基于单程调频连续电磁波的刚体空间位姿直接测量系统的制作方法

本发明涉及一种利用调频连续电磁波对空间刚体位置及姿态进行高精度测量的仪器系统，属于机械制造及其自动化领域，尤其是应用于机械装置位置及姿态的测量。

背景技术：

随着经济的全球化以及信息网络的普及化，制造业面临的国际市场竞争已经进入白热化的阶段。制造业必须通过高速、高效、高精度、智能化的技术手段以及高性能、高质量的产品快速响应市场，才能赢得竞争。

数控机床加工精度鲁棒性控制技术是提高数控机床加工精度的核心技术，由于加工过程会受到切削热、力变化以及环境温度、地基变形等因素的影响，数控机床加工精度的鲁棒性控制问题一直没有取得突破性进展，如果能直接测量到数控机床主轴刀具的空间位置和姿态，就可以通过刀具轨迹的全闭环控制途径，解决数控机床加工精度的鲁棒性控制问题。此外，在数控机床误差补偿的研究工作中，其中一项重要内容是数控机床误差源参数的辨识，这种辨识技术同样要以能够准确测量数控机床运动部件的位置及姿态信息为前提。

空间刚体是对空间任意刚性部件的总概括，对空间刚体位置及姿态直接测量的手段和方法，无论是对于数控机床加工精度鲁棒性控制、数控机床误差补偿技术、还是对太空仓空间对接等都是十分重要的技术前提。以往，人们通过双频激光干涉仪测量数控机床运动部件的位移量，这种测量方法需要在数控机床运动部件整个行程中，搭建一个精确的激光测量反射光路，这种光路搭建需要大量的调试时间。特别是在数控机床两个运动部件的联动测量中，需要搭建包含折射镜在内的激光发射光路，不仅这种光路极难调整，而且由于折射镜与其中的一个联动部件存在干涉问题，必须将测量行程分成两半，逐一测量。此外，目前双频激光干涉仪一次只能实现机床运动部件的一个位移尺度的测量，还无法实现对数控机床运动部件的三维位置和姿态同时测量。因此，研发一种精度高、易操作、效率高的空间刚体位置及姿态直接测量仪器系统就成为人们的一种渴望和梦想。

技术实现要素：

本发明的目的在于解决机械部件空间位置及姿态实时、直接、高精测量问题，提出一种工作于单程调频连续波体制下的空间刚体直接测量仪器系统。

本发明提出的空间刚体位置及姿态直接测量系统，以高精度调频连续电磁波测距仪为基本组成部件，通过对测距仪的空间布局以及测量组态，运用空间几何学计算方法，实现对空间刚体位置及姿态数据的直接测量。

图1为本发明提出的空间刚体位姿测量实施过程图。单程调频连续电磁波空间刚体位置及姿态高精度测量系统包括调频连续电磁波发射端组和调频连续电磁波接收端组；调频连续电磁波发射端组包括发射端1、发射端2、发射端3，调频连续电磁波接收端组包括接收端1、接收端2、接收端3；调频连续电磁波发射端组和调频连续电磁波接收端组依次组态构成该测量系统。图1中，三个调频连续电磁波发射端固定安装在一个坐标系中，三个调频连续电磁波接收端固定安装在与刚体固连的另一个坐标系中。

该测量系统中任一发射端与任一接收端均能组成一个调频连续电磁波高精度位移测量仪。因此3个发射端与3个接收端组态，共可组成九组位移测量仪。其中，通过三个发射端和一个接收端组态而成的三组位移测量仪，构成一个接收端相对于发射端的空间点位坐标测量仪。这样在依次获得刚体上固连的三个接收端相对于发射端坐标系的空间位置坐标后，就直接计算出刚体的空间位置及姿态。

图2为本发明提出的空间刚体位置及姿态直接测量系统中空间点位坐标测量的基本原理图。

依据几何学原理，当通过位移测量仪测得空间一个动点相对于一个固定点的距离量r₁时，仅能确定这个空间动点相对于固定点处于一个以固定点为球心，半径为r₁的球面内。当依次测得空间一个动点相对于两个固定点的距离量r₁和r₂时，确定出这个空间动点相对于这两个固定点处于一个以两个固定点间的连线为回转轴线的空间圆环轨迹上，这时依然无法确定空间动点相对于固定点的三维空间坐标。当依次测得空间一个动点相对于不在同一条直线上的三个固定点的距离量r₁、r₂和r₃时，就能够准确计算出这个空间动点相对于这三个固定点的两组三维空间坐标值，其中一组伪坐标值处于测量区域的反面，可以很容易的排除，这样就可以准确测得空间动点相对于三个固定点所处坐标系的三维空间坐标值。在依次获得空间运动刚体上固连的三个动点的三维空间坐标值后，就可以计算出空间刚体的位置坐标及姿态坐标了，这就是本发明提出的空间刚体位置及姿态直接测量系统的基本原理。

以下结合上述装置，说明本发明对空间刚体位姿测量的具体过程：

设发射端1、发射端2、发射端3在发射端所处的坐标系中的坐标依次为：(X₁,Y₁,Z₁)、(X₂,Y₂,Z₂)、(X₃,Y₃,Z₃)，接收端1、接收端2、接收端3在发射端所处的坐标系中的坐标依次为：(x₁，y₁，z₁)、(x₂，y₂，z₂)、(x₃，y₃，z₃)；其中，接收端1的空间三维位置坐标的计算如下，说明本发明获得空间动点坐标的计算原理。

首先通过将发射端1、发射端2、发射端3与接收端1进行组态，构造出三个位移测量仪。依先后次序发射端1、发射端2、发射端3依次发出调频连续电磁波，接收端1在第一个运行周期内首先接收并计算获得其与发射端1之间的距离，接着获得其与发射端2、发射端3之间的距离。设这三个距离量依次为：(r₁,r₂,r₃)。这样，便推导出接收端1在发射坐标系内的坐标表达方程如下：

${(x_1-X_1)}^2+{(y_1-Y_1)}^2+{(z_1-Z_1)}^2=r_1^2$

${(x_1-X_2)}^2+{(y_1-Y_2)}^2+{(z_1-Z_2)}^2=r_2^2$

${(x_1-X_3)}^2+{(y_1-Y_3)}^2+{(z_1-Z_3)}^2=r_3^2$

以上方程组中，有三个方程和三个未知数(x₁,y₁,z₁)，通过三个方程解出上述三个未知数，排除x₁为负值的一组解，就获得了接收端1在发射端坐标系中的三维空间位置坐标。同理，获得接收端2、接收端3在发射端坐标系中的三维空间位置坐标。令接收端2为空间刚体坐标系的原点，令接收端2到接收端3的连线代表刚体坐标系的X轴，令接收端2到接收端1的连线代表刚体坐标系的Y轴，通过空间矢量运算，便可获得空间刚体坐标系相对于发射端坐标系的位置和欧拉角信息。这样就完成了对空间刚体位置和姿态的完整测量和数值表达过程。

与现有技术相比较，本发明以连续调频电磁波高精度测距仪为基础，结合空间几何学原理以及测距仪的组态模型，从而形成了一种空间刚体位置及姿态高精度测量仪器系统；通过该系统能够实现机械部件空间位置及姿态实时、直接、高精测量。

附图说明

图1本发明提出的空间刚体位姿测量实施过程图。

图2本发明提出的空间点位三维坐标测量实施过程图。

图中：1、发射端1，2、发射端2，3、发射端3，4、接收端1，5、接收端2，6、接收端3。

具体实施方式

依据图1所述空间刚体位姿测量实施图，将三个电磁波发射装置安装在数控机床工作台的侧面，确保这三个发射端不能安装在同一条直线上。将三个电磁波接收装置安装在机床主轴的侧面，同时确保这三个接收端不能安装在同一条直线上。

将发射端的运行周期分成三个时钟段，第一个时钟段发射端1发射调频连续电磁波，第二个时钟段发射端2发射调频连续电磁波，第三个时钟段发射端3发射调频连续电磁波，在每个时钟段内，接收端1、接收端2、接收端3同时接收来自同一个发射端发射的调频连续电磁波信号，并各自计算其与当前发射端之间的距离。当每个接收端依次获得其与三个发射端之间的距离之后，立即计算其各自在发射坐标系内的空间点位信息。接着，这些空间点位信息统一由接收端1的数据处理器进行运算处理，获得数控机床主轴刀具在工作台坐标系内的空间位置信息及姿态信息。

本发明提出的刚体空间位置及姿态直接测量系统具有成本低，不受烟雾、灰尘影响的特点，可用于替代现有数控机床依靠光栅尺获得机床刀具位置的工作机制，支撑数控系统实现对数控机床刀具空间位置的全闭环控制，彻底排除机床导轨变形、床身变形、热变形等对数控机床加工精度造成的影响，可显著提高数控机床的加工精度。

同时，本发明提出的系统，还可用于空间站对接中运送仓与运行仓之间相对位置及姿态信息的实时测量，有助于实现对接的闭环实时控制。