关节式坐标测量机的角度编码器偏心及结构参数标定方法技术

一种关节式坐标测量机的高精度标定方法，以六自由度关节式坐标测量机为待标定机，以具有更高精度的三坐标测量机为基准机，将待标定机放置在基准机的测量空间内。将带有锥孔的标定板按圆的六等分线依次放置；在每个位置上测量机对标定板上的锥孔采用多组位姿测量，每个位姿对应一个锥孔在待标定坐标系下的测量坐标和一组关节角度值；高精度三坐标机同时测得此位置锥孔在基准坐标系下的坐标；将这些测点所对应的关节角度值和基准坐标作为采样数据。基于这些采样数据，将多目标搜索问题转化为单目标的非线性规划问题，利用序列二次规划算法辨识得到待标定机的结构参数误差值以及角度编码器的偏心参数。

【技术实现步骤摘要】
关节式坐标测量机的角度编码器偏心及结构参数标定方法
本专利技术涉及坐标测量
，具体涉及六自由度关节式坐标测量机结构参数以及角度编码器偏心误差的标定方法。
技术介绍
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，通常具有6个自由度。它仿照人体关节结构，由三个测量臂和一个测头通过六个（旋转）关节串联连接构成空间开链结构，从而以角度测量基准取代了长度测量基准。在使用测量机进行测量时，测头坐标是测量机运动学参数与其六个关节角度的函数。与传统的正交坐标系式三坐标测量机相比，它具有测量范围大、方便灵活、精度较高、机械结构简单、环境适应性好等优点。但是另一方面其结构是一种串联结构，误差因素多，且误差传递系数大、误差控制复杂，从而其精度难以得到保证。目前，关节式坐标测量机大多应用于产品反求设计等精度较低的领域，使其推广应用受到较大限制。关节式坐标测量机的误差源有多个，对测量机精度影响最大的有两个，一个是由加工和装配引起几何误差，即测量机基于测量方程的结构参数误差；另一个是关节式坐标测量机所采用的角度编码器自身误差，即角度编码器的偏心误差。为提高测量机的测量精度，必须在使用之前对结构参数及角度编码器偏心参数进行标定，通过标定结果获得精确结构参数及用于补偿角度编码器偏心误差的参数，从而确保其测量精度在设计的精度范围之内。目前，用于关节式坐标测量机结构参数标定的方法有很多种，比如基于三坐标测量机的标定方法、光学标定方法、基于平面和距离的标定方法。这些已有方法，通常都是将待标定测量机放置在更高精度坐标测量仪器（如正交三坐标测量机、全站仪等）的测量空间中。在此测量空间中有两个坐标系，一个是由高精度坐标测量仪器提供的标准坐标系，另一个是待标定机坐标系。测量时需由高精度坐标测量仪器建立两种坐标系的变换关系，即确定待标定机的原点位置；通过辅助设备固定或改变待标定机的关节角度，从而获得待标定机各种空间姿态，对于每一个姿态，除了测头在待标定坐标系中的测头坐标，还有测头在标准坐标系中的坐标值；通过测头在两种坐标系下的坐标值，可获得各个姿态下的误差数据，采用相应计算方法获得待标定机的误差参数。上述方法能够实现结构参数的辨识，但在标定之前必须对6个角度编码器先进行标定，确定角度编码器偏心参数，从而对测量机关节转角进行补偿；同时这些方法大多使用传统数值分析方法（如最小二乘法，奇异值分解法）获得解析解，这类方法对初值要求高，在初值选取不合适的情况下，经常只能获得局部解，影响测量机的测量精度。除此以外，最近几年陆续发表一些文献提出了不同的标定方法：《多关节柔性三坐标测量系统标定技术研究》（哈尔滨工业大学学报，2008）采用标定球测量十个球心利用最小二乘法进行标定；《基于激光跟踪仪的关节式坐标测量机参数标定》（中国科学技术大学学报，2009）利用激光跟踪仪进行标定，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；《仿人关节式坐标测量机的数学建模及标定方法》（华中科技大学学报，2007）标定时用高精度三坐标机建立世界坐标系及求取误差，采集30个点进行标定；《关节臂式坐标测量机标定系统的设计》（计算机测量与控制，2009）采用反转法对测量机的各个结构参数进行间接测量，但实验过程复杂，需要复杂装夹工具和高精度正交式坐标测量机；《六自由度关节式柔性坐标测量机高精度标定方法》（专利，2007）同样采用高精度仪器及专用夹具来完成标定，标定姿态固定，未考虑对单点的重复测量；《柔性坐标测量机参数辨识方法》（农业机械学报，2007）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；《一种便携关节式坐标测量机结构参数标定的优化采样策略》采用两端带有锥窝的石英棒进行标定，将石英棒置于测量机为圆心的六个圆周位置上，在每个位置上按一定分度、不同平面旋转石英棒测量500组数据，共计3000组数据。以上这些方法在标定时仍存在不足，如多数方法没有考虑测量机误差空间分布规律，在采样上存在测量机姿态单一、测量区域窄的现象，标定结果只在局部最优；在标定时对于衡量测量机精度的重复性精度和测长精度指标，只考虑了其一，使得标定结果在评价测量机精度时不甚理想；这些标定方法同样需要事先对角度编码器的偏心误差进行标定补偿。关节式坐标测量机中旋转关节的角度编码器，会由于加工、装配等原因造成圆光栅几何中心与装配后的关节旋转中心不重合而产生偏心，使得光栅读数读出的角度值与实际旋转角度值不一致，造成角度编码器的偏心误差，该误差必须要进行补偿修正。对于角度编码器的偏心参数辨识，常用的方法有：《关节坐标测量机研制中圆光栅误差修正技术》（计测技术，2007）用光电自准仪和24面体标定圆光栅测量偏差，采用最小二乘法拟合整周期的测量误差。《圆光栅闭环反馈回转关节高精度补偿方法研究》（中国机械工程，2008）采用激光干涉仪回转轴校准系统建立了一种综合考虑大周期误差和小周期误差的三次封闭样条与三角函数相叠加的回转运动误差补偿模型，对整个行程的关节误差进行补偿。《基于RBF神经网络的关节转角误差补偿》（机械工程学报，2010）采用三坐标测量机和量块来标定关节转角误差，利用RBF神经网络进行关节转角误差补偿。以上方法都提出了各自的关节转角误差补偿模型，并进行了参数辨识，但都是将单独关节放置在辅助器械上测量，而不是在完全装配好的测量机上进行测量，测量数据量大，操作复杂。《关节臂式坐标测量机角度传感器偏心参数辨识》（光学精密工程，2010）提出将偏心角度误差公式代入到测头坐标方程中，利用对锥孔测量获得的测头坐标辨识出角度编码器的偏心参数。该文提出的这种方法较简单，但使用的前提是关节式坐标测量机的结构参数已被标定。综上，针对上述标定、补偿技术中存在的问题，需要一种能够利用一次标定同时将测量机结构参数与角度编码器偏心参数都辨识出来的标定方法，该方法在标定时考虑了测量机的单点重复性精度及测长精度，可有效提高参数识别精度，进而提高测量机的整体精度。
技术实现思路
本专利技术提供一种能够利用一次标定将测量机结构参数与角度编码器偏心参数都辨识出来的标定方法，该方法在标定时考虑了测量机的单点重复性精度及测长精度，可有效提高参数识别精度，进而提高测量机的整体精度。本专利技术提供一种关节式坐标测量机的高精度标定方法，所述标定方法包括如下步骤：第一步，采样：1）将待标定机平稳安放在高精度正交式三坐标测量机工作平台上，使标定机置于高精度三坐标测量机的测量空间中；2）以待标定机基座中心为原点，以第1级关节的光栅编码器的零位指向作为x轴，建立待标定机的测头坐标系o0x0y0，利用高精度三坐标测量机建立工件坐标系，即基准坐标系owxwyw，使其与o0x0y0原点大致重合；3）将以关节式坐标测量机基座中心为圆心，以第1级关节的零位指向作为0度的圆等分，将多块标定板对应地分别摆放在所述多条等分线上；4）在每个标定板上选一或多个锥孔，将测头探入锥孔，使测头球与锥孔壁完全接触，然后在关节活动范围内任意旋转6个关节，使测量机能够以不同姿态多次测量作为测点的每一个锥孔，每个姿态对应得到由六个关节角度构成的一组关节角度和一个测头坐标，如此获得每个测点的关节角度本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种关节式坐标测量机的高精度标定方法，所述标定方法包括如下步骤：第一步，采样：1）将待标定机平稳安放在高精度正交式三坐标测量机工作平台上，使标定机置于高精度三坐标测量机的测量空间中；2）以待标定机基座中心为原点，以第1级关节的光栅编码器的零位指向作为x轴，建立待标定机的测头坐标系o0x0y0，利用高精度三坐标测量机建立工件坐标系，即基准坐标系owxwyw，使其与o0x0y0原点大致重合；3）将以关节式坐标测量机基座中心为圆心，以第1级关节的零位指向作为0度的圆等分，将多块标定板对应地分别摆放在所述多条等分线上；4）在每个标定板上选一或多个锥孔，将测头探入锥孔，使测头球与锥孔壁完全接触，然后在关节活动范围内任意旋转6个关节，使测量机能够以不同姿态多次测量作为测点的每一个锥孔，每个姿态对应得到由六个关节角度构成的一组关节角度和一个测头坐标，如此获得每个测点的关节角度向量及测头坐标；5）使用正交坐标测量机测量当前被测锥孔的坐标，作为采样数据中的基准坐标；第二步，数据处理：1）测头在待标定机坐标系下的测头坐标是对应姿态的角度向量值与测量机结构参数向量的函数，因此，用θi,j表征测点i第j次测量的角度向量，A表征结构参数向量，则测点i在第j次测量的测头坐标表示为：li,jx=fx(θi,j,A)li,jy=fy(θi,j,A)li,jz=fz(θi,j,A)...(1);]]>2）将使得待标定机的测头坐标系与正交式三坐标测量机的基准坐标系两者进行坐标转换的旋转平移矩阵T、以及从角度编码器偏心参数向量中剔除与结构参数重合的参数后的偏心参数向量P*，代入测量机的运动学方程进行补偿，因此，在此测点的测头坐标与基准坐标在x、y、z方向的坐标误差可表示为Δijx=fx(θij,T,A)-xTiΔijy=fy(θij,T,A)-yTiΔijz=fz(θij,T,A)-zTi...(2),]]>表示第i个测点在x、y、z方向的基准坐标；3)对方程组(2)求解可得出待标定机的结构参数向量A、角度编码器偏心参数向量P*、旋转平移矩阵T，具体步骤为：根据以上测点坐标方程，可写出每个测点x、y、z坐标的标准差公式：σx=[Σi=1nΔx2n-1]1/2,σy=[Σi=1nΔy2n-1]1/2,σz=[Σi=1nΔz2n-1]1/2...(3),]]>将测点的标准差求和，即δxyz=Σi=1n(σxi(P*,T,A)+σyi(P*,T,A)+σzi(P*,T,A))...(4),]]>在n个测点中，取任意两个点i、j的平均计算坐标值，计算两点间距离Lij，与基准坐标系下获得的点距真值相减可获得长度误差值，求标准差并求和，公式如下：δL=Σi,j=1n(Lij(P*,T,A)-LijT),i≠j...(5),]]>其中为点距真值，最终将δxyz与δL相加作为二次型非线性规划问题的目标函数，即：minδxyz(P*,T,A)+δL(P*,T,A)Pmin*≤P*≤Pmax*Tmin≤T≤TmaxAmin≤A≤Amax...(6),]]>再利用序列二次规划算法对待标定量进行无约束非线性规划最小二乘求解，即可求出关节式坐标测量机的结构参数以及角度编码器偏心参数向量；根据所得到的结构参数以及角度编码器偏心参数向量，进行标定。...

【技术特征摘要】
1.一种关节式坐标测量机的高精度标定方法，所述标定方法包括如下步骤：第一步，采样：1)将待标定机平稳安放在高精度正交式三坐标测量机工作平台上，使标定机置于高精度三坐标测量机的测量空间中；2)以待标定机基座中心为原点，以第1级关节的光栅编码器的零位指向作为x轴，建立待标定机的测头坐标系o0x0y0，利用高精度三坐标测量机建立工件坐标系，即基准坐标系owxwyw，使其与o0x0y0原点大致重合；3)将以关节式坐标测量机基座中心为圆心，以第1级关节的零位指向作为0度的圆等分，将多块标定板对应地分别摆放在多条等分线上；4)在每个标定板上选一或多个锥孔，将测头探入锥孔，使测头球与锥孔壁完全接触，然后在关节活动范围内任意旋转6个关节，使测量机能够以不同姿态多次测量作为测点的每一个锥孔，每个姿态对应得到由六个关节角度构成的一组关节角度和一个测头坐标，如此获得每个测点的关节角度向量及测头坐标；5)使用正交坐标测量机测量当前被测锥孔的坐标，作为采样数据中的基准坐标；第二步，数据处理：1)测头在待标定机坐标系下的测头坐标是对应姿态的角度向量值与测量机结构参数向量的函数，因此，用θi,j表征测点i第j次测量的角度向量，A表征结构参数向量，则测点i在第j次测量的测头坐标表示为：2)将使得待标定机的测头坐标系与正交式三坐标测量机的基准坐标系两者进行坐标转换的旋转平移矩阵T、以及从角度编码器偏心参数向量中剔除与结构参数重合的参数后的偏心参数向量P*，代入测量机的运动学方程进行补偿，因此，在此测点的测头坐标与基准坐标在x、y、z方向的坐标误差可表示为...

【专利技术属性】
技术研发人员：祝连庆，潘志康，郭阳宽，陈青山，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