一种关节臂式坐标测量机热变形误差辨识校正方法与流程

本发明涉及关节臂式坐标测量机领域，具体涉及一种关节臂式坐标测量机热变形误差辨识校正方法。
背景技术：
：关节臂式坐标测量机(下文简称关节臂)是实现坐标测量的高精度仪器，在坐标测量过程中，由于关节臂内部电路及环境温度的变化会导致机体的热变形，从而引入测量力误差，机体热变形是影响关节臂测量精度的重要因素，由于热变形的存在，使得关节臂的真实结构参数与其运动学方程不匹配，从而带来较大测量误差。尽管可以通过对关节臂进行定期的校准来减少测头误差，但在校准和测量过程中通常忽略了机体内部发热这一因素的影响为提高关节臂的测量精度，因此，掌握关节臂由于内部发热产生热误差的机理，有助于进一步提高其测量精度。技术实现要素：本发明的目的是设计一种关节臂式坐标测量机热变形误差辨识校正方法。为实现上述发明目的，本发明的技术方案是：一种关节臂式坐标测量机热变形误差辨识校正方法，包括如下步骤：步骤一)控制实验室温度在20℃左右，并对实验室温度进行实时监测；步骤二)分别在关节臂的基座、测量臂、关节及测头处设置m个热监测点，给上述m个热监测点配备实时温度记录模块，记录关节臂从启动到达到热平衡时各监测点的温度变化，并得出各监测点的温升—时间变化曲线；步骤三)操作坐标测量机对标准量块按时间顺序进行随机测量，每次随机采用测量多次，取平均值为实测距离，即测量值，测量值与标准量块的标准值的差值即为关节臂的测量误差；步骤四)每隔固定时间，对步骤二)中热监测点温度测量记录，并对步骤三)中标准距离进行一次测量；得出n组试验数据，包括各热监测点相当于实验室温度的温升值δtij(i＝1，2，…，m；j＝1，2，…，n)，关节臂对标准距离的测量误差δej(j＝1，2，…，n)；步骤五)根据多元线性回归算法对关节臂七个热监测点的温升值及热变形误差值建立实验误差补偿模型，所建模型的形式为：e＝a0+a1δt1j+a2δt2j+…+amδtmj式中j＝1,2,…,n；δt1j，δt2j，…，δtmj分别表示1，2，…，m个热监测点在j时刻与实验室温度的温升值；a0，a1，…，am分别为待定参数；步骤六)根据步骤四)中n组试验数据，采用最小二乘法确定待定参数a0，a1，…，am，带入步骤五)试验误差补偿模型中，得到关节臂式坐标测量机热变形误差补偿模型；步骤七)采用步骤六)得到的误差补偿公式，对关节臂式坐标测量机的测量结果进行补偿。本发明的有益效果是：1)该方法可以得出关节臂式坐标测量机长度测量误差与对应各温度监测点间温升变化的映射关系；2)基于该映射关系建立基于多元线性拟合的机体热变形误差补偿模型，实现热变形误差补偿，提高关节臂的测量精度。附图说明图1为关节臂式坐标测量机及热监测点分布图；图2为各热监测点的温度—时间变化曲线；图3测量误差和补偿模型的预测误差曲线图；图4采用步骤六)补偿模型补偿前后测量精度曲线图；表1为各热监测点温升值、测量误差数据；表2为测量误差补偿前后测量精度极值及平均值。具体实施方式下面将结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。本发明针对关节臂温度引起的热变形误差这一因素展开检测方法分析，通过设计一个简单测量方法，将关节臂在考虑热变形的情况下进行坐标测量，研究发现机器热变形对关节臂式坐标测量机测量精度的影响很大，并对机体热变形造成的误差进行补偿。该发明充分考虑到关节臂式坐标测量机机体热变形对测量精度的影响，为后续提高关节臂式坐标测量机的测量精度提供了一种检测方法。如图1所示，一种关节臂式坐标测量机热变形误差辨识校正方法，关节臂式坐标测量机(下文简称关节臂)的主要部件，包括基座1、测量臂2、测量关节3及测头4。步骤一)控制实验室温度在20℃左右，并对实验室温度进行实时监测；步骤二)分别在关节臂的基座1、测量臂2、关节3及测头4处的设置7个热监测点，并分别标号为p1、p2、p3、p4、p5、p6、p7，给上述7个热监测点分别配备实时温度记录模块，记录关节臂从启动到达到热平衡时各监测点的温度变化，将实验室温度同步记录，并标记为p8，计算统计得出各热监测点的温度—时间变化曲线，如图2所示。步骤三)本实施例中采用带锥窝的标准量块作为标准量具，锥窝间的标准距离为361.910mm。操作坐标测量机对标准量块的锥窝距离按时间顺序进行随机测量，每次随机采用测量5次，取平均值为实测距离，即测量值，测量值与锥窝距离的标准距离的差值即为关节臂的测量误差；步骤四)每隔5分钟，对步骤二)中热监测点温度测量记录，并对步骤三)中锥窝距离进行一次测量；试验持续150分钟，得出30组试验数据，如表1所示，包括各热监测点相当于实验室温度的温升值δtij(i＝1，2，…，7；j＝1，2，…，30)，关节臂对标准距离的测量误差δej(j＝1，2，…，30)。表1各热监测点温升值、测量误差数据步骤五)基于多元线性回归的热变形误差补偿模型。采用多元线性回归方法建立热误差与各位置监测点温升的数学模型。多元线性回归的原理是：假如因变量y与其他m各自变量x1,x2,…,xm间的内在联系为线性的，并根据实验得出观测数据(x1,x2,…,xm；y)，则观察数据可以有如下结构形式：y＝β0+β1x1+β2x2+,…,+βmxm式中，β0，β1，…，βm是m+1个待估计的参数；x1,x2,…,xm为m个可以测量或控制的一般变量。根据多元线性回归算法对关节臂七个热监测点的温升值及热变形误差值建立实验误差补偿模型，所建模型的形式为：e＝a0+a1δt1j+a2δt2j+…+a7δt7j式中：j＝1,2,…,30；e为热变形误差；δt1j，δt2j，…，δt7j分别表示热监测点p1、p2、p3、p4、p5、p6、p7在j时刻相对于实验室温度p8的温升值；a0，a1，…，a7分别为待定参数。步骤六)根据步骤四)表1中30组试验数据，采用最小二乘法确定待定参数a0，a1，…，a7。带入步骤五)试验误差补偿模型中，得到关节臂热变形误差的补偿公式。参数a0，a1，…，a7的确定，运用七维高科有限公司开发的数学优化分析综合工具软件1stopt，输入要辨识的待定参数(parameters)a0，a1，…，a7、各传感器的温升变化值δt1,δt2…,δt7及测量误差值(variable)δej(j＝1，2，…，30)。以及要确定是模型函数(function)e＝a0+a1δt1j+a2δt2j+…+a7δt7j，并带入表1的实验数据。设置优化算法，采用模拟退火算法，并进行算法参数的设定(选择默认)。点击运行，得出a0,a1…,a7的辨识结果如下：a0＝-0.118、a1＝0.092、a2＝0.010、a3＝0.164、a4＝0.213、a5＝-0.207、a6＝-0.008、a7＝-0.129因此，建立的基于多元线性回归的关节臂式坐标测量机热变形误差补偿模型为：e＝-0.118+0.092δt1+0.010δt2+0.164δt3+0.213δt4-0.207δt5-0.008δt6-0.129δt7步骤七)采用步骤六)得到的误差补偿模型，对关节臂式坐标测量机的测量结果进行补偿。为验证补偿模型的有效性，对实验得出的补偿模型进行验证，对比得出的实验测量误差和补偿模型的估计误差(即使用补偿模型计算的误差)如图3所示。并根据误差补偿模型对测量数据进行误差补偿，即将关节臂式坐标测量机的测量误差减去补偿模型的估计误差，从而得到补偿后的测量精度，对比补偿前后效果如图4及表2所示。误差补偿前误差补偿后百分比(％)最大值(mm)0.1790.093647.7％最小值(mm)0.0020.0006468％平均值(mm)0.07150.033553.15％表2测量误差补偿前后测量精度极值及平均值从图4、表2中可以看出，关节臂误差补偿后的测量误差最大值、最小值和平均值均有所降低,最大测量误差从0.179mm降低到0.0936mm，降低了47.7％；平均测量误差从0.0715mm降低到0.0335mm，有效地提高了关节臂的测量精度。所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。当前第1页12