专利名称：关节臂式坐标测量机中revo测头位置姿态标定方法
技术领域：
本发明属于测试技术及仪器领域，具体讲，涉及关节臂式坐标测量机中REVO测头位置姿态标定方法。
背景技术：
国民经济与国防的发展对于产品的精度要求越来越高，各种形状复杂的零件所占的比重越来越大。这些高精度复杂零件加工时间长、加工费用高，不合格品带来的损失大。在加工工艺过程中采用适当的检测装置，适时地检测加工件的各种尺寸、形状、位置参数，对于提高加工精度，保证产品质量、防止或减少废品，具有重要意义。由于加工、安装误差等因素的影响，坐标测量机存在很多系统误差，如各个运动轴的平行度、连接板的长度、零点等，它们实际的尺寸与设计的理论值相差很大，必须通过标定的方法，得到各系统误差的具体数值，然后对测量模型进行修正补偿，才能使测量机具有较高的精度。图I所示的关节臂式坐标测量机是一专用于发动机整体叶盘、大型齿轮、大型箱体等在线原位测量的仪器，该测量机总共有5个运动轴，即X向的水平运动、关节臂的旋转运动、z向的竖直运动、REVO测头回转体绕其A轴和B轴的旋转运动，通过这五个自由度的运动对待测物体进行测量。其中，REVO测头回转体在水平面内的旋转轴为A轴，在竖直面内的旋转轴为B轴，如图2所示。由于加工安装误差的存在，A轴与X向运动轴线、B轴与z向运动轴线存在平行度误差。因此需要对两个平行度误差进行标定，从而建立测量数学模型。现有技术中没有相关记载，因而测量结果精度不高
发明内容
本发明旨在解决克服现有技术的不足，提供一种能够提高测量精度的关节臂式坐标测量机标定方法，为达到上述目的，本发明采取的技术方案是，关节臂式坐标测量机中REVO测头位置姿态标定方法，在下述装置上进行装置由由关节臂、REVO测头、z向运动部件、X向运动部件、误差补偿系统及数据处理与控制计算机、电动机组成；节臂采用比重小、弹性模量大的碳素纤维制作；关节臂的前端安装有REVO测头，关节臂套装在径向与轴向运动误差小、角摆运动误差小的精密轴系上，精密轴系末端安装有电机，电机带动精密轴系及关节臂做旋转运动，转过的角度由轴系上的精密测角系统测得。z向运动部件由z向滑板、导轨座组成，精密轴系的座固定在z向滑板上，z向滑板上的两个滑块与Z向导轨座上的精密导轨构成直线运动导轨副，Z向滑板和Z向导轨座上分别装有光栅尺与读数头，利用光栅尺与读数头读出Z向滑板相对于Z向导轨座的移动量，在计算机控制下，电动机经过其减速箱和丝杠带动Z向滑板移动到所需位置；X向运动部件由X向滑板构成，z向导轨座固定在X向滑板上，X向滑板上的滑块与机床基座上的精密导轨构成直线运动导轨副，X向滑板和基座上分别装有光栅尺与读数头，利用该光栅尺与读数头读出X向滑板相对于基座的移到量；在计算机控制下，第三个电动机经过其减速箱和丝杠带动X向滑板移动到所需位置；
所述方法包括下列步骤建立坐标系，X轴与REVO测头X向运动轴线平行，z轴与REVO测头z向运动轴线平行，y轴垂直于X轴和z轴；按如下步骤标定REVO测头的B轴与z向运动轴线的平行度首先，让REVO测头绕B轴转动，测头测量水平放置的标准平面上的一条圆弧线，获得平面相对于B轴轴线的倾斜信息在圆弧线上取有代表性的3点A、B、C，REVO测头示值对应坐标分别为(xA, yA, zA)、(xB, yB, zB)、(xc, yc, zc), D点为线段BC的中点，D点坐标(xD,yD，zD)，设平面是理想的，没有误差，或已对其误差进行补偿，则平面相对于B轴轴线绕X轴的倾斜度Θ I可表不为Θ I = (Zb-Zc) / (yB-yc)(I)平面相对于B轴轴线绕y轴的倾斜度Θ 2可表示为Θ 2 = (Za-Zd)/(Xa-Xd) = [ZA-(zB+zc)/2]/[XA-(xB+xc)/2](2)然后，移动X向滑板，REVO测头测量标准平面上的一条直线EF，设E、F两点坐标值分别为(XE，yE，ZE)、(xF, yF, zF),则平面相对于X向运动轴线的倾斜度Θ 3可表示为0 3 = (Ze-Zf) / (Xe-Xf)(3)式⑵和式(3)分别为平面相对于B轴轴线和X向运动轴线的倾斜度，则B轴轴线相对于X向运动轴线的垂直度误差ε i可表示为ε J = θ 3-Θ 2 = (Ze-Zf)/(Xe-Xf)-[Za-(zB+zc)/2]/[XA-(xB+xc)/2] (4)z向运动轴线相对于X向运动轴线的垂直度误差可认为是理想的，或事先已经标定过的，其垂直度误差为ε2，从而可以得到B轴轴线相对于z向运动在XOZ坐标平面上的平行度误差μI μ ! = ε「ε 2 = (zE_zF) / (xE_xF) _ [zA_ (zB+zc) /2] / [xA_ (xB+xc) /2] _ ε 2 (5)在已有水平放置的标准平面上再垂直放置一个标准平面，进行z向运动的测量，根据在z向走过单位距离时REVO测头在y方向上的示值变化，可以确定平面相对于z向运动轴线的倾斜度θ4，从而算出B轴轴线相对于z向运动轴线在yoz坐标平面上的平行度误差μ 2 :μ 2 = θ 4_ 91 = 9 4_ (zB-zc) / (yB-yc)(6)REVO测头的A轴与x向运动轴线的平行度的标定让测头绕A轴转动，测量垂直放置一个标准平面上一圆弧线，在圆弧线上取三点A’、B’、C’，其坐标分别为(xA,，yA,，zA,)、(xB,, yB,, zB,)、(xc,, yc,, zc,), D’ 点为线段 B’C’ 的中点，D’ 点坐标(xD,，yD,，zD,),则平面相对于REVO测头A轴轴线绕z轴的倾斜度η !表示为Il1= (xB -xc,) / (yB ~yc,)(7)平面相对于REVO测头A轴轴线绕y轴的倾斜度η 2表示为n2 = (xA‘-XD’)/(zA‘-ZD’)= [xA‘-(XB‘+xc’)/2]/[zA‘-(ZB‘+zc’)/2] (8)然后，移动z向滑板，REVO测头测量平面上一直线E’ F’，E’、F’两点坐标分别为(xE，，yE，，zE，)、(xF，，yF，，zF，)，则平面相对于z向运动轴线的倾斜度η3表示为
η 3 = (xE ‘-xF，) / (ζΕ ‘-ZF，)(9)则REVO测头A轴相对于z向运动的垂直度误差ε 3表示为ε 3 = η3-η2 = (xE‘-XF’)/(ZE‘-zF’)-[xA‘-(XB‘+xc’)/2]/[zA‘-(ZB‘+zc’)/2](10)从而可以得到A轴轴线相对于X向运动轴线在XOZ坐标平面上的平行度误差μ 3表示为μ 3 = ε 3- ε 2 = (xE‘_xF’)/ (zE‘_zF’)_ [χΑ‘_ (xB‘+xc’)/2] / [ζΑ‘_ (zB‘+zc’)/2] - ε 2 (I I)为了确定Revo测头的A轴相对于χ向运动轴线在xoy坐标平面上的平行度误差，需要在已有垂直放置一个标准平面上垂直放置另一平面，移动X向滑板运动，REVO测头测量另一平面在I方向的偏差，根据在X向走过单位距离时REVO测头的示值变化，确定已有垂直放置一个标准平面相对于X向运动轴线的倾斜度Π4，从而算出REVO测头的A轴相对于X向运动在xoy坐标平面上的平行度误差μ 4U4= Ji4-Ii1= rI4-(χΒ‘-xc，)/(yB‘-yc，)(12)所述标准平面为大理石平面。本发明的技术特点及效果本发明分别标定REVO测头的B轴与z向运动轴线的平行度标定、REVO测头的A轴与X向运动轴线的平行度标定，因而本发明完成了关节臂式坐标测量机中REVO测头位置姿态的标定，使得整体测量精度得到提闻。
图I为关节臂式坐标测量机结构示意图。图2为REVO测头结构示意图。图3为REVO测头绕B轴转动测量标准平面上圆弧线示意图。图4为水平放置的标准平面上圆弧线示意图。图中(xA，yA，zA)、(xB, yB，zB)、(xc,yc，zc)、(xD, yD，zD)为REVO测头示值分别对应A、B、C、D点的坐标。图5为沿X向移动测量机滑板，REVO测头测量标准平面上一直线示意图。图6为沿z向移动测量机滑板，测量标准平面与z向运动的倾斜度示意图。图7为REVO测头探针绕A轴转动测量标准平面上圆弧线示意图。图8为竖直放置的标准平面上圆弧线示意图。图中(xA,，yA,，zA,)、(xB,，yB,，zB,)、(xc’，yc’，zc’)、(xD’，yD’，zD’)为 REVO 测头示值分别对应 A’、B’、C’、D’ 点的坐标。图9为沿X向移动测量机滑板,REVO测头测量标准平面与X向运动的倾斜度示意图。
具体实施例方式本发明提供了一种REVO测头位置姿态的标定方法，标定包括两方面内容一是REVO测头的B轴与z向运动轴线的平行度标定，二是REVO测头的A轴与x向运动轴线的平 行度标定。为了便于说明，建立如图I所示的坐标系，X轴与X向运动轴线平行，z轴与z向运动轴线平行，y轴垂直于X轴和z轴。REVO测头的B轴与z向运动轴线的平行度标定可分为两方面内容，一是B轴与z向运动轴线在xoz坐标平面内的平行度标定，二是B轴与z向运动轴线在yoz坐标平面内的平行度标定。同理，REVO测头的A轴与X向运动轴线的平行度标定也需要分别在xoz坐标平面和xoy坐标平面进行标定。标定REVO测头的B轴与z向运动轴线的平行度原理 如下首先，让REVO测头绕B轴转动，测头测量水平放置的标准平面上的一条圆弧线，如图3所示。通过数据处理，获得平面相对于B轴轴线的倾斜信息。为说明方便起见，在圆弧线上取有代表性的3点A、B、C，如图4所示，其坐标值分别为(xA，yA，zA)、(xB, yB，zB)、(xc,yc，z。)，D点为线段BC的中点，D点坐标为(xD，yD，zD)。这里认为平面是理想的，没有误差，或已对其误差进行补偿。则平面相对于B轴轴线绕X轴的倾斜度91可表示为Θ I = (Zb-Zc) / (yB-yc)(I)平面相对于B轴轴线绕y轴的倾斜度Θ 2可表示为Θ 2 = (Za-Zd) / (Xa-Xd) = [ZA- (zb+zc) /2] / [XA- (xb+xc) /2](2)然后，沿X方向移动测量机滑座，REVO测头测量标准平面上的一条直线EF，如图5所示。设E、F两点坐标值分别为(xE、yE> zE)、(xF、yF、zF),则平面相对于x向运动轴线的倾斜度Θ 3可表示为Θ 3 = (Ze-Zf) / (Xe-Xf)(3)式(2)和式(3)分别为平面相对于B轴轴线和X向运动轴线的倾斜度，这样通过引入一标准平面将B轴轴线和X向运动轴线联系到一起。则B轴轴线相对于X向运动轴线的垂直度误差ε i可表示为ε J = θ 3-Θ 2 = (Ze-Zf)/(Xe-Xf)-[Za-(zB+zc)/2]/[XA-(xB+xc)/2] (4)z向运动轴线相对于X向运动轴线的垂直度误差可认为是理想的，或事先已经标定过的，其垂直度误差为ε2，从而可以得到B轴轴线相对于z向运动在xoz坐标平面上的平行度误差μI Ui= ε Γ ε 2 = (Ze-Zf)/(Xe-Xf)-[ZA-(zb+zc)/2]/[xA_(xB+xc)/2]- ε 2 (5)最后，由于测量机没有y向运动，所以无法利用y向运动直接测量B轴轴线相对于z向运动轴线在yoz坐标平面上的平行度误差。为了确定B轴轴线相对于z向运动轴线在yoz坐标平面上的平行度误差，需要在已有标准平面上再垂直放置一个标准平面，进行z向运动的测量，如图6所示。z向移动坐标机滑板，根据在z向走过单位距离时REVO测头在y方向上的示值变化，可以确定平面相对于z向运动轴线的倾斜度θ4，从而算出B轴轴线相对于ζ向运动轴线在yoz坐标平面上的平行度误差μ 2 μ 2 = Θ 4_ 9 I = 9 4_ (Zb-Zc) / (yB-yc)(6)以上是REVO测头的B轴与z向运动轴线的平行度标定的原理，REVO测头的A轴与X向运动轴线的平行度的标定原理基本同上，不同之处是将标准平面竖直放置，让测头绕A轴转动，测量平面上一圆弧线，如图7所示。在圆弧线上取三点A’、B’、C’，如图8所示，其X向的示值分别为(xA，，yA，，zA，)、(xB，，yB，，zB，)、(xc，，yc，，zc，), D’ 点为线段 B’ C 的中点，D’点坐标为(xD，，yD，，zD，)。则平面相对于REVO测头A轴轴线绕z轴的倾斜度\可表示为η! = (χΒ -xc>) / (yB )(7)平面相对于REVO测头A轴轴线绕y轴的倾斜度Π 2可表示为n2 = (xA‘-XD’)/(zA‘-ZD’)= [xA‘-(XB‘+xc’)/2]/[zA‘-(ZB‘+zc’)/2] (8)
然后，沿z向移动测量机滑架，REVO测头测量平面上一直线E’ F’，E’、F’两点的示值分别为(XE，，yE，，ZE，)、(xF，，yF，，zF，)，则平面相对于z向运动轴线的倾斜度η3可表示为
权利要求
1.一种关节臂式坐标测量机中REVO测头位置姿态标定方法，其特征是，标定是在如下装置上进行 装置由由关节臂、REVO测头、z向运动部件、X向运动部件、误差补偿系统及数据处理与控制计算机、电动机组成； 关节臂采用比重小、弹性模量大的碳素纤维制作；关节臂的前端安装有REVO测头，关节臂套装在径向与轴向运动误差小、角摆运动误差小的精密轴系上，精密轴系末端安装有电机，电机带动精密轴系及关节臂做旋转运动，转过的角度由轴系上的精密测角系统测得。
Z向运动部件由Z向滑板、导轨座组成，精密轴系的座固定在Z向滑板上，Z向滑板上的两个滑块与Z向导轨座上的精密导轨构成直线运动导轨副，Z向滑板和Z向导轨座上分別装有光栅尺与读数头，利用光栅尺与读数头读出Z向滑板相对于Z向导轨座的移动量，在计算机控制下，电动机经过其減速箱和丝杠带动Z向滑板移动到所需位置； X向运动部件由X向滑板构成，Z向导轨座固定在X向滑板上，X向滑板上的滑块与机床基座上的精密导轨构成直线运动导轨副，X向滑板和基座上分別装有光栅尺与读数头，利用该光栅尺与读数头读出X向滑板相对于基座的移到量；在计算机控制下，第三个电动机经过其減速箱和丝杠带动X向滑板移动到所需位置； 所述方法包括下列步骤 建立坐标系，X轴与REVO测头X向运动轴线平行，Z轴与REVO测头z向运动轴线平行，y轴垂直于X轴和z轴； 按如下步骤标定REVO测头的B轴与z向运动轴线的平行度 首先，让REVO测头绕B轴转动，测头測量水平放置的标准平面上的一条圆弧线，获得平面相对于B轴轴线的倾斜信息在圆弧线上取有代表性的3点A、B、C，REV0测头示值对应坐标分别为(XA，yA，ZA)、(xB, yB, zB)、(xc, yc, zc)，D 点为线段 BC 的中点，D 点坐标(xD, yD, zD)，设平面是理想的，没有误差，或已对其误差进行补偿，则平面相对于B轴轴线绕X轴的倾斜度Θ I可表示为 Θ I = (Zb-Zc)/ (yB-yc)(I) 平面相对于B轴轴线绕y轴的傾斜度Θ 2可表示为 θ 2 = (Za-Zd) / (Xa-Xd) = [zA- (zB+zc) /2] / [xA- (xB+xc) /2](2) 然后，移动X向滑板，REVO测头测量标准平面上的一条直线EF，设E、F两点坐标值分别为(xE, yE, zE)、(xF, yF, zF),则平面相对于X向运动轴线的倾斜度Θ 3可表示为 93 —(Ze_Zjj) / (Xg_Xp)(3) 式(2)和式(3)分别为平面相对于B轴轴线和X向运动轴线的傾斜度,则B轴轴线相对于X向运动轴线的垂直度误差ε i可表示为 ε I = θ 3_ 9 2 = (Ze-Zf) / (Xe-Xf) - [ZA- (zb+zc) /2] / [xA_ (xB+xc) /2] (4) Z向运动轴线相对于X向运动轴线的垂直度误差可认为是理想的，或事先已经标定过的，其垂直度误差为ε2，从而可以得到B轴轴线相对于z向运动在XOZ坐标平面上的平行度误差μ I U I = ε「ε 2 = Ue-Zf) / (Xe-Xf) - [ΖΑ- Ub+Zc) /2」/ [ΧΑ_ (XB+Xc) /2]~ ￡ 2 (5) 在已有水平放置的标准平面上再垂直放置一个标准平面，进行Z向运动的測量，根据在Z向走过单位距离时REVO测头在y方向上的示值变化，可以确定平面相对于ζ向运动轴线的傾斜度θ4，从而算出B轴轴线相对于ζ向运动轴线在yoz坐标平面上的平行度误差μ 2 : μ 2 = θ 4~ θ I = θ 4~ (Zb-Zc) / (yB-yC)(6) REVO测头的A轴与X向运动轴线的平行度的标定让测头绕A轴转动，測量垂直放置一个标准平面上一圆弧线，在圆弧线上取三点A’、B’、C’，其坐标分别为(xA,，yA,，ZA,)、(xB,，yB,, zB,)、(xc,, jc,, zc,), D’点为线段B’ C’的中点，D’点坐标(xD,, yD,, zD,),则平面相对于REVO测头A轴轴线绕ζ轴的傾斜度η !表示为 rI I = ^xB ‘_xc，)/ (yb ‘_y。’)(7)平面相对于REVO测头A轴轴线绕Y轴的傾斜度η 2表示为rI2 = (xA‘_xD’)/(zA‘-ZD’)= [XA Ub ‘+Xe’)/2]/[ZA (zB‘+zc’)/2」 (8) 然后，移动Z向滑板，REVO测头测量平面上一直线E’ F’，E’、F’两点坐标分别为(xE,，yE，，zE，)、(xF，，yF，，zF，)，则平面相对于ζ向运动轴线的倾斜度η3表示为 Π 3 (Xe ‘_Xf，) I ‘_Ζρ，)(9) 则REVO测头A轴相对于ζ向运动的垂直度误差ε 3表示为 ε 3 = rI 3_ rI 2 = (XE ‘_XF’)/(ZE ‘-ZF’)_[XA ‘-(XB ‘+Xc’)/2」/[ZA ‘-(ZB ‘+Zc’)/2」(10) 从而可以得到A轴轴线相对于X向运动轴线在XOZ坐标平面上的平行度误差μ 3表示为 μ 3 = ε 3- ε 2 = (χΕ ‘_xf’ ) / (zE ~zr ) _[xA (xB ‘+xc’) /2] / [zA (zB ‘+zc’) /2] _ ε 2 (11) 为了确定Revo测头的A轴相对于X向运动轴线在xoy坐标平面上的平行度误差，需要在已有垂直放置一个标准平面上垂直放置另ー平面，移动X向滑板运动，REVO测头测量另一平面在I方向的偏差，根据在X向走过单位距离时REVO测头的示值变化，确定已有垂直放置一个标准平面相对于X向运动轴线的傾斜度H4，从而算出REVO测头的A轴相对于X向运动在xoy坐标平面上的平行度误差μ 4 μ 4 = π4- π! = ri4-(xB‘-xc’)/(yB‘-yc’)(12)
2.如权利要求I所述的方法，其特征是，所述标准平面为大理石平面。
全文摘要
本发明属于测试技术及仪器领域。为提供一种能够提高测量精度的关节臂式坐标测量机标定方法，本发明采取的技术方案是，关节臂式坐标测量机中REVO测头位置姿态标定方法，在测量机装置上进行所述方法包括下列步骤建立坐标系，x轴与REVO测头x向运动轴线平行，z轴与REVO测头z向运动轴线平行，y轴垂直于x轴和z轴；标定REVO测头的B轴与z向运动轴线的平行度为了确定Revo测头的A轴相对于x向运动轴线在xoy坐标平面上的平行度误差，需要在已有垂直放置一个标准平面上垂直放置另一平面进行测量。本发明主要应用于测量。
文档编号G01B21/22GK102636137SQ201210109090
公开日2012年8月15日 申请日期2012年4月13日 优先权日2012年4月13日
发明者李杏华, 苏智琨, 魏晨 申请人:天津大学