CN103278116A - 一种六自由度关节式坐标测量机标定方法 - Google Patents

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潘勇
赵克勤
王吴雨
方国庆
曾悠兵
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Abstract

一种六自由度关节式坐标测量机标定方法，以关节式坐标测量机为待标定机，使用两端带有锥窝的金属杆作为标准长度器具，将该金属杆以不同位置和不同的姿态置于待标定机的测量空间内；对应于每个姿态，使用待标定机的硬测头在金属杆两端的锥窝内采集点坐标，每两个不同锥窝内的点可得到一个长度，以这些长度做为采样数据使用最小二乘法得到待标定机的误差参数。以进一步提高参数识别精度，进而提高测量机的整体精度。

Description

一种六自由度关节式坐标测量机标定方法
技术领域
    本发明涉及一种六自由度关节式坐标测量机标定方法。 
背景技术
关节式柔性坐标测量机具有质量轻、方便现场测量、效率高等优点，是由各个关节串联起来的一种开链结构。六自由度的关节式坐标测量机由六个关节组成，每个关节可绕自身的轴线转动，该结构的末端是测量机的测头。采用高精度的角度传感器安装在各个关节上来记录每个关节的转动角度，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。为了提高测量机的精度，一项重要工作是对测量机进行标定及误差修正。已有的标定方法主要是利用更高精度的测试设备或仪器，如激光跟踪仪、正交三坐标测量机、电子经纬仪等。首先是建立待标定机坐标系，改变待标定机的角度以调整待标定机的空间摆放姿态，对于每一个摆放姿态，获取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；将标准坐标和测量坐标作为采样数据进行计算获得待标定机的误差参数。这种方法忽略了坐标测量机空间误差分布规律，采样密度不够，最终导致测量机的实际精度不高。 
发明内容
本发明其目的就在于提供一种六自由度关节式坐标测量机标定方法，以进一步提高参数识别精度，进而提高测量机的整体精度。 
实现上述目的而采取的技术方案，以关节式坐标测量机为待标定机，使用两端带有锥窝的金属杆作为标准长度器具，将该金属杆以不同位置和不同的姿态置于待标定机的测量空间内；对应于每个姿态，使用待标定机的硬测头在金属杆两端的锥窝内采集点坐标，每两个不同锥窝内的点可得到一个长度，以这些长度做为采样数据使用最小二乘法得到待标定机的误差参数。 
  与现有技术相比本发明具有以下优点。 
   1）采样点多，能够均有分布在整个测量空间，能充分提取关节坐标测量机在有效测量空间的误差信息，使待标定机的整体精度得到保证； 
   2）采用高精度的测量仪器获取锥窝的杆长，操作简便，精度高；
   3）本标定方法改变杆件的空间位置和姿态，空间位置和姿态形成了一个球型测量空间，位置点多，姿态丰富，每个锥窝采50个点，大量的位姿和采样点使标定工作更加准确。
附图说明
    下面结合附图对本发明作进一步详述。 
图1为本发明中金属杆的结构示意图。 
图2为本发明中金属杆水平姿态示意图。 
图3为本发明中金属杆45度姿态示意图。 
具体实施方式
     以关节式坐标测量机为待标定机，使用两端带有锥窝102的金属杆103作为标准长度器具，将该金属杆103以不同位置和不同的姿态置于待标定机的测量空间内；对应于每个姿态，使用待标定机的硬测头101在金属杆103两端的锥窝102内采集点坐标，每两个不同锥窝内的点可得到一个长度，以这些长度做为采样数据使用最小二乘法得到待标定机的误差参数。 
所述金属杆103选用的长度为测量空间半径的10%-40%，将两个直径相等的小标准球顶在锥窝内，金属杆103的长度定义为这两个球心的距离。      
所述金属杆103在测量空间中有八个位置，每个位置有十二种姿态，每种姿态下有二个空间位置采点，分别采于两个锥窝。
 本方法是使用两端带有锥窝的金属杆作为标准长度器具；该标准杆在测量空间中姿态的选取可以提高参数标定的精度。 
将两个与待标定机硬测头直径相等的小标准球放在两个锥窝中，用测长仪测得长度，该长度减去小标准球的直径即得到锥窝之间的标准长度值，以此值为标准进行标定。 
两端带有锥窝的金属杆在测量空间中有八个位置，每个位置有十二种姿态。测量空间是一个球体。八个位置中前四个的选择方法是：金属杆设备底座的中心在与待标定机底座同一个水平面上，将金属杆设备围绕待标定机以0.75倍测量空间半径为半径分别置于0°、90°、180°、270°方向的位置上。后四个位置的选择方法是：将金属杆设备的位置升高，高度为0.5倍测量空间半径，在这一高度下，使金属杆设备以0.5倍测量空间半径为半径分别置于45°、135°、225°、315°的方向上。 
十二种姿态中，水平姿态有四个、45度倾斜姿态有八个。每个锥窝采50个点，于是由六个关节以不同角度组合形成的姿态有50个。 
 使用两端带有锥窝的金属杆作为标准长度器具。金属杆选用的长度为测量空间半径的10%-40%，将两个直径相等的小标准球顶在锥窝内，金属杆的长度定义为这两个球心的距离。 
 金属杆在测量空间中的位置和姿态的选取。金属杆在测量空间中有八个位置，每个位置有十二种姿态，每种姿态下有二个空间位置采点，分别采于两个锥窝。所以在测量空间中有8×12×2=192个采样点。对于每个姿态的金属杆，待标定机由六个关节的六个角度组合形成的不同姿态有50个。 
本发明主要包括两个方面：一是使用两端带有锥窝的金属杆作为标准长度器具，该金属杆的长度由高精度的测长仪测得；二是改变金属杆在测量空间中的位置和姿态，使用待标定机的硬测头在金属杆两端的锥窝内采集点坐标，每两个不同锥窝内的点可得到一个长度，以这些长度做为采样数据使用最小二乘法得到待标定机的误差参数。 
首先使用测长仪得到锥窝两端之间的距离。将两个与待标定机硬测头直径相等的小标准球放在两个锥窝中，再用测长仪测得长度，该长度减去小标准球的直径即得到锥窝之间的标准长度值，以此值为标准进行标定，见图1。 
如图2、3所示，金属杆在测量空间中有八个位置，每个位置有十二种姿态，图中数字1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12表示锥窝杆的姿态。测量空间是一个球体。八个位置中前四个的选择方法是：金属杆设备底座的中心在与待标定机底座同一个水平面上，将金属杆设备围绕待标定机以0.75倍测量空间半径为半径分别置于0°、90°、180°、270°方向上。后4个位置的选择方法是：将金属杆设备位置升高，高度为0.5倍测量空间半径。在这一高度下，使金属杆设备以0.5倍测量空间半径为半径分别置于45°、135°、225°、315°的方向上。 
十二种姿态中，水平姿态有四个、45度倾斜姿态有八个。对于每个姿态下的金属杆，使用待标定机分别测量锥窝杆两端锥窝的空间坐标；每个锥窝采50个点；采点时应使待标定机的硬测头顶在锥窝内，即保证硬测头球心的空间位置不变；同时要求尽可能多的变化各个关节的角度，于是由六个关节以不同角度组合形成的姿态有50个。 

Claims (3)

1.一种六自由度关节式坐标测量机标定方法，其特征在于，以关节式坐标测量机为待标定机，使用两端带有锥窝（102）的金属杆（103）作为标准长度器具，将该金属杆（103）以不同位置和不同的姿态置于待标定机的测量空间内；对应于每个姿态，使用待标定机的硬测头（101）在金属杆（103）两端的锥窝（102）内采集点坐标，每两个不同锥窝内的点可得到一个长度，以这些长度做为采样数据使用最小二乘法得到待标定机的误差参数。
2.根据权利要求1所述的一种六自由度关节式坐标测量机标定方法，其特征在于，所述金属杆（103）选用的长度为测量空间半径的10%-40%，将两个直径相等的小标准球顶在锥窝（102）内，金属杆（103）的长度定义为这两个球心的距离。
3.根据权利要求1所述的一种六自由度关节式坐标测量机标定方法，其特征在于，所述金属杆（103）在测量空间中有八个位置，每个位置有十二种姿态，每种姿态下有二个空间位置采点，分别采于两个锥窝。
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