CN107014331A - 一种关节臂测量力误差辨识装置及误差辨识校正方法 - Google Patents

Abstract

一种关节臂式坐标测量机测量力误差辨识装置，包括基座、两高精度压力传感器及显示模块、固定螺栓，其特征在于，在两压力传感器测量平面上设有左测量面和右测量面，待测的关节臂式坐标测量机测头靠在高精度压力传感器左右测量面中心3mm的区域内。本发明的优点有：1）设计的测力装置可以得出关节臂式坐标测量机长度测量误差与对应测量力大小间的映射关系；2）基于该映射关系建立基于模拟退火算法的测量力误差补偿模型，实现测量力误差补偿，提高关节臂的测量精度。

Description

一种关节臂测量力误差辨识装置及误差辨识校正方法

技术领域

本发明涉及关节臂式坐标测量机领域，具体涉及一种关节臂测量力误差辨识装置及误差辨识校正方法。

背景技术

关节臂式坐标测量机(下文简称关节臂)是实现坐标测量的高精度仪器，在坐标测量过程中，由于接触式测头与被测物体相互接触而产生测量力，从而引入测量力误差，接触测量力是影响关节臂测量精度的重要因素，由于测量力的存在，使得在接触式测量过程中，测头与被测件之间产生局部变形、测杆弯曲变形，这使得关节臂测头的真实几何形状与其运动学方程不匹配，从而带来较大测量误差。尽管可以通过对关节臂进行定期的校准来减少测头误差，但在校准和测量过程中通常忽略了测量力这一因素的影响，其不能补偿测量力在此过程中带来的校准误差和测量误差。为提高关节臂的测量精度，需对关节臂测量力误差进行辨识和补偿。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是设计一个关节臂测量力误差辨识方法，该方法可辨识出关节臂在进行长度测量的过程中，测量力与测量误差的对应关系。

本发明解决的技术问题所采用的技术方案如下：

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种关节臂式坐标测量机测量力误差辨识装置，包括基座，基座上通过螺栓固定有U形支架，U形支架左外壁和右外壁上均固定有高精度压力传感器，两个高精度压力传感器连接有显示模块，显示模块显示高精度压力传感器的读数；左侧高精度压力传感器测量平面上设有左测量面，右侧高精度压力传感器测量平面上设有右测量面，关节臂式坐标测量机测头在左测量面和右测量面内进行测定，左测量面和右测量面的范围为高精度压力传感器中心3mm的区域内。

一种关节臂式坐标测量机测量力误差辨识校正方法，包括如下步骤：

步骤一)采用超高精度的正交式坐标测量机进行左测量面和右测量面间的距离标定；标定结果作为两个测量面间距离真实值，记为L；

步骤二)用关节臂在左测量面测X(X≥3)个坐标点P_i(x_i,y_i,z_i),(i＝1,2,…,X)，测定过程中测量力大小相同,利用各点到测量平面距离平方和最小得出拟合平面V，然后在右测量面测出一点P_k(x_k,y_k,z_k)，且保证与左端压力传感器测量力相同，最后求得P_k到平面V的距离即为关节臂对两测量面间的距离测定值；改变测量力的大小，进行重复实验，测量力的大小为F_i,(i＝1,2,…,N)，得到一系列距离测定值L_i,(i＝1,2,…,N)；

步骤三)计算关节臂测量力误差e_i：

e_i＝L_i-L-d

其中，L_i为左右量测量面距离测定值，L真实值，d为关节臂测头直径；由上述测量结果得出(F_i,e_i),i＝1,2,…间的映射关系；

步骤四)根据测量结果拟合出关节臂长度测量误差与对应测量力之间的线性映射关系：

f(F；k,b)＝kF+b

其中，k为拟合直线的斜率，b为拟合直线的截距；

根据线性映射关系，设定目标函数H为(F_i,e_i),i＝1,2,…到拟合函数f(F；k,b)的偏离程度：

利用模拟退火算法迭代运算目标函数，得到使H最小的k、b值最优解；

步骤五)使用k、b值最优解建立误差补偿模型，利用误差补偿模型即可对关节臂测量力误差进行校正。

进一步的改进，所述步骤一)在采用超高精度的正交式坐标测量机进行距离标定的方法为：在左测量面随机测出25个坐标点P_N(N＝1,2,…,25)，每5个点拟合出一个平面，共拟合出5个平面V_i(i＝1,2,…,5)；右测量面测出25个坐标点P_M(M＝1,2,…,25)，每5个点拟合出一个平面，共拟合出5个平面，共拟合出5个平面V_j(j＝1,2,…,5)；分别计算出平面V_i和V_j的平面度，以及相同标号的两拟合平面的平行度及三维距离；计算结果达标，则以左右两拟合面的平均值作为两个测量面间距离真实值。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)设计的测力装置可以得出关节臂长度测量误差与对应测量力大小间的映射关系；2)基于该映射关系建立基于模拟退火算法的测量力误差补偿模型，实现测量力误差补偿，提高关节臂的测量精度。

附图说明

图1所示的是本发明测力装置结构示意图。其中1为U形支架；2为压力传感器；3为关节臂测头或三坐标测量机测头；

图2所示的是本发明的基于模拟退火算法的误差补偿方法流程图；

图3所示的是关节臂长度测量误差与测量力关系曲线；

图4所示的是关节臂测量力误差补偿前后对比图。

具体实施方式

实施例1

如图1所示的一种用于检测关节臂接触测量力的装置，将高精度压力传感器固定于U形支架两端，两个高精度压力传感器连接有显示模块，显示模块显示高精度压力传感器的读数(显示模块未在图中画出)。为保障精度，左测量面和右测量面的范围为高精度压力传感器中心3mm的区域内。

一方面，本发明采用精度较高的压力传感器，且能保证传感器测量面的平面度及两测量面的平行度，尽量减少外界因素的干扰。另一方面，选择模拟退火算法，能很好地做到误差补偿效果，其方法可以以一定的概率跳出局部最优解从而实现全局最优。

1、测力装置标定

用正交式坐标测量机在两传感器测量平面分别进行坐标测量。首先在左测量面上随机测出25个坐标点P_N(N＝1,2,…,25)，右侧传感器测量平面测出25个坐标点P_M(M＝1,2,…,25)。然后取左侧传感器测出的25个坐标中的5个进行平面拟合，共拟合出5个平面V_i(i＝1,2,…,5)，右侧同理，共拟合出5个平面V_j(j＝1,2,…,5)。最后分别计算出平面V_i和V_j的平面度、两拟合平面的平行度及三维距离，从而实现对两传感器测量两平面的真实距离的标定。其平面度、平行度及标定距离如表1所示。为提高测量精度，限定坐标测量范围为传感器测量平面中心半径3mm范围内。

表1平面度、平行度及标定距离(mm)

由上述标定实验可知，两传感器测量平面的平面度、平行度误差均很小，平面度误差最大不超0.003mm，平行度误差最大不超过0.007mm,满足实验要求，两传感器间标定距离的真实值取5次实验的平均值：L＝186.201mm。

2、关节臂测量力误差

用关节臂在左测量面上以近似相同大小的测力进行坐标测量，测出X(X≥3)个坐标点P_i(i＝1,2,…,X)，并应用最小二乘法拟合出最小二乘平面V(测量力的大小可通过显示模块读取，调整测量力以保证大小相同)。在右测量面上以与左侧近似大小的测量力测出一个坐标点P_k(x_k,y_k,z_k)。最后根据点到面的距离公式求出点P_k到最小二乘平面V的距离即为关节臂测量值L_i，改变测量力的大小，进行重复实验，测量力的大小为F_i,(i＝1,2,…,N)，得到一系列距离测定值L_i,(i＝1,2,…,N)。

3、计算关节臂测量力误差e_i

e_i＝L_i-L-d

其中，L_i为左右量测量面距离测定值，L真实值，d为关节臂测头直径；(本方法采用的关节臂测头直径为6mm)。得出关节臂长度测量误差与测量力的关系如图3所示。

4、基于模拟退火算法的误差补偿模型

模拟退火算法(Simulated Annealing，SA)是由N.Metropolis等人于1953年最早它提出。它是基于Monte-Carlo迭代求解策略的一种随机寻优的算法。模拟退火算法的基本思想是从某一较高的初始温开始，然后随着温度的降低，并结合概率突跳特性，在所有解空间中随机寻找目标函数的全局最优解。

根据测量结果拟合出关节臂长度测量误差与对应测量力之间的线性映射关系f(F；k,b)＝kF+b。F为测量力，k为拟合直线的斜率，b为拟合直线的截距；

根据线性映射关系，设定目标函数H为(F_i,e_i),i＝1,2,…到拟合函数f(F；k,b)的偏离程度：

利用模拟退火算法迭代运算目标函数，得到使H最小的k、b值最优解，具体流程如图2所示。

5.使用k、b值最优解建立误差补偿模型，利用误差补偿模型即可对关节臂测量力误差进行校正。基于该模型得出的误差补偿前后对比如图4所示。

本发明针对关节臂接触测量力这一因素展开检测方法分析，通过设计一个简单测力装置，将关节臂在考虑接触测量力的情况下进行坐标测量，研究发现接触测量力对关节臂式坐标测量机测量精度的影响很大，并对测量力造成的误差进行误差补偿。该发明充分考虑到接触测量力对关节臂式坐标测量机测量精度的影响，为后续提高关节臂式坐标测量机的测量精度提供了一种检测方法。

以上实施例仅用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围，凡是依据本发明的技术实质对以下实例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (3)

1.一种关节臂式坐标测量机测量力误差辨识装置，包括基座，其特征在于，所述基座上通过螺栓固定有U形支架，U形支架左外壁和右外壁上均固定有高精度压力传感器，两个高精度压力传感器连接有显示模块，显示模块显示高精度压力传感器的读数；左侧高精度压力传感器测量平面上设有左测量面，右侧高精度压力传感器测量平面上设有右测量面，关节臂式坐标测量机测头在左测量面和右测量面内进行测定，左测量面和右测量面的范围为高精度压力传感器中心3mm的区域内。

2.一种关节臂式坐标测量机测量力误差辨识校正方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一)采用超高精度的正交式坐标测量机进行左测量面和右测量面间的距离标定；标定结果作为两个测量面间距离真实值，记为L；步骤二)用关节臂在左测量面测X(X≥3)个坐标点P_i(x_i,y_i,z_i),(i＝1,2,…,X)，测定过程中测量力大小相同,利用各点到测量平面距离平方和最小得出拟合平面V，然后在右测量面测出一点P_k(x_k,y_k,z_k)，且保证与左端压力传感器测量力相同，最后求得P_k到平面V的距离即为关节臂对两测量面间的距离测定值；改变测量力的大小，进行重复实验，测量力的大小为F_i,(i＝1,2,…,N)，得到一系列距离测定值L_i,(i＝1,2,…,N)；

步骤三)计算关节臂测量力误差e_i：

e_i＝L_i-L-d

其中，L_i为左右量测量面距离测定值，L真实值，d为关节臂测头直径；由上述测量结果得出(F_i,e_i),i＝1,2,…间的映射关系；

步骤四)根据测量结果拟合出关节臂长度测量误差与对应测量力之间的线性映射关系：

f(F；k,b)＝kF+b

其中，k为拟合直线的斜率，b为拟合直线的截距；

根据线性映射关系，设定目标函数H为(F_i,e_i),i＝1,2,…到拟合函数f(F；k,b)的偏离程度：

利用模拟退火算法迭代运算目标函数，得到使H最小的k、b值最优解；步骤五)使用k、b值最优解建立误差补偿模型，利用误差补偿模型即可对关节臂测量力误差进行校正。

3.如权利要求2所述的一种关节臂式坐标测量机测量力误差辨识校正方法，其特征在于，所述步骤一)在采用超高精度的正交式坐标测量机进行距离标定的方法为：在左测量面上随机测出25个坐标点P_N(N＝1,2,…,25)，每5个点拟合出一个平面，共拟合出5个平面V_i(i＝1,2,…,5)；右测量面测出25个坐标点P_M(M＝1,2,…,25)，每5个点拟合出一个平面，共拟合出5个平面，共拟合出5个平面V_j(j＝1,2,…,5)；分别计算出平面V_i和V_j的平面度，以及相同标号的两拟合平面的平行度及三维距离；计算结果达标，则以左右两拟合面的平均值作为两个测量面间距离真实值。