CN103486989B - 拉线式空间位置测量机构及测量方法 - Google Patents

Abstract

一种拉线式空间位置测量机构及测量方法，其特征是它包括两个平行布置的测量框（1）和一个定位轴（6），所述的测量框（1）上对称安装有两个拉线编码器（2）、两个导向滑轮（3）和两个偏转补偿滑轮支架（5），偏转补偿滑轮支架（5）上安装有偏转补偿滑轮（4），所述的定位轴（6）上安装有四个向心腿（7），两个测量框上的四个拉线编码器（2）中的拉线（8）通过各自的导向滑轮（3）和偏转补偿滑轮（4）和与定位轴（6）上对应的向心腿（7）相连，通过数学计算得到所测点的空间坐标。本发明具有结构简单，组装方便，操作容易，高精度，低造价的优点。

Description

拉线式空间位置测量机构及测量方法

技术领域

本发明涉及一种测量技术，尤其是一种空间位置测量技术，具体地说是一种基于高精度拉线式编码传感器的空间测量机构及测量方法。它不必对被测体结构进行改造，即可准确地测量出被测体静态下某点的三维坐标和法向，甚至可以测量出动态的三维坐标轨迹。

背景技术

众所周知，三坐标测量仪是一种常见的用于空间测量的大型三维测量系统，它在逆向工程中应用广泛，能够以很高的精度测出工件的曲面特征参数，但该系统的缺点在于体积过于庞大，笨重，价格高，移动不方便。另一种是常用的是激光跟踪仪，其测量精度高，测量范围广，但其动态测量速度有所限制，且价格过于昂贵。目前还没有一套价格低廉，结构操作简单的空间测量机构。

发明内容

本发明的目的是针对目前空间测量系统的体积庞大或价格昂贵等现况，提供一种基于高精度拉线式编码传感器的空间位置测量机构及测量方法。

本发明的技术方案之一是：

一种拉线式空间位置测量机构，其特征是它包括两个平行布置的测量框1和一个定位轴6，所述的测量框1上对称安装有两个拉线编码器2、两个导向滑轮3和两个偏转补偿滑轮支架5，偏转补偿滑轮支架5上安装有偏转补偿滑轮4，所述的定位轴6上安装有四个向心腿7，两个测量框上的四个拉线编码器2中的拉线8通过各自的导向滑轮3和偏转补偿滑轮4和与定位轴6上对应的向心腿7相连，通过测量四根拉线8的测量长度，经过数学变换得到四根拉线的计算长度，再根据任意三根拉线的计算长度即可得到定位轴6所处位置的坐标：

或或或

所述的定位轴6所处位置的坐标为式(1)～式(4)的平均值

所述的四个向心腿7的结构相同，每个向心腿7均由一个围绕中心轴6的转动副I，一个轴心线与转动副I的轴心线垂直的转动副II以及一个轴心线与转动副II的轴心线平行的转动副III组成，所述的拉线8连接于转动副III上，四条拉线8经过各自的转动副I、转动副II、转动副III汇聚于一点。

所述的偏转补偿滑轮支架5能绕测量框1的长度方向为轴自由旋转，其旋转轴线通过偏转补偿滑轮4的下底切线，

本发明的技术方案之一是：

一种基于拉线式空间位置测量机构的空间位置测量方法，其特征是它包括以下步骤：

首先，将四个拉线编码器两个一组分别安装在两个平行的测量框上；

其次，使拉线编码器的拉线从导向滑轮引出，经过偏转补偿滑轮后与安装在定位轴上的对应的向心腿的末端相连；

第三，拉动定位轴至被测量点处，由拉线编码器测得四根拉线的长度L₁、L₂、L₃、L₄；

第四，将所测得的任意四根拉线的测量长度经过数学变换得到其计算长度，再将任意三根拉线的计算长度代入以下公式，结合四个拉线编码器之间的距离参数e₁、e₂、e₃、e₀即可测得空间任意位置A点的坐标，其中e₁＝e₂等于两个平行的测量框之间的距离，e₀为同一测量框上的两个偏转补偿滑轮中心之间的距离，e₃为两个测量框上呈对角布置的两个偏转补偿滑轮中心之间的距离：

或或或

所述的任意位置A点的坐标为公式(1)-(4)所得坐标值的平均值

本发明的有益效果：

本发明具有结构简单，组装方便，操作容易，高精度，低造价的优点。

本发明测量时，无需对被测体进行改造，无需特殊工装。

本发明通过孔位的任意两点的测量，即可测出空间孔位的位置和法线。

本发明仅依靠四根拉线的最终长度，与拉线的初始长度无关。

附图说明

图1是本发明的拉线式空间位置测量机构各部件的装配图。

图2是本发明拉线编码器拉线引出示意图。

图3是本发明空间向心定位机构结构示意图。

图4是本发明向心腿结构运动副示意图。

图5是本发明测量框安装形象示意图。

图6是本发明测量方法关键拉线转化示意图。

图7是本发明测量算法的坐标系图解。

图中：1.测量框，2.拉线式编码器，3.导向滑轮，4.偏转补偿滑轮，5.偏转补偿滑轮支架，6.定位轴，7.向心腿，部件6&7组成空间向心定位机构，8为拉线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1-7所示。

一种基于高精度拉线式编码传感器的空间位置测量机构及测量方法，所述的拉线式空间测量机构主要由两独立的平行布置的测量框1和由向心腿7和定位轴6组成的空间向心定位机构组成。其中：

测量框1：由两个对称式的拉线编码器2、导向滑轮3、偏转补偿滑轮4和偏转补偿滑轮支架5均固定于测量框1上。如图1。

拉线8经导向滑轮3和偏转补偿滑轮4引出。

偏转补偿滑轮支架5可绕测量框1的长度方向为轴自由旋转，其旋转轴线通过偏转补偿滑轮4的下底切线，如图2中所示。

空间向心定位机构：由一个定位轴6和四个相互独立的a、b、c、d向心腿7组成，四个拉线编码器2的拉线连接于各个向心腿7末端，记向心距为R，如图3。

每个向心腿7绕着定位轴6都有一个转动副I，除此外，向心腿自身有转动副II和转动副III，如图4。

与向心腿末端连接的拉线，通过转动副I、转动副II、转动副III，即可实现空间任意位置，四条拉线汇聚一点，方便解算。

本发明拉线式空间位置测量机构由两相同的测量框构成，工作时，如图5，利用拉线编码器测量e₁、e₂、e₃，使e₁＝e₂确定两测量框的平行放置，e₀由机构所确定。

(1)解出安装坐标系夹角

拉线距离变换：由图2中所示，偏转补偿滑轮以下底切线为轴转动，其最下端点保持为轴心，图2中A1点到B1点的拉线长度由设计而定，记为L₀。拉线测量时，直线DE，滑轮圆弧GD段，测量点A和滑轮圆弧EF段在同一平面。图6中两滑轮之间的距离DE设计值为e₀，滑轮半径为r，拉绳测量长度分别为L′₁、L′₂，空间向心机构向心距为R。计算长度为L₁、L₂，假设∠ABC、∠ACB角度值分别为α、β，则L₁、L₂计算过程如下：

(5)BH＝ABcosα，CH＝ACcosβ

(6)ABsinα＝ACsinβ

(7)DE＝BH+CH-BD-CE＝e₀

由公式(6)、(7)可求出α和β

(8)L₁ ²＝AB²+BD²-2AB·BD·cosα

(9)L₂ ²＝AC²+CE²-2AC·CE·cosβ

由公式(8)、(9)即可求出L₁，L₂，同理可解出L₃，L₄。

空间点位解算：测量时，将定位轴插入测量孔位中，4根拉线汇聚一点，算法示意图如图7，根据四个拉线编码器，构建空间坐标系0XYZ，4个拉线编码器为O、C、D、F。测量点为A(x,y,z)。由(8)、(9)求得L₁，L₂，L₃，L₄。如图7，记∠AOD、∠AOE为i、j。由以下公式，A点坐标(x,y,z)通过L₁，L₂，L₃，L₄和θ可求出。

(10)在ΔA0B中，角度i为：

(11)在ΔA0C中，角度j为：

(12)在ΔA0D中，由于OD垂直于AD则

(13)在ΔA0E中，由于OE垂直于AE则

(14)在ΔA0E和ΔA0D中有

AO·cosi＝HO·cosα；AO·cosj＝HO·cosβ

简化得

(15)α+β＝θ

(16)公式(15)中θ由公式(1)得出

(17)由公式(16)可获得角度值α，则可得到测量点高度坐标z

(18)根据以上几何模型，由(12)、(13)求得x、y，在此已知条件下可获得被测点A的坐标为:

公式(18)中A点坐标由L₁，L₂，L₄即可解出，同理由L₁，L₂，L₃；L₂，L₃，L₄；L₁，L₃，L₄，可另外解出三个A点坐标的测量值。最后对由不同的三根拉线解出的四个A坐标值，取平均，得出最终的A坐标的测量值提高了测量精度。

由于拉线编码器是即时测量类传感器，故当定位轴动态移动时，本发明也可进行测量，并且能测出动态移动轨迹。

在被测孔的孔位轴线上任选两个测量点，通过两个测量点的测量值的计算即可求得被测孔法线。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (6)

1.一种拉线式空间位置测量机构，其特征是它包括两个平行布置的测量框(1)和一个定位轴(6)，所述的测量框(1)上对称安装有两个拉线编码器(2)、两个导向滑轮(3)和两个偏转补偿滑轮支架(5)，偏转补偿滑轮支架(5)上安装有偏转补偿滑轮(4)，所述的定位轴(6)上安装有四个向心腿(7)，两个测量框上的四个拉线编码器(2)中的拉线(8)通过各自的导向滑轮(3)和偏转补偿滑轮(4)与定位轴(6)上对应的向心腿(7)相连，通过测量四根拉线(8)的测量长度经过数学变换得到计算长度，再根据所得的计算长度，即可得到定位轴(6)所处位置的坐标：

或或或

式中L₁、L₂、L₃、L₄分别为定位轴(6)到各拉线编码器(2)的计算距离，即为计算长度；e₀、e₁、e₂、e₃为各偏转补偿滑轮(4)之间的距离，其中e₁＝e₂，为两个平行的测量框之间的距离，e₀为同一测量框上的两个偏转补偿滑轮(4)中心之间的距离，e₃为两个测量框上呈对角布置的两个偏转补偿滑轮(4)中心之间的距离。

2.根据权利要求1所述的测量机构，其特征是所述的定位轴(6)所处位置的坐标为式(1)～式(4)的平均值

3.根据权利要求1所述的测量机构，其特征是所述的四个向心腿(7)的结构相同，每个向心腿(7)均由一个围绕定位轴(6)的转动副I，一个轴心线与转动副I的轴心线垂直的转动副II以及一个轴心线与转动副II的轴心线平行的转动副III组成，所述的拉线(8)连接于转动副III上，四条拉线(8)经过各自的转动副I、转动副II、转动副III汇聚于一点。

4.根据权利要求1所述的测量机构，其特征是所述的偏转补偿滑轮支架(5)能绕测量框(1)的长度方向为轴自由旋转，其旋转轴线通过偏转补偿滑轮(4)的下底切线。

5.一种基于权利要求1所述测量机构的空间位置测量方法，其特征是它包括以下步骤：

首先，将四个拉线编码器两个一组分别安装在两个平行的测量框上；

其次，使拉线编码器的拉线从导向滑轮引出，经过偏转补偿滑轮后与安装在定位轴上的对应的向心腿的末端相连；

第三，拉动定位轴至被测量点处，由拉线编码器测得四根拉线的测量长度L’₁、L’₂、L’₃、L’₄；

第四，将所测得的任意四根拉线的测量长度经过数学变换得到其计算长度L₁、L₂、L₃、L₄，再将变换所得的任意三根拉线的计算长度代入以下公式，结合四个偏转补偿滑轮(4)之间的距离参数e₁、e₂、e₃、e₀即可测得定位轴(6)所处位置的坐标，其中e₁＝e₂为两个平行的测量框之间的距离，e₀为同一测量框上的两个偏转补偿滑轮中心之间的距离，e₃为两个测量框上呈对角布置的两个偏转补偿滑轮中心之间的距离：

或或或

6.根据权利要求5所述的方法，其特征是所述的定位轴(6)所处位置的坐标为公式(1)-(4)所得坐标值的平均值