一种关节式坐标测量机的三维空间大尺寸测量方法技术

本发明专利技术属于关节式坐标测量机领域，提供一种关节式坐标测量机的三维空间大尺寸测量方法，包括如下步骤：1）在关节式坐标测量机进行坐标转换的过程中，利用蛙跳球作为公共基准点，用高精度的三坐标测量机对蛙跳球之间的空间位置关系进行标定；2）在计算坐标转换参数前，将任意两蛙跳球之间的位置关系作为距离约束条件，消除测量过程中产生的粗大误差；3）将满足上述距离约束条件的的点坐标值带入1）坐标转换模型中求解坐标转换关系，并加入距离约束条件，判断转换关系是否正确及最优。以提高坐标转换精度。

【技术实现步骤摘要】
一种关节式坐标测量机的三维空间大尺寸测量方法
本专利技术属于关节式坐标测量机领域，尤其涉及一种关节式坐标测量机的三维空间大尺寸测量方法。
技术介绍
随着现代工业和制造业的迅猛发展，大尺寸坐标测量技术已广泛应用于航空航天、船舶汽车等大科学装置的制造、装配和维护方面。目前，大尺寸测量常用的测量系统有激光跟踪仪、室内GPS、经纬仪、关节式坐标测量机等。在工业现场经常会存在测量盲区，限制了光学测量仪器的使用；工业现场相对恶劣的测量环境和现代制造业更高的精度要求，也对精密测量仪器提出了更高的要求。由于关节式坐标测量机具有通用性强、灵活方便、测量效率高和对环境要求低等特点，在精密工业测量领域得到广泛应用。但是对于结构复杂的大型工件，关节式坐标测量机单站测量难以完成全部测量任务，故采用蛙跳法实现大尺寸工件的测量。蛙跳测量的实质即坐标转换，利用置于测量空间内的公共基准点的三维空间坐标建立坐标转换矩阵，进而得到坐标转换参数。由于关节式坐标测量机的开链结构，误差因素多，误差传递系数大；由于其工业现场手持式测量的特点，测量力、环境、自重等因素，传统的公共基准点的蛙跳测量方法会存在较大误差。《基于蛙跳式柔性三坐标测量系统误差理论分析》通过对转换矩阵求解精度与蛙跳球位置关系的分析，给出了蛙跳球的最佳选位，并通过条件数和矩阵范数对坐标转换矩阵精度进行分析，该方法仅对蛙跳球位置选取优化，无法消除测量过程中产生的粗大误差；仪器仪表学报(2015年第08期)记载《基于标准器的大尺寸测量系统坐标统一化方法》，使用标准器的约束方法对公共基准点的误差进行控制，可从根源上消除蛙跳球的误差及测量过程中产生的粗大误差，但对于满足某些特定关系的随机误差无法很好地控制；《机器人与激光跟踪仪的坐标系转换方法研究》采用RANSAC算法对测量点进行优化，通过此方法筛选出最优数据进行转换参数的求解，此方法可以有效地优化坐标转换参数模型，但需要大量测量数据作为支撑，使实际测量任务更加繁重，对于工业现场的使用有一定的局限性。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决这一问题，提供一种关节式坐标测量机的三维空间大尺寸测量方法，即基于距离约束的关节式坐标测量机的蛙跳测量方法。利用蛙跳球作为公共基准点，以高精度的关节式坐标测量机为测量仪器，采用蛙跳球建立测量仪器的组合测量网络，在关节式坐标测量机进行坐标转换的过程中，通过任意两蛙跳球之间的位置关系作为距离约束条件，消除测量过程中产生的粗大误差并优化坐标转换模型的参数，以提高坐标转换精度。为实现上述专利技术目的，本专利技术的技术方案是：一种关节式坐标测量机的三维空间大尺寸测量方法，其特征在于，包括如下步骤：1)选取Bursa模型作为坐标转换模型，关节式坐标测量机分别在两个位置处测量蛙跳球的三维空间坐标值，利用两坐标系公共基准点即可求解坐标转换参数；2)设定各距离约束最小误差限，将测量得到的坐标值通过距离约束对粗大误差进行控制；3)将满足上述距离约束条件的点的坐标值带入1)坐标转换模型中，求解坐标转换参数；4)通过距离约束优化参数模型，在求解转换关系的过程中，通过加入距离约束条件，判断转换关系是否正确及最优。优选地，步骤1，选取Bursa模型作为坐标转换模型：其中Δx、Δy、Δz为平移向量，εx、εy、εz为旋转参数，m为尺度参数，上述将公式等价变换为：由上式得误差方程为根据最小二乘原理，其中P为单位矩阵，从而得到步骤1)中的所述的蛙跳球选择直径为25.400mm的标准蛙跳球。优选地，步骤2，对于两个蛙跳球球心之间的距离为将上式按照泰勒公式展开，忽略高次项得：根据莱以特准则，设定各距离约束最小误差限为3σ，且满足式为合格点，若不满足则认为粗大误差，需剔除并重新测量；采用上述方法建立目标函数为优选地，步骤3，距离约束公式为上式中，n表示坐标转换公共基准点个数，dij表示在坐标系中两基准点之间的距离，di'j表示经检定后的标准距离。优选地，所述步骤2)、3)、4)中的任意两个蛙跳球之间的位置关系由三坐标测量机测量得到。与现有技术相比较，本专利技术的有益效果是：本方法利用蛙跳球作为公共基准点，用高精度的三坐标测量机对蛙跳球之间的空间位置关系进行标定；在计算坐标转换参数的过程中，将任意两蛙跳球之间的位置关系作为距离约束条件，消除测量过程中产生的粗大误差并优化坐标转换模型的参数，以提高坐标转换精度。1)关节式坐标测量具有通用性强、灵活方便、测量效率高和对环境要求低的特点，在精密工业测量领域广泛应用；2)距离约束能有效消除粗大误差；3)距离约束能有效优化参数模型。附图说明此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本专利技术的实施例，并与说明书一起用于解释本专利技术的原理。图1为本专利技术关节式坐标测量机的三维空间大尺寸测量方法的蛙跳系统示意图。图2为本专利技术关节式坐标测量机的三维空间大尺寸测量方法的算法流程图。其中1为关节式坐标测量机在O0位置处、2为关节式坐标测量机在O1位置处、3为蛙跳球板、4为蛙跳球。具体实施方式下面将结合附图对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。如图1、2所示，一种关节式坐标测量机的三维空间大尺寸测量方法，包括如下步骤：1)选取坐标转换模型，关节式坐标测量机分别在O01和O12两个位置处测量蛙跳球的三维空间坐标值(x0,y0,z0)和(x1,y1,z1)，利用两坐标系公共基准点即可求解坐标转换参数；选取Bursa模型作为坐标转换模型：其中Δx、Δy、Δz为平移向量，εx、εy、εz为旋转参数，m为尺度参数，上述将公式等价变换为：由上式得误差方程为根据最小二乘原理，其中P为单位矩阵，从而得到步骤1)中的所述的蛙跳球选择直径为25.400mm的标准蛙跳球。2)设定各距离约束最小误差限，将测量得到的坐标值通过距离约束对粗大误差进行控制；步骤2，对于两个蛙跳球球心之间的距离为将上式按照泰勒公式展开，忽略高次项得：根据莱以特准则，设定各距离约束最小误差限为3σ，且满足式为合格点，若不满足则认为粗大误差，需剔除并重新测量；采用上述方法建立目标函数为3)将满足上述距离约束条件的点坐标值带入1)坐标转换模型中，求解坐标转换参数。步骤3，距离约束公式为上式中，n表示坐标转换公共基准点个数，dij表示在坐标系中两基准点之间的距离，di'j表示经检定后的标准距离。4)通过距离约束优化参数模型，在求解转换关系的过程中，通过加入距离约束条件，判断转换关系是否正确及最优。优选地，步骤2)、3)、4)中的任意两个所述蛙跳球之间的位置关系由精度更高的三坐标测量机测量得到。本专利技术所采用的技术方案是：使用型号为MC850的三坐标测量机对蛙跳球的球度误差及尺寸精度进行检定，选择精度更高的蛙跳球4进行标注序号，固定在光学平台上制作蛙跳球板3，并用三坐标测量机测量蛙跳球各球心之间的距离，将经三坐标测量机标定后球心之间的三维空间距离作为几何约束条件。将量块(1000mm)和蛙跳球板放置在关节式坐标测量机的不同方位，用蛙跳测量的方法多次重复测量量块两端面的坐标值。将测量得到的坐标值通过距离约束对粗大误差进行控制，两个蛙跳球球心之间的距离为将式(1)按照泰勒公式展开，由于高次项影响较小，故省略高次项，得：根据莱以特准则，设定各距离约束最小误差限为3σ，且满本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种关节式坐标测量机的三维空间大尺寸测量方法，其特征在于，包括如下步骤：1)选取Bursa模型作为坐标转换模型，关节式坐标测量机分别在两个位置处测量蛙跳球的三维空间坐标值，利用两坐标系公共基准点即可求解坐标转换参数；2)在计算坐标转换参数前，设定各距离约束最小误差限，将测量得到的坐标值通过距离约束对粗大误差进行控制；3)将满足上述距离约束条件的点的坐标值带入1)坐标转换模型中，求解坐标转换参数；4)通过距离约束优化参数模型，在求解转换关系的过程中，并加入距离约束条件，判断转换关系是否正确及最优。

【技术特征摘要】
1.一种关节式坐标测量机的三维空间大尺寸测量方法，其特征在于，包括如下步骤：1)选取Bursa模型作为坐标转换模型，关节式坐标测量机分别在两个位置处测量蛙跳球的三维空间坐标值，利用两坐标系公共基准点即可求解坐标转换参数；2)在计算坐标转换参数前，设定各距离约束最小误差限，将测量得到的坐标值通过距离约束对粗大误差进行控制；3)将满足上述距离约束条件的点的坐标值带入1)坐标转换模型中，求解坐标转换参数；4)通过距离约束优化参数模型，在求解转换关系的过程中，并加入距离约束条件，判断转换关系是否正确及最优。2.根据权利要求1所述关节式坐标测量机的三维空间大尺寸测量方法，其特征在于，步骤1，选取Bursa模型作为坐标转换模型：其中Δx、Δy、Δz为平移向量，εx、εy、εz为旋转参数，m为尺度参数，上述将公式等价变换...

【专利技术属性】
技术研发人员：于连栋，刘士达，程杰，赵会宁，李维诗，夏豪杰，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34