一种关节式坐标测量机的测量姿态优化方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于坐标测量技术领域，具体涉及一种关节式坐标测量机的测量姿态优化 方法。
【背景技术】
[0002] 关节式坐标测量机是一种多自由度非正交坐标式的三坐标测量机，它主要是由一 个磁性基座，三个测量臂，六个关节转角和一个测头组成。通过每个关节转角内的角度传感 器的示数和关节式坐标测量机的结构参数借助运动学模型来计算测头的坐标。相比传统的 三坐标测量机，关节式坐标测量机有着使用方便、测量范围大、测量精度较高、环境适应能 力强等优点被广泛应用于精密测量，产品检测，逆向工程等方面。但是由于测量机串联式的 机械结构导致其有着误差因素多、误差逐级传递、结构参数标定困难等缺点。关节式坐标测 量机的标定大多是通过对测量机结构参数进行参数辨识并对原测量机内结构参数进行补 偿来完成的。但是由于关节式坐标测量机的结构参数众多，且个别参数随测量环境的变化 有着微弱变化导致测量机标定过程中存在着误差，使得进一步提高关节式坐标测量机的测 量精度困难。目前，提高关节式坐标测量机测量精度的方法主要是通过对测量机结构参数 进行标定实现的。主要分为外部标定和自标定两种方法。外部标定大多是使用高精度测量 设备对测量机的参数进行测量或者校准了，标定过程比较复杂，且对辅助标定设备要求较 尚，如《基于激光跟踪仪的关节式坐标测量机参数标定》利用激光跟踪仪进彳丁标定，标定时 采用专用夹具固定测量机的姿态，测量30个点，采用高斯-牛顿法求最小二乘解，《关节臂式 坐标测量机标定系统的设计》和《基于反转法的平行双关节坐标测量机的标定》借助标定装 置使用反转关节的方法对平行双关节坐标测量机和六自由度关节式坐标测量机进行标定。 而自标定则大多通过使用关节式坐标测量机测量特定的标定件如锥窝或者石英棒等联立 方程组求解测量机结构参数。《柔性坐标测量机参数辨识方法》采用了单点锥窝的标定方 法，将一个锥窝固定在测量空间的一个位置，使用关节式柔性坐标测量机对锥窝顶点连续 采样200点；《变臂关节式坐标测量机的参数自标定方法研究》使用非线性规划遗传算法对 60组测量数据进行参数辨识。相比外部标定方式，内部标定有着实施简单，不需要过多的辅 助设备等优势，但无法克服标定过程中由算法带来的误差和采集过程当中的人为误差以及 由于测量环境的改变导致的结构参数的变化。
[0003]关节式坐标测量机的测量精度和测量姿态相关。《关节臂式坐标测量机转角误差 的仿真研究》由于不同测量姿态导致相同转角误差影响下的测量精度是不同的;《关节臂式 坐标测量机误差仿真系统建模与分析》提出关节转角和关节扭转角的误差与测量姿态有密 切关系;《关节臂式坐标测量机角度传感器偏心参数辨识》中提到角度传感器偏心误差是有 关关节转角的函数，且对测量机测量精度影响很大。则使用不同测量姿态将可以减小由于 传感器偏心误差导致的测量误差。以上文献都提出测量精度受测量姿态影响较大，但都没 有准确提出关节式坐标测量机的测量姿态优化方法。
【发明内容】
[0004] 针对上述标定过程中存在的问题，提供一种关节式坐标测量机的测量姿态优化方 法，包括以下步骤:a)测量姿态优化过程:将姿态优化装置放置在待测空间内，使用关节式 坐标测量机对姿态优化测量装置上不同面上的多个锥孔以不同测量姿态进行测量，每个锥 孔测量多次，得到测量样本;计算每个采样点数据的重复精度，并与六个关节转角值组成关 节式坐标测量机姿态优化数据，并对数据进行处理;借助关节式坐标测量机的辅助支架在 处理后测量姿态下对待测物进行测量;或在处理后测量姿态下对待测物进行多次测量，再 将测量姿态结果以外的数据滤去得到测量机姿态优化后的待测物测量数据;b)数据处理过 程:通过D-Η模型计算第j组测量姿态Θ小θ 2」、θ小θ4」、θ小Θ幻下对应的测头坐标幻^山，计 算对应采样点i的至少50组数据坐标平均值^、歹丨、$，将每个采样点测量至少50次的坐 标平均值作为坐标真值，并使用其来计算该测量姿态下的测量误差
[0005]
[0000] 将第」组测量姿态与对应测量误差联立9ij、02j、03j、04j、05j、0 6j5j，关节式坐标测量 机测量姿态优化数据将有以上至少5000组测量姿态数据组成;对所有测量机测量姿态数据 进行聚类分析，即将测量姿态和测量误差接近的测量姿态数据汇聚在一起，形成多个簇;对 所有簇内数据进行分析，计算簇i内平均测量误差Si，若簇内含有k组样本，则簇j内测量误
差方差
[0007]
[0008]计算簇内第j个关节转角心，旋转范围Δ
[0009] Δ 0j=C|max(9j)-min(9j) | ; j=l，2,3,4,5,6
[0010] 其中max(0j)，η?η(θ」)分别为簇中第j个关节转角的最大值和最小值，C为测量姿态 关节转角范围权值，为了保证测量精度，一般情况下C应小于1，姿态优化后第j个关节转角 旋转边界Θ jmax j 9jmin分别为：
[0011]
[0012]
[0013]最后根据各个簇的测量平均误差，测量误差方差，簇内样本数对簇进行提取。
[0014] 优选地，在所述测量姿态优化过程中，将姿态优化装置放置在待测空间内，测量姿 态优化装置不同面上的50个测量点，每个点使用不同测量姿态测量测量50次。
[0015] 优选地，在所述测量姿态优化过程中，将姿态优化装置放置在待测空间内，测量姿 态优化装置不同面上的1〇〇个测量点，每个点使用不同测量姿态测量测量1〇〇次。
[0016] 优选地，在所述测量姿态优化过程中，将姿态优化装置放置在待测空间内，测量姿 态优化装置不同面上的50个测量点，每个点使用不同测量姿态测量测量100次。
[0017]本发明方法的优点是：
[0018] 采用自主设计的关节式坐标测量机姿态优化装置，其上的锥孔及孔矩可计算重复 性测量精度。
[0019] 具备简单易行的采样策略，将姿态优化装置放置在待测空间内，测量姿态优化装 置不同面上的100个测量点，每个点使用不同测量姿态测量测量50次。测量过程中可通过调 节旋钮或旋转、移动姿态优化装置以得到测量空间内更多的采样点。
[0020] 与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：
[0021] 1、本发明主要针对关节式坐标测量机的测量姿态，无需引入高精度测量仪器，使 得现场测量姿态优化成为可能，充分发挥了关节式坐标测量机的灵活性，同时成本得到了 节约。
[0022] 2、本发明采样点可根据需要自行增加，随着测量样本的增加，通过多次测量取平 均值的方法可以使人为因素降到最小，同时测量样本越多，姿态优化结果越好。
[0023] 3、本发明可在待测平面周围进一步取点，采样点可分布于待测平面临近的其他平 面上，使测量姿态优化可处理待测空间测量姿态优化问题。
[0024] 4、本发明采样点近似均匀分布整个测量空间，能充分提取关节测量机在有效测量 空间内的误差信息，使待标定机的整体精度得到保证。
[0025] 5、本发明在不需现场标定时，可以借助高精度测量仪器，通过关节式坐标测量机 测量结果和高精度测量仪器测量结果通过转化矩阵建立联系，并使用高精度测量仪器的测 量结果进行关节式坐标测量机测量姿态优化。
[0026] 应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当 用作对本发明所要求保护内容的限制。
【附图说明】
[0027] 参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下 描述得以阐明，其中：
[0028] 图1为本发明中待优化关节式坐标测量机示意图。
[0029] 图2为本发明中关节式坐标测量机姿态优化装置。
【具体实施方式】
[0030] 图1为本发明中待优化关节式坐标测量机示意图。所述优化测量机100包括:第一 测量臂1、第二测量臂2、第三测量臂3;第一关节4、第二关节5、第三关节6、第四关节7、第五 关节8、第六关节9、测头10、基座11。图1所示的关节式坐标测量机，具有六自由度。由第一测 量臂1、第二测量臂2、第三测量臂3串联六个可旋转的关节构成空间开链结构，该结构的末 端由测头10构成。各关节转动角度由各关节内侧圆光栅角度传感器获得。其中第一关节4、 第三关节6、第五关节8可在0~2π角度范围内旋转，第二关节5、第四关节7、第六关节9可在- ~0角度范围内旋