关节式坐标测量机的热形变误差补偿方法技术

本发明专利技术提供了一种关节式坐标测量机的热形变误差补偿方法，包括如下步骤：1)建立温度对关节式坐标测量机的结构参数影响的数学模型；2)将关节式坐标测量机置于温度可控的恒温室中，室温设定为15°等待2小时；3)用关节式坐标测量机对设计的专用标定板进行测量；4)调节恒温室的温度到20°，等待2小时之后再次对标定板进行测量；5)继续升温，每隔5°进行一组测量实验，直至温度升到40°；6)根据专用标定板的标称值计算出各组数据的误差，用关节式坐标测量机结构参数自标定的方法标定出各个温度下的结构参数；7)在恒温室中分别在不同的温度梯度下，再次对标定板进行测量，以此对f(T)的补偿效果进行验证。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及坐标测量机的温度补偿技术，特别涉及一种关节式坐标测量机的热形变误差补偿方法。
技术介绍
关节式坐标测量机是一种多自由度非正交式的三坐标测量机，通常具有6个自由度。它仿照人体关节，由三个测量臂和一个测头通过六个旋转关节串联而成。与传统的正交式三坐标测量机相比，关节式坐标测量机具有测量范围大、方便灵活、机械结构简单等特点。但是，因为关节式坐标测量机经常用在车间等工业现场，工作环境温度差异较大。受环境温度的影响，关节式坐标测量机会发生热形变，从而导致测量结果存在误差。关节式坐标测量机作为精密的坐标测量工具，串联结构会对误差起放大作用，因热形变而导致的误差是不容忽视的。对关节式坐标测量机进行热形变误差的补偿，可以有效提高测量结果的精度。近几年陆续发表的一些文献提出了不同的方法对关节式坐标测量机的热变误差进行补偿：《关节三坐标测量机温度误差修正技术研究》将关节式坐标测量机的测量臂简化成细长杆件模型，用材料的一维线膨胀系数对其热形变误差进行修正；《关节式坐标测量机热变形误差建模及修正研究》对关节式坐标测量机的热变形误差进行了研究，并基于神经网络算法对误差模型进行修正；《关节式坐标测量机热变形误差及修正》用单隐层带反向传播前馈神经网络建立了关节式坐标测量机的热变形误差模型，并通过实验验证了模型的有效性。研究多集中仿真分析、模型简化等方面，对于整机的热形变误差研究较少。因此，需要研究一种能够对关节式坐标测量机整机的热形变误差进行补偿的方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种关节式坐标测量机的热形变误差补偿方法，包括如下步骤：1)建立温度对关节式坐标测量机的结构参数影响的数学模型：其中，Δai、Δdi、Δαi、Δθi、ΔI分别为关节长度、测量臂长度、关节扭转角、关节旋转角和测头长度的误差，fai(T)、fdi(T)、fαi(T)、fI(T)、fθi(T)为温度误差函数；2)将关节式坐标测量机置于温度可控的恒温室中，室温设定为15°等待2小时；3)用关节式坐标测量机对设计的专用标定板进行测量，在每个位置对专用标定板上的指定锥孔进行100次测量，在测量时尽量使用多种不同的姿态；4)调节恒温室的温度到20°，等待2小时之后再次对标定板进行测量；5)继续升温，每隔5°进行一组测量实验，直至温度升到40°；6)根据专用标定板的标称值计算出各组数据的误差，用关节式坐标测量机结构参数自标定的方法标定出各个温度下的结构参数。根据关节式坐标测量机结构参数的标准值，分别计算各个温度下的结构参数误差，用多项式拟合的方法对温度误差函数进行拟合，得到相应的误差函数f(T)；7)在恒温室中分别在不同的温度梯度下，再次对标定板进行测量，在每个位置上对指定锥孔进行30次测量，用上面拟合出的f(T)对结构参数进行修正得到各个温度下相应的结构参数，用修正后的结构参数计算出修正后的坐标值，计算修正前后关节式坐标测量机的测量结果误差，以此对f(T)的补偿效果进行验证。优选地，所述误差函数模型为：f(T)＝kT3+mT2+nT+b。其中k，m，n，b为待拟合的常数。优选地，所述步骤7)的温度梯度为17°、23°、28°、33°和38°。优选地，所述步骤7)的温度梯度为15°、18°、21°、24°和27°。优选地，所述步骤7)的温度梯度为15°、18°、23°、30°和37°。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，并不应当用作对本专利技术所要求保护内容的限制。附图说明参考随附的附图，本专利技术更多的目的、功能和优点将通过本专利技术实施方式的如下描述得以阐明，其中：图1示意性示出关节式坐标测量机的结构示意图。图2为本专利技术所使用的专用标定板的结构示意图。图3为本专利技术的专用标定板在使用过程中的摆放位置示意图。具体实施方式通过参考示范性实施例，本专利技术的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本专利技术并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本专利技术的具体细节。在下文中，将参考附图描述本专利技术的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。图1为关节式坐标测量机的示意图。关节式坐标测量机100包括：基座110，三段测量臂107、108、109，转动关节101、102、103、104、105、106以及测头111。在基座110上，由三段测量臂107、108、109串联的六个可旋转的关节101、102、103、104、105、106构成空间开链结构，该开链结构的末端是测量机的测头111。将温度对关节式坐标测量机造成的热形变误差转换成温度对关节式坐标测量机的结构参数的影响。建立数学模型如下：其中，Δai、Δdi、Δαi、Δθi、ΔI分别为关节长度、测量臂长度、关节扭转角、关节旋转角和测头长度的误差。fai(T)、fdi(T)、fαi(T)、fI(T)、fθi(T)为温度误差函数。将关节式坐标测量机置于温度可控的恒温室中，室温设定为15°。等待2个小时以上使关节式坐标测量机和室温达到热平衡，用关节式坐标测量机对设计的专用标定板进行测量，标定板如附图2所示。为了尽可能覆盖整个测量空间，标定板的摆放位置如图3所示。在每个位置对专用标定板上的指定锥孔进行100次测量，在测量时尽量使用多种不同的姿态。之后调节恒温室的温度到20°，等待2小时之后再次对标定板进行测量。继续升温，每隔5°进行一组测量实验，直至温度升到40°。完成实验后，共得到7组分别对应不同温度的实验数据。表1为同一个点在不同温度下的部分实验数据。表1同一个点在不同温度下的部分实验数据根据专用标定板的标称值计算出各组数据的误差，用关节式坐标测量机结构参数自标定的方法标定出各个温度下的结构参数。根据关节式坐标测量机结构参数的标准值，分别计算各个温度下的结构参数误差。用多项式拟合的方法对温度误差函数进行拟合，得到相应的误差函数f(T)。误差函数模型为：f(T)＝kT3+mT2+nT+b。其中k，m，n，b为待拟合的常数。在恒温室中分别在17°、23°、28°、33°和38°下，再次对标定板进行测量，在每个位置上对指定锥孔进行30次测量。用上面拟合出的f(T)对结构参数进行修正得到各个温度下相应的结构参数，用修正后的结构参数计算出修正后的坐标值。计算修正前后关节式坐标测量机的测量结果误差，以此对f(T)的补偿效果进行验证。在恒温室中分别在15°、18°、21°、24°和27°下，再次对标定板进行测量，在每个位置上对指定锥孔进行30次测量。用上面拟合出的f(T)对结构参数进行修正得到各个温度下相应的结构参数，用修正后的结构参数计算出修正后的坐标值。计算修正前后关节式坐标测量机的测量结果误差，以此对f(T)的补偿效果进行验证。在恒温室中分别在15°、18°、23°、30°和37°下，再次对标定板进行测量，在每个位置上对指定锥孔进行30次测量。用上面拟合出的f(T)对结构参数进行修正得到各个温度下相应的结构参数，用修正后的结构参数计算出修正后的坐标值。计算修正前后关节式坐标测量机的测量结果误差，以此对f(T)的补偿效果进行验证。结合这里披露的本专利技术的说明和实践，本专利技术的其他实施例对本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种关节式坐标测量机的热形变误差补偿方法，包括如下步骤：1)建立温度对关节式坐标测量机的结构参数影响的数学模型：Δai=fai(T)Δdi=fdi(T)Δαi=fαi(T)Δθi=fθi(T)ΔI=fI(T)]]>其中，Δai、Δdi、Δαi、Δθi、Δl分别为关节长度、测量臂长度、关节扭转角、关节旋转角和测头长度的误差，fai(T)、fdi(T)、fαi(T)、fl(T)、fθi(T)为温度误差函数；2)将关节式坐标测量机置于温度可控的恒温室中，室温设定为15°等待2小时；3)用关节式坐标测量机对设计的专用标定板进行测量，在每个位置对专用标定板上的指定锥孔进行100次测量，在测量时尽量使用多种不同的姿态；4)调节恒温室的温度到20°，等待2小时之后再次对标定板进行测量；5)继续升温，每隔5°进行一组测量实验，直至温度升到40°；6)根据专用标定板的标称值计算出各组数据的误差，用关节式坐标测量机结构参数自标定的方法标定出各个温度下的结构参数。根据关节式坐标测量机结构参数的标准值，分别计算各个温度下的结构参数误差，用多项式拟合的方法对温度误差函数进行拟合，得到相应的误差函数f(T)；7)在恒温室中分别在不同的温度梯度下，再次对标定板进行测量，在每个位置上对指定锥孔进行30次测量，用上面拟合出的f(T)对结构参数进行修正得到各个温度下相应的结构参数，用修正后的结构参数计算出修正后的坐标值，计算修正前后关节式坐标测量机的测量结果误差，以此对f(T)的补偿效果进行验证。...

【技术特征摘要】
1.一种关节式坐标测量机的热形变误差补偿方法，包括如下步骤：1)建立温度对关节式坐标测量机的结构参数影响的数学模型：Δai=fai(T)Δdi=fdi(T)Δαi=fαi(T)Δθi=fθi(T)ΔI=fI(T)]]>其中，Δai、Δdi、Δαi、Δθi、Δl分别为关节长度、测量臂长度、关节扭转角、关节旋转角和测头长度的误差，fai(T)、fdi(T)、fαi(T)、fl(T)、fθi(T)为温度误差函数；2)将关节式坐标测量机置于温度可控的恒温室中，室温设定为15°等待2小时；3)用关节式坐标测量机对设计的专用标定板进行测量，在每个位置对专用标定板上的指定锥孔进行100次测量，在测量时尽量使用多种不同的姿态；4)调节恒温室的温度到20°，等待2小时之后再次对标定板进行测量；5)继续升温，每隔5°进行一组测量实验，直至温度升到40°；6)根据专用标定板的标称值计算出各组数据的误差，用关节式坐标测量机结构...

【专利技术属性】
技术研发人员：祝连庆，冯超鹏，潘志康，郭阳宽，董明利，娄小平，李伟仙，
申请(专利权)人：北京信息科技大学，
类型：发明
国别省市：北京;11