CN112747702B - 多功能空间标准件及其对关节类坐标测量机的标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了多功能空间标准件及其对关节类坐标测量机的标定方法。现有关节类坐标测量机标定用标准件要么单一特征，要么标定繁琐。本发明包括定标准杆、动标准杆、托板、支架和角度编码器；定标准杆和动标准杆均开设有m个锥窝；动标准杆可旋转角度，支架可调倾角。本发明无需更换夹持，通过调节支架倾角即可实现关节类坐标测量机在不同平面内的单点测量标定、长度测量标定或虚拟圆标定，增大了标定空间，标定更精准；只需改变动动标准杆转动的角度就能获得较以往标定件更多的标定点；只需标定定标准杆和动标准杆的各锥窝坐标以及定标准杆的旋转角度，无需在动标准杆处于各不同旋转角度位置时对各锥窝坐标都通过关节式坐标测量机进行标定。

Description

多功能空间标准件及其对关节类坐标测量机的标定方法

技术领域

本发明属于关节类坐标测量机的标定技术领域，具体涉及一种多功能空间标准件及其对关节类坐标测量机的标定方法。

背景技术

关节式坐标测量机是由3对相互垂直的旋转关节经由杆件串联而成的测量仪器。在实际使用过程中，关节式坐标测量机的测量性能需要定期进行重新鉴定。对未达到要求的测量机进行重新标定。

目前，关节式坐标测量机常见的标定方法有三种：第一种为坐标测量一致性的标定方法，以标准锥孔为代表；第二种为对比空间长度示值误差的标定方法，以带锥孔的标准杆为代表；第三种为虚拟标准量的标定方法。各标定方法及其相应的缺点如下：

1.标准锥孔标定方法：用待标定的关节式坐标测量机在固定的锥窝里反复测量，在本质上是同一个点，所以两点的距离恒为零，这意味着该标准件几乎没有误差。该方法的缺点是算法总是给出一个恒定的解。虽然这种方法不能获得测量机的整机参数，但是可以用来获得测头参数。

2.带锥孔的标准杆标定方法：先将锥孔标准杆固定装夹，然后用关节式坐标测量机的测头探测锥孔标准杆一端的锥孔，再用关节式坐标测量机的测头去探测锥孔标准杆另一端的锥孔，锥孔标准杆的标准量为两端锥孔球心之间的距离。该方法的缺点为每一根标准杆只能测量一种长度，测量不同长度时需要不停地更换锥孔标准杆。

3.虚拟标准量的标定方法：该标准杆中有多个锥孔，且所有锥孔不是位于同一平面内；先将标准杆固定装夹，然后用关节式坐标测量机的测头探测位于不同平面的四个锥孔，通过四个点拟合出一个虚拟球的球心和直径。该方法的缺点是对所有的锥孔都需要事先标定，标定点多且索引麻烦。

综上所述，前两种方法用于关节式坐标测量机单一特征(点、长度)的标定，无法实现待标定坐标测量机所采用的标准件和关节式坐标测量机所测量的基本几何特征相似。第三种方法需要对所有锥孔进行标定且标定后的索引较为繁琐。

发明内容

本发明的目的是为了弥补已有标定件的不足，提供了一种具有多种标准量、标定空间范围大、无需重复装夹、锥孔索引简单、成本较低的、用于关节式坐标测量机标定的多功能空间标准件及其对关节类坐标测量机的标定方法。

本发明多功能空间标准件，包括定标准杆、动标准杆、托板、支架和角度编码器；所述的支架包括动支架和定支架；动支架与定支架在一端端部铰接；动支架两侧中部与两根摆杆的一端分别铰接；所述定支架的两侧均开设有插槽组；所述的插槽组由等距排布的若干插槽组成；两根摆杆的另一端插入两个插槽组中位置对应的两个插槽中；所述的托板固定在定支架上；编码器支座固定在托板背面，角度编码器的壳体与编码器支座固定；角度编码器的输出轴穿过托板，与轴的一端通过联轴器连接；所述的定标准杆固定在托板正面，轴通过深沟球轴承支承在定标准杆一端开设的通孔内；固定件固定在动标准杆一端；轴的另一端穿过动标准杆的通孔，并与固定件的通孔过盈配合；所述的定标准杆开设有沿长度方向等距排布的m个锥窝，m≥5，动标准杆也开设有沿长度方向等距排布的m个锥窝。托板开设有沿圆周周向等距排布的n个定位孔一，n≥3；动标准杆远离角度编码器的一端开设有定位孔二；动标准杆的定位孔二与托板的其中一个定位孔一通过定位销连接。

该多功能空间标准件对关节类坐标测量机的标定方法，具体如下：

步骤一、建立坐标系：以角度编码器的输出轴中心轴线与托板正面的交点为原点，平行于定标准杆长度方向且经过原点的直线为X轴，托板正面所在平面内垂直于X轴的直线为Y轴；取下定位销，手动旋转动标准杆，使动标准杆与定标准杆平行且不重合，并将动标准杆的定位孔二与托板的第一个定位孔一通过定位销连接；通过正交式坐标测量机对定标准杆的各个锥窝坐标进行标定，得到定标准杆上m个锥窝的坐标，分别记为

然后，通过正交式坐标测量机对动标准杆的各个锥窝坐标进行标定，得到动标准杆上m个锥窝的坐标，分别记为

进一步得到动标准杆上第一个锥窝与原点的距离l₁以及动标准杆上第k个锥窝与第k-1个锥窝的距离l_k，k＝2,3,…,m。

步骤二、取下定位销，手动旋转动标准杆，使动标准杆的定位孔二与托板的第p个定位孔一对齐，p＞1，并将动标准杆的定位孔二与该定位孔一通过定位销连接；通过正交式坐标测量机对动标准杆上的其中一个锥窝坐标进行标定，然后计算动标准杆转动的角度θ_p，得到动标准杆上距离原点最近的第一个锥窝的坐标为：

动标准杆上距离原点第k个锥窝的坐标为：

其中，x^p _k为动标准杆的定位孔二与托板的第p个定位孔一对齐时动标准杆上距离原点第k个锥窝的X轴坐标，y^p _k为动标准杆的定位孔二与托板的第p个定位孔一对齐时动标准杆上距离原点第k个锥窝的Y轴坐标。

步骤三、重复步骤二n-1次，使得p遍历2，3，…，n，从而在动标准杆的定位孔二与托板的各定位孔一对齐状态下均完成动标准杆上的各个锥窝坐标标定。

步骤四、当关节类坐标测量机进行单点测量标定时，关节类坐标测量机重复多次测量定标准杆或动标准杆上的同一个锥窝坐标并求得均值，然后根据各次测量的锥窝坐标和均值对关节类坐标测量机进行单点测量误差补偿；当关节类坐标测量机进行长度测量标定时，通过关节类坐标测量机重复多次测量定标准杆的两个锥窝、动标准杆的两个锥窝或定标准杆和动标准杆上各自一个锥窝，每次测量两个锥窝计算出一个长度值，然后工控机将与角度编码器输出的角度差值最小的θ_p作为动标准杆转动的角度值，并根据动标准杆所在位置处两个锥窝的标定坐标值求得标定长度，最后根据各次测量得到的长度值和标定长度对关节类坐标测量机进行长度测量误差补偿；当关节类坐标测量机进行虚拟圆标定时，通过关节类坐标测量机重复多次测量定标准杆和动标准杆上总共三个锥窝，三个锥窝中一个或两个位于定标准杆上，其余锥窝位于动标准杆上，每次测量三个锥窝计算出一个圆心坐标，然后工控机将与角度编码器输出的角度差值最小的θ_p作为动标准杆转动的角度值，并根据动标准杆所在位置处三个锥窝的标定坐标值求得标定圆心坐标，最后根据各次测量得到的圆心坐标和标定圆心坐标对关节类坐标测量机进行虚拟圆误差补偿。

优选地，还有步骤五和步骤六；

步骤五具体如下：通过改变两根摆杆插入两个插槽组的插槽位置，从而调节动支架的倾角；然后，重复步骤四；

步骤六具体如下：重复步骤五。

与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：

1.集多种标定方法于一体

本发明通过关节式坐标测量机重复测量定标准杆或动标准杆上的同一个锥窝即可实现关节式坐标测量机单点测量标定，通过关节式坐标测量机重复多次测量定标准杆的两个锥窝、动标准杆的两个锥窝或定标准杆和动标准杆上各自一个锥窝即可实现关节式坐标测量机的长度测量标定，通过关节式坐标测量机重复多次测量定标准杆和动标准杆上三个锥窝即可实现关节式坐标测量机的虚拟圆标定。

2.拥有更多的标定点

本发明只需改变动动标准杆转动的角度就能获得较以往标定件更多的标定点，获得更多不同的标定参数。

3.更方便的获取标定点

本发明只需标定定标准杆和动标准杆的各锥窝坐标以及定标准杆的旋转角度，就能计算出动标准杆处于各不同旋转角度位置时各锥窝坐标的标定值，无需在动标准杆处于各不同旋转角度位置时对各锥窝坐标都通过关节式坐标测量机进行标定。

4.更多空间测量范围

本发明无需更换夹持，通过调节支架的倾斜角度即可实现关节类坐标测量机在不同平面内的单点测量标定、长度测量标定或虚拟圆标定，增大了关节类坐标测量机的标定空间，使标定更加精准。

5.标定点索引更加简单

本发明中动标准杆旋转的角度通过角度编码器获取，结合动标准杆上各锥窝的序号即可快速索引获得动标准杆上各锥窝的标定坐标。

附图说明

图1为本发明的整体结构立体图；

图2为本发明的背面结构示意图；

图3为本发明中支架的结构立体图；

图4为本发明中角度编码器、定标准杆和动标准杆的装配示意图；

图5为本发明建立的坐标系示意图。

具体实施方式

如图1、2、3和4所示，多功能空间标准件，包括定标准杆1、动标准杆3、托板4、支架6和角度编码器9；支架6包括动支架和定支架；动支架与定支架在一端端部铰接；动支架两侧中部与两根摆杆的一端分别铰接；定支架两侧均开设有插槽组；插槽组由等距排布的若干插槽组成；两根摆杆的另一端插入两个插槽组中位置对应的两个插槽中，两根摆杆插入两个插槽组中不同位置的两个插槽，可调节动支架的倾角；托板4固定在定支架上；编码器支座7通过螺丝一8固定在托板4背面，角度编码器9的壳体与编码器支座7固定；角度编码器9的输出轴穿过托板4，与轴12的一端通过联轴器10连接；定标准杆1通过螺丝二2固定在托板4正面，轴12通过深沟球轴承11支承在定标准杆1一端开设的通孔内；固定件13通过螺丝三14固定在动标准杆3一端；轴12的另一端穿过动标准杆3的通孔，并与固定件13的通孔过盈配合；定标准杆1开设有沿长度方向等距排布的m个锥窝，本实施例中m＝5，动标准杆3开设有沿长度方向等距排布的m个锥窝。托板4开设有沿圆周周向等距排布的n个定位孔一，本实施例中n＝7；动标准杆3远离角度编码器9的一端开设有定位孔二；动标准杆3的定位孔二与托板4的其中一个定位孔一通过定位销5连接。

该多功能空间标准件对关节类坐标测量机的标定方法，具体如下：

步骤一、如图5所示，建立坐标系：以角度编码器9的输出轴中心轴线与托板4正面的交点为原点，平行于定标准杆1长度方向且经过原点的直线为X轴，托板4正面所在平面内垂直于X轴的直线为Y轴；取下定位销5，手动旋转动标准杆3，使动标准杆3与定标准杆1平行且不重合，并将动标准杆3的定位孔二与托板4的第一个定位孔一通过定位销5连接；通过正交式坐标测量机对定标准杆1的各个锥窝坐标进行标定，得到定标准杆上m个锥窝的坐标，分别记为

然后，通过正交式坐标测量机对动标准杆3的各个锥窝坐标进行标定，得到动标准杆3上m个锥窝的坐标，分别记为

进一步得到动标准杆3上第一个锥窝与原点的距离l₁以及动标准杆3上第k个锥窝与第k-1个锥窝的距离l_k，k＝2,3,…,m。

步骤二、取下定位销5，手动旋转动标准杆3，使动标准杆3的定位孔二与托板4的第p个定位孔一对齐，p＞1，并将动标准杆3的定位孔二与该定位孔一通过定位销5连接；通过正交式坐标测量机对动标准杆3上的其中一个锥窝坐标进行标定，然后计算动标准杆3转动的角度θ_p，便得到动标准杆3上距离原点最近的第一个锥窝的坐标为：

动标准杆3上距离原点第k个锥窝的坐标为：

其中，x^p _k为动标准杆3的定位孔二与托板4的第p个定位孔一对齐时动标准杆上距离原点第k个锥窝的X轴坐标，y^p _k为动标准杆3的定位孔二与托板4的第p个定位孔一对齐时动标准杆上距离原点第k个锥窝的Y轴坐标。

步骤三、重复步骤二n-1次，使得p遍历2，3，…，n，从而在动标准杆3的定位孔二与托板4的各定位孔一对齐状态下均完成动标准杆3上的各个锥窝坐标标定。

步骤四、当关节类坐标测量机进行单点测量标定时，关节类坐标测量机重复多次测量定标准杆1或动标准杆3上的同一个锥窝坐标并求得均值，然后根据各次测量的锥窝坐标和均值对关节类坐标测量机进行单点测量误差补偿；当关节类坐标测量机进行长度测量标定时，通过关节类坐标测量机重复多次测量定标准杆1的两个锥窝、动标准杆3的两个锥窝或定标准杆1和动标准杆3上各自一个锥窝，每次测量两个锥窝计算出一个长度值，然后工控机将与角度编码器9输出的角度差值最小的θ_p作为动标准杆3转动的角度值，并根据动标准杆3所在位置处两个锥窝的标定坐标值求得标定长度，最后根据各次测量得到的长度值和标定长度对关节类坐标测量机进行长度测量误差补偿；当关节类坐标测量机进行虚拟圆标定时，通过关节类坐标测量机重复多次测量定标准杆1和动标准杆3上总共三个锥窝，三个锥窝中一个或两个位于定标准杆1上，其余锥窝位于动标准杆3上，每次测量三个锥窝计算出一个圆心坐标，然后工控机将与角度编码器9输出的角度差值最小的θ_p作为动标准杆3转动的角度值，并根据动标准杆3所在位置处三个锥窝的标定坐标值求得标定圆心坐标，最后根据各次测量得到的圆心坐标和标定圆心坐标对关节类坐标测量机进行虚拟圆误差补偿。

作为一个优选实施例，还有步骤五和步骤六；

步骤五具体如下：通过改变两根摆杆插入两个插槽组的插槽位置，从而调节动支架的倾角；然后，重复步骤四；

步骤六具体如下：重复步骤五。

步骤五和步骤六通过改变倾角获得关节类坐标测量机在不同平面内的单点测量标定、长度测量标定或虚拟圆标定，增大了关节类坐标测量机的标定空间，使标定更加精准。

Claims (2)

1.一种关节类坐标测量机的标定方法，使用多功能空间标准件，包括定标准杆、托板和支架；其特征在于：该多功能空间标准件还包括动标准杆和角度编码器；所述的支架包括动支架和定支架；动支架与定支架在一端端部铰接；动支架两侧中部与两根摆杆的一端分别铰接；所述定支架的两侧均开设有插槽组；所述的插槽组由等距排布的若干插槽组成；两根摆杆的另一端插入两个插槽组中位置对应的两个插槽中；所述的托板固定在定支架上；编码器支座固定在托板背面，角度编码器的壳体与编码器支座固定；角度编码器的输出轴穿过托板，与轴的一端通过联轴器连接；所述的定标准杆固定在托板正面，轴通过深沟球轴承支承在定标准杆一端开设的通孔内；固定件固定在动标准杆一端；轴的另一端穿过动标准杆的通孔，并与固定件的通孔过盈配合；所述的定标准杆开设有沿长度方向等距排布的m个锥窝，m≥5，动标准杆也开设有沿长度方向等距排布的m个锥窝；托板开设有沿圆周周向等距排布的n个定位孔一，n≥3；动标准杆远离角度编码器的一端开设有定位孔二；动标准杆的定位孔二与托板的其中一个定位孔一通过定位销连接；

该关节类坐标测量机的标定方法的具体步骤如下：

步骤一、建立坐标系：以角度编码器的输出轴中心轴线与托板正面的交点为原点，平行于定标准杆长度方向且经过原点的直线为X轴，托板正面所在平面内垂直于X轴的直线为Y轴；取下定位销，手动旋转动标准杆，使动标准杆与定标准杆平行且不重合，并将动标准杆的定位孔二与托板的第一个定位孔一通过定位销连接；通过正交式坐标测量机对定标准杆的各个锥窝坐标进行标定，得到定标准杆上m个锥窝的坐标，分别记为

然后，通过正交式坐标测量机对动标准杆的各个锥窝坐标进行标定，得到动标准杆上m个锥窝的坐标，分别记为

进一步得到动标准杆上第一个锥窝与原点的距离l₁以及动标准杆上第k个锥窝与第k-1个锥窝的距离l_k，k＝2,3,…,m；

步骤二、取下定位销，手动旋转动标准杆，使动标准杆的定位孔二与托板的第p个定位孔一对齐，p＞1，并将动标准杆的定位孔二与该定位孔一通过定位销连接；通过正交式坐标测量机对动标准杆上的其中一个锥窝坐标进行标定，然后计算动标准杆转动的角度θ_p，得到动标准杆上距离原点最近的第一个锥窝的坐标为：

动标准杆上距离原点第k个锥窝的坐标为：

其中，x^p _k为动标准杆的定位孔二与托板的第p个定位孔一对齐时动标准杆上距离原点第k个锥窝的X轴坐标，y^p _k为动标准杆的定位孔二与托板的第p个定位孔一对齐时动标准杆上距离原点第k个锥窝的Y轴坐标；

步骤三、重复步骤二n-1次，使得p遍历2，3，…，n，从而在动标准杆的定位孔二与托板的各定位孔一对齐状态下均完成动标准杆上的各个锥窝坐标标定；

步骤四、当关节类坐标测量机进行单点测量标定时，关节类坐标测量机重复多次测量定标准杆或动标准杆上的同一个锥窝坐标并求得均值，然后根据各次测量的锥窝坐标和均值对关节类坐标测量机进行单点测量误差补偿；当关节类坐标测量机进行长度测量标定时，通过关节类坐标测量机重复多次测量定标准杆的两个锥窝、动标准杆的两个锥窝或定标准杆和动标准杆上各自一个锥窝，每次测量两个锥窝计算出一个长度值，然后工控机将与角度编码器输出的角度差值最小的θ_p作为动标准杆转动的角度值，并根据动标准杆所在位置处两个锥窝的标定坐标值求得标定长度，最后根据各次测量得到的长度值和标定长度对关节类坐标测量机进行长度测量误差补偿；当关节类坐标测量机进行虚拟圆标定时，通过关节类坐标测量机重复多次测量定标准杆和动标准杆上总共三个锥窝，三个锥窝中一个或两个位于定标准杆上，其余锥窝位于动标准杆上，每次测量三个锥窝计算出一个圆心坐标，然后工控机将与角度编码器输出的角度差值最小的θ_p作为动标准杆转动的角度值，并根据动标准杆所在位置处三个锥窝的标定坐标值求得标定圆心坐标，最后根据各次测量得到的圆心坐标和标定圆心坐标对关节类坐标测量机进行虚拟圆误差补偿。

2.根据权利要求1所述的关节类坐标测量机的标定方法，其特征在于：还有步骤五和步骤六；

步骤五具体如下：通过改变两根摆杆插入两个插槽组的插槽位置，从而调节动支架的倾角；然后，重复步骤四；

步骤六具体如下：重复步骤五。

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