一种基于虚拟标定件的关节式坐标测量机标定方法技术

本发明专利技术公开了一种基于构造虚拟标定件的关节式坐标测量机标定方法。该方法如下：一、确定12个采样点的坐标；二、利用12个采样点构造选定类型的虚拟标定件。三、精密机床的主轴带动标定工具依次移动到所有虚拟标定件上的采样点位置。每当标定工具到达一个采样点时，均使用关节式坐标测量机的球形测头对标定工具的坐标进行测量。四、根据测量结果对关节式坐标测量机进行标定。本发明专利技术通过在精密机床中设定12个采样点，从而构造出大量的不同类型的虚拟标定件，且标定件的尺寸和空间位姿尽可以根据采样点的变化而发生变化；相比于使用只能改变空间位姿的实体标定件的现有标定方式，本发明专利技术显著增强了标定效果和标定效率。明显著增强了标定效果和标定效率。明显著增强了标定效果和标定效率。

【技术实现步骤摘要】
一种基于虚拟标定件的关节式坐标测量机标定方法


[0001]本专利技术属于坐标机标定
，具体涉及一种基于虚拟标定件的关节式坐标测量机标定方法。

技术介绍

[0002]三坐标测量机自诞生之初就开始应用于机械制造、电子、汽车和航空航天等新兴工业中，通用性强、测量范围大、精度高、效率高、性能好，已获得广泛应用和长足发展。关节式坐标测量机的标定可以分为四个步骤：一、建立测量模型；二、标定数据采集；三、从标定数据求解以获得结构参数；四、实验验证结构参数的有效性。这四个步骤是相辅相成的：第一步所建立的测量模型是测量机的数学基础；第二步主要是依据所设计的标定方案使用关节式坐标测量机探测特定的标准件获得大量的角度信息；第三步一般是通过特定的优化算法对获得的角度信息进行处理来得到结构参数；第四步即是将求得的结构参数应用到所标定测量机以提高其测量精度的过程。目前，关节式坐标测量机的标定，所采用的基准值主要分为这几类：1)单点基准；2)长度值；3)坐标值。
[0003]正交式坐标测量机作为基准的标定方法，其做法是将关节式坐标测量机置于正交式坐标测量机的测量空间中，首先使用正交式坐标测量机在关节式坐标测量机的基座上建立坐标系，使之尽量与关节式坐标测量机的机器坐标系重合。通过夹具将关节式坐标测量机的姿态固定，必须保证关节式坐标测量机的测头在正交三坐标测量机的测量空间内。然后使用正交坐标测量机测量测头球心的坐标，在测量过程中须保证测头稳定，在正交三坐标测量机采样的过程中，需要同时采样关节式坐标测量机的角度。采取完一个点后再改变夹具，以改变关节式坐标测量机的姿态，待测头稳定后继续采下一点。直至采到了足够多的数据。
[0004]Santolaria则使用了一种球列杆标准件来标定关节式坐标测量机，并对其进行了深入的系统性研究，其采样球杆上的7个球作为采样点，在采样时不断变换杆的位姿，以获取足够多的数据，最后采用LM法对所得的数据进行处理，也取得了较好的效果。Santolaria对六自由度的关节式坐标测虽机所建的模型是一种冗余参数模型，含有27项结构参数。但是Santolaria的方法需要改变测头的型式，以匹配采样的标准球，所采用的测头在实际测量时不
·
能使用，所以需要进行测头参数的标定。在所有的以长度量为基准的标定方法中以自制的两端带有锥孔的杆件最为简单，也比较有效。由于标准件两端是锥孔可以直接使用球形测头对其进行采样，而不需要制作特制的测头，这样标定出来的参数可以直接应用于测量，便于测量效果的检验。
[0005]Shimojima采用三维球板对关节式坐标测量机进行标定，其采用的方法为：使用高精度正交式坐标测量机测量球板上的球心坐标，然后将球板放置于测量机周围5个不同的位置，使用关节式坐标测量机采样获得9个位置点，以这些点的坐标作为基准值。
[0006]以上方法在标定时仍存在不足，标定过程中需要高精度标定件，高精度标定件加工制造成本不容小觑。本专利技术旨在使用虚拟标定件代替实体标定件。利用更高精度的仪器
构造虚拟标定件，完成标定过程。在需要关节式坐标测量机检验物体尺寸的场景往往具备精密加工设备，为了更好地结合工业实际，可以使用精密机床(优选三轴数控机床)构造虚拟标定件。

技术实现思路

[0007]本专利技术目的在于提出一种基于虚拟标定件的关节式坐标测量机标定方法。标定时，相比于只能改变其空间姿态的实体标定件，本专利技术中采用的虚拟标定件由各个标定点组成，选择不同的标定点可以构成不同的几何形状、尺寸及空间位姿的虚拟标定件。从而使关节式坐标测量机的活动更加充分，还可以根据关节式坐标测量机的不同类型采取针对性的标定策略。
[0008]本专利技术是一种构造虚拟标定件对关节式坐标测量机进行标定的方法，以使用精密机床构造虚拟标定件为例，其具体步骤如下：
[0009]步骤一、在关节式坐标测量机中确定N个采样点，N≥5；选定若干种虚拟标定件类型；虚拟标定件类型包括虚拟圆标定件和虚拟球标定件。虚拟圆标定件的标定参数为虚拟圆心半径长度或两虚拟圆圆心间距。虚拟球标定件的标定参数为虚拟球半径长度或两虚拟球球心间距。
[0010]步骤二、利用N个采样点构造选定类型的多个虚拟标定件。
[0011]步骤三、在精密机床的主轴上安装用于对关节式坐标测量机的测头进行定位的标定工具。精密机床的主轴带动标定工具依次移动到所有虚拟标定件上的采样点位置。每当标定工具到达一个采样点时，均使用关节式坐标测量机的球形测头对标定工具的坐标以多种不同的姿态进行测量。
[0012]步骤四、通过步骤三测得的各采样点测量坐标值，获取所有虚拟标定件的标定参数测量值。根据标定参数测量值和标定参数实际值构建目标函数。利用目标函数对关节式坐标测量机进行标定。
[0013]作为优选，步骤二中，若虚拟标定件的类型为虚拟圆标定件，则对采样点构造出的各虚拟圆标定件进行筛选，仅保留特征三角形最大角为90
°
～120
°
且半径为400mm～500mm的虚拟圆标定件。特征三角形指形成虚拟圆标定件的三个采样点连成的三角形。在进行利用虚拟圆标定件组合的圆心进行标定时，在虚拟圆标定件筛选结果的基础上，仅保留圆心距小于或等于100mm的虚拟圆标定件组合。
[0014]作为优选，步骤二中，若虚拟标定件的类型为虚拟球标定件，则对采样点构造出的各虚拟球标定件进行筛选，则仅保留半径为600mm～700mm的虚拟球标定件。在进行利用虚拟球标定件组合的圆心进行标定时，在虚拟球标定件筛选结果的基础上，仅保留圆心距小于或等于100mm的虚拟球标定件组合。在进行利用虚拟球标定件组合的圆心进行标定时，在虚拟球标定件筛选结果的基础上，仅保留球心距为200mm～300mm的虚拟球标定件组合。
[0015]作为优选，所述的标定工具采用三球锥窝。所述的三球锥窝包括小轴段和大轴段；小轴段用于与精密机床的主轴连接；大轴段端面有锥孔，锥孔内设置有沿锥孔中心轴线的周向均布的三个球体。
[0016]作为优选，步骤三中，对每个采样点的采样次数均大于或等于30次。
[0017]作为优选，所述的采样点数量N的取值为12。
[0018]作为优选，设定N个采样点的位置的过程如下：
[0019]首先，确定空间内的一组特征点的坐标(s
i
,t
i
,z
i
)如下：
[0020][0021]式中，i∈{0,...,N
‑
1},h为Z轴特征常数。
[0022]之后，将N个特征点的坐标分别乘以放大特征常数，得到N个采样点的坐标；N个采样点均在坐标测量机的测量空间内。
[0023]作为优选，所述的放大特征常数大于或等于坐标测量机的测量半径的80％。
[0024]本专利技术具有的有益效果：
[0025]1.本专利技术通过给定标定点构成虚拟标定件，生成例如虚拟球和虚拟圆的虚拟标定件。与实体标定件相比，虚拟标定件无结构限制，且标定件的类型、尺寸和空本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于构造虚拟标定件的关节式坐标测量机标定方法，其特征在于：步骤一、在关节式坐标测量机中确定N个采样点，N≥5；选定若干种虚拟标定件类型；虚拟标定件类型包括虚拟圆标定件和虚拟球标定件；虚拟圆标定件的标定参数为虚拟圆心半径长度或两虚拟圆圆心间距；虚拟球标定件的标定参数为虚拟球半径长度或两虚拟球球心间距；步骤二、利用N个采样点构造选定类型的多个虚拟标定件；步骤三、在机床的主轴上安装用于对关节式坐标测量机的测头进行定位的标定工具；机床的主轴带动标定工具依次移动到所有采样点位置；每当标定工具到达一个采样点时，均使用关节式坐标测量机的球形测头对标定工具的坐标以多种不同的姿态进行测量；步骤四、通过步骤三测得的各采样点测量坐标值，获取所有虚拟标定件的标定参数测量值；根据标定参数测量值和标定参数实际值构建目标函数；利用目标函数对关节式坐标测量机进行标定。2.根据权利要求1所述的一种基于构造虚拟标定件的关节式坐标测量机标定方法，其特征在于：步骤二中，若虚拟标定件的类型为虚拟圆标定件，则对采样点构造出的各虚拟圆标定件进行筛选，仅保留特征三角形最大角为90
°
～120
°
且半径为400mm～500mm的虚拟圆标定件；特征三角形指形成虚拟圆标定件的三个采样点连成的三角形；在进行利用虚拟圆标定件组合的圆心进行标定时，在虚拟圆标定件筛选结果的基础上，仅保留圆心距小于或等于100mm的虚拟圆标定件组合。3.根据权利要求1所述的一种基于构造虚拟标定件的关节式坐标测量机标定方法，其特征在于：步骤二中，若虚拟标定件的类型为虚拟球标定件，则对采样点构造出的各虚拟球标定件进行筛选，则仅保留...

【专利技术属性】
技术研发人员：王文，宋猛，黄峰，孙佳欢，王家豪，卢科青，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：