本发明属于测量技术领域，尤其涉及一种拉线编码测量装置、使用该拉线编码测量装置的拉线编码空间位置测量方法及使用该拉线编码空间位置测量方法的测量系统。
背景技术：
当前的测量空间坐标，常见的主要有两种方式，一是用三坐标测量仪进行测量；另一种是用激光跟踪仪。然而三坐标测量仪体积很大，价格昂贵且通常固定位置测量，如需移动的话必须重新校准系统；激光跟踪仪动态测量速度有限，价格非常昂贵。除以上两种常用测量方法外，还存在一种相对便宜的测量机构，即基于拉线编码器的空间位置测量。现有技术的这种基于拉线编码器进行空间位置测量的方法，主要使用拉线编码器，请参阅图1，该装置900主要包括平行设置的两个测量框91、一个向心机构93和支撑两个测量框91的固定条92，每个测量框91包括一个基座911；各基座911上对称安装有：两个拉线编码器912、分别对两个拉线编码器912的拉线9121进行导向的两个偏转滑轮913、分别支撑各偏转滑轮913的两个支撑架915、分别支撑各支撑架915的两个支架916和分别定位各拉线9121初始位置的两个定位块916，各支撑架915与相应支架914枢接相连，且各支撑架915可以绕该支撑架915与对应支架914枢接的枢轴转动，而各拉线9121与相应偏转滑轮913的下切点位于该支撑架915与对应支架914枢接的枢轴上。各向心机构93包括连接头931和安装在连接头上的四个向心腿932，四个向心腿932用于连接四个拉线编码器912的拉线9121，且四根拉线9121的延长线相交于一点。各拉线9121在初始时固定在定位块916，以确定拉线编码器912的初始零位。固定条92用于将两个测量框91固定相连，以使两个测量框91平行设置。然而此方便对两个测量框91的平行度要求较高，同时必须保证两个测量框91稳定，对框架的精度要求非常高，同时，使用与保存需要极为小心，极不方便。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种拉线编码空间位置测量方法，旨在解决现有拉线编码式空间测量方法对测量设备的框架精度要求高，保存与使用不方便的问题。
本发明是这样实现的，一种拉线编码测量装置，包括一个向心机构和至少一个测量框，所述向心机构包括连接头和安装在连接头上的至少两个向心腿；所述测量框包括基座，所述基座上对称安装有：两个拉线编码器、分别对各所述拉线编码器的拉线进行导向的两个偏转滑轮、分别支撑两个所述偏转滑轮的支撑架、分别与各所述支撑架枢接相连的支架和分别定位各所述拉线编码器的拉线的初始位置的定位块，各所述拉线与相应所述偏转滑轮的下切点位于该支撑架与对应所述支架枢接的枢轴上。
本发明另一目的在于提供一种拉线编码空间位置测量方法，使用如上所述的拉线编码测量装置测量，所述方法还包括如下步骤：
s1第一位置测量：将向心机构的连接头定位在被测量点，将测量框的两根拉线分别与向心机构的两个向心腿相连，并记录该测量框的两个拉线编码器读数值l01和l04；
s2第二位置测量：将所述测量框移动至另一位置，将该测量框的两根拉线分别与所述向心机构的两个向心腿相连，并记录该测量框的两个拉线编码器读数值l02和l03；
s3建立平面模型：所述s1第一位置测量步骤中测量框与所述向心机构位于同一平面，并建立平面模型，通过数学变换求得被测量点至该测量框的两根所述拉线与该测量框的两个所述偏转滑轮下切点间长度l1和l4；同理，所述s2第二位置测量步骤中测量框与所述向心机构位于同一平面，并建立平面模型，通过数学变换求得被测量点至该测量框的两根所述拉线与该测量框的两个所述偏转滑轮下切点间长度l2和l3；
s4建立空间模型：以所述s1第一位置测量步骤中的测量框、所述s2第二位置测量步骤中的测量框及所述向心机构建立立体空间模型；
s5计算测量点的空间位置：对所述s4建立空间模型步骤中的空间模型，经数学变换求得被测量点的空间位置。
本发明又一目的在于提供一种拉线编码空间位置测量系统，包括如上所述的拉线编码测量装置和对如上所述的拉线编码空间位置测量方法进行数据处理以得出测量点位置的服务器。
本发明通过将向心机构定位在被测量点，使用测量框在两个位置分别进行测量，并分别建立向心机构与两个位置测量框的平面模型及立体空间模型，并通过数学变换计算出被测量点的空间位置，使用方便，且无需两个位置的测量框平行，对测量设备的精度需要低，进而方便对测量设备进行保存，同时可以精确测量出被测点的空间位置。
附图说明
图1是现有技术提供的拉线编码空间位置测量方法的结构示意图；
图2是本发明实施例一提供的拉线编码空间位置测量方法流程示意图；
图3是图2的拉线编码空间位置测量方法的结构示意图；
图4是图3中测量框的部分结构示意图；
图5是对图3中第一位置测量框的建立平面模型的结构示意图；
图6是对图3中一对测量框的建立空间模型的结构示意图；
图7是本发明实施例二提供的拉线编码空间位置测量方法中第一步的结构示意图；
图8是本发明实施例二提供的拉线编码空间位置测量方法中第二步的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例一：
请参阅图2至图6，本发明实施例一提供的一种拉线编码空间位置测量方法，该方法使用拉线编码测量装置100进行测量。
本实施例中，该拉线编码测量装置100包括一个向心机构20和两个测量框10。所述向心机构20包括连接头21和安装在连接头21上的四个向心腿22。各所述测量框10包括基座11，所述基座11上对称安装有：两个拉线编码器12、分别对各所述拉线编码器12的拉线111进行导向的两个偏转滑轮13、分别支撑两个所述偏转滑轮13的支撑架16、分别与各所述支撑架16枢接相连的支架17和分别定位各所述拉线编码器12的拉线111的初始位置的定位块15，各所述拉线111与相应所述偏转滑轮13的下切点位于该支撑架16与对应所述支架17枢接的枢轴上。拉线编码器12用于测量拉线111伸出的长度，偏转滑轮13用于对相应的拉线111进行导向。设置定位块15，在初始位置，可以将拉线111的端部固定在定位块15上，而此时可以将拉线编码器12的读数设置为零位，以便将拉线编码器12进行归零。各支撑架16与相应支架17枢接相连，且各支撑架16可以绕该支撑架16与对应支架17枢接的枢轴转动，而各拉线111与相应偏转滑轮13的下切点位于该支撑架16与对应支架17枢接的枢轴上。四个向心腿22用于连接四个拉线编码器12的拉线111，且四根拉线111的延长线相交于一点。
所述方法包括如下步骤：
s1第一位置测量：将向心机构20的连接头21定位在被测量点，将测量框10的两根拉线111分别与向心机构20的两个向心腿22相连，并记录该测量框10的两个拉线编码器12读数值l01和l04；
s2第二位置测量：将所述测量框10移动至另一位置，将该测量框10的两根拉线111分别与所述向心机构20的两个向心腿22相连，并记录该测量框10的两个拉线编码器12读数值l02和l03；
s3建立平面模型：所述s1第一位置测量步骤中测量框10与所述向心机构20位于同一平面，并建立平面模型，通过数学变换求得被测量点至该测量框10的两根所述拉线111与该测量框10的两个所述偏转滑轮13下切点间长度l1和l4；同理，所述s2第二位置测量步骤中测量框10与所述向心机构20位于同一平面，并建立平面模型，通过数学变换求得被测量点至该测量框10的两根所述拉线111与该测量框10的两个所述偏转滑轮13下切点间长度l2和l3；
s4建立空间模型：以所述s1第一位置测量步骤中的测量框10、所述s2第二位置测量步骤中的测量框10及所述向心机构20建立立体空间模型；
s5计算测量点的空间位置：对所述s4建立空间模型步骤中的空间模型，经数学变换求得被测量点的空间位置。
通过将向心机构20定位在被测量点，使用测量框10在两个位置分别进行测量，并分别建立向心机构20与两个位置测量框10的平面模型及立体空间模型，并通过数学变换计算出被测量点的空间位置，使用方便，且无需两个位置的测量框10平行，对测量设备的精度需要低，进而方便对测量设备进行保存，同时可以精确测量出被测点的空间位置。
请参阅图2和图5，所述s3建立平面模型步骤中，对所述s1第一位置测量步骤中测量框10与所述向心机构20建立平面模型为：
该测量框10的两个偏转滑轮13的圆心分别为o1点和o2点，两个拉线111与两个偏转滑轮13的下切点分别为o点和b点，两个拉线111与两个偏转滑轮13的上切点分别为q点和s点，被测量点为a点，aq的延长线与ob的延长线交于i点，as的延长线与ob的延长线交于k点，a至ob的垂足为t点，则可以建立位于同一平面中的三角形：△aob、△aik、△aoi、△akb，且ao长度等于l1，ab长度等于l4。
进一步地，本实施例中，请一并参阅图4，所述s3建立平面模型步骤中，对所述s1第一位置测量步骤中测量框10与所述向心机构20建立平面模型进行数学变换需满足以下公式求得：
io＝qi＝r*cos(∠qio1)；
bk＝sk＝r*cos(∠sko2)；
∠qio＝2*∠qio1；
∠skb＝2*∠sko2；
ai*cos(∠qio)＝ak*cos(∠skb)；
ob＝e0＝it+kt-io-kb；
其中，ob为设计参数，令ob＝e0，
如图4所示，当拉线111位于初始位置时，拉线111的端部固定在定位块15上，并与定位块15相交于m点，拉线111与偏转滑轮13的下切点为点o，o点到m点之间的拉线111长度为l0；支撑架16与对应支架17枢接的枢轴为n轴，支撑架16可以绕n轴转动，点o位于n轴的延长线上。
而根据图5中的平面模型及上述各方程可以求得ao长度l1和ab长度l4。按照同样的方式，可以对s2第二位置测量步骤中，另一位置的测量框10与向心机构20建立平面模型，并通过数学变换计算出被测量点a至该另一位置的测量框10的两个偏转滑轮13的两下切点间的距离l2和l3。
请参阅图2和图6，所述s4建立空间模型步骤中，建立立体空间模型为：
被测量点为a点；对所述s1第一位置测量步骤中测量框10中：两个拉线111与两个偏转滑轮13的下切点分别为o点和b点；对所述s2第二位置测量步骤中测量框10中：两个拉线111与两个偏转滑轮13的下切点分别为c点和f点；则，ao＝l1，ab＝l4，ac＝l2，af＝l3，且o点、b点、c点及f点位于同一平面，并定义o点为原点，o点、b点、c点及f点位于xy平面上，a点位于xy平面上方向，a点到xy平面的投影为h点，a点到ob上的垂足为d点，a点到oc上的垂足为e点，a点到cf上的垂足为g点。
进一步地，所述s5计算测量点的空间位置步骤中，ob为设计参数，令ob＝e0；cf为设计参数，令cf＝e5；令oc＝e1，cb＝e2，of＝e3，bf＝e4，a点坐标为(x,y,z)；对所述空间模型进行数学变换过程如下：
用l1、l2、l4求解a点坐标(x1,y1,z1)：
在△oeh和△odh中，oh相等；在△oda和oea中，oa相等，得
由以上方程⑴至⑸求解出∠hod的值，同时求得：
用l1、l2、l3求解a点坐标(x2,y2,z2)：
在△gch和△ech中，oh相等；在△ace和acg中，ac相等，得
由以上方程⑹至⑾求解出∠fch以及∠och的值，同时求得：
eh＝ce*tan(∠och)＝l2*cos(∠aco)*tan(∠och)..............⑿oe＝oc-ce＝e1-l2*cos(∠aco).....................................⒀
x2＝oh*cos(∠hob)..................④
y2＝oh*sin(∠hob).................⑤
由于被测量点a为同一点，则：
x1＝x2..........⑦
y1＝y2..........⑧
z1＝z2............⑨
利用方程⑴至⒂及方程①至⑨计算出e1、e2、e3及e4的长度值，并将e1、e2、e3及e4的长度值回代x1、y1、z1或者x2、y2、z2对应的等式方程，求解出被测量点a的坐标值。
同理，在另一些实施例中，可以利用l2、l3、l4求解a点坐标(x3,y3,z3)，用l1、l3、l4求解a点坐标(x4,y4,z4)；由于被测量点a为同一点，可以利用等式：x3＝x4，y3＝y4，z3＝z4，从而计算出e1、e2、e3及e4的长度值，并将e1、e2、e3及e4的长度值回代x3、y3、z3或者x4、y4、z4对应的等式方程，求解出被测量点a的坐标值。
利用l1、l2、l4求解a点坐标(x1,y1,z1)，利用l1、l2、l3求解a点坐标(x2,y2,z2)，利用l2、l3、l4求解a点坐标(x3,y3,z3)，用l1、l3、l4求解a点坐标(x4,y4,z4)；而由于被测量点a为同一点，则：
x1＝x2＝x3＝x4，y1＝y2＝y3＝y4，z1＝z2＝z3＝z4则可以利用l1、l2、l3和l4中任三个线段的组合，经数学变换计算出e1、e2、e3及e4的长度值，并将e1、e2、e3及e4的长度值回代x1、y1、z1或者x2、y2、z2或者x3、y3、z3或者x4、y4、z4对应的等式方程，求解出被测量点a的坐标值。
进一步地，上述cf长度等于ob长度，则e0＝e5，以方便进行计算。当然在另一些实施例中，cf长度与ob长度不相等，即e0≠e5，由于cf和ob均为设计参数，其长度值为已知，从而也可以计算出a点的坐标。
当cf长度等于ob长度时，本实施例中，使用的两个测量框10的结构可以完全相同。而当cf长度与ob长度不相等时，本实施例中，使用的两个测量框10的结构仅其基座11的长度不相等。
本实施例中，由于所述测量框10为两个，所述向心机构20包括四个所述向心腿22，所述s1第一位置测量步骤中使用一个所述测量框10，所述s2第二位置测量步骤中使用另一个所述测量框10。测量方便，效率高。同时，由于无需两个测量框10平行设备，因而在测量时，更为方便，同时测量装置也方便保存，精度更高。
进一步地，使用拉线编码器12测量时，为了提高测量的精度，上述s1第一位置测量步骤中，可以将测量框10固定住，通过拉动拉线111，在拉线111静止后记录两个拉线编码器12读数，从而可以得到多组l01的值及多级l04的值，在计算时，可以将多组l01的值取平均值，将多组l04的值取平均值，以减小测量误差，提高测量精度。
同理，上述s2第二位置测量步骤中，可以将测量框10固定住，通过拉动拉线111，在拉线111静止后记录两个拉线编码器12读数，从而可以得到多组l02的值及多级l03的值，在计算时，可以将多组l02的值取平均值，将多组l03的值取平均值，以减小测量误差，提高测量精度。
实施例二：
请参阅图7和图8，本发明实施例二提供的一种拉线编码空间位置测量方法。该方法使用拉线编码测量装置100b进行测量。该拉线编码测量装置100b包括一个向心机构20b及一个测量框10b，向心机构20b包括连接头21b和安装在连接头21b上的两个向心腿22b。各测量框10b包括基座11b，基座11b上对称安装有：两个拉线编码器12b、分别对各拉线编码器12b的拉线111b进行导向的两个偏转滑轮13b、分别支撑两个偏转滑轮13b的支撑架16b、分别与各支撑架16b枢接相连的支架17b和分别定位各拉线编码器12b的拉线111b的初始位置的定位块15b，各拉线111b与相应偏转滑轮13b的下切点位于该支撑架16b与对应支架17b枢接的枢轴上。拉线编码器12b用于测量拉线111b伸出的长度，偏转滑轮13b用于对相应的拉线111b进行导向。设置定位块15b，在初始位置，可以将拉线111b的端部固定在定位块15b上，而此时可以将拉线编码器12b的读数设置为零位，以便将拉线编码器12b进行归零。各支撑架16b与相应支架17b枢接相连，且各支撑架16b可以绕该支撑架16b与对应支架17b枢接的枢轴转动，而各拉线111b与相应偏转滑轮13b的下切点位于该支撑架16b与对应支架17b枢接的枢轴上。四个向心腿22b用于连接四个拉线编码器12b的拉线111b，且四根拉线111b的延长线相交于一点。
请一并参阅图2，使用该拉线编码测量装置100b进行测量时，在上述s1第一位置测量步骤中，可以将向心机构20b的连接头21b定位在被测量点，将测量框10b的两根拉线111b分别与向心机构20b的两个向心腿22b相连，并记录该测量框10b的两个拉线编码器12b读数值l01和l04。
然后再进行上述s2第二位置测量步骤，该步骤只需要移动上述测量框10b，将该测量框10b移动至另一位置，将该测量框10b的两根拉线111b分别与向心机构20b的两个向心腿22b相连，并记录该测量框10b的两个拉线编码器12b读数值l02和l03。之后与实施例一相同的方法进行s3建立平面模型步骤、进行s4建立空间模型步骤再进行s5计算测量点的空间位置步骤，以测量出被测量点的空间位置。
当然，在另一些实施例中，使的拉线编码测量装置100b的向心机构20b也可以包括三个及三个以上的向心腿22b。
由上述实施例一及实施例二可知，本发明的拉线编码空间位置测量方法可以使用的拉线编码测量装置100b使用一个或一个以上的测量框10b即可以进行测量，同样的该测量装置的向心机构20b只需要包括两个及两个以上的向心腿22b即可以满足测量要求。
本实施例的拉线编码空间位置测量方法的其它步骤与实施例一的拉线编码空间位置测量方法的其它步骤相同，在此不再赘述。
请参阅图3和图4，本发明实施例还公开了一种拉线编码测量装置100，该拉线编码测量装置100包括一个向心机构20和两个测量框10。所述向心机构20包括连接头21和安装在连接头21上的四个向心腿22。各所述测量框10包括基座11，所述基座11上对称安装有：两个拉线编码器12、分别对各所述拉线编码器12的拉线111进行导向的两个偏转滑轮13、分别支撑两个所述偏转滑轮13的支撑架16、分别与各所述支撑架16枢接相连的支架17和分别定位各所述拉线编码器12的拉线111的初始位置的定位块15，各所述拉线111与相应所述偏转滑轮13的下切点位于该支撑架16与对应所述支架17枢接的枢轴上。拉线编码器12用于测量拉线111伸出的长度，偏转滑轮13用于对相应的拉线111进行导向。设置定位块15，在初始位置，可以将拉线111的端部固定在定位块15上，而此时可以将拉线编码器12的读数设置为零位，以便将拉线编码器12进行归零。各支撑架16与相应支架17枢接相连，且各支撑架16可以绕该支撑架16与对应支架17枢接的枢轴转动，而各拉线111与相应偏转滑轮13的下切点位于该支撑架16与对应支架17枢接的枢轴上。四个向心腿22用于连接四个拉线编码器12的拉线111，且四根拉线111的延长线相交于一点。该拉线编码测量装置100可以使用上述拉线编码空间位置测量方法进行测量，使用方便，且无需两个位置的测量框10平行，对测量设备的精度需要低，进而方便对测量设备进行保存，同时可以精确测量出被测点的空间位置。
请参阅图7和图8，本发明实施例还公开了另一种拉线编码测量装置100b，该拉线编码测量装置100b包括一个向心机构20b及一个测量框10b，向心机构20b包括连接头21b和安装在连接头21b上的两个向心腿22b。各测量框10b包括基座11b，基座11b上对称安装有：两个拉线编码器12b、分别对各拉线编码器12b的拉线111b进行导向的两个偏转滑轮13b、分别支撑两个偏转滑轮13b的支撑架16b、分别与各支撑架16b枢接相连的支架17b和分别定位各拉线编码器12b的拉线111b的初始位置的定位块15b，各拉线111b与相应偏转滑轮13b的下切点位于该支撑架16b与对应支架17b枢接的枢轴上。拉线编码器12b用于测量拉线111b伸出的长度，偏转滑轮13b用于对相应的拉线111b进行导向。设置定位块15b，在初始位置，可以将拉线111b的端部固定在定位块15b上，而此时可以将拉线编码器12b的读数设置为零位，以便将拉线编码器12b进行归零。各支撑架16b与相应支架17b枢接相连，且各支撑架16b可以绕该支撑架16b与对应支架17b枢接的枢轴转动，而各拉线111b与相应偏转滑轮13b的下切点位于该支撑架16b与对应支架17b枢接的枢轴上。四个向心腿22b用于连接四个拉线编码器12b的拉线111b，且四根拉线111b的延长线相交于一点。该拉线编码测量装置100b可以使用上述拉线编码空间位置测量方法进行测量，使用方便，且只需一个测量框10b，同时无需使测量框10b的两个位置平行，对测量设备的精度需要低，进而方便对测量设备进行保存，同时可以精确测量出被测点的空间位置。
请参阅图2至图6，本发明实施例还提供的一种拉线编码空间位置测量系统，包括如上所述的拉线编码测量装置100和对如上所述的拉线编码空间位置测量方法进行数据处理以得出测量点位置的服务器。该拉线编码空间位置测量系统在使用上述拉线编码测量装置100进行测量时，可以使用上述拉线编码空间位置测量方法进行测量，而服务器可以自动进行上述拉线编码空间位置测量方法中的建立平面模型s3步骤和建立空间模型s4步骤，并自动计算出测量结果，得出测量点的空间位置，测量效率高、测量方便。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。