基于虚拟样机的关节式坐标测量机采样仿真布点策略制造技术

本发明专利技术公开了一种基于虚拟样机的关节式坐标测量机采样仿真布点策略，其特征是在机械系统动态分析软件中搭建六自由度关节式坐标测量机虚拟样机；在虚拟样机各关节位置处分别添加旋转副，在测头的顶端设置球副，约束测头于采样点，完成单点虚拟样机的搭建；依次选择第一关节到第六关节为驱动关节，按设定的角度步距步进式旋转，带动其他关节转动，使虚拟样机呈现不同的姿态，采集到单点多姿态下六个关节角度，并由此得到圆编码器测量值。借助于已知的六个圆编码器的误差特性和采样点多姿态下圆编码器测量值，可以通过计算获得该点由于测角误差而引起的测量误差，再将分析单点测量误差的方法推广到整个空间，从而使得能够利用足够多的数据样本进行最佳测量区的分析。

【技术实现步骤摘要】
基于虚拟样机的关节式坐标测量机采样仿真布点策略
本专利技术涉及一种应用在坐标测量
中的基于虚拟样机的关节式坐标测量机采样仿真方法及布点策略。
技术介绍
关节式坐标测量机为多杆通过旋转关节串联而成的空间开链式串联结构，由于其具有测量空间开阔、操作简便、便携性、对使用环境无特殊要求、易于实现在线测量等优点，而被广泛应用于各类几何零件的质量控制、产品的逆向工程、模具制造的计算机辅助检测、产品加工装配的在线或离线检测等。六自由度关节式坐标测量机具有各测量臂、各关节、各圆编码器以及测头，各测量臂分别是第一臂、第二臂和第三臂；各关节分别是第一关节、第二关节、第三关节、第四关节、第五关节和第六关节；各圆编码器分别是第一圆编码器、第二圆编码器、第三圆编码器、第四圆编码器、第五圆编码器和第六圆编码器。每一个关节可以绕其自身的轴线转动，每一个旋转关节对应有一个自由度，装在关节上的圆编码器可以记录关节转动的角度，六个圆编码器记录的角度和测量机结构参数决定了测量机测头的坐标。六自由度关节式坐标测量机对空间一测量点测量时可以呈现为不同的姿态。由于测量机上六个圆编码器的误差特性不一样，测量机以不同姿态测量空间同一确定测量点时，不同测量姿态对应六个圆编码器的不同测量角度组合，从而对应着六个圆编码器的不同角度误差组合，导致空间某一确定测量点测量误差随着六个圆编码器的转角位置不同而随机变化，为一个不确定的变量，其空间三维误差如图1所示，图中P点表示某个测量点的实际位置，黑色区域Q表示P点测量误差的范围。由于六自由度关节式坐标测量机全部测量点测量误差变化量的最大值在全测量空间范围内是连续变化的，存在测量点最大误差为最小或较小的最佳测量区，图2中包含有第一区域1、第二区域2和第三区域3，其中的第一区域1即为最佳测量区，在最佳测量区进行测量，可以得到高精度的测量结果。已经公开的论文对最佳测量区进行了理论探讨，在关节式坐标测量机测量空间内进行大量实验获得数据样本，并通过所建的数学模型计算实现在最佳测量区内测量。研究最佳测量区仅考虑关节式坐标测量机圆编码器测量误差单独对关节式坐标测量机产生的测量误差的影响，但在现实中，关节式坐标测量机的测量误差不仅仅包含由圆编码器测量误差所产生的误差，还包括杆件弹性变形、环境温度和干扰等产生的误差，很难单独分离出测角误差所产生的误差；且通过实验获取实验样本时，空间布点受标准件限制，同时为了减轻工作量，只能采用有限的测量姿态，获取有限的采样数据，数据样本不可能足够多。在已知六自由度关节式坐标测量机上六个圆编码器的误差特性情况下，可以计算出由圆编码器测量误差产生的测量误差，从而确定一测量点形如图1所示的误差分布，并进一步地去分析最佳测量区。然而，对于空间的一个采样点，以计算的方式获得多姿态下六个角度值是难以实现的。虚拟样机技术是一门新兴技术，通过计算机仿真能很直观表现产品外观、空间关系以及运动学和动力学的特性，但是，运用虚拟样机模拟测量机在虚拟环境空间中测头固定于一点进行多姿态运动、并输出各姿态下六个圆编码器角度，以及关于采样点的合理分布策略迄今未见报道。
技术实现思路
本专利技术是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种基于虚拟样机的关节式坐标测量机采样仿真布点策略，在ADAMS-VIEW中建立六自由度关节式坐标测量机模型，通过给各关节添加运动约束和驱动、限制测头的平移等条件搭建虚拟样机的仿真平台，对关节式坐标测量机作单点多姿态运动仿真，并在ADAMS-PostProcess中输出各姿态下六个关节的角度值，用关节的旋转角度仿真圆编码器测量角度。有了这样的角度的组合的数据样本，借助于已知的六个圆编码器的误差特性，通过计算获得该点由于测角误差而引起的测量误差，再将分析单点测量误差的方法推广到整个空间，便可以有足够多的数据样本进行最佳测量区的分析。本专利技术为解决技术问题采用如下技术方案：本专利技术基于虚拟样机的关节式坐标测量机的采样点的平面布置策略，所述关节式坐标测量机为六自由度关节式坐标测量机，具有各测量臂、各关节、各圆编码器以及测头，所述各测量臂分别是第一臂、第二臂和第三臂；所述各关节分别是第一关节、第二关节、第三关节、第四关节、第五关节和第六关节；所述各圆编码器分别是第一圆编码器、第二圆编码器、第三圆编码器、第四圆编码器、第五圆编码器和第六圆编码器；关节转动的角度由安装在其上的圆编码器输出获得；其特征是：所述采样点按如下方式进行布置：步骤1、设置虚拟样机的基本姿态是各圆编码器的角度值均为零，以Δθ为角度步距步进式旋转第六关节到各不同的位置上，获得n1个采样点A1；步骤2、设置虚拟样机的基本姿态为各圆编码器的角度值均为零，以Δθ为角度步距步进式旋转第四关节到各不同的位置上，获得n2个采样点A2，每个采样点A2对应一个采样姿态A22；随后，虚拟样机分别以每个采样姿态A22为基本姿态，以Δθ为角度步距步进式旋转第六关节到各不同的位置上，获得n3个采样点A3；步骤3、设置虚拟样机的基本姿态为各圆编码器的角度值均为零，以Δθ为角度步距步进式旋转第二关节到各不同的位置上，获得n4个采样点A4，每个采样点A4对应一个采样姿态A44；随后，虚拟样机分别以每个采样姿态A44为基本姿态，以Δθ为角度步距步进式旋转第四关节到各不同的位置上，获得n5个采样点A5，每个采样点A5对应一个采样姿态A55；再后，虚拟样机分别以每个采样姿态A55为基本姿态，以Δθ为角度步距步进式旋转第六关节到各不同的位置上，获得n6个采样点A6；则，所述采样点布局中的所有采样点即为采样点A1、A2、A3、A4、A5与A6之和；所述第六关节、第四关节和第二关节是在同一平面中的旋转，所述采样点A1、A2、A3、A4、A5和A6是处在同一平面中的采样点；步骤4、对于所有采样点，利用基于虚拟样机的关节式坐标测量机采样仿真方法得到每一个采样点的多种姿态的采样数据。本专利技术基于虚拟样机的关节式坐标测量机的采样点的平面布置策略的特点也在于：所述步骤4中的基于虚拟样机的关节式坐标测量机采样仿真方法是单点多姿态采样仿真方法，是在机械系统动态分析软件中按如下步骤进行：步骤1、根据六自由度关节式坐标测量机的结构参数搭建六自由度关节式坐标测量机虚拟样机，在所述虚拟样机的各关节位置处分别添加旋转副，以旋转副带动关节旋转，以关节的旋转角度仿真圆编码器的测量角度，在测头的顶端设置球副，球副的中心点为设定的采样点A，完成针对采样点A的单点虚拟样机的搭建；完成搭建时的单点虚拟样机的姿态为初始姿态，记录初始姿态下的各圆编码器角度值，并记为：初始角度值；步骤2，将测头利用球副约束在采样点A，按如下方式获得采样数据：a、依次选择第一关节到第六关节为驱动关节，并分别重复步骤b，获得采样数据；b、针对驱动关节上所对应的旋转副施加旋转驱动，使驱动关节自旋转关节初始位置起按设定的角度步距步进式旋转到各不同的角度位置上，驱动关节每个不同的角度位置对应于单点虚拟样机的一个姿态，记录所述单点虚拟样机的每一个姿态下的各关节相对于自身旋转关节初始位置的关节旋转角度值；c、仿真获得单点虚拟样机的每一个姿态下的圆编码器的测量值为圆编码器初始角度值与关节旋转角度值之和。本专利技术基于虚拟样机的关节式坐标测量机的采样点的空间本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于虚拟样机的关节式坐标测量机的采样点的平面布置策略，所述关节式坐标测量机为六自由度关节式坐标测量机，具有各测量臂、各关节、各圆编码器以及测头(31)，所述各测量臂分别是第一臂(11)、第二臂(12)和第三臂(13)；所述各关节分别是第一关节(21)、第二关节(22)、第三关节(23)、第四关节(24)、第五关节(25)和第六关节(26)；所述各圆编码器分别是第一圆编码器、第二圆编码器、第三圆编码器、第四圆编码器、第五圆编码器和第六圆编码器；关节转动的角度由安装在其上的圆编码器输出获得；其特征是：所述采样点按如下方式进行布置：步骤1、设置虚拟样机的基本姿态是各圆编码器的角度值均为零，以Δθ为角度步距步进式旋转第六关节(26)到各不同的位置上，获得n1个采样点A1；步骤2、设置虚拟样机的基本姿态为各圆编码器的角度值均为零，以Δθ为角度步距步进式旋转第四关节(24)到各不同的位置上，获得n2个采样点A2，每个采样点A2对应一个采样姿态A22；随后，虚拟样机分别以每个采样姿态A22为基本姿态，以Δθ为角度步距步进式旋转第六关节(26)到各不同的位置上，获得n3个采样点A3；步骤3、设置虚拟样机的基本姿态为各圆编码器的角度值均为零，以Δθ为角度步距步进式旋转第二关节(22)到各不同的位置上，获得n4个采样点A4，每个采样点A4对应一个采样姿态A44；随后，虚拟样机分别以每个采样姿态A44为基本姿态，以Δθ为角度步距步进式旋转第四关节(24)到各不同的位置上，获得n5个采样点A5，每个采样点A5对应一个采样姿态A55；再后，虚拟样机分别以每个采样姿态A55为基本姿态，以Δθ为角度步距步进式旋转第六关节(26)到各不同的位置上，获得n6个采样点A6；则，所述采样点布局中的所有采样点即为采样点A1、A2、A3、A4、A5与A6之和；所述第六关节(26)、第四关节(24)和第二关节(22)是在同一平面中的旋转，所述采样点A1、A2、A3、A4、A5和A6是处在同一平面中的采样点；步骤4、对于所有采样点，利用基于虚拟样机的关节式坐标测量机采样仿真方法得到每一个采样点的多种姿态的采样数据。...

【技术特征摘要】
1.一种基于虚拟样机的关节式坐标测量机的采样点的平面布置方法，所述关节式坐标测量机为六自由度关节式坐标测量机，具有各测量臂、各关节、各圆编码器以及测头(31)，所述各测量臂分别是第一臂(11)、第二臂(12)和第三臂(13)；所述各关节分别是第一关节(21)、第二关节(22)、第三关节(23)、第四关节(24)、第五关节(25)和第六关节(26)；所述各圆编码器分别是第一圆编码器、第二圆编码器、第三圆编码器、第四圆编码器、第五圆编码器和第六圆编码器；关节转动的角度由安装在其上的圆编码器输出获得；其特征是：所述采样点按如下方式进行布置：步骤1、设置虚拟样机的基本姿态是各圆编码器的角度值均为零，以Δθ为角度步距步进式旋转第六关节(26)到各不同的位置上，获得n1个采样点A1；步骤2、设置虚拟样机的基本姿态为各圆编码器的角度值均为零，以Δθ为角度步距步进式旋转第四关节(24)到各不同的位置上，获得n2个采样点A2，每个采样点A2对应一个采样姿态A22；随后，虚拟样机分别以每个采样姿态A22为基本姿态，以Δθ为角度步距步进式旋转第六关节(26)到各不同的位置上，获得n3个采样点A3；步骤3、设置虚拟样机的基本姿态为各圆编码器的角度值均为零，以Δθ为角度步距步进式旋转第二关节(22)到各不同的位置上，获得n4个采样点A4，每个采样点A4对应一个采样姿态A44；随后，虚拟样机分别以每个采样姿态A44为基本姿态，以Δθ为角度步距步进式旋转第四关节(24)到各不同的位置上，获得n5个采样点A5，每个采样点A5对应一个采样姿态A55；再后，虚拟样机分别以每个采样姿态A55为基本姿态，以Δθ为角度步距步进式旋转第六关节(26)到各不同的位置上，获得n6个采样点A6；则，所述采样点布局中的所有采样点即为采样点A1、A2、A3、A4、A5与A6之和；所述第六关节(26)、第四关节(24)和第二...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡毅，万侃然，江超，叶兵，李红莉，张宏伟，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34