CN104359436A

CN104359436A - 关节臂式三坐标测量机、多测量模型系统及工件测量方法

Info

Publication number: CN104359436A
Application number: CN201410633428.XA
Authority: CN
Inventors: 郑大腾; 尹三凤; 肖忠跃; 周燕辉; 夏翔; 周太平
Original assignee: 郑大腾
Current assignee: Jinggangshan University
Priority date: 2014-11-13
Filing date: 2014-11-13
Publication date: 2015-02-18

Abstract

本发明提供了一种关节臂式三坐标测量机、多测量模型系统及工件测量方法，本发明内容主要包括：规划测量机工作空间内的N个子区域；在每个子区域内，建立一个测量模型，即整个工作区间内有N个测量模型；测量时首先确定待测工件所处的子区域，然后自动实时切换对应子区域的测量模型；通过该测量模型进行工件几何量坐标计算。在不增加硬件制造成本的基础上，本发明能提高关节臂式三坐标测量机的测量精度。

Description

关节臂式三坐标测量机、多测量模型系统及工件测量方法

技术领域

本发明属于精密测量装置技术领域，尤其涉及一种关节臂式三坐标测量机、多测量模型系统及工件测量方法。

背景技术

随着我国制造业的迅猛发展，先进的计量测试仪器逐渐引起人们的重视，而关节臂式三坐标测量机则是计量测试中重要的一种新型精密测量仪器。

由于高精度的关节臂式三坐标测量机价格昂贵，因而如何采用低精度的关节臂式三坐标测量机实现高精度测量，一直是人们研究的对象。

根据对国内外各种资料分析表明，现有的关节臂式三坐标测量机精度保证的理论与技术，主要是采用高精度的硬件制造技术，这样不可避免会提高制造成本。而且现有的三坐标测量机只有一个测量模型，在整个工作空间内，只有一组固定的标定参数。由于在不同的测量区域内，每个测量点对标定参数的影响程度不同，显然，用一组固定的标定参数去计算整个工作空间内的不同测量点坐标是不科学的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种关节臂式三坐标测量机，旨在解决现有的三坐标测量机只有一个测量模型、测量精度不高的问题。

本发明的另一目的在于提供一种包括上述关节臂式三坐标测量机的多测量模型系统。

本发明的再一目的在于提供通过上述多测量模型系统进行工件测量的方法。

本发明是这样实现的，一种关节臂式三坐标测量机，所述关节臂式三坐标测量机包括基座(1)、立柱(2)、旋转关节(3)、角度编码器(4)、摆动关节(5)、测量臂(6)、旋转关节(7)、角度编码器(8)、摆动关节(9)、测量臂(10)、旋转关节(11)、角度编码器(12)、摆动关节(13)以及测头(14)；其中，

立柱(2)安装于基座(1)上，基座(1)支撑测量机的所有部件；旋转关节(3)和摆动关节(5)构成了一个整体的连接件，而且旋转关节(3)安装了角度编码器(4)，摆动关节(5)也安装了一个与角度编码器(4)相互垂直的角度编码器；测量臂(6)通过连接件与立柱(2)连接；同样，旋转关节(7)和摆动关节(9)也构成了一个整体的连接件，分别对应两个角度编码器，测量臂(10)也通过连接件与测量臂(6)连接；测头(14)通过旋转关节(11)和摆动关节(13)构成的连接件连接。

本发明进一步提供了一种多测量模型系统，包括上述关节臂式三坐标测量机。

优选地，所述多测量模型系统还包括测量模型处理系统，所述测量模型处理系统包括：

工作区域划分模块，用于规划测量机的整个工作空间内N个子区域；

测量模型构建模块，用于在测量机的整个工作空间内每个子区域建立相应的测量模型，即测量机携带N个测量模型；

测量模型选取模块，用于测量时，确定待测工件所处子区域，并在几何量坐标计算时自动实时切换对应子区域的测量模型。

优选地，所述多测量模型系统还包括电路系统，其中，所述电路系统包括用于采集角度编码器的采用信号并转换关节变量值的信号处理模块，以及用于将所述关节变量值输送到多测量模型系统中通讯模块。

优选地，所述多测量模型系统还包括标定系统；其中，所述标定系统包括通过标定工具采集数据模块，确定测量模型中的待定参数的标定模块，以及用于求解待定参数的标定算法模块。

本发明进一步提供了一种工件测量方法，通过上述多测量模型系统进行测量，所述方法包括以下步骤：

(1)规划测量机的工作空间内N个子区域；

(2)在整个工作空间内有N个子区域，相应建立测量机N个测量模型；

(3)确定待测工件所处子区域，并自动实时切换对应子区域的测量模型，通过该测量模型进行工件几何量坐标计算。

优选地，在步骤(1)中，所述子区域满足条件：同一个子区域的误差应尽量接近，以及子区域的数量N可由所需条件来确定。

优选地，在步骤(2)中，所述测量模型依据不同的方法来构建，或者在统一的测量模型里构建多组标定参数。

优选地，所述不同的方法包括Denavit-Hartenberg方法、支持向量机方法等。

本发明克服现有技术的不足，提供一种关节臂式三坐标测量机、多测量模型系统及工件测量方法，在本发明中，关节臂式三坐标测量机不能直接读出被测点坐标，需要建立测量模型，而只有通过对测量模型参数的精确标定，才能得到较为精确的读数。本发明涉及关节臂式三坐标测量机多个测量模型的问题，在不同区域具有不同参数的测量模型，使其具有不同程度的误差补偿，最终实现最佳测量，提高测量精度。为了达到上述目的，本发明所涉及到的内容主要有：

1、规划测量机工作空间内N个子区域

要提高测量精度，减少测量误差，建立多个测量模型，关键是要在测量机的整个工作空间内合理规划N个子区域。本发明规划的子区域满足两个条件：(1)同一个子区域的误差应尽量接近；(2)子区域的数量N可由所需条件来确定，如测量机工作空间的范围、用户要求测量精度的大小、工作时所处的环境、被测工件的形状和标定算法等条件。

2、建立测量机多个测量模型

多测量模型理论是指一台测量机带有多个测量模型，即一台测量机在工作时，根据不同的测量区域能自动切换对应的测量模型，实现多测量模型计算坐标。在整个工作空间内有N个子区域，则可建立N个测量模型。本发明涉及到的多测量模型可依据不同的方法来构建，也可指在统一的测量模型里构建多组标定参数。

3、自动选取测量机测量模型

当用一台具有多个测量模型的关节臂式三坐标测量机去测量时，涉及到如何正确选取测量模型的问题。由于多个测量模型是由规划的N个子区域所确定的，测量时需确定待测工件处于哪个子区域，进而自动实时地切换选择相应的测量模型。本发明中的待测工件处于哪个子区域采用一个统一的测量模型来确定，最终输出的被测点坐标由对应的子区域测量模型来计算。

与现有技术的缺点和不足相比，本发明的有益效果体现在：

(1)在不增加硬件制造成本的基础上，提高关节臂式三坐标测量机的测量精度。

(2)一台关节臂式三坐标测量机带有多个测量模型。

(3)多个测量模型能根据对应的子区域进行实时自动选取切换。

附图说明

图1是本发明关节臂式三坐标测量机一实施例的结构示意图；

图2是本发明多测量模型系统一实施例的结构示意图；

图3是本发明实施例中标定工具石英棒量块夹具的结构示意图；

图4本发明实施例中标定工具锥窝的结构示意图；

图5是关节臂式三坐标测量机各杆件坐标系转换关系图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

一种关节臂式三坐标测量机，如图1所示，所述关节臂式三坐标测量机包括基座1、立柱2、旋转关节3、角度编码器4、摆动关节5、测量臂6、旋转关节7、角度编码器8、摆动关节9、测量臂10、旋转关节11、角度编码器12、摆动关节13以及测头14；其中，立柱2安装于基座1上，基座1支撑测量机的所有部件；旋转关节3和摆动关节5构成了一个整体的连接件，而且旋转关节3安装了角度编码器4，摆动关节5也安装了一个与角度编码器4相互垂直的角度编码器；测量臂6通过连接件与立柱2连接；同样，旋转关节7和摆动关节9也构成了一个整体的连接件，分别对应两个角度编码器，测量臂10也通过连接件与测量臂6连接；测头14通过旋转关节11和摆动关节13构成的连接件连接。

使用时，将测量工件置于合适的测量空间内，测头14接触测量点，获取6个关节变量，经对应的测量模型计算该点的三维坐标，将这些点的坐标数值经过计算机处理，拟合形成测量元素如圆、球、圆柱、圆锥、曲面等，最后经过软件按一定的评定准则计算出所需要的几何量如形状、位置公差等指标。

在此基础上，本发明进一步提供了一种多测量模型系统，包括上述关节臂式三坐标测量机、测量模型处理系统、电路系统以及标定系统；其中，如图2所示，

所述测量模型处理系统包括：

工作区域划分模块A1，用于规划测量机的整个工作空间内N个子区域；

测量模型构建模块A2，用于在测量机的整个工作空间内每个子区域建立相应的测量模型，即测量机携带N个测量模型；

测量模型选取模块A3，用于测量时，确定待测工件所处子区域，并在几何量坐标计算时自动实时切换对应子区域的测量模型。

所述电路系统包括用于采集角度编码器的采用信号并转换关节变量值的信号处理模块，以及用于将所述关节变量值输送到多测量模型系统中通讯模块。

所述标定系统包括通过标定工具采集数据模块，确定测量模型中的待定参数的标定模块，以及用于求解待定参数的标定算法模块。其中，对于标定工具的选择，标定关节臂式三坐标测量机所用的标准量有高精度的点坐标测量设备如激光跟踪仪、正交坐标测量机等；高精度的长度测量设备如光栅测长装置、激光干涉测长装置和高精度的标准件如量块、球杆板球板等。这些标准量各有其优缺点，标定时应根据实际情况来选择。本发明可根据实际情况选择上述的标准量，也可选用自行开发的如图3所示的标准工具石英棒量块夹具和图4所示的锥窝，前者适用于距离标定模型，后者适用于点坐标标定模型。

标准工具石英棒量块夹具包括底盘15、支柱16、手紧螺母17、光轴18、盖板19、石英棒量块20、套筒21、V型支撑架22、手紧螺母23、联接件24。使用时，先用4个M6螺钉将底盘15固定在标准工作台上，再用手紧螺母17调整支柱16与光轴18之间的相对高度。通过手紧螺母23调整V型支撑架22至合适位置，将石英棒量块20夹持在V型槽内，锁紧盖板19，即可使用。锥窝的使用较简单，只要将测量机测头25绕锥窝26连续采点即可。

此外，标定算法的合适性在于其是否收敛和有效，其不仅受到标准量的影响，还受到数据采集次数、采集范围等因素的影响。一般来说，求解关节臂式三坐标测量机结构参数的标定算法主要有非线性最小二乘法、模拟退火算法、遗传算法等。本发明采用非线性最小二乘法中的LM标定算法。

在本发明中，关节臂式三坐标测量机的数据采集实际上是采集六个关节变量的值。现有的单个测量模型的关节臂式三坐标测量机在标定采样时，由于整个测量空间较大，因而存在采样的随机性。这种随机性必然导致标定结果和测量精度的不确定性。本发明采用多测量模型技术，由于每个测量模型对应的子区域范围较小，因而能较好地避免以往一个测量模型在整个工作空间内采样策略不规范导致标定参数不稳定的问题。采样时只需要在一个较小范围的子区域内均匀分布采样即可。

本发明进一步提供了一种工件测量方法，通过上述实施例中多测量模型系统进行测量，所述方法包括以下步骤：

(1)规划测量机的工作空间内N个子区域。

在步骤(1)中，在关节臂式三坐标测量机的整个工作空间内规划N个子区域，是建立多个测量模型的基础。本发明运用最优规划理论并根据所需的条件，合理规划，首先，运用最优规划理论，使同一个子区域的误差尽量接近；其次，根据各型号测量机的测量范围，并根据所需的条件确定子区域数量N；最后，通过实验来验证所规划的N个子区域是否能够满足要求。一般情况下，子区域范围越小，子区域数量N越大，越有利于提高测量精度。

(2)在整个工作空间内有N个子区域，相应建立测量机N个测量模型。

在步骤(2)中，本发明涉及到的多测量模型可依据不同的方法来构建，如Denavit-Hartenberg(D-H)方法、支持向量机方法等，也可指在统一的测量模型里构建多组标定参数。本发明以后一种方式为例来构建多测量模型。

图5描述了关节臂式三坐标测量机各杆件坐标系转换关系图，根据D-H方法构建统一的测量模型如下：

[\begin{matrix} x_{p} \\ y_{p} \\ z_{p} \\ 1 \end{matrix}] = Π_{i = 1}^{6} [\begin{matrix} \cos θ_{i} & - \sin θ_{i} \cos α_{i} & \sin θ_{i} \sin α_{i} & l_{i} \cos θ_{i} \\ \sin θ_{i} & \cos θ_{i} \cos α_{i} & - \cos θ_{i} \sin α_{i} & l_{i} \sin θ_{i} \\ 0 & \sin α_{i} & {\cos α}_{i} & d_{i} \\ 0 & 0 & 0 & 1 \end{matrix}] [\begin{matrix} 0 \\ 0 \\ z_{p} \\ 1 \end{matrix}] - - - (1)

其中，θ_i为关节变量，α_i为杆件的扭角，l_i为杆件的长度，d_i为杆件的偏置量。

(3)确定待测工件所处子区域，并自动实时切换对应子区域的测量模型，通过该测量模块进行工件几何量坐标计算。

在本发明中，在整个工作空间内规划了N个子区域，选取了合适的标定工具如石英棒量块夹具和锥窝，并根据LM标定算法在各个子区域里均匀采取尽可能多的样本，本发明每个子区域采样500组，最后利用MATLAB软件编程可求解N个确定参数的测量模型。

在整个测量区域里尽可能多地取样，这些样本用来标定一个统一的测量模型，则该测量模型用来确定待测工件被测点处于哪个子区域。根据被测点所处位置，选取对应子区域的测量模型进行精确点的测量。

在测得所需几何元素的点坐标后，通过提供一个坐标接口程序将坐标数据实时发送给第三方的测量机软件(如Power INSPECT)以完成该几何元素的尺寸、形状、相对位置等的测量任务。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种关节臂式三坐标测量机，其特征在于，所述关节臂式三坐标测量机包括基座(1)、立柱(2)、旋转关节(3)、角度编码器(4)、摆动关节(5)、测量臂(6)、旋转关节(7)、角度编码器(8)、摆动关节(9)、测量臂(10)、旋转关节(11)、角度编码器(12)、摆动关节(13)以及测头(14)；其中，

2.一种多测量模型系统，其特征在于，包括权利要求1所述的具有多测量模型系统的关节臂式三坐标测量机。

3.如权利要求2所述的多测量模型系统，其特征在于，所述多测量模型系统还包括测量模型处理系统，所述测量模型处理系统包括：

测量模型构建模块，用于在测量机的整个工作空间内每个子区域建立相应的测量模型，即一台测量机携带N个测量模型；

4.如权利要求3所述的多测量模型系统，其特征在于，所述多测量模型系统还包括电路系统，其中，所述电路系统包括用于采集角度编码器的采用信号并转换关节变量值的信号处理模块，以及用于将所述关节变量值输送到多测量模型系统中通讯模块。

5.如权利要求4所述的多测量模型系统，其特征在于，所述多测量模型系统还包括标定系统；其中，所述标定系统包括通过标定工具采集数据模块，确定测量模型中的待定参数的标定模块，以及用于求解待定参数的标定算法模块。

6.一种工件测量方法，其特征在于，通过上述权利要求2～5任一项所述的多测量模型系统进行测量，所述方法包括以下步骤：

(1)规划测量机工作空间内的N个子区域；

7.如权利要求6所述的工件测量方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述子区域满足条件：同一个子区域的误差应尽量接近，以及子区域的数量N由所需条件来确定。

8.如权利要求6所述的工件测量方法，其特征在于，在步骤(2)中，所述测量模型依据不同的方法来构建，或者在统一的测量模型里构建多组标定参数。

9.如权利要求8所述的工件测量方法，其特征在于，所述不同的方法包括Denavit-Hartenberg方法、支持向量机方法。