CN111238372A - 双复合式坐标测量系统的联合位置误差的同步检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双复合式坐标测量系统的联合位置误差的同步检测方法，能够将两个联合位置误差溯源到同一激光干涉系统上，采用激光干涉系统建立参考坐标系，获取参考坐标系分别关于第一子坐标系、第二子坐标系的旋转关系；根据旋转关系将检测点在子坐标系中的位置坐标转换到参考坐标系中，得到旋转位置坐标；根据旋转位置坐标进行数据拟合，得到被测标准单元的拟合中心坐标；确定出被测标准单元中心点在参考坐标系中的参考位置坐标，作为被测标准单元中心点的实际位置坐标；以被测标准单元中心点的实际位置坐标为中心，作一个包含被测单元所有拟合中心坐标的最小外接球，所述最小外接球的直径作为联合位置误差。

Description

双复合式坐标测量系统的联合位置误差的同步检测方法

技术领域

本发明涉及误差检测技术领域，尤其是两台复合式坐标测量系统的联合位置误差检测方法。

背景技术

复合式坐标测量系统具有多种类型的传感器，如接触式、图像、光学传感器。对于大型构件，往往需要两台复合式坐标测量系统同时进行测量，但是目前存在的问题是：在测量前对两台坐标测量系统的联合误差校准(多种传感器的联合误差)是先后进行的，不仅效率较低，更严重的是导致两台复合式坐标测量系统在检测时所处的环境条件不一致(如温度、气压、湿度等)，那么两台复合式坐标测量系统的误差精度检测受到环境干扰，不能准确的检测到两台复合式坐标测量系统在相同环境条件下的联合误差，因此难以将两台测量系统的联合误差校准为一致，导致对大型构件的测量结果不准确。尤其是复合式坐标测量系统的联合位置误差，联合位置误差属于系统误差，是影响测量结果精度的关键性因素。至于联合形状误差与联合尺寸误差，主要由传感器的性能决定，对测量结果精度的影响远小于联合位置误差。因此，亟需要一种能够同时对两台复合式坐标测量系统进行联合位置误差检测的方法。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明提供一种双复合式坐标测量系统的联合位置误差的同步检测方法，解决目前缺乏能够同时对两台复合式坐标测量系统进行联合位置误差检测的有效方法的技术问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：一种双复合式坐标测量系统的联合位置误差的同步检测方法，包括以下步骤：建立参考坐标系，获取参考坐标系分别关于第一子坐标系、第二子坐标系的旋转关系；第一子坐标系、第二子坐标系分别为第一坐标测量系统的坐标系、第二坐标测量系统的坐标系；

分别以标准器A、标准器B上的一个标准单元的中心点作为第一溯源点、第二溯源点，跟踪第一溯源点、第二溯源点在参考坐标系中的参考位置坐标；第一坐标测量系统、第二坐标测量系统分别同时对标准器A、标准器B进行采样；

根据相应的旋转关系分别将标准器A上对被测标准单元的检测点在第一子坐标系中的位置坐标、标准器B上被对测标准单元的检测点在第二子坐标系统中的位置坐标转换到参考坐标系中，从而得到相应的旋转位置坐标；

根据旋转位置坐标进行数据拟合，得到被测标准单元的拟合中心坐标；根据标准单元之间已知的相对位置关系以及溯源点的参考位置坐标，确定出被测标准单元中心点在参考坐标系中的参考位置坐标，作为被测标准单元中心点的实际位置坐标；以被测标准单元中心点的实际位置坐标为中心，作一个包含被测单元所有拟合中心坐标的最小外接球，所述最小外接球的直径作为联合位置误差。

进一步的，参考坐标系按如下方式建立：

在两个复合式坐标测量系统之间建立激光光路：激光干涉仪、双角度分光镜与参考面镜的中心依次位于同一直线上，形成主直线光路；主直线光路作为参考坐标系的一水平轴，以主直线光路的水平垂直线作为另一水平轴，以双角度分光镜的中心作为参考坐标系的原点。

进一步的，参考坐标系关于第一子坐标系、第二子坐标系的旋转关系按如下方式获取：

双角度分光镜从主直线光路上分解出分别用于跟踪第一溯源点、第二溯源点的第一子光路、第二子光路；通过激光干涉法调整双角度分光镜的分光角度，使第一子光路、第二子光路分别同时平行于第一子坐标系的一水平轴、第二子坐标系的一水平轴，获取此时第一子光路与主直线光路之间的夹角β₁以及第二子光路与主直线光路之间的夹角β₂，夹角β₁与夹角β₂分别作为参考坐标系关于第一子坐标系、第二子坐标系的旋转关系。

进一步的，若复合式坐标测量系统中包含多个轴线不平行的控制臂，以其中一个控制臂作为参考臂，标准器位于参考臂有效视场范围时的位置作为参考位置；依次绕单轴翻转标准器，使标准器位于各个控制臂的有效视场范围内，依次对标准器进行采样；同时，采用角度跟踪光路对标准器相对于参考位置的参考翻转角度进行跟踪；根据参考翻转角度对所有控制臂的采样数据进行转换，得当所有控制臂在参考臂位姿下的翻转数据；以翻转数据作为被测标准单元的检测点在子坐标系中的位置坐标。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明创新性的提出了双复合式坐标测量系统的联合位置误差的表达方法：以被测标准单元中心点的实际位置坐标为中心，作一个包含被测单元所有拟合中心坐标的最小外接球，所述最小外接球的直径作为联合位置误差。这种表达方式并非直接来源于单个复合式坐标测量系统的联合位置误差的表达方式。

2、本发明将第一子坐标系、第二子坐标系均转换到同一参考坐标系下，将独立的两个复合式坐标测量系统各自的联合位置误差通过统一的参考坐标系联系到一起：实际位置坐标均是在参考坐标系下，实际位置坐标的精度均被溯源到同一台激光干涉仪(精度比测量系统更高)上，排除了实际位置坐标精度的差异所导致的两个系统的联合位置误差的累积误差：若分别用不同的仪器来溯源实际位置坐标，不同仪器的测量精度存在差异，这种差异就会累积到相应的联合位置误差上。

3、本发明除了能够对两台单臂复合式坐标测量系统的联合位置误差进行同步检测以外，还通过角度追踪进行数据翻转，来实现两台多臂复合式坐标测量系统的联合位置误差的同步检测。

附图说明

图1是双复合式坐标测量系统的联合位置误差的同步检测方法的原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图和优选实施方式对本发明作进一步的详细说明。

参考图1所示，两个复合式坐标测量系统分别为协作测量设备1、协作测量设备2。协作测量设备1只有一个控制臂，协作测量设备2具有两个控制臂。

建立参考坐标系：在两个复合式坐标测量系统之间建立激光光路：激光干涉仪、双角度分光镜与参考面镜的中心依次位于同一直线上，形成主直线光路；主直线光路作为参考坐标系的一水平轴(如Y轴)，以主直线光路的水平垂直线作为另一水平轴(X轴)，以双角度分光镜的中心作为参考坐标系的原点。第一子坐标系、第二子坐标系与参考坐标系的原点均位于同一水平面，并且三个坐标系的Z轴平行。

分别以标准器A、标准器B上的一个标准单元(标准单元为标准球、标准圆柱或标准圆孔)的中心点作为第一溯源点、第二溯源点，跟踪第一溯源点、第二溯源点在参考坐标系中的参考位置坐标；第一坐标测量系统、第二坐标测量系统分别同时对标准器A、标准器B进行采样。

参考坐标系关于第一子坐标系、第二子坐标系的旋转关系按如下方式获取：

双角度分光镜从主直线光路上分解出分别用于跟踪第一溯源点、第二溯源点的第一子光路、第二子光路；通过激光干涉法调整双角度分光镜的分光角度，使第一子光路、第二子光路分别同时平行于第一子坐标系的一水平轴(如X轴)、第二子坐标系的一水平轴(如X轴)，获取此时第一子光路与主直线光路之间的夹角β₁以及第二子光路与主直线光路之间的夹角β₂，夹角β₁与夹角β₂分别作为参考坐标系关于第一子坐标系、第二子坐标系的旋转关系。

根据相应的旋转关系分别将标准器A上对被测标准单元的检测点在第一子坐标系中的位置坐标、标准器B上被对测标准单元的检测点在第二子坐标系统中的位置坐标转换到参考坐标系中，从而得到相应的旋转位置坐标。

以协作测量设备2为例来说明根据夹角β₂来计算旋转位置坐标：

假设标准器B上被对测标准单元的检测点在第二子坐标系统中的位置坐标为(x₂,y₂,z₂)，根据三角函数关系与几何变换，可得到相应的旋转位置坐标(x,y,z)如下：

根据旋转位置坐标进行数据拟合，拟合出球体、圆孔等，如拟合出高斯球，得到被测标准单元的拟合中心坐标；根据标准单元之间已知的相对位置关系(标准单元中心之间的距离为已知的名义值)以及溯源点的参考位置坐标，确定出被测标准单元中心点在参考坐标系中的参考位置坐标，作为被测标准单元中心点的实际位置坐标；以被测标准单元中心点的实际位置坐标为中心，作一个包含被测单元所有拟合中心坐标的最小外接球，所述最小外接球的直径作为联合位置误差。

对于单臂复合式坐标测量系统，以协作测量设备2为例，可以根据以下方式确定溯源点在参考坐标系中的参考位置坐标：

获取第二子光路垂直于标准器B上被测标准单元外表面的切线的垂点在参考坐标系中的参考位置坐标，以被测标准单元的名义半径值作为垂点与第二溯源点之间的距离，从而计算出第二溯源点在参考坐标系中的参考位置坐标。

若复合式坐标测量系统中包含多个轴线不平行的控制臂，以其中一个控制臂作为参考臂，标准器位于参考臂有效视场范围时的位置作为参考位置；依次绕单轴翻转标准器，使标准器位于各个控制臂的有效视场范围内，依次对标准器进行采样；同时，采用角度跟踪光路对标准器相对于参考位置的参考翻转角度进行跟踪；根据参考翻转角度对所有控制臂的采样数据进行转换，得当所有控制臂在参考臂位姿下的翻转数据；以翻转数据作为被测标准单元的检测点在子坐标系中的位置坐标。

标准器通过翻转机构进行单轴翻转，翻转机构包括底座、底座上设置有固定支架与升降杆，固定支架与标准器上的翻转中心点铰接，升降杆上端固定连接在标准器底面，并且升降杆上端位于跟踪点与翻转中心点的连线上；升降杆采用手动、电动、气动或液压升降杆。

对于多臂复合式坐标测量系统，以协作测量设备1为例，可以根据以下方式确定溯源点在参考坐标系中的参考位置坐标：

多臂复合式坐标测量系统中包含多个轴线不平行的控制臂，以其中一个控制臂(竖直控制臂)作为参考臂，标准器A位于参考臂有效视场范围时的位置作为参考位置；获取标准器位于参考位置时第一溯源点在参考坐标系中的位置坐标：首先确定标准器A位于水平位置上第一溯源点在参考坐标系中的位置坐标，然后，根据参考位置与水平位置之间的夹角，换算出标准器位于参考位置时第一溯源点在参考坐标系中的位置坐标。

角度跟踪光路包括位于溯源点正下方的测量面镜、位于子光路上的单角度分光镜与参考面镜；单角度分光镜从子光路上分解出垂直于子光路的水平跟踪光路，水平跟踪光路上设有位于测量面镜正下方的三角棱镜，三角棱镜用于跟随溯源点在标准器绕单轴翻转过程中在水平方向上的轴向移动，并将光线引导至测量面镜并接收测量面镜的反射光，从而使得激光干涉仪能够测量出测量面镜在Z轴方向距离三角棱镜的高度，以此高度作为溯源点距离三角棱镜的高度；根据溯源点距离三角棱镜的高度计算参考翻转角度。

按如下方式计算参考翻转角度：

首先，获取标准器位于水平位置时，溯源点距离三角棱镜的初始高度h₀；

然后，获取标准器位于参考位置时，溯源点距离三角棱镜的高度h₁；计算参考位置时的标准器与水平面之间的夹角α₀；

最后，计算第i个控制臂相对于参考位置的参考翻转角度α_i，根据以下公式：

式中，L表示标准器上的溯源点与翻转中心点之间的距离，h_i表示溯源点距离三角棱镜的高度。

Claims (9)

1.一种双复合式坐标测量系统的联合位置误差的同步检测方法，其特征在于，包括以下步骤：建立参考坐标系，获取参考坐标系分别关于第一子坐标系、第二子坐标系的旋转关系；第一子坐标系、第二子坐标系分别为第一坐标测量系统的坐标系、第二坐标测量系统的坐标系；

分别以标准器A、标准器B上的一个标准单元的中心点作为第一溯源点、第二溯源点，跟踪第一溯源点、第二溯源点在参考坐标系中的参考位置坐标；第一坐标测量系统、第二坐标测量系统分别同时对标准器A、标准器B进行采样；

根据相应的旋转关系分别将标准器A上对被测标准单元的检测点在第一子坐标系中的位置坐标、标准器B上被对测标准单元的检测点在第二子坐标系统中的位置坐标转换到参考坐标系中，从而得到相应的旋转位置坐标；

根据旋转位置坐标进行数据拟合，得到被测标准单元的拟合中心坐标；根据标准单元之间已知的相对位置关系以及溯源点的参考位置坐标，确定出被测标准单元中心点在参考坐标系中的参考位置坐标，作为被测标准单元中心点的实际位置坐标；以被测标准单元中心点的实际位置坐标为中心，作一个包含被测单元所有拟合中心坐标的最小外接球，所述最小外接球的直径作为联合位置误差。

2.根据权利要求1所述的双复合式坐标测量系统的联合位置误差的同步检测方法，其特征在于，标准单元为标准球、标准圆柱、标准圆孔或相互间的组合体。

3.根据权利要求1所述的双复合式坐标测量系统的联合位置误差的同步检测方法，其特征在于，参考坐标系按如下方式建立：

在两个复合式坐标测量系统之间建立激光光路：激光干涉仪、双角度分光镜与参考面镜的中心依次位于同一直线上，形成主直线光路；主直线光路作为参考坐标系的一水平轴，以主直线光路的水平垂直线作为另一水平轴，以双角度分光镜的中心作为参考坐标系的原点。

4.根据权利要求3所述的双复合式坐标测量系统的联合位置误差的同步检测方法，其特征在于：第一子坐标系、第二子坐标系与参考坐标系的原点均位于同一水平面，并且三个坐标系的Z轴平行。

5.根据权利要求3所述的双复合式坐标测量系统的联合位置误差的同步检测方法，其特征在于：参考坐标系关于第一子坐标系、第二子坐标系的旋转关系按如下方式获取：

双角度分光镜从主直线光路上分解出分别用于跟踪第一溯源点、第二溯源点的第一子光路、第二子光路；通过激光干涉法调整双角度分光镜的分光角度，使第一子光路、第二子光路分别同时平行于第一子坐标系的一水平轴、第二子坐标系的一水平轴，获取此时第一子光路与主直线光路之间的夹角β₁以及第二子光路与主直线光路之间的夹角β₂，夹角β₁与夹角β₂分别作为参考坐标系关于第一子坐标系、第二子坐标系的旋转关系。

6.根据权利要求5所述的双复合式坐标测量系统的联合位置误差的同步检测方法，其特征在于：根据以下方式确定溯源点在参考坐标系中的参考位置坐标，获取子光路垂直于被测标准单元外表面的切线的垂点在参考坐标系中的参考位置坐标，以被测标准单元的名义半径值作为垂点与溯源点之间的距离，从而计算出溯源点在参考坐标系中的参考位置坐标。

7.根据权利要求5所述的双复合式坐标测量系统的联合位置误差的同步检测方法，其特征在于：若复合式坐标测量系统中包含多个轴线不平行的控制臂，以其中一个控制臂作为参考臂，标准器位于参考臂有效视场范围时的位置作为参考位置；依次绕单轴翻转标准器，使标准器位于各个控制臂的有效视场范围内，依次对标准器进行采样；同时，采用角度跟踪光路对标准器相对于参考位置的参考翻转角度进行跟踪；根据参考翻转角度对所有控制臂的采样数据进行转换，得当所有控制臂在参考臂位姿下的翻转数据；以翻转数据作为被测标准单元的检测点在子坐标系中的位置坐标。

8.根据权利要求7所述的双复合式坐标测量系统的联合位置误差的同步检测方法，其特征在于：角度跟踪光路包括位于溯源点正下方的测量面镜、位于子光路上的单角度分光镜与参考面镜；单角度分光镜从子光路上分解出垂直于子光路的水平跟踪光路，水平跟踪光路上设有位于测量面镜正下方的三角棱镜，三角棱镜用于跟随溯源点在标准器绕单轴翻转过程中在水平方向上的轴向移动，并将光线引导至测量面镜并接收测量面镜的反射光，从而使得激光干涉仪能够测量出测量面镜在Z轴方向距离三角棱镜的高度，以此高度作为溯源点距离三角棱镜的高度；根据溯源点距离三角棱镜的高度计算参考翻转角度。

9.根据权利要求8所述的双复合式坐标测量系统的联合位置误差的同步检测方法，其特征在于：按如下方式计算参考翻转角度：

首先，获取标准器位于水平位置时，溯源点距离三角棱镜的初始高度h₀；

然后，获取标准器位于参考位置时，溯源点距离三角棱镜的高度h₁；计算参考位置时的标准器与水平面之间的夹角α₀；

最后，计算第i个控制臂相对于参考位置的参考翻转角度α_i，根据以下公式：

式中，L表示标准器上的溯源点与翻转中心点之间的距离，h_i表示溯源点距离三角棱镜的高度。

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