一种基于虚拟标定件的关节式坐标测量机标定方法

1.本发明属于坐标机标定技术领域，具体涉及一种基于虚拟标定件的关节式坐标测量机标定方法。


背景技术：

2.三坐标测量机自诞生之初就开始应用于机械制造、电子、汽车和航空航天等新兴工业中，通用性强、测量范围大、精度高、效率高、性能好，已获得广泛应用和长足发展。关节式坐标测量机的标定可以分为四个步骤：一、建立测量模型；二、标定数据采集；三、从标定数据求解以获得结构参数；四、实验验证结构参数的有效性。这四个步骤是相辅相成的：第一步所建立的测量模型是测量机的数学基础；第二步主要是依据所设计的标定方案使用关节式坐标测量机探测特定的标准件获得大量的角度信息；第三步一般是通过特定的优化算法对获得的角度信息进行处理来得到结构参数；第四步即是将求得的结构参数应用到所标定测量机以提高其测量精度的过程。目前，关节式坐标测量机的标定，所采用的基准值主要分为这几类：1)单点基准；2)长度值；3)坐标值。
3.正交式坐标测量机作为基准的标定方法，其做法是将关节式坐标测量机置于正交式坐标测量机的测量空间中，首先使用正交式坐标测量机在关节式坐标测量机的基座上建立坐标系，使之尽量与关节式坐标测量机的机器坐标系重合。通过夹具将关节式坐标测量机的姿态固定，必须保证关节式坐标测量机的测头在正交三坐标测量机的测量空间内。然后使用正交坐标测量机测量测头球心的坐标，在测量过程中须保证测头稳定，在正交三坐标测量机采样的过程中，需要同时采样关节式坐标测量机的角度。采取完一个点后再改变夹具，以改变关节式坐标测量机的姿态，待测头稳定后继续采下一点。直至采到了足够多的数据。
4.santolaria则使用了一种球列杆标准件来标定关节式坐标测量机，并对其进行了深入的系统性研究，其采样球杆上的7个球作为采样点，在采样时不断变换杆的位姿，以获取足够多的数据，最后采用lm法对所得的数据进行处理，也取得了较好的效果。santolaria对六自由度的关节式坐标测虽机所建的模型是一种冗余参数模型，含有27项结构参数。但是santolaria的方法需要改变测头的型式，以匹配采样的标准球，所采用的测头在实际测量时不
·
能使用，所以需要进行测头参数的标定。在所有的以长度量为基准的标定方法中以自制的两端带有锥孔的杆件最为简单，也比较有效。由于标准件两端是锥孔可以直接使用球形测头对其进行采样，而不需要制作特制的测头，这样标定出来的参数可以直接应用于测量，便于测量效果的检验。
5.shimojima采用三维球板对关节式坐标测量机进行标定，其采用的方法为：使用高精度正交式坐标测量机测量球板上的球心坐标，然后将球板放置于测量机周围5个不同的位置，使用关节式坐标测量机采样获得9个位置点，以这些点的坐标作为基准值。
6.以上方法在标定时仍存在不足，标定过程中需要高精度标定件，高精度标定件加工制造成本不容小觑。本发明旨在使用虚拟标定件代替实体标定件。利用更高精度的仪器
构造虚拟标定件，完成标定过程。在需要关节式坐标测量机检验物体尺寸的场景往往具备精密加工设备，为了更好地结合工业实际，可以使用精密机床(优选三轴数控机床)构造虚拟标定件。


技术实现要素：

7.本发明目的在于提出一种基于虚拟标定件的关节式坐标测量机标定方法。标定时，相比于只能改变其空间姿态的实体标定件，本发明中采用的虚拟标定件由各个标定点组成，选择不同的标定点可以构成不同的几何形状、尺寸及空间位姿的虚拟标定件。从而使关节式坐标测量机的活动更加充分，还可以根据关节式坐标测量机的不同类型采取针对性的标定策略。
8.本发明是一种构造虚拟标定件对关节式坐标测量机进行标定的方法，以使用精密机床构造虚拟标定件为例，其具体步骤如下：
9.步骤一、在关节式坐标测量机中确定n个采样点，n≥5；选定若干种虚拟标定件类型；虚拟标定件类型包括虚拟圆标定件和虚拟球标定件。虚拟圆标定件的标定参数为虚拟圆心半径长度或两虚拟圆圆心间距。虚拟球标定件的标定参数为虚拟球半径长度或两虚拟球球心间距。
10.步骤二、利用n个采样点构造选定类型的多个虚拟标定件。
11.步骤三、在精密机床的主轴上安装用于对关节式坐标测量机的测头进行定位的标定工具。精密机床的主轴带动标定工具依次移动到所有虚拟标定件上的采样点位置。每当标定工具到达一个采样点时，均使用关节式坐标测量机的球形测头对标定工具的坐标以多种不同的姿态进行测量。
12.步骤四、通过步骤三测得的各采样点测量坐标值，获取所有虚拟标定件的标定参数测量值。根据标定参数测量值和标定参数实际值构建目标函数。利用目标函数对关节式坐标测量机进行标定。
13.作为优选，步骤二中，若虚拟标定件的类型为虚拟圆标定件，则对采样点构造出的各虚拟圆标定件进行筛选，仅保留特征三角形最大角为90
°
～120
°
且半径为400mm～500mm的虚拟圆标定件。特征三角形指形成虚拟圆标定件的三个采样点连成的三角形。在进行利用虚拟圆标定件组合的圆心进行标定时，在虚拟圆标定件筛选结果的基础上，仅保留圆心距小于或等于100mm的虚拟圆标定件组合。
14.作为优选，步骤二中，若虚拟标定件的类型为虚拟球标定件，则对采样点构造出的各虚拟球标定件进行筛选，则仅保留半径为600mm～700mm的虚拟球标定件。在进行利用虚拟球标定件组合的圆心进行标定时，在虚拟球标定件筛选结果的基础上，仅保留圆心距小于或等于100mm的虚拟球标定件组合。在进行利用虚拟球标定件组合的圆心进行标定时，在虚拟球标定件筛选结果的基础上，仅保留球心距为200mm～300mm的虚拟球标定件组合。
15.作为优选，所述的标定工具采用三球锥窝。所述的三球锥窝包括小轴段和大轴段；小轴段用于与精密机床的主轴连接；大轴段端面有锥孔，锥孔内设置有沿锥孔中心轴线的周向均布的三个球体。
16.作为优选，步骤三中，对每个采样点的采样次数均大于或等于30次。
17.作为优选，所述的采样点数量n的取值为12。
18.作为优选，设定n个采样点的位置的过程如下：
19.首先，确定空间内的一组特征点的坐标(si,ti,zi)如下：
[0020][0021]
式中，i∈{0,...,n-1},h为z轴特征常数。
[0022]
之后，将n个特征点的坐标分别乘以放大特征常数，得到n个采样点的坐标；n个采样点均在坐标测量机的测量空间内。
[0023]
作为优选，所述的放大特征常数大于或等于坐标测量机的测量半径的80％。
[0024]
本发明具有的有益效果：
[0025]
1.本发明通过给定标定点构成虚拟标定件，生成例如虚拟球和虚拟圆的虚拟标定件。与实体标定件相比，虚拟标定件无结构限制，且标定件的类型、尺寸和空间位姿可以根据标定点位置的变化而发生变化。可以为关节式坐标测量机的标定提供更多选择，而且对于不同类型的关节式坐标测量机可以设计针对性的标定方案，相比于使用只能改变空间位姿的实体标定件的现有标定方式，本发明显著增强了标定效果和标定效率。
[0026]
2.本发明结合实际情况使用精密加工设备或者精密测量设备完成关节式坐标测量机的标定，为一部分场景下关节式坐标测量机的标定提供了成本更低、效率更高、效果更好的标定方法。
附图说明
[0027]
图1为本发明的工作流程图。
具体实施方式
[0028]
以下结合附图对本发明进行进一步说明。
[0029]
如图1所示，一种基于虚拟标定件的关节式坐标测量机标定方法，以使用精密机床构造虚拟标定件为例，其具体步骤如下：
[0030]
步骤一、精密机床(优选三轴数控铣床)开机，精密机床主轴回原点；在精密机床的主轴上安装三球锥窝。三球锥窝的小轴段装在精密机床主轴上。所述的三球锥窝包括小轴段和大轴段；小轴段用于与精密机床的主轴连接；大轴段端面有锥孔，锥孔内设置有沿锥孔中心轴线的周向均布的三个球体。
[0031]
步骤二、计算出12个采样点的坐标如下：
[0032]
设0≤(si,ti,zi)≤1(或某一单位长度)，(si,ti,zi)是空间内的一组特征点的坐标，其定义如下：
[0033][0034]
式中，i∈{0,...,n-1},n是测量点的个数；表示不小于log2n的最小整数，表示不大于的最大整数；mod是取余运算符；h为z轴特征常数，其值小于或等于关节式坐标测量机的测量空间最大z轴坐标值。
[0035]
将n个特征点的坐标分别乘以放大特征常数，得到n个采样点的坐标；n个采样点均在测量空间内。放大特征常数大于或等于关节式坐标测量机的测量半径的80％，使得n个采样点更加充分地分布在测量空间内。
[0036]
步骤三、根据关节式坐标测量机的使用场景和标定要求，确定虚拟标定件类型；虚拟标定件类型包括虚拟圆标定件和虚拟球标定件。虚拟圆标定件的标定参数为虚拟圆心半径长度和两虚拟圆圆心间距。虚拟球标定件的标定参数为虚拟球半径长度和两虚拟球球心间距。通过三点定圆、四点定球的方式，对12个采样点进行排列组合构造多种虚拟标定件。
[0037]
通过matlab仿真程序，对构造出的虚拟标定件进行筛选(本实施例中以测量半径为1250mm的关节式坐标测量机为例)。筛选时，无论是虚拟圆还是虚拟球的半径还是间距都应优先选择较小的量。具体筛选条件如下：
[0038]
1)虚拟圆标定件，在12个采样点中任取三个点组成一个圆，共有种组合，在这些虚拟圆中有一部分会使标定效果差，因此需要筛选出合适的虚拟圆。
[0039]
①
以虚拟圆标定件的半径和特征三角形最大角作为筛选依据，仅保留特征三角形最大角为90
°
～120
°
且半径为400mm～500mm的虚拟圆标定件。而将半径小于400mm，大于500mm，以及三角形中最大角小于90
°
，大于120
°
的虚拟圆标定件均去除。特征三角形指形成虚拟圆标定件的三个采样点连成的三角形。
[0040]
②
在上述的筛选结果的基础上，检测保留的各虚拟圆标定件两两之间的圆心距，形成c
t2
个虚拟圆标定件组合；t为前述筛选出的虚拟圆标定件数量。仅保留圆心距小于或等于100mm的虚拟圆标定件组合。
[0041]
以虚拟圆标定件的半径或虚拟圆标定件组合的圆心距作为标定参数，利用计算出关节式坐标测量机结构参数的最优解。
[0042]
2)虚拟球标定件，在12个采样点中任取4个点组成一个球，共有种组合，其中一部分虚拟球会使标定效果差，同样需要筛选出合适的虚拟球。
[0043]
①
以虚拟球标定件的半径作为筛选依据，仅保留且半径为600mm～700mm的虚拟球标定件。而将半径小于600mm，大于700mm的虚拟球标定件均去除。
[0044]
②
在上述的筛选结果的基础上，检测保留的各虚拟球标定件两两之间的球心距，形成个虚拟圆标定件组合；s为前述筛选出的虚拟球标定件数量。仅保留球心距为200mm～300mm的虚拟球标定件组合。
[0045]
以虚拟球标定件的半径或虚拟球标定件组合的圆心距作为标定参数，计算出关节
式坐标测量机结构参数的最优解。
[0046]
步骤三、放置关节式坐标测量机，使得所有保留的虚拟标定件上的采样点均位于测量机的测量空间内。精密机床的主轴带动三球锥窝依次移动到所有保留的虚拟标定件上的采样点位置。
[0047]
每当三球锥窝到达一个采样点时，均使用关节式坐标测量机的球形测头嵌入三球锥窝标定工具的锥孔内进行数据采样，每次数据采样结束后，球形测头移出三球锥窝标定工具的锥孔。每次数据采样，标定机在关节活动范围内以不同姿态测量三球锥窝的锥孔中心30次，30次不同姿态要求关节式坐标测量机的六个关节均有位移；测量时需要保证关节式坐标测量机的测头与三球锥窝充分接触，同时又不能够使接触的力过大，以免测头及三球锥窝发生变形。在进行采样时，应尽可能使测量机各关节得到充分的活动。
[0048]
步骤四、数据处理，数据处理过程中应以对精密机床设定的量为真值，所测数据与真值作对比。具体为利用采样中得到的各采样点测量坐标值，获取所有虚拟标定件的标定参数测量值。根据标定参数测量值和标定参数实际值构建目标函数。利用目标函数对关节式坐标测量机进行标定。
[0049]
利用虚拟圆标定件的半径进行标定的目标函数如下：
[0050]
计算虚拟圆半径测量误差总和其中，r
i,j
为第j个虚拟圆第i次测量的测量半径，r为第j个虚拟圆的实际半径，m1为虚拟圆标定件的数量，n为标定点采样次数。以δ1最小为目标函数，求出关节式坐标测量机结构参数的最优解。
[0051]
利用虚拟圆标定件组合的圆心距进行标定的目标函数如下：
[0052]
计算虚拟圆圆心距测量误差总和其中，lj为第j个虚拟圆标定件组合的实际圆心距，d
i,j
为第j个虚拟圆标定件组合的圆心距测量值，m2为虚拟圆标定件组合的数量，n为标定点采样次数。以δ2最小为目标函数，求出关节式坐标测量机结构参数的最优解。
[0053]
利用虚拟球标定件的半径进行标定的目标函数如下：
[0054]
计算虚拟球半径测量误差总和其中，rj为第j个虚拟球的实际半径，r
i,j
为第j个虚拟球的半径测量值，m3为虚拟球标定件的数量，n为标定点采样次数。以δ3最小为目标函数，求出关节式坐标测量机结构参数的最优解。
[0055]
利用虚拟球标定件组合的球心距进行标定的目标函数如下：
[0056]
计算虚拟球球心距测量误差总和其中，lj为第j个虚拟球标定件组合的实际球心距，d
i,j
为第j个虚拟球标定件组合的球心距测量值，m4为虚拟球标定件组合的数量，n为标定点采样次数。以δ4最小为目标函数，求出关节式坐标测量机结构参
数的最优解。