1354769 - - 100年10月12日修正替換頁 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明屬於座標測量技術領域，具體涉及關節式彈性 座標測量機的校正方法。 關節式彈性座標測量機高精度校正方法，通常是由各 測量臂串聯各旋轉關節（簡稱關節）構成開鏈結構，該開 鏈結構的末端是測量機的測頭，各關節可以繞其自身的軸 線進行轉動，為記錄關節轉動的角度，需要在關節上安裝 ® 角度感測器，作為角度感測器，高精度的圓光柵是選擇之 一。每個關節有一個自由度，六自由度的關節式彈性座標 測量機則有六個關節，在使用測量機進行座標量測時，測 量機測頭的座標是測量機結構參數與其六個關節角度的函 數。 未經校正的關節式彈性座標測量機測頭位置誤差往往 很大，不能滿足使用要求，為了保障測量機的整體精度， 一項重要的工作是對測量機進行校正並進行修正。其中， — 校正的過程是獲得測量機精確幾何參數的過程，修正是將 校正的結構應用於測量機系統以獲得更精確座標，彈性座 標測量機的誤差主要包括結構幾何誤差（geometric errors) 與非幾何誤差（non-geometric errors)，前者是指測量機基 於測量方程的結構參數誤差，而後者主要是指測量機關節 間隙、變形等引起的誤差。 【先前技術】 一種已有的校正方法，是將待校正機置於更高精度座 097109326 1003374569-0 5 iOO年10月12日修正替換頁 座標測量機、雷射跟_的量 =標:成個=:二:是高精度座標測量儀器 件-樣在待校正關節式系。首先像量測工 待校正機的空間擺放姿態，機：關節角度以調整 通在μ❹每—擺放姿態，獲得測 頭在標準座標Ή的錢值，以及測頭在待校正座標系中 右以標準座標和測量座標作為採樣資料，對於 ^付的所有採樣資料，通過計算獲得待校正機的誤差參 數。 上述已有的校正方法雖然能夠實現參數識別，但是它 們在採樣策略上存在缺陷：《彈性三次元座標測量臂的校 正技術研究》（西安交通大學學報，雇·3，ρρ284_286) (以下簡稱為文獻1)中採取的採樣策略是“在測量臂 作㈣中均㈣取12㈣”；《彈性三座標測量機的結 構系統及誤差修正校正分析》（卫具技術，細64()，_ -78)(以下簡稱為文獻2)中沒有給出具體的採樣策略 ;而《關節式彈性座標測量機參數辨識方法》（農業機械 學報，2007.7 ’ PP129-132 )(以下簡稱為文獻3 )則採用 了單點錐窩的校正方法，將—個錐离岐在量測空間的一 個位置，使關節式彈性座標測量機對錐窩頂點連續採樣 200點。这些校正方法無-例外地忽略了這種形式的座標 測量機空間誤差分佈規律。從測量方程分析，在測量機所 能達到的球形量測^間内的不同位置測量機的誤差大小不 097109326 1003374569-0 6 1354769 - 100年10月12日修正替換頁 同，相應各參數的傳遞函數也不同。誤差區間是一個球體 ，在空間不同量測點誤差球的直徑也不同。測量機的主要 誤差因素在於編碼器的精度，編碼器使用的分度位置的不 同編碼器的誤差變化決定了空間任何一點的誤差不同，這 決定了量測空間任何一點誤差球體的大小不同。在實際校 正過程中也發現了校正時在空間某一區間内效果較好，可 使整機達到較高精度，在另一區間内整機效果則較差。這 樣一來，如果量測區間與校正區間不一致，最終造成了測 ^ 量機實際精度不高。 此外，現有的校正方式由於採樣時的隨意性大，採樣 密度不夠，比如在文獻1中記載的是“在量測臂工作空間 中均勻選取12個點”，但這是遠遠不夠的；文獻3是將一 個錐窩固定在量測空間的一個位置，使用關節式彈性座標 測量機對錐窩頂點連續採樣200點，這樣的一個點並不能 代表關節式座標測量機在整個量測空間内的表現；這一原 因導致校正效果不理想，突出的問題是某一空間區域内的 ® 校正不能保證其他空間區域中實際量測時的精度。 【發明内容】
I 本發明是為避免上述現有技術所存在的問題，提供一 種關節式彈性座標測量機高精度校正方法，以進一步提高 參數識別精度，進而提高測量機的整體精度。 本發明解決技術問題所採用的技術方案是： 本發明六自由度關節式彈性座標測量機高精度校正方 法是以關節式座標測量機為待校正機，選擇使用具有更高 097109326 1003374569-0 7 1354769 100年1M 12日修正替換頁 精度的二-人元座標測量機為標準機，將所述待校正機 標準機的測量空間内，形成兩個緒系，—個是三应 標測量機的標準座標系，另—個是在關節式座標測量機的 原點建立待校正機座標系，改變待校正機的關節角度 整待校正_^間擺放錢，對應騎-擺放姿態，分別 獲得測頭在標準座標Ή的標準座標，以及測頭在待校正 座標系中_量座標，以所述標準座標和測㈣標 樣資料，對於所獲得的所有採㈣料，使用最小二乘法 到待校正機的誤差參數； 本發明方法的特點是： 。又疋採樣:貝料的採樣密度是待校正機的每個關節至少 在每週度内等分的兩個角度位置上，由六個關節以不 同的角度位置組合所形成的待校正機的不同擺放姿態至少 為64種； 旦對於採樣所得到的至少64個測頭位置的標準座標和測 二座標，分別取其中任意兩個點的座標值，計算兩點間距 獲得兩組表徵兩點間距離的線值，每組至少為個# 、·值，對應線值之差即為校正誤差值。 本發明方法的特點也在於： 所述採樣密度為每個關節在每週中相隔18〇度的兩個 角度位置上’由六個關節以各自兩個角度位置組合所形成 的待校正機的不同的擺放姿態為r即以種。 所述採樣密度為每個關節在每週中相隔12〇度三個角 度位置上’由六個關節以各自三個角度位置組合所形成的 $ 097109326 1003374569-0 1354769 — .-100年10月12日修正替換頁 待校正機的不同的擺放姿態為$即729種。 所述採樣密度為每個關節在每週中相隔9〇度的四個角 度位置上，由六個關節以各自四個角度位置組合所形成的 待校正機的不同的擺放姿態為46即4096種。 與已有技術相比，本發明的有益效果顯示在·· 1、 本發明採樣點近似均勻分佈整個量測空間，能充 分提取關節測量機在有效量測空間内的誤差資訊，使待校 ^ 正機的整體精度得到保證。 2、 本發明在資料處理時實際使用的是任意兩點的距 離的資料量，該資料量遠遠大於採樣點本身的資料量約 為原採樣點數量η的（n — !) /2倍，如此大量的採樣資 料使校正工作更為準確。 —3、本發明可以通過採用座標測量機觸發測頭自動採 集k號，保證在所有採樣點的穩定性。 【實施方式】
」:校正=六自由度關節式彈性座標測量機〔請參閱 土座（1 )上，由兩段測量臂（4 個可旋轉_節（5)構朗鏈結構，該_結構的末端 是測量機_頭（6)。各關節（5)可以繞其自身的抽 線進仃轉動’為記錄關節轉動的角度，關節上安
度的圓光㈣度感測器’測量機的姿態是由 )通過夾具（3)進行定位。 叉和·（ Z 理論和實踐都表明，對於待於 在較大區間進行校正，有比較可靠地 八只際使用時才能更為可靠，因此 9 097109326 1003374569-0 1354769 100年10月12曰修正替換頁 選擇測量機誤差從小到大區間，提取全場誤差資訊，同時 ，利用最小二乘原理對提取的資訊進行資料處理，從而使 整機誤差與最λΙ、最大誤差都比較接近，實現高精度校正。 對於選擇光柵測量角度感測器，光柵分度誤差不可忽 視’根據光栅分度誤差的規律’它的一次分量是主要分量 ，是分度誤差的主要因素。它是一個週期為2?r正弦函數。 根據奈奎斯特採樣定理，為了提取分度誤差的一次分量資 訊，最少需要在一周内對光柵的兩個位置進行採樣。本實 施例利用這一原理進行設置，將關節式三次元座標測量機 在空間擺放成不同的姿態來提取各個光桃分度誤差的一次 分量資訊’至少需要將待校正機擺放成2δ即64種不同的姿 態〔請參閱第二圖〕’如此可以完成對全部六個角度感測 器光柵信號分度誤差一次分量的採樣。 如果增加採樣密度可以每週等分採樣三點或四點，這 樣待校正機共需擺放36即729或46即4096種不同的姿態。 校正過程如下： 1、 設定對應於關節旋轉角度的每個光柵的採樣位置 〔請參閱第二圖〕，1—6的光栅序號分別對應於六個關 節上的各角度感測器序號： 2、 〔請參閱第一圖〕所示的由基座（1 )支撐的六 自由度關節式彈性座標測量機即待校正機安放在具有更高 量測精度的正交座標測量機的工作臺上，使校正機置於正 交座標測量機的量測空間中。 3、 使用由可調支桿（2)支撐的夹具（3)，將待 097109326 1003374569-0 10 100年10月12曰修正替換頁 权正機定位於指定角度對應的姿離 各關節通㈣度制H的光栅示;卩轉動各關節，使 -国ί α 出的角度位置〔請來閱筮 二圖〕所列第-糊陣列（〇，〇，〇 , 〇，。，0;閱： 固夾具保持這一待校正機姿態。 、 座標測量機測量這-姿態下的測頭座標 為標準座標，同時記錄
與其六個關節角度的函數所決定…：：正機、。構參數 里座私及其六個關節角度構成的角度向量； 、4 〔叫 > 閱第二圖〕所列順序，依次變化第6、5 F央固」2、1號光柵的角度’並將關節式座標測量機 二座==校正機每-不同姿態下的標準座 採樣。 角i ’直至完成表2所列的全部64次 J:由i對於&樣所得到的64個朗位置的鮮座標，取 料〜兩個點的；^準座標值，計算兩關距離，獲得表 ;間距離的標準線值’由此得到綱（2 p，^準線值’對於採樣所得到的64個測頭位置的測量座 獾π取'、中任思兩個點的測量座標值’計算兩點間距離， 二得兩組表徵兩點間距離的測量線值，每組為2G16個量測 綠值。 7，、對應標準線值與測量線值之差即為校正誤差值。 …通過以上過程獲得的校正誤差值即可得出 關節式座標 測I機的幾何參數修正值。 為料處理過程： 11 097109326 1003374569-0 100年10月12日修正替換頁 點標i座=三測量機量測得到的64個測頭位置 τ ’冲异任思兩點1與J之間的距離作為標準 值，共有2016個標準距離值lh ; 2、已有技術表明，測頭在關節式彈性座標測量機中 數=座標是對應姿態的角度向量值與待校正機的結構參 ^的崎，因此，由關節式彈性座標測量機所測得的 :、任意兩點i與j之間距離也是這兩點角度向量值“ 、J與待校正機的結構參數向量A的函數， 計為：Pi-』=F ( Θ i，θ j，A )。 3求角被权正的待校正機的結構參數向量a 設定 Pi_i = Lh，即有：F ( Θ i，Θ j，A) = Li-j ⑴ ⑵ (β 63，θ 64，A ) = L63-64 (2016) 針對〔請參閱第三圖〕所列各姿態，的不同取 中，得具錢16財㈣Ml·，在錢方程組 一^有待校正機的結構參數向量A是不確定的，也是唯 方味參數’對這個大型的方程組利用非線性最優化 測斯牛頓法進行求解，即可得到關節式彈性座標 “向量“精確值’從而對它實現校正，提高 12 097109326 1003374569-0 1354769 - 100年10月12日修正替換頁 【圖式簡單說明】 第一圖：為本發明之待校正機定於某一待測姿態示意 圖。 第二圖：六個關節光柵及對應光柵的二分角度。 第三圖：64個採樣姿態所對應的六個關節角度。 【主要元件符號說明】 1 基座 2 可調支桿 3 夾具 4 測量臂 5 關節 6 測頭 097109326 1003374569-0 13