基于弹性网络算法补偿三坐标测量机几何误差的方法技术

本发明专利技术公开了基于弹性网络算法补偿三坐标测量机几何误差的方法，建立激光追踪多站测量模型，利用L

【技术实现步骤摘要】
基于弹性网络算法补偿三坐标测量机几何误差的方法


[0001]本专利技术涉及一种基于激光追踪多站位技术提高三坐标测量机(Coordinate Measuring Machine，简称CMM)测量精度的几何误差补偿方法，属于精密测量


技术介绍

[0002]三坐标测量机是一种高效率、高精度的能与柔性制造系统相连接的精密测量仪器，解决了复杂形状表面轮廓尺寸的测量，提高了三维测量的测量精度，促进了自动生产线的发展，在工业零件的几何检测中，特别是在大尺寸测量和复杂形体测量中起着至关重要的作用，三坐标测量机也是衡量制造和测量水平的重要标志。
[0003]坐标测量机主要的误差来源为静态误差，约占总误差的60％
‑
70％。几何误差为静态误差的重要组成部分。三坐标测量机的21项几何误差是表征三坐标测量机性能的重要几何参数，其高精度补偿是保证三坐标测量机整体性能的先决条件。三坐标测量机几何误差的补偿技术包括单项几何误差补偿技术和误差综合补偿技术，但这两种传统方法在补偿效率和补偿精度方面的存在劣势。激光跟踪仪作为一种面向现场的便携式三维坐标测量仪器，与其他三坐标测量机的补偿技术相比，在补偿效率和方法操作简单方面具有很大的优势，但其角度测量的精度有限，且随测量范围的增大，角度的测量不确定度增大，因此激光跟踪仪在大型三坐标测量机几何误差补偿中受限。激光追踪仪采用基准球设计，机械旋转轴的偏差不会显著影响精度，使追踪仪空间距离的测量精度得到了大幅度提高。激光追踪仪更适用于大型高精度三坐标测量机和机床的几何误差补偿。
[0004]对于三坐标测量机几何误差的求解，传统的方式均基于体积误差与单轴几何误差之间的关系模型，该模型数据利用率低、算法精度低且耗时长。基于激光追踪多站位测量技术，建立三坐标测量机准刚体模型，有利于三坐标测量机几何误差求解的效率提高。为解决三坐标测量机准刚体模型存在的多重共线性问题，在此引入机器学习算法进行求解；弹性网络(Elastic Net)算法由斯坦福大学于2005年提出，是一种使用L1、L2范数作为先验正则项训练的线性回归模型，其结合了LASSO筛选重要变量的特性和岭回归防止多重共线性的优点。
[0005]为解决上述问题，本专利提出基于激光追踪多站位测量技术利用弹性网络算法补偿三坐标测量机几何误差的方法，该方法可精确求解三坐标测量机准刚体模型，获得21项几何误差，有效提高三坐标测量机的测量精度，且补偿效率高。

技术实现思路

[0006]本专利技术提出一种基于弹性网络算法补偿三坐标测量机几何误差的方法，目的是提供一种基于激光追踪多站位测量技术结合弹性网络算法对三坐标测量机准刚体模型进行精确求解的方法，获得21几何误差，补偿三坐标测量机，提高其的测量精度。为达到以上目的，本专利技术采取如下技术方案：
[0007]本专利技术采用的技术方案为基于弹性网络算法补偿三坐标测量机几何误差的方法。
该方法包括下述步骤：
[0008]步骤一：构建激光追踪多站位测量模型；在三坐标测量机坐标系下，设三坐标测量机测量空间内待测点为A
i
(x
i
,y
i
,z
i
)，其中i＝1,2,3,
…
,n；激光追踪仪的站位坐标为P
j
(X
j
,Y
j
,Z
j
)，其中j＝1,2,3,
…
,m；激光追踪仪的死程误差为d
j
；测量过程中激光追踪仪的测量数据为l
ij
，按三维空间两点距离公式建立下列关系式：
[0009][0010]规划测量范围、测量路径及激光追踪仪站位位置，用猫眼反射镜替代三坐标测量机测针，将激光追踪仪放置在初始站位P1控制猫眼反射镜按照规划路径移动，利用激光追踪仪依次采集规划测量点到激光追踪仪的相对距离l
i1
，随后对激光追踪仪进行转站测量。
[0011]步骤二：利用列文伯格
‑
马夸尔特(Levenberg
‑
Marquardt，L
‑
M)对激光追踪仪进行站位自校准，基于校准后激光追踪仪的站位构建三坐标测量机规划测量点测量系统，再次利用L
‑
M算法计算规划点实际坐标值求解出规划测量点的体积误差
[0012][0013]步骤三：基于准刚体模型建立FYXZ型坐标测量机体积误差与21项几何误差之间的关系
[0014][0015][0016][0017]式中，A1(x1,y1,z1)为测量初始点坐标，(x,y,z)为坐标测量机相对初始点的位移，(Δx,Δy,Δz)测量点体积误差，δ
x
(x),δ
y
(x),δ
z
(x)为x轴位移误差，ε
x
(x),ε
y
(x),ε
z
(x)为x轴旋转误差，δ
x
(y),δ
y
(y),δ
z
(y)为y轴位移误差，ε
x
(y),ε
y
(y),ε
z
(y)为y轴旋转误差，δ
x
(z),δ
y
(z),δ
z
(z)为z轴位移误差，ε
x
(z),ε
y
(z),ε
z
(z)为z轴旋转误差，α
xy
,α
xz
,α
yz
为垂直度误差。
[0018]步骤四：根据准刚体模型结合测量点个数及误差个数建立体积误差与几何误差之间的方程组。三坐标测量机测量空间内待测点A
i
(x
i
,y
i
,z
i
)到待测点A1(x1,y1,z1)三个坐标轴的位移分别为x
i1
＝x
i
‑
x1,y
i1
＝y
i
‑
y1,z
i1
＝z
i
‑
z1,带入三坐标测量机的准刚体模型(3)
‑
(5)中，得到
[0019]A
i
x
i
＝b
i
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0020]其中
[0021][0022][0023]b
i
＝[Δx
i
,Δy
i
,Δz
i
]T
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0024]设21项几何误差中所包含几何误差的个数为f个，共n个测量点，每个测量点对应一个公式(6)，整理方程组得到：
[0025][0026]式中，δ
x...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于弹性网络算法补偿三坐标测量机几何误差的方法，其特征在于：该方法包括下述步骤：步骤一：构建激光追踪多站位测量模型；在三坐标测量机坐标系下，设三坐标测量机测量空间内待测点为A
i
(x
i
,y
i
,z
i
)，其中i＝1,2,3,
…
,n；激光追踪仪的站位坐标为P
j
(X
j
,Y
j
,Z
j
)，其中j＝1,2,3,
…
,m；激光追踪仪的死程误差为d
j
；测量过程中激光追踪仪的测量数据为l
ij
，按三维空间两点距离公式建立下列关系式：规划测量范围、测量路径及激光追踪仪站位位置，用猫眼反射镜替代三坐标测量机测针，将激光追踪仪放置在初始站位P1控制猫眼反射镜按照规划路径移动，利用激光追踪仪依次采集规划测量点到激光追踪仪的相对距离l
i1
，随后对激光追踪仪进行转站测量；步骤二：利用列文伯格
‑
马夸尔特(Levenberg
‑
Marquardt，L
‑
M)对激光追踪仪进行站位自校准，基于校准后激光追踪仪的站位构建三坐标测量机规划测量点测量系统，再次利用L
‑
M算法计算规划点实际坐标值求解出规划测量点的体积误差求解出规划测量点的体积误差步骤三：基于准刚体模型建立FYXZ型坐标测量机体积误差与21项几何误差之间的关系步骤三：基于准刚体模型建立FYXZ型坐标测量机体积误差与21项几何误差之间的关系步骤三：基于准刚体模型建立FYXZ型坐标测量机体积误差与21项几何误差之间的关系式中，A1(x1,y1,z1)为测量初始点坐标，(x,y,z)为坐标测量机相对初始点的位移，(Δx,Δy,Δz)测量点体积误差，δ
x
(x),δ
y
(x),δ
z
(x)为x轴位移误差，ε
x
(x),ε
y
(x),ε
z
(x)为x轴旋转误差，δ
x
(y),δ
y
(y),δ
z
(y)为y轴位移误差，ε
x
(y),ε
y
(y),ε
z
(y)为y轴旋转误差，δ
x
(z),δ
y
(z),δ
z
(z)为z轴位移误差，ε
x
(z),ε
y
(z),ε
z
(z)为z轴旋转误差，α
xy
,α
xz
,α
yz
为垂直度误差；步骤四：根据准刚体模型结合测量点个数及误差个数建立体积误差与几何误差之间的方程组；三坐标测量机测量空间内待测点A
i
(x
i
,y
i
,z
i
)到待测点A1(x1,y1,z1)三个坐标轴的位移分别为x
i1
＝x
i
‑
x1,y
i1
＝y
i
‑
y1,z
i1
＝z
i
‑
z1,带入三坐标测量机的准刚体模型(3)
‑
(5)中，得到
A
i
x
i
＝b
i
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)其中其中b
i
＝[Δx
i
,Δy
i
,Δz
i
]
T
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)设21项几何误差中所包含几何误差的个数为f个，共n个测量点，每个测量点对应一个公式(6)，整理方程组得到：式中，δ
x
(x)是x轴的定位误差所构成的矩阵，矩阵大小与x轴所规划的测量范围及步长大小有关，其余x轴的几何误差均与δ
x
(x)有相同含义；Exx1表示δ
x
(x)对应的系数矩阵，长度与x轴所规划的测量范围及步长大小有关，其余单位矩阵的定义均与E
xx1
相同；(z+z1)1是ε
y
(x)的系数矩阵，因此(z+z1)1的大小与ε
y
(x)相同，其余系数矩阵均有相同的含义；步骤五：因公式(10)系数矩阵奇异，故采用机器学习中的弹性网络...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈洪芳，孙梦阳，石照耀，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：