CN104390615A - 一种关节臂式坐标测量机的自标定系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种关节臂式坐标测量机的自标定系统及方法，属于自标定领域。本发明包括自标定装置、关节臂式坐标测量机、计算机、自标定装置电缆、关节臂式坐标测量机电缆，所述计算机含有数据采集卡；其中自标定装置通过自标定装置电缆与计算机连接通讯，关节臂式坐标测量机通过关节臂式坐标测量机电缆与计算机连接通讯；通过计算机控制数据采集卡采集自标定装置的有效长度和关节臂式坐标测量机的转角；所述自标定装置的有效长度为基准球球心和钢球测头球心的距离。本发明为结构参数解算提供了鲁棒性更强的数据支持；提高了结构参数解算的可靠性和精度；标定操作更加灵活轻便。

Description

一种关节臂式坐标测量机的自标定系统及方法

技术领域

本发明涉及一种关节臂式坐标测量机的自标定系统及方法，属于自标定领域。

背景技术

关节臂式坐标测量机是一种多自由度坐标测量设备，现在多用在工业现场测量、产品逆向设计等领域。关节臂式坐标测量机采用类似关节机器人的空间开链式结构，这种结构使关节臂式坐标测量机具有体积小、测量范围大、灵活轻便的特点，但这种结构形式存在误差累积放大的缺点，各级关节的结构参数误差会被逐级放大，从而造成测量机的精度降低。

运动学标定是消除关节臂式坐标测量机结构参数误差的有效方法，但由于结构形式的巨大差异，传统的正交坐标测量机的标定方法无法直接应用于关节臂式坐标测量机上，而机器人领域的标定方法一般都要借助激光跟踪仪、激光干涉仪等昂贵的精密测量仪器，且标定操作步骤繁琐、标定时间长，因此也应用成本很高。目前研究较多的基于单点的标定方法，由于关节臂式坐标测量机的运动空间受限，部分关节运动不充分，因此采集到的数据相似度较高，在结构参数解算时容易陷入局部极小解，得到的结构参数精度较低，从而无法有效提高关节臂式坐标测量机的精度。

发明内容

本发明提供了一种关节臂式坐标测量机的自标定系统及方法，通过增大标定操作时各关节的运动空间，使采集到的数据广泛而无死角，从而提高结构参数解算的鲁棒性和精度，并提高关节臂式坐标测量机的精度。

本发明的技术方案是：一种关节臂式坐标测量机的自标定系统，包括自标定装置、关节臂式坐标测量机12、计算机15、自标定装置电缆16、关节臂式坐标测量机电缆17，所述计算机15含有数据采集卡；其中自标定装置通过自标定装置电缆16与计算机15连接通讯，关节臂式坐标测量机12通过关节臂式坐标测量机电缆17与计算机15连接通讯；通过计算机15控制数据采集卡采集自标定装置的有效长度和关节臂式坐标测量机12的转角；所述自标定装置的有效长度为基准球3球心和钢球测头11球心的距离。

所述自标定装置包括磁性锥座1、固定平台2、基准球3、支撑轨4、连接杆5、滑动轨6、保护壳7、光栅尺8、光栅读数头9、磁性锥孔杆10、钢球测头11、保护壳固定螺栓13、读数头安装螺栓14；其中磁性锥座1通过螺栓安装在固定平台2上，基准球3依靠磁力与磁性锥座1连接，基准球3与导向副的支撑轨4通过连接杆5连接在一起，导向副由支撑轨4、滑动轨6和保护壳7组成，支撑轨4上安装有光栅尺8，滑动轨6上通过读数头安装螺栓14安装有光栅读数头9，保护壳7通过保护壳固定螺栓13安装在支撑轨4上用以保护光栅尺8和光栅读数头9，由光栅读数头9将当前自标定装置的有效长度读取出来，用于结构参数辨识计算，磁性锥孔杆10的一端通过螺纹与滑动轨6连接，磁性锥孔杆10的另一端的锥孔与钢球测头11通过磁力连接，钢球测头11安装在关节臂式坐标测量机12上。

所述基准球3为钢质基准球。

一种关节臂式坐标测量机的自标定方法，所述方法的具体步骤如下：

Step1、上电，打开自标定装置和关节臂式坐标测量机12；

Step2、将自标定装置与关节臂式坐标测量机12回零，并将钢球测头11与磁性锥孔杆10吸合，则实现自标定装置与关节臂式坐标测量机12连接在一起；

Step3、将关节臂式坐标测量机12移动至初始位姿且满足初始化计数变量i＝0；

Step4、判断是否完成了标定数据采集操作：

若尚未完成则转至步骤Step5；若已完成标定数据采集操作则转至步骤Step8；

Step5、计数变量自增1：i＝i+1；

Step6、通过数据采集卡采集第i组自标定装置的有效长度l_i和关节臂式坐标测量机12的转角数据；

Step7、变换关节臂式坐标测量机12的位姿，变换的原则为：按照关节顺序的大小依次变换每个关节的转角；其中所有关节变换次数之和为n且每个关节变换的次数为5次以上(包括5次)；每变换一次之后就返回到步骤Step4进行判断；

Step8、完成标定数据采集后，令n＝i；

Step9、利用采集到的数据和关节臂式坐标测量机的运动学方程列出n个方程，每个方程的形式为：

$\sqrt{{(x_j-x_0)}^2+{(y_j-y_0)}^2+{(z_j-z_0)}^2}=l_j$

其中： $\begin{array}{c}{x}_j=f_x({\mathrm{\θ}}_{1,j},{\mathrm{\θ}}_{2,j},...,{\mathrm{\θ}}_{k,j})\\ y_j=f_y({\mathrm{\θ}}_{1,j},{\mathrm{\θ}}_{2,j},...,{\mathrm{\θ}}_{k,j})\\ z_j=f_z({\mathrm{\θ}}_{1,j},{\mathrm{\θ}}_{2,j},...,{\mathrm{\θ}}_{k,j})\end{array}$ 表示第j个位姿时钢球测头11的坐标值，θ_1,j,θ_2,j,...,θ_k,j表示关节臂式坐标测量机12第j个位姿时的k个转角；(x₀,y₀,z₀)为基准球3的坐标值；l_j为自标定装置的第j个有效长度；

Step10、求解由n个方程组成的方程组：

$\sqrt{{(x_1-x_0)}^2+{(y_1-y_0)}^2+{(z_1-z_0)}^2}=l_1$

$\sqrt{{(x_2-x_0)}^2+{(y_2-y_0)}^2+{(z_2-z_0)}^2}=l_2$

…

$\sqrt{{(x_n-x_0)}^2+{(y_n-y_0)}^2+{(z_n-z_0)}^2}=l_n$

可以得到测量机的结构参数向量p；

Step11、将结构参数向量p代入关节臂式坐标测量机12的运动学方程中，验证标定结果的有效性，完成测量机的标定。

本发明的工作原理是：将关节臂式坐标测量机的钢球测头11与自标定装置的磁性锥孔杆10通过磁力连接，钢球测头11与基准球3之间的距离通过安装在自标定装置内部的光栅尺8读取，根据采集到的钢球测头11与基准球3之间的距离和关节臂式坐标测量机12的关节转角数据，通过运动学方程得到以测量机结构参数为未知量的方程式，按照关节转角变换顺序可以得到一系列方程式，联立所得到的方程式即可得到结构参数辨识方程组，求解结构参数辨识方程组即可得到测量机的结构参数、实现测量机的标定。

本发明的有益效果是：

1、采用长度可变化的导轨副，从而在采集数据时测量机测头的运动空间变大，测量机各关节的运动更加充分，为结构参数解算提供了鲁棒性更强的数据支持。

2、自标定装置的有效长度可以由光栅尺系统精确读取，提高了结构参数解算的可靠性和精度。

3、自标定时基准球与钢球测头可在各自的锥孔里自由转动，因此增加了整个关节臂式坐标测量机自标定系统的自由度，标定操作更加灵活轻便。

附图说明

图1是本发明中自标定装置的结构示意图；

图2是本发明中自标定装置的外形图；

图3是本发明装置在自标定过程中采集数据时的位姿图；

图4是本发明自标定方法的具体流程图；

图中：1-磁性锥座、2-固定平台、3-基准球、4-支撑轨、5-连接杆、6-滑动轨、7-保护壳、8-光栅尺、9-光栅读数头、10-磁性锥孔杆、11-钢球测头、12-关节臂式坐标测量机、13-保护壳固定螺栓、14-读数头安装螺栓、15-计算机、16-自标定装置电缆、17-关节臂式坐标测量机电缆。

具体实施方式

实施例1：如图1-4所示，一种关节臂式坐标测量机的自标定系统，包括自标定装置、关节臂式坐标测量机12、计算机15、自标定装置电缆16、关节臂式坐标测量机电缆17，所述计算机15含有数据采集卡；其中自标定装置通过自标定装置电缆16与计算机15连接通讯，关节臂式坐标测量机12通过关节臂式坐标测量机电缆17与计算机15连接通讯；通过计算机15控制数据采集卡采集自标定装置的有效长度和关节臂式坐标测量机12的转角；所述自标定装置的有效长度为基准球3球心和钢球测头11球心的距离。

所述自标定装置包括磁性锥座1、固定平台2、基准球3、支撑轨4、连接杆5、滑动轨6、保护壳7、光栅尺8、光栅读数头9、磁性锥孔杆10、钢球测头11、保护壳固定螺栓13、读数头安装螺栓14；其中磁性锥座1通过螺栓安装在固定平台2上，基准球3依靠磁力与磁性锥座1连接，基准球3与导向副的支撑轨4通过连接杆5连接在一起，导向副由支撑轨4、滑动轨6和保护壳7组成，支撑轨4上安装有光栅尺8，滑动轨6上通过读数头安装螺栓14安装有光栅读数头9，保护壳7通过保护壳固定螺栓13安装在支撑轨4上用以保护光栅尺8和光栅读数头9，由光栅读数头9将当前自标定装置的有效长度读取出来，用于结构参数辨识计算，磁性锥孔杆10的一端通过螺纹与滑动轨6连接，磁性锥孔杆10的另一端的锥孔与钢球测头11通过磁力连接，钢球测头11安装在关节臂式坐标测量机12上。

所述基准球3为钢质基准球。

一种关节臂式坐标测量机的自标定方法，所述方法的具体步骤如下：

Step1、上电，打开自标定装置和关节臂式坐标测量机12；

Step2、将自标定装置与关节臂式坐标测量机12回零，并将钢球测头11与磁性锥孔杆10吸合，则实现自标定装置与关节臂式坐标测量机12连接在一起；

Step3、将关节臂式坐标测量机12移动至初始位姿且满足初始化计数变量i＝0；

Step4、判断是否完成了标定数据采集操作：

若尚未完成则转至步骤Step5；若已完成标定数据采集操作则转至步骤Step8；

Step5、计数变量自增1：i＝i+1；

Step6、通过数据采集卡采集第i组自标定装置的有效长度l_i和关节臂式坐标测量机12的转角数据；

Step7、变换关节臂式坐标测量机12的位姿，变换的原则为：按照关节顺序的大小依次变换每个关节的转角；其中所有关节变换次数之和为n且每个关节变换的次数为5次以上；每变换一次之后就返回到步骤Step4进行判断；

Step8、完成标定数据采集后，令n＝i；

Step9、利用采集到的数据和关节臂式坐标测量机的运动学方程列出n个方程，每个方程的形式为：

$\sqrt{{(x_j-x_0)}^2+{(y_j-y_0)}^2+{(z_j-z_0)}^2}=l_j$

其中： $\begin{array}{c}{x}_j=f_x({\mathrm{\θ}}_{1,j},{\mathrm{\θ}}_{2,j},...,{\mathrm{\θ}}_{k,j})\\ y_j=f_y({\mathrm{\θ}}_{1,j},{\mathrm{\θ}}_{2,j},...,{\mathrm{\θ}}_{k,j})\\ z_j=f_z({\mathrm{\θ}}_{1,j},{\mathrm{\θ}}_{2,j},...,{\mathrm{\θ}}_{k,j})\end{array}$ 表示第j个位姿时钢球测头11的坐标值，θ_1,j,θ_2,j,...,θ_k,j表示关节臂式坐标测量机12第j个位姿时的k个转角；(x₀,y₀,z₀)为基准球3的坐标值；l_j为自标定装置的第j个有效长度；

Step10、求解由n个方程组成的方程组：

$\sqrt{{(x_1-x_0)}^2+{(y_1-y_0)}^2+{(z_1-z_0)}^2}=l_1$

$\sqrt{{(x_2-x_0)}^2+{(y_2-y_0)}^2+{(z_2-z_0)}^2}=l_2$

…

$\sqrt{{(x_n-x_0)}^2+{(y_n-y_0)}^2+{(z_n-z_0)}^2}=l_n$

可以得到测量机的结构参数向量p；

Step11、将结构参数向量p代入关节臂式坐标测量机12的运动学方程中，验证标定结果的有效性，完成测量机的标定。

实施例2：如图1-4所示，一种关节臂式坐标测量机的自标定系统，包括自标定装置、关节臂式坐标测量机12、计算机15、自标定装置电缆16、关节臂式坐标测量机电缆17，所述计算机15含有数据采集卡；其中自标定装置通过自标定装置电缆16与计算机15连接通讯，关节臂式坐标测量机12通过关节臂式坐标测量机电缆17与计算机15连接通讯；通过计算机15控制数据采集卡采集自标定装置的有效长度和关节臂式坐标测量机12的转角；所述自标定装置的有效长度为基准球3球心和钢球测头11球心的距离。

所述自标定装置包括磁性锥座1、固定平台2、基准球3、支撑轨4、连接杆5、滑动轨6、保护壳7、光栅尺8、光栅读数头9、磁性锥孔杆10、钢球测头11、保护壳固定螺栓13、读数头安装螺栓14；其中磁性锥座1通过螺栓安装在固定平台2上，基准球3依靠磁力与磁性锥座1连接，基准球3与导向副的支撑轨4通过连接杆5连接在一起，导向副由支撑轨4、滑动轨6和保护壳7组成，支撑轨4上安装有光栅尺8，滑动轨6上通过读数头安装螺栓14安装有光栅读数头9，保护壳7通过保护壳固定螺栓13安装在支撑轨4上用以保护光栅尺8和光栅读数头9，由光栅读数头9将当前自标定装置的有效长度读取出来，用于结构参数辨识计算，磁性锥孔杆10的一端通过螺纹与滑动轨6连接，磁性锥孔杆10的另一端的锥孔与钢球测头11通过磁力连接，钢球测头11安装在关节臂式坐标测量机12上。

所述基准球3为钢质基准球。

实施例3：如图1-4所示，一种关节臂式坐标测量机的自标定系统，包括自标定装置、关节臂式坐标测量机12、计算机15、自标定装置电缆16、关节臂式坐标测量机电缆17，所述计算机15含有数据采集卡；其中自标定装置通过自标定装置电缆16与计算机15连接通讯，关节臂式坐标测量机12通过关节臂式坐标测量机电缆17与计算机15连接通讯；通过计算机15控制数据采集卡采集自标定装置的有效长度和关节臂式坐标测量机12的转角；所述自标定装置的有效长度为基准球3球心和钢球测头11球心的距离。

所述自标定装置包括磁性锥座1、固定平台2、基准球3、支撑轨4、连接杆5、滑动轨6、保护壳7、光栅尺8、光栅读数头9、磁性锥孔杆10、钢球测头11、保护壳固定螺栓13、读数头安装螺栓14；其中磁性锥座1通过螺栓安装在固定平台2上，基准球3依靠磁力与磁性锥座1连接，基准球3与导向副的支撑轨4通过连接杆5连接在一起，导向副由支撑轨4、滑动轨6和保护壳7组成，支撑轨4上安装有光栅尺8，滑动轨6上通过读数头安装螺栓14安装有光栅读数头9，保护壳7通过保护壳固定螺栓13安装在支撑轨4上用以保护光栅尺8和光栅读数头9，由光栅读数头9将当前自标定装置的有效长度读取出来，用于结构参数辨识计算，磁性锥孔杆10的一端通过螺纹与滑动轨6连接，磁性锥孔杆10的另一端的锥孔与钢球测头11通过磁力连接，钢球测头11安装在关节臂式坐标测量机12上。

实施例4：如图1-4所示，一种关节臂式坐标测量机的自标定系统，包括自标定装置、关节臂式坐标测量机12、计算机15、自标定装置电缆16、关节臂式坐标测量机电缆17，所述计算机15含有数据采集卡；其中自标定装置通过自标定装置电缆16与计算机15连接通讯，关节臂式坐标测量机12通过关节臂式坐标测量机电缆17与计算机15连接通讯；通过计算机15控制数据采集卡采集自标定装置的有效长度和关节臂式坐标测量机12的转角；所述自标定装置的有效长度为基准球3球心和钢球测头11球心的距离。

实施例5：如图1-4所示，一种关节臂式坐标测量机的自标定方法，所述方法的具体步骤如下：

Step1、上电，打开自标定装置和关节臂式坐标测量机12；

Step2、将自标定装置与关节臂式坐标测量机12回零，并将钢球测头11与磁性锥孔杆10吸合，则实现自标定装置与关节臂式坐标测量机12连接在一起；

Step3、将关节臂式坐标测量机12移动至初始位姿且满足初始化计数变量i＝0；

Step4、判断是否完成了标定数据采集操作：

若尚未完成则转至步骤Step5；若已完成标定数据采集操作则转至步骤Step8；

Step5、计数变量自增1：i＝i+1；

Step6、通过数据采集卡采集第i组自标定装置的有效长度l_i和关节臂式坐标测量机12的转角数据；

Step7、变换关节臂式坐标测量机12的位姿，变换的原则为：按照关节顺序的大小依次变换每个关节的转角；其中所有关节变换次数之和为n且每个关节变换的次数为5次以上；每变换一次之后就返回到步骤Step4进行判断；

Step8、完成标定数据采集后，令n＝i；

Step9、利用采集到的数据和关节臂式坐标测量机的运动学方程列出n个方程，每个方程的形式为：

$\sqrt{{(x_j-x_0)}^2+{(y_j-y_0)}^2+{(z_j-z_0)}^2}=l_j$

其中： $\begin{array}{c}{x}_j=f_x({\mathrm{\θ}}_{1,j},{\mathrm{\θ}}_{2,j},...,{\mathrm{\θ}}_{k,j})\\ y_j=f_y({\mathrm{\θ}}_{1,j},{\mathrm{\θ}}_{2,j},...,{\mathrm{\θ}}_{k,j})\\ z_j=f_z({\mathrm{\θ}}_{1,j},{\mathrm{\θ}}_{2,j},...,{\mathrm{\θ}}_{k,j})\end{array}$ 表示第j个位姿时钢球测头11的坐标值，θ_1,j,θ_2,j,...,θ_k,j表示关节臂式坐标测量机12第j个位姿时的k个转角；(x₀,y₀,z₀)为基准球3的坐标值；l_j为自标定装置的第j个有效长度；

Step10、求解由n个方程组成的方程组：

$\sqrt{{(x_1-x_0)}^2+{(y_1-y_0)}^2+{(z_1-z_0)}^2}=l_1$

$\sqrt{{(x_2-x_0)}^2+{(y_2-y_0)}^2+{(z_2-z_0)}^2}=l_2$

…

$\sqrt{{(x_n-x_0)}^2+{(y_n-y_0)}^2+{(z_n-z_0)}^2}=l_n$

可以得到测量机的结构参数向量p；

Step11、将结构参数向量p代入关节臂式坐标测量机12的运动学方程中，验证标定结果的有效性，完成测量机的标定。

实施例6：如图1-4所示，一种关节臂式坐标测量机的自标定系统，包括自标定装置、关节臂式坐标测量机12、计算机15、自标定装置电缆16、关节臂式坐标测量机电缆17，所述计算机15含有数据采集卡；其中自标定装置通过自标定装置电缆16与计算机15连接通讯，关节臂式坐标测量机12通过关节臂式坐标测量机电缆17与计算机15连接通讯；通过计算机15控制数据采集卡采集自标定装置的有效长度和关节臂式坐标测量机12的转角(6个转角θ_1,i,θ_2,i,θ_3,i,θ_4,i,θ_5,i,θ_6,i)；所述自标定装置的有效长度为基准球3球心和钢球测头11球心的距离。

所述自标定装置包括磁性锥座1、固定平台2、基准球3、支撑轨4、连接杆5、滑动轨6、保护壳7、光栅尺8、光栅读数头9、磁性锥孔杆10、钢球测头11、保护壳固定螺栓13、读数头安装螺栓14；其中磁性锥座1通过螺栓安装在固定平台2上，基准球3依靠磁力与磁性锥座1连接，基准球3与导向副的支撑轨4通过连接杆5连接在一起，导向副由支撑轨4、滑动轨6和保护壳7组成，支撑轨4上安装有光栅尺8，滑动轨6上通过读数头安装螺栓14安装有光栅读数头9，保护壳7通过保护壳固定螺栓13安装在支撑轨4上用以保护光栅尺8和光栅读数头9，由光栅读数头9将当前自标定装置的有效长度读取出来，用于结构参数辨识计算，磁性锥孔杆10的一端通过螺纹与滑动轨6连接，磁性锥孔杆10的另一端的锥孔与钢球测头11通过磁力连接，钢球测头11安装在关节臂式坐标测量机12上。

所述基准球3为钢质基准球。

所述方法的具体步骤如下：

Step1、上电，打开自标定装置和关节臂式坐标测量机12；

Step2、将自标定装置与关节臂式坐标测量机12回零，并将钢球测头11与磁性锥孔杆10吸合，则实现自标定装置与关节臂式坐标测量机12连接在一起；

Step3、将关节臂式坐标测量机12移动至初始位姿且满足初始化计数变量i＝0；

Step4、判断是否完成了标定数据采集操作：

若尚未完成则转至步骤Step5；若已完成标定数据采集操作则转至步骤Step8；

Step5、计数变量自增1：i＝i+1；

Step6、通过数据采集卡采集第i组自标定装置的有效长度l_i和关节臂式坐标测量机12的转角数据；其中，六个关节转角分别为：(θ_1,1＝0°,θ_2,1＝120°,θ_3,1＝0°,θ_4,1＝120°,θ_5,1＝0°,θ_6,1＝120°)

Step7、变换关节臂式坐标测量机12的位姿，变换的原则为：逐次从关节一变换到关节六，关节一、三、五(回转关节)的变换方法为：从0°变换到30°，下一次再从30°变换到60°，以此类推，每次变换关节的角度增加30°，一直增加到270°，即完成此关节的位姿变换，每个回转关节需要变换的次数为12次，关节二、四、六(摆动关节)的变换方法为：第一次从120°变换到130°，下一次再从130°变换到140°，以此类推，每次变换关节的角度值增加10°，一直增加到180°，再从180°变换到110°，下次从110°变换到100°，再从100°变换到90°，即完成了此关节的位姿变换，每个摆动关节的变换次数为10次，按此方法完成所有关节的位姿变换共需要66次，用户也可增加位姿的变换次数，以便获得更多数据；每变换一次之后就返回到步骤Step4进行判断；

Step8、完成标定数据采集后，令n＝i＝66；

Step9、利用采集到的数据和关节臂式坐标测量机的运动学方程列出n个方程，每个方程的形式为：

$\sqrt{{(x_j-x_0)}^2+{(y_j-y_0)}^2+{(z_j-z_0)}^2}=l_j$

其中： $\begin{array}{c}{x}_j=f_x({\mathrm{\θ}}_{1,j},{\mathrm{\θ}}_{2,j},...,{\mathrm{\θ}}_{k,j})\\ y_j=f_y({\mathrm{\θ}}_{1,j},{\mathrm{\θ}}_{2,j},...,{\mathrm{\θ}}_{k,j})\\ z_j=f_z({\mathrm{\θ}}_{1,j},{\mathrm{\θ}}_{2,j},...,{\mathrm{\θ}}_{k,j})\end{array}$ 表示第j个位姿时钢球测头11的坐标值，θ_1,j,θ_2,j,...,θ_k,j表示关节臂式坐标测量机12第j个位姿时的k个转角；(x₀,y₀,z₀)为基准球3的坐标值；l_j为自标定装置的第j个有效长度；

Step10、求解由n个方程组成的方程组：

$\sqrt{{(x_1-x_0)}^2+{(y_1-y_0)}^2+{(z_1-z_0)}^2}=l_1$

$\sqrt{{(x_2-x_0)}^2+{(y_2-y_0)}^2+{(z_2-z_0)}^2}=l_2$

…

$\sqrt{{(x_n-x_0)}^2+{(y_n-y_0)}^2+{(z_n-z_0)}^2}=l_n$

可以得到测量机的结构参数向量p；

Step11、将结构参数向量p代入关节臂式坐标测量机12的运动学方程中，验证标定结果的有效性，完成测量机的标定。

上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (4)

1.一种关节臂式坐标测量机的自标定系统，其特征在于：包括自标定装置、关节臂式坐标测量机(12)、计算机(15)、自标定装置电缆(16)、关节臂式坐标测量机电缆(17)，所述计算机(15)含有数据采集卡；其中自标定装置通过自标定装置电缆(16)与计算机(15)连接通讯，关节臂式坐标测量机(12)通过关节臂式坐标测量机电缆(17)与计算机(15)连接通讯；通过计算机(15)控制数据采集卡采集自标定装置的有效长度和关节臂式坐标测量机(12)的转角；所述自标定装置的有效长度为基准球(3)球心和钢球测头(11)球心的距离。

2.根据权利要求1所述的关节臂式坐标测量机的自标定系统，其特征在于：所述自标定装置包括磁性锥座(1)、固定平台(2)、基准球(3)、支撑轨(4)、连接杆(5)、滑动轨(6)、保护壳(7)、光栅尺(8)、光栅读数头(9)、磁性锥孔杆(10)、钢球测头(11)、保护壳固定螺栓(13)、读数头安装螺栓(14)；其中磁性锥座(1)通过螺栓安装在固定平台(2)上，基准球(3)依靠磁力与磁性锥座(1)连接，基准球(3)与导向副的支撑轨(4)通过连接杆(5)连接在一起，导向副由支撑轨(4)、滑动轨(6)和保护壳(7)组成，支撑轨(4)上安装有光栅尺(8)，滑动轨(6)上通过读数头安装螺栓(14)安装有光栅读数头(9)，保护壳(7)通过保护壳固定螺栓(13)安装在支撑轨(4)上用以保护光栅尺(8)和光栅读数头(9)，由光栅读数头(9)将当前自标定装置的有效长度读取出来，用于结构参数辨识计算，磁性锥孔杆(10)的一端通过螺纹与滑动轨(6)连接，磁性锥孔杆(10)的另一端的锥孔与钢球测头(11)通过磁力连接，钢球测头(11)安装在关节臂式坐标测量机(12)上。

3.根据权利要求2所述的关节臂式坐标测量机的自标定系统，其特征在于：所述基准球(3)为钢质基准球。

4.一种关节臂式坐标测量机的自标定方法，其特征在于：所述方法的具体步骤如下：

Step1、上电，打开自标定装置和关节臂式坐标测量机(12)；

Step2、将自标定装置与关节臂式坐标测量机(12)回零，并将钢球测头(11)与磁性锥孔杆(10)吸合，则实现自标定装置与关节臂式坐标测量机(12)连接在一起；

Step3、将关节臂式坐标测量机(12)移动至初始位姿且满足初始化计数变量i＝0；

Step4、判断是否完成了标定数据采集操作：

若尚未完成则转至步骤Step5；若已完成标定数据采集操作则转至步骤Step8；

Step5、计数变量自增1：i＝i+1；

Step6、通过数据采集卡采集第i组自标定装置的有效长度li和关节臂式坐标测量机(12)的转角数据；

Step7、变换关节臂式坐标测量机(12)的位姿，变换的原则为：按照关节顺序的大小依次变换每个关节的转角；其中所有关节变换次数之和为n且每个关节变换的次数为5次以上；每变换一次之后就返回到步骤Step4进行判断；

Step8、完成标定数据采集后，令n＝i；

Step9、利用采集到的数据和关节臂式坐标测量机的运动学方程列出n个方程，每个方程的形式为：

$\sqrt{{(x_j-x_0)}^2+{(y_j-y_0)}^2+{(z_j-z_0)}^2}=l_j$

其中： $\begin{array}{c}{x}_j=f_x({\mathrm{\θ}}_{1,j},{\mathrm{\θ}}_{2,j},...,{\mathrm{\θ}}_{k,j})\\ y_j=f_y({\mathrm{\θ}}_{1,j},{\mathrm{\θ}}_{2,j},...,{\mathrm{\θ}}_{k,j})\\ z_j=f_z({\mathrm{\θ}}_{1,j},{\mathrm{\θ}}_{2,j},...,{\mathrm{\θ}}_{k,j})\end{array}$ 表示第j个位姿时钢球测头11的坐标值，θ_1,j,θ_2,j,...,θ_k,j表示关节臂式坐标测量机12第j个位姿时的k个转角；(x₀,y₀,z₀)为基准球3的坐标值；l_j为自标定装置的第j个有效长度；

Step10、求解由n个方程组成的方程组：

$\begin{array}{c}\sqrt{{(x_1-x_0)}^2+{(y_1-y_0)}^2+{(z_1-z_0)}^2}=l_1\\ \sqrt{{(x_2-x_0)}^2+{(y_2-y_0)}^2+{(z_2-z_0)}^2}=l_2\\ ...\\ \sqrt{{(x_n-x_0)}^2+{(y_n-y_0)}^2+{(z_n-z_0)}^2}=l_n\end{array}$

可以得到测量机的结构参数向量p；

Step11、将结构参数向量p代入关节臂式坐标测量机(12)的运动学方程中，验证标定结果的有效性，完成测量机的标定。