一种基于平面极坐标系的位置测量系统及标定方法

1.本发明涉及机械加工装备位置测量技术领域，尤其涉及一种基于平面极坐标系的位置测量系统及标定方法。


背景技术：

2.机械加工是指通过一种机械设备对工件的外形尺寸或性能进行改变的过程。按加工方式上的差别可分为切削加工和压力加工。
3.机械加工过程中，机械加工装备的精度是一个重要的参数，是保证加工质量的重要因素。为了能够确定机械加工装备的末端点位置以实现闭环反馈和提高绝对精度，通常使用测量装置进行对机械加工装备的末端点位置进行检测，确保机械加工装备的精度。通常来讲测量装置采用球杆仪、自动经纬仪、坐标测量机等测量装置。上述这些测量仪器在成本及测试适应性等方面无法满足测试要求，导致测试精度偏差大，而且球杆仪、自动经纬仪、坐标测量机等需要提前培训测试人员，进一步增加了使用成本，而且测量前需要繁琐的设置参数，还无法根据测试过程的需要进行调整测试数据，造成测试数据不精准，影响机械加工装备的后续使用。


技术实现要素：

4.本发明提供一种基于平面极坐标系的位置测量系统，系统可以根据测试过程的需要进行调整测试数据，使测试数据精准，避免影响机械加工装备的后续使用。
5.具体包括：位置测量装置、标定装置、数据采集板和计算机；
6.位置测量装置设有光栅测微传感器和旋转编码器；
7.位置测量装置的末端执行件与标定装置连接；
8.光栅测微传感器用于感应移动距离数据；旋转编码器用于感应旋转角度数据；
9.计算机通过数据采集板与位置测量装置通信连接；
10.标定装置设有直光栅尺；
11.直光栅尺用于感应移动距离数据；
12.计算机通过数据采集板与标定装置通信连接。
13.本发明还提供一种标定方法，方法包括：
14.计算机通过数据采集板与位置测量装置采用有线或无线通信方式连接；
15.计算机通过数据采集板与标定装置通信连接，手动控制标定装置运行，并通过数据采集板获取光栅测微传感器感应的移动距离数据、旋转编码器感应的旋转角度数据和直光栅尺感应的移动距离数据。
16.计算机将感应的数据信息进行显示。
17.方法还包括：计算机通过数据采集板与位置测量装置和标定装置采用有线或无线通信方式连接；
18.手动控制标定装置运行，使直线导轨滑台以一定速度缓慢在直线导轨上滑动；
19.计算机通过数据采集板获取直光栅尺的移动距离数据、光栅测微传感器感应的移动距离数据以及旋转编码器感应的旋转角度数据；
20.计算机将感应的数据信息以标定后的位置测量装置的极点、极径、极角进行显示。
21.标定装置对位置测量装置的标定计算过程包括：
22.定义x为圆心偏差半径值，k、k1、k2为最终标定的极径值，r1、r2、r3为极坐标系偏差极径值，l1，l2为光栅尺读数头1.4的相邻两次之间的数据差值，角度θ1和θ2为相邻两次之间的旋转角度值；
23.任取标定过程中的三个点，通过三角形余弦定理即可求出k1，k2，k3；
[0024][0025][0026][0027][0028][0029]
通过如上五个公式得到两个方程两个未知数，解出代回方程中，即可得到标定后的位置测量装置的极点、极径和极角，完成对位置测量装置的标定。
[0030]
从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：
[0031]
本发明提供的基于平面极坐标系的位置测量系统中，计算机通过数据采集板与位置测量装置采用有线或无线通信方式连接；使得元件之间可以根据实际需要进行通信连接，提高连接的便捷性，满足测试需要。手动控制标定装置运行，使直线导轨滑台以一定速度缓慢在直线导轨上滑动，计算机通过数据采集板获取直光栅尺的移动距离数据、光栅测微传感器感应的移动距离数据以及旋转编码器感应的旋转角度数据，计算机运行标定程序完成对位置测量装置的标定。计算机获取用户输入的控制指令，或者计算机根据预设的测试程序控制与位置测量装置联接的被测装置运行，并通过数据采集板获取光栅测微传感器感应的被测装置移动距离数据以及旋转编码器感应的被测装置旋转角度数据；计算机将感应的被测装置在位置测量装置坐标系中的平面位置数据信息进行显示。这样，被测装置可以根据位置测量系统的测量数据的需要进行自身位姿的调整，避免影响机械加工装备的后续使用。
[0032]
本发明还可以通过具体的数学公式得到标定的参数数据，即可得到标定后的位置测量装置的极点、极径和极角，完成对位置测量装置的标定提高位置测量精度，位置测量装置与被测装置联接方便，操作方便，实现自动执行标定程序，自动输出结果，方便用户操作。
附图说明
[0033]
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0034]
图1为标定位置测量装置的实施例示意图；
[0035]
图2为标定装置示意图；
[0036]
图3为标定方法的实施例示意图；
[0037]
图4为基于平面极坐标系的位置测量系统实施例示意图；
[0038]
图5为位置测量装置示意图；
[0039]
图6为位置测量装置与scara机械臂的末端联接示意图。
[0040]
附图标记说明：
[0041]
图1中，1
‑
位置测量装置，2
‑
标定装置，3
‑
数据采集板，4
‑
计算机。
[0042]
图4中，1
‑
位置测量装置，2
‑
数据采集板，3
‑
计算机，4
‑
scara机械臂。
[0043]5‑
标定装置，11
‑
光栅测微传感器，12
‑
上转台，13
‑
轴承，14
‑
承重台，15
‑
联轴器，16
‑
旋转编码器，1.1
‑
径向孔转轴，1.2
‑
迷你轴承，1.3
‑
轴承座，1.4
‑
光栅尺读数头，1.5
‑
联接法兰，1.6
‑
直线导轨滑台，1.7
‑
直线导轨，1.8
‑
光栅尺身，1.9
‑
承重台，2.1
‑
scara机械臂的末端，2.2
‑
强磁吸套，2.3
‑
轴承，2.4
‑
旋转台，2.5
‑
螺母，2.6
‑
光栅测微传感器的伸缩杆。
具体实施方式
[0044]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，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。
[0045]
本发明提供一种基于平面极坐标系的位置测量系统，如图1所示，包括：
[0046]
位置测量装置1，标定装置2，数据采集板3和计算机4。
[0047]
位置测量装置1设有用于光栅测微传感器和旋转编码器；位置测量装置1的末端执行件与标定装置2连接；光栅测微传感器用于感应移动距离数据；旋转编码器用于感应旋转角度数据；直光栅尺用于感应的移动距离数据；计算机4通过数据采集板3与位置测量装置1通信连接；计算机4与标定装置2通信连接，用户手动控制标定装置2运行，计算机4通过数据采集板3获取光栅测微传感器感应的移动距离数据、旋转编码器感应的旋转角度数据、直光栅尺感应的移动距离数据。
[0048]
计算机3可以以各种形式来实施。例如，本发明实施例中描述的计算机3可以包括诸如智能电话、笔记本电脑、个人数字助理(pda，personal digital assistant)、平板电脑(pad)等等的移动终端以及诸如数字tv、台式计算机等等的固定终端。然而，本领域技术人员将理解的是，除了特别用于移动目的的元件之外，根据本发明的实施方式的构造也能够应用于固定类型的计算机。
[0049]
计算机3可以包括无线通信单元、音频/视频(a/v)输入单元、用户输入单元、感测单元、输出单元、存储器、接口单元、控制器和电源单元等等。但是应理解的是，并不要求实施所有示出的组件。可以替代地实施更多或更少的组件。将在下面详细描述移动终端的元件。计算机3的用户输入单元可以获取用户输入的控制指令以及控制参数。计算机3可以通过显示屏显示系统运行状态以及标定数据。
[0050]
标定装置2、位置测量装置1、数据采集板3和计算机4之间可以采用有线或无线通信方式进行通信连接。
[0051]
无线通信方式可以采用无线局域网络(wi
‑
fi，wlan，wireless local area networks)、无线宽带(wibro)、全球微波互联接入(wimax)、高速下行链路分组接入(hsdpa，high speed downlink packet access)等等。
[0052]
测量方法实施时，具体的结构搭建：
[0053]
如图2所示，标定装置5设有承重台1.9；承重台1.9顶部设有不同高度的两级阶台；高一级的阶台上安装有光栅尺身1.8；光栅尺身1.8与承重台1.9顶部通过螺栓连接；低一级的阶台上安装有直线导轨1.7，直线导轨1.7与承重台1.9顶部通过螺栓连接；直线导轨1.7上滑动连接有直线导轨滑台1.6；直线导轨滑台1.6上通过螺栓连接有联接法兰1.5；联接法兰1.5上安装有轴承座1.3和光栅尺读数头1.4；轴承座1.3上配合连接有迷你轴承1.2；迷你轴承1.2的内圈配合连接有径向孔转轴1.1；径向孔转轴1.1上设有径向通孔，图1中位置测量装置1的伸缩杆穿过径向通孔，并通过螺钉固定连接。
[0054]
基于上述连接关系实现了对位置测量装置进行标定时各个元件的设置，通过数据采集板将位置测量装置中的光栅测微传感器、旋转编码器的实时测量数据和标定装置中的直光栅尺的实时测量数据传送到计算机；
[0055]
手动控制标定装置运行，使直线导轨滑台以一定速度缓慢在直线导轨上滑动，此时位置测量装置1中的光栅测微传感器、旋转编码器和标定装置2中的直光栅尺会将实时测量数据通过数据采集板传送给计算机；
[0056]
计算机通过处理光栅测微传感器传送的移动距离数据、旋转编码器传送的旋转角度数据和直光栅尺传送的移动距离数据，即可完成对位置测量装置的标定。
[0057]
作为本发明的一种实施例来讲，如图3所示，标定装置对位置测量装置的标定计算过程包括：
[0058]
定义x为圆心偏差半径值，k、k1、k2为最终标定的极径值，r1、r2、r3为极坐标系偏差极径值，l1，l2为光栅尺读数头1.4的相邻两次之间的数据差值，角度θ1和θ2为相邻两次之间的旋转角度值；
[0059]
任取标定过程中的三个点，通过三角形余弦定理即可求出k1，k2，k3；
[0060][0061][0062][0063][0064][0065]
通过如上五个公式得到两个方程两个未知数，解出代回方程中，即可得到标定后的位置测量装置1的极点、极径和极角，完成对位置测量装置1的标定。
[0066]
基于平面极坐标系的位置测量系统的测量方法是结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的
组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
[0067]
本发明提供还可以实现位置测量，如图4所示，具体涉及scara机械臂4。在对scara机械臂4进行末端位置测量时，位置测量装置1的末端执行件与scara机械臂4的末端连接；计算机3与scara机械臂4通信连接，计算机3控制scara机械臂4运行，并通过数据采集板2获取光栅测微传感器感应的移动距离数据和旋转编码器感应的旋转角度数据。
[0068]
进一步的讲，如图5所示，位置测量装置1设有联轴器15，承重台14和上转台12；承重台14为圆柱形。联轴器15设置在承重台14的中心位置。旋转编码器16安装在承重台14的底部；旋转编码器16的中心与承重台14的中心在同一条直线上。旋转编码器16的设置旋转轴。旋转编码器16的旋转轴与上转台12的末端轴通过联轴器15连接；承重台14的顶部内侧壁安装有轴承13；上转台12底端与轴承13采用过盈配合连接；光栅测微传感器11安装在上转台12上，并通过螺栓固定连接。旋转编码器16上设置的法兰与承重台14的底部通过螺栓固定连接，便于拆卸安装。
[0069]
本发明中，如图6所示，scara机械臂4的末端2.1与强磁吸套2.2配合连接；强磁吸套2.2套装在轴承2.3内；轴承2.3安装在旋转台2.4内；旋转台2.4的底部连接有连接杆；连接杆上设有通孔；光栅测微传感器设有光栅测微传感器的伸缩杆2.6，光栅测微传感器的伸缩杆2.6穿过连接杆的通孔，且穿出段上连接有螺钉2.5。
[0070]
基于上述连接关系实现了系统各个元件的设置，系统通过数据采集板将位置测量装置中的光栅测微传感器和旋转编码器的实时测量数据传送到计算机；
[0071]
计算机获取用户的控制指令，或者计算机根据预设的控制程序给scara机械臂发送运动命令，此时位置测量装置1中的光栅测微传感器和旋转编码器会将实时测量数据通过数据采集板传送给计算机；
[0072]
计算机通过处理光栅测微传感器传送的移动距离数据和旋转编码器传送的旋转角度数据，即可得到机械手臂末端在该测量装置下的坐标系中的位置数据。
[0073]
本系统既可以对scara机械臂4，也可以对机械加工装备进行末端位置检测。
[0074]
应当理解，本发明提供的基于平面极坐标系的位置测量系统中，在称某一元件或层在另一元件或层“上”，被“连接”或“耦合”至另一元件或层时，其可能直接在另一元件或层上，被直接连接或耦合至所述另一元件或层，也可能存在中间元件或层。相反，在称某一元件被“直接在”另一元件或层“上”，“直接连接”或“直接耦合”至另一元件或层时，则不存在中间元件或层。所有附图中类似的数字指示类似元件。如这里所用的，术语“和/或”包括相关所列项的一个或多个的任何和所有组合。
[0075]
本发明提供的基于平面极坐标系的位置测量系统中，会使用便于描述的空间相对性术语，例如“在
…
下”、“下方”、“下部”、“以上”、“上方”等来描述如图中所示的一个元件或特征与另一个元件或特征的关系。应当理解，空间相对性术语意在包括图中所示取向之外的使用或工作中的器件不同取向。例如，如果将图中的器件翻转过来，被描述为在其他元件或特征“下”或“下方”的元件将会朝向其他元件或特征的“上方”。于是，示范性术语“下方”可以包括上方和下方两种取向。可以使器件采取其他取向(旋转90度或其他取向)，这里所用的空间相对术语作相应解释。
[0076]
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。