度位置组合所形成的待标定机的不同的摆放姿态为26即64种。所述采样密度为每个关节在每周中相隔120度三个角度位置上，由六个关节以各自三个 角度位置组合所形成的待标定机的不同的摆放姿态为36即729种。所述采样密度为每个关节在每周中相隔90度的四个角度位置上，由六个关节以各自四 个角度位置组合所形成的待标定机的不同的摆放姿态为46即4096种。与已有技术相比，本专利技术的有益效果体现在1、 本专利技术采样点近似均匀分布整个测量空间，能充分提取关节测量机在有效测量空间 内的误差信息，使待标定机的整体精度得到保证。2、 本专利技术在数据处理时实际使用的是任意两点的距离的数据量，该数据量远远大于采 样点本身的数据量，约为原采样点数量n的(n—l)/2倍，如此大量的采样数据使标定工作 更为准确。3、 本专利技术可以通过采用坐标测量机触发测头自动采集信号，保证在所有采样点的稳定性。附图说明图1为本专利技术方法中待标定机定位于某一待测姿态示意图。 图中标号l基座、2可调支杆、3夹具、4测量臂、5关节、6测头。 以下通过具体实施方式，并结合附图对本专利技术方法作进一步说明。具体实施方式图1所示的待标定机为六自由度关节式柔性坐标测量机，在基座1上，由两段测量臂4 串联六个可旋转的关节5构成开链结构，该开链结构的末端是测量机的测头6。各关节5可 以绕其自身的轴线进行转动，为记录关节转动的角度，关节上安装有高精度的圆光栅角度传 感器，测量机的姿态是由可调支杆2通过夹具3进行定位。理论和实践都表明，对于待标定机，只有比较可靠地在较大区间进行标定，其实际使用 时才能更为可靠，因此选择测量机误差从小到大区间，提取全场误差信息，同时，利用最小 二乘原理对提取的信息进行数据处理，从而使整机误差与最小最大误差都比较接近，实现高 精度标定。对于选择光栅测量角度传感器，光栅分度误差不可忽视，根据光栅分度误差的规律，它 的一次分量是主要分量，是分度误差的主要因素。它是一个周期为2;r正弦函数。根据奈奎 斯特采样定理，为了提取分度误差的一次分量信息，最少需要在一周内对光栅的两个位置进 行采样。本实施例利用这一原理进行设置，将关节式本文档来自技高网...

【技术保护点】
六自由度关节式柔性坐标测量机高精度标定方法，以关节式坐标测量机为待标定机，选择使用具有更高精度的三坐标测量机为标准机，将所述待标定机置于标准机的测量空间内；形成两个坐标系，一个是三坐标测量机的标准坐标系，另一个是在关节式坐标测量机的原点建立待标定机坐标系，改变待标定机的关节角度以调整待标定机的空间摆放姿态，对应于每一摆放姿态，分别获得测头在标准坐标系中的标准坐标，以及测头在待标定坐标系中的测量坐标；以所述标准坐标和测量坐标作为采样数据，对于所获得的所有采样数据，使用最小二乘法得到待标定机的误差参数；其特征是：设定采样数据的采样密度是待标定机的每个关节至少在每周３６０内等分的两个角度位置上，由六个关节以不同的角度位置组合所形成的待标定机的不同摆放姿态至少为６４种；对于采样所得到的至少６４个测头位置 的标准坐标和测量坐标，分别取其中任意两个点的坐标值，计算两点间距离，获得两组表征两点间距离的线值，每组至少为２０１６个线值，对应线值之差即为标定误差值。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：费业泰，程文涛，于连栋，夏豪杰，李光珂，陈宝刚，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：34[中国|安徽]