用于坐標(biāo)測量機(jī)的測頭的系統(tǒng)標(biāo)定方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種基于標(biāo)準(zhǔn)球的坐標(biāo)測量機(jī)的光學(xué)測頭的系統(tǒng)標(biāo)定方法，步驟如下：a)將已知半徑R的標(biāo)準(zhǔn)球放在坐標(biāo)測量機(jī)的工作平臺上；b)將測頭安裝在坐標(biāo)測量機(jī)的移動(dòng)末端，接著控制坐標(biāo)測量機(jī)以合適的運(yùn)動(dòng)軌跡移動(dòng)測頭，在其測量范圍之內(nèi)，完成對工作平臺上的標(biāo)準(zhǔn)球的點(diǎn)掃描，所述點(diǎn)掃描大致均勻覆蓋整個(gè)標(biāo)準(zhǔn)球面，得到N組數(shù)據(jù)，N大于等于200，每一組數(shù)據(jù)包括測頭的測點(diǎn)數(shù)值、坐標(biāo)測量機(jī)的三坐標(biāo)位置讀數(shù)以及回轉(zhuǎn)體的旋轉(zhuǎn)角度；c)在上一步操作的基礎(chǔ)上，選取N組數(shù)據(jù)中的一部分?jǐn)?shù)據(jù)，經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后帶入球面約束方程，利用改進(jìn)的非線性最小二乘法求解該超定非線性方程組即可求得待標(biāo)定參數(shù)，完成系統(tǒng)標(biāo)定。
【專利說明】用于坐標(biāo)測量機(jī)的測頭的系統(tǒng)標(biāo)定方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于坐標(biāo)測量機(jī)的測頭的系統(tǒng)標(biāo)定方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展和科技的進(jìn)步，很多零部件在尺寸上小型化，在型面上自由復(fù)雜化。由于需要對自由曲面進(jìn)行三維測量，實(shí)際測量中，觸頭需要不斷變換空間位置來完成采樣點(diǎn)的掃描，大大的提高了測量檢測的難度和精度要求。
[0003]在實(shí)際應(yīng)用中，由于三坐標(biāo)測量機(jī)具有可測量空間大，精度高和通用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，常常利用坐標(biāo)測量機(jī)來獲取觸頭的空間位置，再進(jìn)一步通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換得到自由曲面被測點(diǎn)的空間三維坐標(biāo)信息，進(jìn)而完成對被測曲面的掃描測量。
[0004]一種坐標(biāo)測量機(jī)采用接觸式觸發(fā)測頭，通過坐標(biāo)測量機(jī)的軸向移動(dòng)來完成對自由曲面物體的掃描測量。觸發(fā)測頭獲取距離信息，三維坐標(biāo)信息由坐標(biāo)測量機(jī)直接給出。
[0005]還有一種坐標(biāo)測量機(jī)配備有光學(xué)測頭。然而，這種專用的光學(xué)測頭價(jià)格昂貴，且測量精度低，而通用的一維光學(xué)測頭安裝調(diào)整極其困難，僅靠機(jī)械調(diào)整，難以達(dá)到微米級的精度，限制了光學(xué)測頭的應(yīng)用。
[0006]綜上，針對上述標(biāo)定技術(shù)中存在的問題，需要一種高精度的測頭標(biāo)定方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明提供一種基于標(biāo)準(zhǔn)球的坐標(biāo)測量機(jī)的光學(xué)測頭的系統(tǒng)標(biāo)定方法，步驟如下:a).將一已知半徑R的標(biāo)準(zhǔn)球固定放置在坐標(biāo)測量機(jī)的工作平臺上；b).將測頭安裝在坐標(biāo)測量機(jī)的移動(dòng)末端，接著控制坐標(biāo)測量機(jī)以合適的運(yùn)動(dòng)軌跡移動(dòng)測頭，在其測量范圍之內(nèi)，完成對工作平臺上的標(biāo)準(zhǔn)球的點(diǎn)掃描，所述點(diǎn)掃描大致均勻覆蓋整個(gè)標(biāo)準(zhǔn)球面，得到N組數(shù)據(jù)，N大于等于200，每一組數(shù)據(jù)包括測頭的測點(diǎn)數(shù)值、坐標(biāo)測量機(jī)的三坐標(biāo)位置讀數(shù)以及坐標(biāo)測量機(jī)回轉(zhuǎn)體的旋轉(zhuǎn)角度；在上一步操作的基礎(chǔ)上，選取N組數(shù)據(jù)中的一部分?jǐn)?shù)據(jù)，經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后，得到這些數(shù)據(jù)所對應(yīng)的多個(gè)被測點(diǎn)P在坐標(biāo)測量機(jī)的基準(zhǔn)坐標(biāo)系下面的坐標(biāo)值(XpCI，yp0, V))，所述多個(gè)被測點(diǎn)P滿足下面的球面約束方程，
[0008](xp0-a)2+ (yp0-b)2+ (zp0_c)2=R2...(I),
[0009]如此得到一個(gè)含有N個(gè)方程的超定非線性方程組，利用改進(jìn)的非線性最小二乘法求解該超定非線性方程組即可求得待標(biāo)定參數(shù)，完成系統(tǒng)標(biāo)定。
[0010]優(yōu)選的，坐標(biāo)測量機(jī)采用光學(xué)測頭或接觸式觸頭。
[0011]優(yōu)選的，所述標(biāo)準(zhǔn)球?yàn)橐惶沾蓸?biāo)準(zhǔn)球。
[0012]優(yōu)選的，所述待標(biāo)定機(jī)為第1、2級關(guān)節(jié)可固定的變臂式坐標(biāo)測量機(jī)。
[0013]本發(fā)明提供一種用于上述方法的基于標(biāo)準(zhǔn)球的坐標(biāo)測量機(jī)的光學(xué)測頭的系統(tǒng)標(biāo)定方法的系統(tǒng)標(biāo)定裝置，包括一已知半徑R的標(biāo)準(zhǔn)球。
[0014]應(yīng)當(dāng)理解，前述大體的描述和后續(xù)詳盡的描述均為示例性說明和解釋，并不應(yīng)當(dāng)用作對本發(fā)明所要求保護(hù)內(nèi)容的限制。【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]參考隨附的附圖，本發(fā)明更多的目的和優(yōu)點(diǎn)將通過本發(fā)明實(shí)施方式的如下描述得以闡明，其中:
[0016]圖1是根據(jù)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】的待標(biāo)定機(jī)的示意圖。
[0017]圖2是根據(jù)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】的系統(tǒng)標(biāo)定過程的示意圖。
[0018]圖3是坐標(biāo)測量機(jī)的光學(xué)測頭系統(tǒng)的標(biāo)定坐標(biāo)轉(zhuǎn)換示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019]在下文中，將參考附圖描述本發(fā)明的實(shí)施例。在附圖中，相同的附圖標(biāo)記代表相同或類似的部件，或者相同或類似的步驟。
[0020]通過參考示范性實(shí)施例，本發(fā)明的目的和功能以及用于實(shí)現(xiàn)這些目的和功能的方法將得以闡明。然而，本發(fā)明并不受限于以下所公開的示范性實(shí)施例；可以通過不同形式來對其加以實(shí)現(xiàn)。說明書的實(shí)質(zhì)僅僅是幫助相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)人員綜合理解本發(fā)明的具體細(xì)節(jié)。
[0021]針對本發(fā)明結(jié)合示意圖進(jìn)行詳細(xì)描述，在詳述本發(fā)明實(shí)施例時(shí)，為便于說明，表示器件結(jié)構(gòu)的剖面圖會不依一般比例作局部放大，而且所述示意圖只是示例，其在此不應(yīng)限制本發(fā)明保護(hù)的范圍。此外，在實(shí)際制作中應(yīng)包含長度、寬度及深度的三維空間尺寸。
[0022]下面參考附圖，對本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】進(jìn)行說明。
[0023]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是:實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)測量機(jī)光學(xué)測頭的系統(tǒng)標(biāo)定，即獲取光學(xué)測頭在坐標(biāo)測量機(jī)的移動(dòng)末端下的相對安裝位置信息，即光學(xué)測頭光束方向矢量和坐標(biāo)變換矩陣。
[0024]本發(fā)明以用于坐標(biāo)測量機(jī)的光學(xué)測頭的系統(tǒng)標(biāo)定方法為例進(jìn)行說明，該標(biāo)定方法同樣適用于對坐標(biāo)測量機(jī)的接觸式觸頭的系統(tǒng)標(biāo)定。
[0025]下面以一般的六自由度關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測量機(jī)作為待標(biāo)定機(jī)進(jìn)行說明，該坐標(biāo)測量機(jī)具有光學(xué)測頭。
[0026]圖1所示的待標(biāo)定機(jī)為關(guān)節(jié)式柔性坐標(biāo)測量機(jī)，具有六自由度。待標(biāo)定機(jī)包括:基座 101，三段測量臂 102、103、104，關(guān)節(jié) 111、112、113、114、115、116，以及光學(xué)測頭 105。
[0027]在基座101上，由三段測量臂101、102、103串聯(lián)的六個(gè)可旋轉(zhuǎn)的關(guān)節(jié)111、112、113、114、115、116構(gòu)成空間開鏈結(jié)構(gòu)，該開鏈結(jié)構(gòu)的末端是測量機(jī)的光學(xué)測頭105。各關(guān)節(jié)
111、112、113、114、115、116可以繞其自身的軸線進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度由其上安裝的高精度圓光柵角度傳感器控制獲得。由于機(jī)械結(jié)構(gòu)限制，其中關(guān)節(jié)111、113、115可在O?
2π角度范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn),而關(guān)節(jié)112、114、116可在-JI?O角度范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)。
[0028]優(yōu)選的，待標(biāo)定機(jī)為第1、2級關(guān)節(jié)可固定的變臂式坐標(biāo)測量機(jī)，其關(guān)節(jié)111、112具有鎖定裝置，通過其可使測量臂111、112位置固定。變臂式坐標(biāo)測量機(jī)在關(guān)節(jié)固定時(shí)的測量結(jié)果比用任意姿態(tài)測量獲得的測量結(jié)果精度要高，同時(shí)變臂測量機(jī)由于關(guān)節(jié)可固定，相應(yīng)在測量時(shí)應(yīng)用不同位姿要容易一些，不需要輔助支撐器件。
[0029]關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測量機(jī)類似仿人手機(jī)械臂，但對測量位姿沒有要求，因此對同一個(gè)測量點(diǎn)，可以采用任意姿態(tài)進(jìn)行測量，這樣就可以得到任意組測頭坐標(biāo)，由于誤差的存在，使得這些測頭坐標(biāo)并不能完全相同，這被稱之為測量機(jī)的重復(fù)性誤差。目前，衡量關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測量機(jī)的精度標(biāo)準(zhǔn)即采用重復(fù)性精度和測長精度。本實(shí)施方案充分考慮了關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測量機(jī)這一特點(diǎn)，對同一測量點(diǎn)采用不同姿態(tài)多次測量，同時(shí)為了滿足空間誤差分布規(guī)律，對不同位置上的單點(diǎn)進(jìn)行測量。
[0030]根據(jù)本發(fā)明的坐標(biāo)測量機(jī)的光學(xué)測頭的系統(tǒng)標(biāo)定方法中，包括如下步驟:
[0031]1.如圖2所示,將一陶瓷標(biāo)準(zhǔn)球201放在坐標(biāo)測量機(jī)的工作平臺上。
[0032]在本實(shí)施例中，被測物體為一已知半徑R的陶瓷標(biāo)準(zhǔn)球，該標(biāo)準(zhǔn)球是標(biāo)定系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一，用來將標(biāo)定過程中的所有被測點(diǎn)約束在一個(gè)球面上。因此，該陶瓷標(biāo)準(zhǔn)球要求很高的加工精度，以獲得準(zhǔn)確的原始數(shù)據(jù)，并進(jìn)而獲得精確的標(biāo)定結(jié)果。
[0033]2.將光學(xué)三角測頭安裝在坐標(biāo)測量機(jī)的移動(dòng)末端，接著用計(jì)算機(jī)控制坐標(biāo)測量機(jī)以合適的運(yùn)動(dòng)軌跡移動(dòng)光學(xué)三角測頭，在其測量范圍之內(nèi)，完成對工作平臺上的標(biāo)準(zhǔn)球的點(diǎn)掃描，所述點(diǎn)掃描大致均勻覆蓋整個(gè)標(biāo)準(zhǔn)球面，得到N組數(shù)據(jù)，N大于等于200，每一組數(shù)據(jù)包括光學(xué)測頭的測距讀數(shù)t，坐標(biāo)測量機(jī)的三坐標(biāo)位置(qx，qy, qz)以及坐標(biāo)測量機(jī)回轉(zhuǎn)體的旋轉(zhuǎn)角度。
[0034]這里采用的是光學(xué)三角法測量法，這是一種非接觸測量法，由測頭光源發(fā)出的一束光束照射在待測物體表面上，通過漫反射或者散射最后在檢測器上成像，當(dāng)位置發(fā)生改變時(shí)，其所成的像在檢測器上也發(fā)生相應(yīng)的位移，通過標(biāo)定得到像移和對應(yīng)物體實(shí)際位移之間的非線性關(guān)系，即可在實(shí)際測量過程中，通過測得的像移對應(yīng)得到實(shí)際物體的位移。在本發(fā)明中，通過光學(xué)三角測距系統(tǒng)，獲取測頭光束出射點(diǎn)到被測點(diǎn)沿光束方向的一維距離，然后在此距離值的基礎(chǔ)上完成系統(tǒng)標(biāo)定和被測點(diǎn)空間位置測量任務(wù)。本發(fā)明也可應(yīng)用于光學(xué)三角法以外的其他測量方法，獲得相應(yīng)的測頭測量數(shù)值。
[0035]另外，在本發(fā)明中，為了提高測量系統(tǒng)的靈活度和測量范圍，選用具有旋轉(zhuǎn)角度的六自由度坐標(biāo)測量機(jī)來靈活的進(jìn)行光學(xué)測頭的空間定位。
[0036]3.在上一步操作的基礎(chǔ)上，選取其中的100組數(shù)據(jù)，經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后帶入球面約束方程，利用改進(jìn)的非線性最小二乘法求解該超定非線性方程組即可求得待標(biāo)定參數(shù)，完成系統(tǒng)標(biāo)定。另外的100組數(shù)據(jù)用來評價(jià)標(biāo)定誤差。具體的系統(tǒng)標(biāo)定原理和標(biāo)定過程如下:
[0037]如圖3所示，建立如下四個(gè)坐標(biāo)系:坐標(biāo)測量機(jī)基準(zhǔn)坐標(biāo)系0，坐標(biāo)測量機(jī)移動(dòng)末端坐標(biāo)系1，光學(xué)測頭坐標(biāo)系2 (與坐標(biāo)系I相差一個(gè)平移向量)，測量零點(diǎn)坐標(biāo)系3 (以測頭測點(diǎn)數(shù)值為零處的被測點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，與坐標(biāo)系2相差一個(gè)平移向量)。
[0038]例如，標(biāo)定過程中，光學(xué)三角測頭的出射光線在標(biāo)準(zhǔn)球上面投射一個(gè)光點(diǎn)，記為P點(diǎn)，則P點(diǎn)在測量零點(diǎn)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)表示為P3,在光學(xué)測頭坐標(biāo)系下的坐標(biāo)表示為P2,在坐標(biāo)測量機(jī)的移動(dòng)末端坐標(biāo)系下的坐標(biāo)表示為Pl，最終轉(zhuǎn)化為坐標(biāo)測量機(jī)的基準(zhǔn)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)PO，則有如下關(guān)系式:



[0039]測量零點(diǎn)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)P
【權(quán)利要求】
1.一種基于標(biāo)準(zhǔn)球的坐標(biāo)測量機(jī)的光學(xué)測頭的系統(tǒng)標(biāo)定方法，步驟如下: a).將一已知半徑R的標(biāo)準(zhǔn)球固定放置在坐標(biāo)測量機(jī)的工作平臺上； b).將測頭安裝在坐標(biāo)測量機(jī)的移動(dòng)末端，接著控制坐標(biāo)測量機(jī)以合適的運(yùn)動(dòng)軌跡移動(dòng)測頭，在其測量范圍之內(nèi)，完成對工作平臺上的標(biāo)準(zhǔn)球的點(diǎn)掃描，所述點(diǎn)掃描大致均勻覆蓋整個(gè)標(biāo)準(zhǔn)球面，得到N組數(shù)據(jù)，N大于等于200，每一組數(shù)據(jù)包括測頭的測點(diǎn)數(shù)值、坐標(biāo)測量機(jī)的三坐標(biāo)位置讀數(shù)以及坐標(biāo)測量機(jī)回轉(zhuǎn)體的旋轉(zhuǎn)角度； c).在上一步操作的基礎(chǔ)上，選取N組數(shù)據(jù)中的一部分?jǐn)?shù)據(jù)，經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后，得到這些數(shù)據(jù)所對應(yīng)的多個(gè)被測點(diǎn)P在坐標(biāo)測量機(jī)的基準(zhǔn)坐標(biāo)系下面的坐標(biāo)值(XpCI，yp0, V))，所述多個(gè)被測點(diǎn)P滿足下面 的球面約束方程，
(xp0-a)2+ (yp0-b)2+ (Zp0-C)2=R2...(I) 如此得到一個(gè)含有N個(gè)方程的超定非線性方程組，利用改進(jìn)的非線性最小二乘法求解該超定非線性方程組即可求得待標(biāo)定參數(shù)，完成系統(tǒng)標(biāo)定。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)標(biāo)定方法，其中坐標(biāo)測量機(jī)采用光學(xué)測頭或接觸式觸頭。
3.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)標(biāo)定方法，其中所述標(biāo)準(zhǔn)球?yàn)橐惶沾蓸?biāo)準(zhǔn)球。
4.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)標(biāo)定方法，其中所述待標(biāo)定機(jī)為第1、2級關(guān)節(jié)可固定的變臂式坐標(biāo)測量機(jī)。
5.一種用于如權(quán)利要求1所述的基于標(biāo)準(zhǔn)球的坐標(biāo)測量機(jī)的光學(xué)測頭的系統(tǒng)標(biāo)定方法的系統(tǒng)標(biāo)定裝置，包括一已知半徑R的標(biāo)準(zhǔn)球。
【文檔編號】G01B11/03GK103697824SQ201310733992
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年12月26日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月26日
【發(fā)明者】祝連慶, 婁小平, 郭陽寬, 董明利, 王君, 周哲海, 燕必希 申請人:北京信息科技大學(xué)