一種基于虛擬球的空間標定體及其標定方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于虛擬球的空間標定體及其標定方法，采用標準桿件和基座分離的形式以及激光跟蹤儀作為測量設(shè)備進行標定，其中基座采用硬質(zhì)鋁合金板作為標準桿件的安裝平臺；首先制作具有三自由度的空間標定體，在標準桿件的兩端分別加工有螺紋，其中一端固定到硬質(zhì)鋁合金板上，另一端用來固定構(gòu)成虛擬球的主體，所述虛擬球的主體采用切除頂端的正八面體，在其每個面上都加工有一個錐窩，然后激光跟蹤儀作為測量設(shè)備對其進行標定。本發(fā)明準確性高，對標準件的加工要求低，使用時所需的采樣點少，提高標定效率進行關(guān)節(jié)式坐標測量機標定時，大大減少了采樣的工作量，提高了標定效率。
【專利說明】一種基于虛擬球的空間標定體及其標定方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及基于虛擬球的空間標定體屬于關(guān)節(jié)式坐標測量機【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種基于虛擬球的空間標定體及其標定方法。
【背景技術(shù)】
[0002]關(guān)節(jié)式坐標測量機通常由各測量臂串聯(lián)各旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)或者線位移關(guān)節(jié)形成的開鏈式結(jié)構(gòu)，其末端為關(guān)節(jié)式坐標測量機的測頭。有的關(guān)節(jié)繞其自身軸線轉(zhuǎn)動，有的關(guān)節(jié)沿其軸線方向進行平移。為了記錄關(guān)節(jié)的變化量，各個發(fā)生相對運動的關(guān)節(jié)可以安裝有角度傳感器或者線位移傳感器。在使用關(guān)節(jié)式坐標測量機進行測量時，其三維坐標是由測量機的結(jié)構(gòu)參數(shù)與各關(guān)節(jié)相對變化的角度或者線位移量為變量的構(gòu)成函數(shù)。實際上，未標定的關(guān)節(jié)式坐標測量機的測頭位置和理想值之間有很大的誤差。為了保證關(guān)節(jié)式坐標測量機的測量精度，需要對測量機的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行標定，并加以修正。其結(jié)構(gòu)參數(shù)的標定過程是采用高精度測量儀器或者標準件進行對比，獲取更為精確的結(jié)構(gòu)參數(shù)過程。
[0003]目前，對關(guān)節(jié)式坐標測量機標定時，常采用標準件有高精密標準球、量塊等。下面分別針對這兩種標準件進行介紹:
[0004]采用高精密標準球作為標準件時，通過在球表面進行數(shù)據(jù)點采集并進行球擬合得出球的半徑或者直徑和高精密標準球的標稱值進行對比，同時也可以改變其在空間中的位置，以獲取更多的測量位姿的誤差信息。利用高斯-牛頓算法計算出關(guān)節(jié)式坐標測量機的幾何參數(shù)值。但它存在一定的缺陷:
[0005]1、高精密標準球的加工成本高
[0006]高精密標準球是通過測量其表面上的點并進行球擬合確定其半徑或者直徑的標準量具。其球度誤差的大小直接影響標定結(jié)果的準確性。同時標準球的精度越高，那加工成本也就越高。
[0007]2、在使用高精密標準球時，采樣點分布弓I入的誤差
[0008]在使用高精密標準球時，由于每次或者不同人操作導會致采樣點分布不同，影響球擬合出來球的半徑或者直徑，進而影響標定結(jié)果的準確性。
[0009]采用量塊作為標準件時，用待標定的關(guān)節(jié)式坐標測量機測量量塊的兩個端面，以獲取量塊的長度與量塊的標稱值進行比對。同時可以改變量塊在測量空間中位姿，以獲得更多的測量位置的誤差信息。通過這些數(shù)據(jù)進行計算獲得關(guān)節(jié)式坐標測量機的幾何參數(shù)。但在使用量塊進行關(guān)節(jié)式坐標測量機標定時，仍存在著一定的缺陷:
[0010]1、熱變形誤差較大
[0011]通常情況下，量塊的材質(zhì)由鉻錳鋼、鉻鋼和軸承鋼制成。其溫度線膨脹系數(shù)為a s= (I 1.5±1) X10_6/°C。按照膨脹系數(shù)公式，Λ L= [a SX (ts_20) ] X 1，ts為量塊使用時測量溫度(°C )，I為使用量塊的標稱長度(m)。在非恒溫的測量環(huán)境下，使用標稱長度為500mm的量塊時，當測量環(huán)境溫度發(fā)生3?5°C的變化時，就會引入20?30 μ m的系統(tǒng)誤差，直接影響標定結(jié)果的準確性。[0012]2、工作面的加工精度要求高
[0013]量塊是由兩個相互平行的被測面之間的距離來確定其工作長度的高精度量具。其兩個工作面的平面度和平行度高低直接影響量塊的精度。同時，其精度越高，量塊價格也越聞。
[0014]3、在使用量塊時，工作面擬合引入的誤差
[0015]在使用量塊進行關(guān)節(jié)式坐標測量機標定時，通常以其中一個工作面作為參考面，在參考面上至少測量三個點進行平面擬合，再另一個工作面上取一點，計算該點到擬合平面的距離即為量塊的工作長度。事實上，參考面端采樣點分布的不同，擬合得到的平面也會存在著一定的誤差，直接影響量塊的工作長度，進而影響關(guān)節(jié)式坐標測量機標定結(jié)果的準確性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0016]本發(fā)明的目的是為了彌補已有技術(shù)的不足，提供了一種標定結(jié)果準確性高，使用時能有效減少測量環(huán)境溫度、加工精度和采樣點分布引入的誤差，提高標定效率，使用簡單，成本較低的基于測量空間的用于關(guān)節(jié)式坐標測量機標定的基于虛擬球的空間標定體及其標定方法。
[0017]本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的:
[0018]一種基于虛擬球的空間標定體及其標定方法，其特征在于:采用標準桿件和基座分離的形式以及激光跟蹤儀作為測量設(shè)備進行標定，其中基座采用硬質(zhì)鋁合金板為標準桿件的安裝平臺；
[0019]首先制作具有三自由度的空間標定體，其包括有基座，在基座的上表面加工有均勻分布的螺紋孔，利用螺釘將硬質(zhì)鋁合金板和三自由度支架進行固連，在標準桿件的兩端分別加工有螺紋，其中一端固定到硬質(zhì)鋁合金板上，另一端用來固定構(gòu)成虛擬球的主體，所述虛擬球的主體采用切除頂端的正八面體，在其每個面上都加工有一個錐窩，一個切除頂端的表面中心位置加工有一個錐窩，另一個切除頂端的表面中心位置加工有一個螺紋孔；所述的錐角為60~120°，且正八面體上的每個錐窩的錐角和深度相同，錐窩的目的是定位待標關(guān)節(jié)式坐標測量機的測頭，必須保證每個錐窩都要具有較好的圓錐度；
[0020]然后激光跟蹤儀作為測量設(shè)備對空間標定體進行標定，在整個測量過程中需要保證空間標定體保持不動，同時在空間標定體四周依次架設(shè)四次且每臺或者每次都能測量空間標定體上面所有的錐窩；假設(shè)每臺激光跟蹤儀或者每次架設(shè)激光跟蹤儀到某一個錐窩距離為lui=l，2，-,n; j=l, 2，…，4，設(shè)每臺激光跟蹤儀或者每次架設(shè)激光跟蹤儀自身位置坐標為(Xj，yj，Zj)，錐窩點坐標為(Xpyi, Zi)，(1=1,2,-n;i ^ 13)，根據(jù)激光跟蹤儀測長精度高這一特點，可以建立公式(I):
【權(quán)利要求】
1.一種基于虛擬球的空間標定體及其標定方法，其特征在于:采用標準桿件和基座分離的形式以及激光跟蹤儀作為測量設(shè)備進行標定，其中基座采用硬質(zhì)鋁合金板作為標準桿件的安裝平臺； 首先制作具有三自由度的空間標定體，其包括有基座，在基座的上表面加工有均勻分布的螺紋孔，利用螺釘將硬質(zhì)鋁合金板和三自由度支架進行固連，在標準桿件的兩端分別加工有螺紋，其中一端固定到硬質(zhì)鋁合金板上，另一端用來固定構(gòu)成虛擬球的主體，所述虛擬球的主體采用切除頂端的正八面體，在其每個面上都加工有一個錐窩，一個切除頂端的表面中心位置加工有一個錐窩，另一個切除頂端的表面中心位置加工有一個螺紋孔；所述的錐角為60~120°，且正八面體上的每個錐窩其錐角和深度相同，錐窩目的是定位待標關(guān)節(jié)式坐標測量機的測頭，必須保證每個錐窩都要具有較好的圓錐度； 然后激光跟蹤儀作為測量設(shè)備對空間標定體進行標定，在整個測量過程中需要保證空間標定體保持不動，同時在基于虛擬球的空間標定體四周架設(shè)四臺激光跟蹤儀或者單臺激光跟蹤儀在空間標定體四周依次架設(shè)四次且每臺或者每次都能測量空間標定體上面所有的錐窩；假設(shè)每臺激光跟蹤儀或者每次架設(shè)激光跟蹤儀到某一個錐窩距離為lui=l，2，…，η; j=l, 2，…，4，設(shè)每臺激光跟蹤儀或者每次架設(shè)激光跟蹤儀自身位置坐標為(?, Yj, Zj)，錐窩點坐標為(Xi，yi，Zi)，(i=l,2,-n;i≤13)，根據(jù)激光跟蹤儀測長精度高這一特點，可以建立公式(I):
【文檔編號】G01B21/00GK103791868SQ201410023084
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2014年1月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月18日
【發(fā)明者】于連棟, 趙會寧, 董釗, 李維詩, 鄭文興, 魯思穎, 韓麗玲 申請人:合肥工業(yè)大學