CN111272068B - 协作多臂测量系统的联合误差评价、检测方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了协作多臂测量系统的联合误差评价、检测方法与系统，评价方法根据参考臂与其余控制臂的空间夹角进行数据转化，得到其余控制臂在参考臂位姿下的翻转数据；利用翻转数据与参考臂在有效视场范围内对同一标准的采样数据进行联合误差评价；检测系统包括翻转机构与角度跟踪系统，检测方法包括调节翻转机构使标准器转动到第i个控制臂的有效视场范围内，利用角度跟踪系统获取标准器相对于参考位置的参考翻转角度α_i；根据参考翻转角度α_i对各个控制臂采集的数据进行转换。本发明解决了协作多臂多传感器测量系统非同构空间的传感器高质量采样和联合测量误差的评测问题。

Description

协作多臂测量系统的联合误差评价、检测方法与系统

技术领域

本发明涉及联合误差测量技术领域，尤其是针对多臂多传感器测量系统的联合误差测量方法。

背景技术

协作多臂测量系统具两个及以上控制臂，每个控制臂上具有单个或多个/种传感器，各个控制臂的轴线不平行。联合误差的评价是将多个传感器分别对同一标准器的采样数据进行集中融合处理，得到相应的联合误差。联合误差包含联合尺寸测量误差、联合形状测量误差、联合位置测量误差。为了保证各个臂的单个测量精度和联合测量精度，需使用同一标准器对单个臂测量能力和多个臂联合使用测量能力进行检测。

参考图4所示，对于单臂多传感器的联合误差的评价需要分别用各个传感器对标准器进行采样，例如接触式传感器a1、光学传感器a2、影像传感器a3分别对标准器中的一个标准球进行采样。在采样过程中，该标准球处于各传感器有效视场范围内。其中，接触式传感器对该球的上表面进行分布式采样，采样点共计25个，近似均匀地分布在球体的上端表面上；光学传感器对球体上表面进行采样，上表面的覆盖面积为中心线Z轴的30角度区域，采样点为25个；图像传感器采集球体上端近似中间截面，在中间截面近似均匀采样，获得采样点25个。利用每个传感器的采样数据进行拟合得到拟合球(高斯球)，将拟合球的直径与名义值的差作为该联合测量系统的尺寸测量误差；将所有点到球心的最大值和最小值之差作为系统形状测量误差。各传感器的采样数据拟合得到各自的球心，用所有球心坐标拟合得到最小外接球，外接球的直径作为该联合测量系统的位置误差。

但是，对于多臂多传感器的联合误差检测，若直接采用单臂多传感器对标准器的采样方式，会导致标准器不能同时满足位于每个控制臂上的传感器的有效视场范围内，严重影响联合误差的精度。

发明内容

针对现有技术中存在的上述不足，本发明提供一种协作多臂多传感器测量系统检测方法，解决协作多臂多传感器测量系统非同构空间的传感器高质量采样和联合测量误差的评测问题。

本发明还提供一种协作多臂测量系统的联合误差检测方法，解决现有技术中无法准确采集用于检测协作多臂测量系统的联合误差的测量数据的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明采用了如下技术手段：一种协作多臂测量系统的联合误差评价方法，以一个控制臂作为参考臂，其余控制臂相对于参考臂均存在空间夹角；分别获取其余控制臂相对于参考臂的空间夹角，根据空间夹角对其余控制臂在有效视场范围内对同一标准器的采样数据进行转化，得到其余控制臂在参考臂位姿下的翻转数据；利用翻转数据与参考臂在有效视场范围内对同一标准器的采样数据进行联合误差评价。

进一步的，联合误差包括联合尺寸测量误差P_Size、联合形状测量误差P_Form与联合位置测量误差P_Location，具体评价方式分别如下：

参考臂的所有采样数据以及其余控制臂的所有翻转数据均作为测量点数据；

联合尺寸测量误差P_Size：根据测量点数据拟合出空间球体，将空间球体的直径与标准器上标准球的直径名义值之差作为联合尺寸测量误差；

联合形状测量误差P_Form：根据测量点数据拟合出空间球体，将所有测量点到空间球体球心的最大值与最小值之差作为联合形状测量误差；

联合位置测量误差P_Location：根据每个控制臂对应的测量点数据分别拟合出各自的球心，用所有球心坐标拟合得到的最小外接球，最小外接球的直径作为联合位置测量误差。

优选的，以标准器位于参考臂的有效视场范围时的位置为参考位置，以标准器翻转到其余控制臂有效视场范围时相对于参考位置的参考翻转角度作为其余控制臂与参考臂之间的空间夹角。

为解决上述技术问题，本发明采用了如下技术手段：一种协作多臂测量系统的联合误差检测方法，包括以下步骤：

步骤1：通过翻转机构将标准器安装在协作多臂测量系统的XOY平面内；翻转机构能够带动标准器绕X轴或Y轴进行单轴翻转；

步骤2：调节翻转机构使标准器转动到第i个控制臂的有效视场范围内，利用角度跟踪系统获取标准器相对于参考位置的参考翻转角度α_i，参考位置即为标准器相对于参考臂的有效视场位置，i＝{1,2,...,m}，m表示控制臂的总数量；i＝1时，第1个控制臂表示参考臂，α₁＝0；

步骤3：第i个控制臂上的传感器对标准器进行采样；

步骤4：重复步骤2与步骤3，直到所有控制臂上的所有传感器完成对标准器的采样；

步骤5：根据相应的参考翻转角度α_i对各个控制臂采集的数据进行转换，得到各个控制臂相对于参考位置的翻转数据。

本发明还提供一种协作多臂测量系统的联合误差检测系统，包括翻转机构与角度跟踪系统；所述翻转机构用于安装标准器，并能带动标准器绕翻转中心点进行单轴翻转，翻转中心点位于标准器底面；所述角度跟踪系统用于跟踪并测量标准器的参考翻转角度。

进一步的，所述角度跟踪系统包括激光干涉仪、分光镜、参考面镜、三角棱镜、测量面镜与参考翻转角度计算模块；以标准器底面上的一点作为跟踪点，测量面镜则安装在标准器底面相对于跟踪点的位置；激光干涉仪通过分光镜将光路分解成沿X轴与Y轴方向的两个分光光路；参考面镜安装在垂直于标准器进行单轴翻转所绕轴线的分光光路上，三角棱镜安装在另一分光光路上；三角棱镜用于跟随跟踪点在标准器单轴翻转过程中的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，以此高度作为跟踪点距离三角棱镜的高度；参考翻转角度计算模块根据跟踪点在Z轴方向距离三角棱镜的高度计算出参考翻转角度。

进一步的，参考翻转角度计算模块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，跟踪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，跟踪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表示标准器上的跟踪点与翻转中心点之间的距离，h_i表示跟踪点距离三角棱镜的高度。

进一步的，翻转中心点与跟踪点的位置分别对应于标准器上的不同检测点。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明的联合误差评价方法通过将其余控制臂的采样数据统一到参考臂位姿下实现了多臂测量系统的联合误差评价，能够进行多种联合误差评价，包括联合尺寸测量误差P_Size、联合形状测量误差P_Form与联合位置测量误差P_Location，填补了技术空白。以标准器的参考翻转角度作为空间夹角，便于检测，符合实际。

2、本发明的联合误差检测方法能够为联合误差评价提供所需数据，是实现联合误差评价的基础。

3、本发明通过翻转标准器实现了用同一标准器对不同控制臂进行数据采集，使得不同控制臂均能在自身的有效视场范围内对标准器进行测量，是协作多臂测量系统准确进行联合误差检测的基础。

4、由于协作多臂测量系统中各个控制臂的位姿不相同，各个控制臂的测量数据无法直接用于联合误差的计算，需要统一控制臂的位姿。本发明通过角度跟踪系统获取参考翻转角度，利用参考翻转角度将各个控制臂测量的数据均“翻转”到参考位置，间接实现了控制臂位姿的统一，那么根据各个控制臂相对于参考位置的翻转数据就能进行联合误差的计算了。

5、本发明的联合误差检测系统能够用于实现对协作多臂测量系统的联合误差测量。角度跟踪系统中的激光干涉仪具有极高的精度，使得角度跟踪系统能够精确的测量出参考翻转角度，是提高联合误差精度的有力保障。

6、翻转中心点与跟踪点的位置分别对应于标准器上的不同检测点，由于两个检测点之间的距离在标准器上是固定的、已知的，并且精度极高，从而便于计算参考翻转角度，提高计算精度。

附图说明

图1是协作多臂测量系统的联合尺寸测量误差示意图；

图2是协作多臂测量系统的联合形状测量误差示意图；

图3是协作多臂测量系统的联合位置测量误差示意图；

图4为现有技术中的单臂多传感器的联合误差检测示意图；

图5为本具体实施方式中协作多臂的联合误差检测示意图；

图6为角度追踪原理图；

图7为协作多臂测量系统的联合误差检测系统的安装示意。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步的说明。

一种协作多臂测量系统的联合误差评价方法，以一个控制臂作为参考臂，其余控制臂相对于参考臂均存在空间夹角；分别获取其余控制臂相对于参考臂的空间夹角，根据空间夹角对其余控制臂在有效视场范围内对同一标准器的采样数据进行转化，得到其余控制臂在参考臂位姿下的翻转数据；利用翻转数据与参考臂在有效视场范围内对同一标准的采样数据进行联合误差评价。

联合误差包括联合尺寸测量误差P_Size、联合形状测量误差P_Form与联合位置测量误差P_Location，分别参考图1至图3所示，包括参考臂在内总共m个控制臂，每个控制臂上有n_t个传感器，总共形成有m*n_t个传感器，具体评价方式分别如下：

参考臂的所有采样数据以及其余控制臂的所有翻转数据均作为测量点数据；

参考图1所示，联合尺寸测量误差P_Size：根据测量点数据拟合出空间球体，将空间球体的直径与标准器上标准球(理想球体)的直径名义值之差作为联合尺寸测量误差；

参考图2所示，联合形状测量误差P_Form：根据测量点数据拟合出空间球体，将所有测量点到空间球体球心的最大值与最小值之差作为联合形状测量误差；

参考图3所示，联合位置测量误差P_Location：根据每个控制臂对应的测量点数据分别拟合出各自的球心，用所有球心坐标拟合得到的最小外接球，最小外接球的直径作为联合位置测量误差。

以标准器位于参考臂的有效视场范围时的位置为参考位置，以标准器翻转到其余控制臂有效视场范围时相对于参考位置的参考翻转角度作为其余控制臂与参考臂之间的空间夹角。通过以下方法来获取联合误差评价所需要的数据，包括参考翻转角度与翻转数据。

一种协作多臂测量系统的联合误差检测方法，包括以下步骤：

步骤1：通过翻转机构将标准器安装在协作多臂测量系统的XOY平面内；翻转机构能够带动标准器绕X轴或Y轴进行单轴翻转。

步骤2：调节翻转机构使标准器转动到第i个控制臂的有效视场范围内，利用角度跟踪系统获取标准器相对于参考位置的参考翻转角度α_i，参考位置即为标准器相对于参考臂的有效视场位置，i＝{1,2,...,m}，m表示控制臂的总数量；i＝1时，第1个控制臂表示参考臂，α₁＝0；参考图5所示，参考臂的轴线为竖直方向，参考臂上的传感器a1正对位于参考位置的标准器进行采样，标准器绕Y轴逆时针旋转参考翻转角度α₂后，第2个控制臂的轴线垂直于标准器，传感器a2能够在有效视场范围内进行数据采集，；标准器绕Y轴顺时针旋转参考翻转角度α₃后，第3个控制臂的轴线垂直于标准器，传感器a3能够在有效视场范围内进行数据采集；这样就间接实现了控制臂位姿的统一。

步骤3：第i个控制臂上的传感器对标准器进行采样；

步骤4：重复步骤2与步骤3，直到所有控制臂上的所有传感器完成对标准器的采样；

步骤5：根据相应的参考翻转角度α_i对各个控制臂采集的数据进行转换，得到各个控制臂相对于参考位置的翻转数据。

步骤6：利用翻转数据进行联合误差计算。

本具体实施方中，通过翻转矩阵进行数据转换：

当标准器绕Y轴翻转时，翻转数据如下：

式中，ni表示第i个控制臂上的第n个传感器，x_ni、y_ni、z_ni分别表示翻转数据中的X、Y、Z轴坐标值；x′_ni、y′_ni、z′_ni分别表示测量数据中的X、Y、Z轴坐标值；

当标准器绕X轴翻转时，翻转数据如下：

式中，ni表示第i个控制臂上的第n个传感器，x_ni、y_ni、z_ni分别表示翻转数据中的X、Y、Z轴坐标值；x′_ni、y′_ni、z′_ni分别表示测量数据中的X、Y、Z轴坐标值。

参考图6所示，一种协作多臂测量系统的联合误差检测系统，包括翻转机构与角度跟踪系统；所述翻转机构用于安装标准器，并能带动标准器绕翻转中心点进行单轴翻转，翻转中心点位于标准器底面；所述角度跟踪系统用于跟踪并测量标准器的参考翻转角度。所述翻转机构包括底座、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。

角度跟踪系统包括激光干涉仪、分光镜、参考面镜、三角棱镜、测量面镜与参考翻转角度计算模块；以标准器底面上的一点作为跟踪点，测量面镜则安装在标准器底面相对于跟踪点的位置；激光干涉仪通过分光镜将光路分解成沿X轴与Y轴方向的两个分光光路；参考面镜安装在垂直于标准器进行单轴翻转所绕轴线的分光光路上，三角棱镜安装在另一分光光路上；三角棱镜用于跟随跟踪点在标准器单轴翻转过程中的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，以此高度作为跟踪点距离三角棱镜的高度；参考翻转角度计算模块根据跟踪点在Z轴方向距离三角棱镜的高度计算出参考翻转角度。

参考图6所示，第一控制臂1作为参考臂，参考臂的轴线为Z轴方向，第二控制臂2(可沿Y轴方向移动)的轴线方向为X轴方向，标准器3绕Y轴方向进行单轴翻转，标准器翻转过程中，三角棱镜(位于测量面镜正下方)沿X轴方向移动对跟踪点进行跟踪，同时分光镜也跟随三角棱镜沿X轴方向移动，可设置导轨，在导轨上进行手动移动。第二控制臂2上还可以安装另外的控制臂(轴线平行于XOZ平面，并与X轴线不并行)，这样标准器通过单轴翻转同样能够满足位于其余控制臂有效视场范围内的要求。若第二控制臂2的轴线为X轴方向，那么反之亦反，

值得说明的是，同时在X、Y、Z轴方向都有控制的测量系统极其罕见，因为那样的测量系统容易会对工件的装夹造成干涉。

参考图7所示，翻转中心点与跟踪点的位置分别对应于标准器上的不同检测点A₄与A₀，参考翻转角度计算模块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，跟踪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，跟踪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表示标准器上的跟踪点与翻转中心点之间的距离

h_i表示跟踪点距离三角棱镜的高度。

Claims (6)

1.一种协作多臂测量系统的联合误差的检测方法，其特在于，包括以下步骤：

步骤1：通过翻转机构将标准器安装在协作多臂测量系统的XOY平面内；翻转机构能够带动标准器绕X轴或Y轴进行单轴翻转；

步骤2：调节翻转机构使标准器转动到第i个控制臂的有效视场范围内，利用角度跟踪系统获取标准器相对于参考位置的参考翻转角度α_i，参考位置即为标准器相对于参考臂的有效视场位置，i＝{1,2,...,m}，m表示控制臂的总数量；i＝1时，第1个控制臂表示参考臂，α₁＝0；

步骤3：第i个控制臂上的传感器对标准器进行采样；

步骤4：重复步骤2与步骤3，直到所有控制臂上的所有传感器完成对标准器的采样；

步骤5：根据相应的参考翻转角度α_i对各个控制臂采集的数据进行转换，得到各个控制臂相对于参考位置的翻转数据。

2.根据权利要求1所述的协作多臂测量系统的联合误差的检测方法，其特在于，通过翻转矩阵进行数据转换：

当标准器绕Y轴翻转时，翻转数据如下：

式中，ni表示第i个控制臂上的第n个传感器，x_ni、y_ni、z_ni分别表示翻转数据中的X、Y、Z轴坐标值；x′_ni、y′_ni、z′_ni分别表示测量数据中的X、Y、Z轴坐标值；

当标准器绕X轴翻转时，翻转数据如下：

式中，ni表示第i个控制臂上的第n个传感器，x_ni、y_ni、z_ni分别表示翻转数据中的X、Y、Z轴坐标值；x′_ni、y′_ni、z′_ni分别表示测量数据中的X、Y、Z轴坐标值。

3.一种协作多臂测量系统的联合误差检测系统，其特在于，包括翻转机构与角度跟踪系统；所述翻转机构用于安装标准器，并能带动标准器绕翻转中心点进行单轴翻转，翻转中心点位于标准器底面；所述角度跟踪系统用于跟踪并测量标准器的参考翻转角度；

所述角度跟踪系统包括激光干涉仪、分光镜、参考面镜、三角棱镜、测量面镜与参考翻转角度计算模块；以标准器底面上的一点作为跟踪点，测量面镜则安装在标准器底面相对于跟踪点的位置；激光干涉仪通过分光镜将光路分解成沿X轴与Y轴方向的两个分光光路；参考面镜安装在垂直于标准器进行单轴翻转所绕轴线的分光光路上，三角棱镜安装在另一分光光路上；三角棱镜用于跟随跟踪点在标准器单轴翻转过程中的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，以此高度作为跟踪点距离三角棱镜的高度；参考翻转角度计算模块根据跟踪点在Z轴方向距离三角棱镜的高度计算出参考翻转角度。

4.根据权利要求3所述的协作多臂测量系统的联合误差检测系统，其特在于，参考翻转角度计算模块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，跟踪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，跟踪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表示标准器上的跟踪点与翻转中心点之间的距离，h_i表示跟踪点距离三角棱镜的高度。

5.根据权利要求3所述的协作多臂测量系统的联合误差检测系统，其特在于，翻转中心点与跟踪点的位置分别对应于标准器上的不同检测点。

6.根据权利要求3所述的协作多臂测量系统的联合误差检测系统，其特在于，所述翻转机构包括底座、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。

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