一种基于虚拟球的空间标定体及其标定方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于虚拟球的空间标定体及其标定方法，采用标准杆件和基座分离的形式以及激光跟踪仪作为测量设备进行标定，其中基座采用硬质铝合金板作为标准杆件的安装平台；首先制作具有三自由度的空间标定体，在标准杆件的两端分别加工有螺纹，其中一端固定到硬质铝合金板上，另一端用来固定构成虚拟球的主体，所述虚拟球的主体采用切除顶端的正八面体，在其每个面上都加工有一个锥窝，然后激光跟踪仪作为测量设备对其进行标定。本发明准确性高，对标准件的加工要求低，使用时所需的采样点少，提高标定效率进行关节式坐标测量机标定时，大大减少了采样的工作量，提高了标定效率。
【专利说明】一种基于虚拟球的空间标定体及其标定方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及基于虚拟球的空间标定体属于关节式坐标测量机【技术领域】，尤其涉及一种基于虚拟球的空间标定体及其标定方法。
【背景技术】
[0002]关节式坐标测量机通常由各测量臂串联各旋转关节或者线位移关节形成的开链式结构，其末端为关节式坐标测量机的测头。有的关节绕其自身轴线转动，有的关节沿其轴线方向进行平移。为了记录关节的变化量，各个发生相对运动的关节可以安装有角度传感器或者线位移传感器。在使用关节式坐标测量机进行测量时，其三维坐标是由测量机的结构参数与各关节相对变化的角度或者线位移量为变量的构成函数。实际上，未标定的关节式坐标测量机的测头位置和理想值之间有很大的误差。为了保证关节式坐标测量机的测量精度，需要对测量机的结构参数进行标定，并加以修正。其结构参数的标定过程是采用高精度测量仪器或者标准件进行对比，获取更为精确的结构参数过程。
[0003]目前，对关节式坐标测量机标定时，常采用标准件有高精密标准球、量块等。下面分别针对这两种标准件进行介绍:
[0004]采用高精密标准球作为标准件时，通过在球表面进行数据点采集并进行球拟合得出球的半径或者直径和高精密标准球的标称值进行对比，同时也可以改变其在空间中的位置，以获取更多的测量位姿的误差信息。利用高斯-牛顿算法计算出关节式坐标测量机的几何参数值。但它存在一定的缺陷:
[0005]1、高精密标准球的加工成本高
[0006]高精密标准球是通过测量其表面上的点并进行球拟合确定其半径或者直径的标准量具。其球度误差的大小直接影响标定结果的准确性。同时标准球的精度越高，那加工成本也就越高。
[0007]2、在使用高精密标准球时，采样点分布弓I入的误差
[0008]在使用高精密标准球时，由于每次或者不同人操作导会致采样点分布不同，影响球拟合出来球的半径或者直径，进而影响标定结果的准确性。
[0009]采用量块作为标准件时，用待标定的关节式坐标测量机测量量块的两个端面，以获取量块的长度与量块的标称值进行比对。同时可以改变量块在测量空间中位姿，以获得更多的测量位置的误差信息。通过这些数据进行计算获得关节式坐标测量机的几何参数。但在使用量块进行关节式坐标测量机标定时，仍存在着一定的缺陷:
[0010]1、热变形误差较大
[0011]通常情况下，量块的材质由铬锰钢、铬钢和轴承钢制成。其温度线膨胀系数为a s= (I 1.5±1) X10_6/°C。按照膨胀系数公式，Λ L= [a SX (ts_20) ] X 1，ts为量块使用时测量温度(°C )，I为使用量块的标称长度(m)。在非恒温的测量环境下，使用标称长度为500mm的量块时，当测量环境温度发生3?5°C的变化时，就会引入20?30 μ m的系统误差，直接影响标定结果的准确性。[0012]2、工作面的加工精度要求高
[0013]量块是由两个相互平行的被测面之间的距离来确定其工作长度的高精度量具。其两个工作面的平面度和平行度高低直接影响量块的精度。同时，其精度越高，量块价格也越闻。
[0014]3、在使用量块时，工作面拟合引入的误差
[0015]在使用量块进行关节式坐标测量机标定时，通常以其中一个工作面作为参考面，在参考面上至少测量三个点进行平面拟合，再另一个工作面上取一点，计算该点到拟合平面的距离即为量块的工作长度。事实上，参考面端采样点分布的不同，拟合得到的平面也会存在着一定的误差，直接影响量块的工作长度，进而影响关节式坐标测量机标定结果的准确性。
【发明内容】
[0016]本发明的目的是为了弥补已有技术的不足，提供了一种标定结果准确性高，使用时能有效减少测量环境温度、加工精度和采样点分布引入的误差，提高标定效率，使用简单，成本较低的基于测量空间的用于关节式坐标测量机标定的基于虚拟球的空间标定体及其标定方法。
[0017]本发明是通过以下技术方案来实现的:
[0018]一种基于虚拟球的空间标定体及其标定方法，其特征在于:采用标准杆件和基座分离的形式以及激光跟踪仪作为测量设备进行标定，其中基座采用硬质铝合金板为标准杆件的安装平台；
[0019]首先制作具有三自由度的空间标定体，其包括有基座，在基座的上表面加工有均匀分布的螺纹孔，利用螺钉将硬质铝合金板和三自由度支架进行固连，在标准杆件的两端分别加工有螺纹，其中一端固定到硬质铝合金板上，另一端用来固定构成虚拟球的主体，所述虚拟球的主体采用切除顶端的正八面体，在其每个面上都加工有一个锥窝，一个切除顶端的表面中心位置加工有一个锥窝，另一个切除顶端的表面中心位置加工有一个螺纹孔；所述的锥角为60~120°，且正八面体上的每个锥窝的锥角和深度相同，锥窝的目的是定位待标关节式坐标测量机的测头，必须保证每个锥窝都要具有较好的圆锥度；
[0020]然后激光跟踪仪作为测量设备对空间标定体进行标定，在整个测量过程中需要保证空间标定体保持不动，同时在空间标定体四周依次架设四次且每台或者每次都能测量空间标定体上面所有的锥窝；假设每台激光跟踪仪或者每次架设激光跟踪仪到某一个锥窝距离为lui=l，2，-,n; j=l, 2，…，4，设每台激光跟踪仪或者每次架设激光跟踪仪自身位置坐标为(Xj，yj，Zj)，锥窝点坐标为(Xpyi, Zi)，(1=1,2,-n;i ^ 13)，根据激光跟踪仪测长精度高这一特点，可以建立公式(I):
【权利要求】
1.一种基于虚拟球的空间标定体及其标定方法，其特征在于:采用标准杆件和基座分离的形式以及激光跟踪仪作为测量设备进行标定，其中基座采用硬质铝合金板作为标准杆件的安装平台； 首先制作具有三自由度的空间标定体，其包括有基座，在基座的上表面加工有均匀分布的螺纹孔，利用螺钉将硬质铝合金板和三自由度支架进行固连，在标准杆件的两端分别加工有螺纹，其中一端固定到硬质铝合金板上，另一端用来固定构成虚拟球的主体，所述虚拟球的主体采用切除顶端的正八面体，在其每个面上都加工有一个锥窝，一个切除顶端的表面中心位置加工有一个锥窝，另一个切除顶端的表面中心位置加工有一个螺纹孔；所述的锥角为60~120°，且正八面体上的每个锥窝其锥角和深度相同，锥窝目的是定位待标关节式坐标测量机的测头，必须保证每个锥窝都要具有较好的圆锥度； 然后激光跟踪仪作为测量设备对空间标定体进行标定，在整个测量过程中需要保证空间标定体保持不动，同时在基于虚拟球的空间标定体四周架设四台激光跟踪仪或者单台激光跟踪仪在空间标定体四周依次架设四次且每台或者每次都能测量空间标定体上面所有的锥窝；假设每台激光跟踪仪或者每次架设激光跟踪仪到某一个锥窝距离为lui=l，2，…，η; j=l, 2，…，4，设每台激光跟踪仪或者每次架设激光跟踪仪自身位置坐标为(?, Yj, Zj)，锥窝点坐标为(Xi，yi，Zi)，(i=l,2,-n;i≤13)，根据激光跟踪仪测长精度高这一特点，可以建立公式(I):
【文档编号】G01B21/00GK103791868SQ201410023084
【公开日】2014年5月14日 申请日期:2014年1月18日 优先权日:2014年1月18日
【发明者】于连栋, 赵会宁, 董钊, 李维诗, 郑文兴, 鲁思颖, 韩丽玲 申请人:合肥工业大学