五轴非接触式测量机的误差补偿方法与流程

本发明涉及的是一种误差补偿领域的技术，具体是一种五轴非接触式测量机的误差补偿方法。

背景技术：

五轴非接触式测量机集五轴联动和非接触式测量于一体，为复杂曲面/异性曲面的非接触式测量需求提供了完整的测量解决方案，这类设备主要用于汽车零部件、飞机发动机零部件、手机3d玻璃、精密模具等领域，能提供尺寸测量、3d尺寸云图构建等测量需求。

测量精度是五轴非接触式测量机关注的重要性能指标，而测量机几何误差在整机综合误差中占比超过50％，因此几何误差补偿是提高测量精度中最为关注的工程问题。与五轴非接触式测量机有一定关联的工程设备包括五轴数控机床和接触式坐标测量机，其中，五轴数控机床的几何误差补偿主要通过螺距误差补偿和反向间隙补偿实现，部分数控系统还带有xyz三维误差补偿，而接触式坐标测量机的几何误差补偿主要通过xyz三维21项几何误差补偿实现。但是上述两类工程设备的几何误差补偿方法只是对直线运动轴的几何误差进行了补偿，而五轴非接触式测量机还要面临两旋转轴存在几何误差的问题。

技术实现要素：

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出了一种五轴非接触式测量机的误差补偿方法，能够提高测量精度和测量效率。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明包括以下步骤：

数据采集步骤：通过带激光位移传感器的测头测量标准工件，得到标准工件的初始坐标数据，所述标准工件的初始坐标数据包括工件任意点的初始三维坐标(x,y,z)及对应的测头空间位姿(x,y,z,a,c)；

单项误差识别步骤：标定五轴非接触式测量机的直线运动副、旋转运动副及运动副之间的几何误差，得到直线轴21项误差以及旋转轴24项误差，构建单项误差识别模型，再对标准工件的初始坐标数据进行单项误差识别，得到单项误差数据；

综合误差识别步骤：以五轴非接触式测量机机床坐标系为基坐标系，通过齐次变换构建从工件链至测头链的理想测量运动模型，再在刚体运动学基础上，利用单项误差数据修正得到综合误差识别模型，以及综合误差数据；

误差补偿步骤：根据综合误差数据对待测工件的初始三维坐标数据进行误差补偿，得到待测工件的修正坐标数据。

所述单项误差识别通过1维差值计算得到，获取标准工件上任意一点坐标对应的单项误差值。

所述理想测量运动模型为其中，i表示矩阵是理想运动矩阵，

为工件坐标系到c转台坐标系的理想运动矩阵，

为c转台坐标系到y轴坐标系的理想运动矩阵，d是a轴坐标系原点和c轴坐标系原点在z方向的距离，

为y轴坐标系到基坐标系的理想运动矩阵，

为基坐标系到x轴坐标系的理想运动矩阵，

为x轴坐标系到z轴坐标系的理想运动矩阵，

为z轴坐标系到a轴坐标系的理想运动矩阵，

为a轴坐标系到测头坐标系的理想运动矩阵，l是测头坐标系原点和a轴坐标系原点在z方向的距离。

所述综合误差识别模型为其中，e表示矩阵是有误差的运动矩阵，t(x)为x轴平移旋转误差，t(y)为y轴平移旋转误差，t(z)为z轴平移旋转误差，t(a)为a轴平移旋转误差，t(c)为c轴平移旋转误差。

所述综合误差数据为

技术效果

与现有技术相比，本发明具有如下技术效果：

1)先获取单项误差再获取测量运动引起的综合误差，可快速确定五轴非接触式测量机在工作空间任意位姿下的综合几何误差，通过后补偿后处理，提高了测量精度和测量效率；

2)在确定测头位姿(x,y,z,a,c)的情况下，能够快速修正误差，获取待测工件真实数据；

3)有助于用户快速选择待测件的安装位置，减小测量误差，降低测量精度的不确定性。

附图说明

图1为实施例1的方法流程图；

图2为实施例1中的五轴非接触式测量机；

图3a为测量机在x方向上的测量误差云图；

图3b为测量机在y方向上的测量误差云图；

图3c为测量机在z方向上的测量误差云图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式对本发明进行详细描述。

实施例1

如图1所示，本实施例包括以下步骤：

数据采集步骤：通过带激光位移传感器的测头测量标准工件，得到标准工件的初始坐标数据，所述标准工件的初始坐标数据包括工件任意点的初始三维坐标(x,y,z)及对应的测头空间位姿(x,y,z,a,c)；

单项误差识别步骤：标定五轴非接触式测量机的直线运动副、旋转运动副及运动副之间的几何误差，得到直线轴21项误差以及旋转轴24项误差，构建单项误差识别模型，再对标准工件的初始坐标数据进行单项误差识别，得到单项误差数据；

综合误差识别步骤：以五轴非接触式测量机机床坐标系为基坐标系，通过齐次变换构建从工件链至测头链的理想测量运动模型，再在刚体运动学基础上，利用单项误差数据修正得到综合误差识别模型，以及综合误差数据；

误差补偿步骤：根据综合误差数据对待测工件的初始三维坐标数据进行误差补偿，得到待测工件的修正坐标数据。

理想测量运动包括两部分，工件链部分和测头链部分；工件链部分表达为rcs→ycs→ccs→wcs，测头链部分表达为rcs→xcs→zcs→acs→tcs，其中，wcs为工件坐标系，ccs为c转台坐标系，ycs为y坐标系，rcs为基坐标系，xcs为x坐标系，zcs为z坐标系，acs为a转台坐标系，tcs为测头坐标系，如图2所示；

本实施例中综合误差识别模型建立在理想测量运动模型的基础上，而理想测量运动模型的建立通过工件坐标系→基坐标系→测头坐标系的路径进行齐次坐标转换得到，具体可表达为

则理想测量运动模型可表述为其中，

为工件坐标系到c转台坐标系的理想运动矩阵，

为c转台坐标系到y轴坐标系的理想运动矩阵，d是a轴坐标系原点和c轴坐标系原点在z方向的距离，

为y轴坐标系到基坐标系的理想运动矩阵，

为基坐标系到x轴坐标系的理想运动矩阵，

为x轴坐标系到z轴坐标系的理想运动矩阵，

为z轴坐标系到a轴坐标系的理想运动矩阵，

为a轴坐标系到测头坐标系的理想运动矩阵，l是测头坐标系原点和a轴坐标系原点在z方向的距离。

根据iso230-1：2012国际标准定义的误差项如表1和表2所示。

表1三坐标轴的几何误差项

表2旋转轴的几何误差项

本发明实施例中：

x轴平移旋转误差表示为

y轴平移旋转误差表示为

z轴平移旋转误差表示为

a轴平移旋转误差表示为

其中，表示与位置有关的误差矩阵，

表示与位置无关的误差矩阵，

c轴平移旋转误差表示为

其中，

表示与c轴位置有关的误差，

表示与c轴位置无关的误差。

在上述理想测量运动模型的基础上，基于单项误差，进行修正：

ⅰ.工件链

1)基坐标系rcs→x坐标系xcs，

2)x坐标系xcs→z坐标系zcs，

3)z坐标系zcs→a转台坐标系acs，

4)a转台坐标系acs→测头/工件坐标系tcs，

ⅱ.测头链

1)基坐标系rcs→y坐标系ycs，

2)y轴坐标系ycs→c转台坐标系ccs，

3)c转台坐标系ccs→工件坐标系wcs，

ⅲ.基于ⅰ和ⅱ建立综合误差识别模型

工件的综合误差数据为

图3a、图3b和图3c误差云图显示设备在不同空间位置的误差值，有助于用户快速选择待测件安装位置。本发明实施例在任意空间位姿下输入(x，y，z，a，c)五维参数，可快速获取实际误差值，加入测量值中即可获得待测件真实值。采用这种后补偿后处理的技术，可实现很高的测量精度和极快的测量效率。

需要强调的是：以上仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。