一种基于任意空间距离的标定系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及一种基于任意空间距离的标定系统及方法，属于关节式坐标测量机标定领域。本发明专利技术中标定装置通过标定装置电缆与计算机连接，关节式坐标测量机通过关节式坐标测量机电缆与计算机连接；首先通过计算机采集标定装置的数据以及关节式坐标测量机的关节转角，其次根据两次采集到的标定装置的数据对标定装置的有效长度进行校准，最后根据校准之后的有效长度并利用采集的双轴倾角传感器、光栅读数头的数据计算出关节式坐标测量机的测头在工作空间任意两点之间的距离。本发明专利技术对标定装置的有效长度进行了校准，减小了其它零件的加工精度以及安装对有效长度的影响，并且不需要其他辅助条件进行校准，从而降低了成本。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种基于任意空间距离的标定系统及方法，属于关节式坐标测量机标定领域。
技术介绍
关节式坐标测量机是一种由杆长与旋转关节组成的一种新型的非正交坐标测量系统，每个关节安装有角度传感器，利用角度传感器获得关节的转角值，经过坐标变换得到测头中心在基础坐标系下的空间坐标值。与传统三坐标测量机相比，具有体积小、重量轻、结构简单、便于工业现场应用的特点，目前主要用于产品逆向设计、大型精密零部件的装配、艺术品复制等领域，但目前与传统坐标测量设备相比，其测量精度还较低，标定是提高关节式坐标测量机精度的最重要的方法之一。目前常用的关节式坐标测量机标定方法一般都要借助激光跟踪仪、激光干涉仪、三坐标测量机、高精密标准球、量块等。采用这些方法对关节式坐标测量机的结构参数进行标定，所需的标定设备成本高、操作步骤繁琐、计算量大、对操作人员的技术水平要求较高、数据采集费时费力，难以实现自动化。
技术实现思路
本专利技术提供了一种基于任意空间距离的标定系统及方法，根据采集到的数据可以精确得到关节式坐标测量机测头在工作空间中的任意两点的距离，不需要借助高精密仪器，从而降低成本，简化标定步骤，提高标定效率；并且长度可变的光栅传感器可以增大标定操作时各关节的运动空间，使采集到的数据广泛而无死角，从而提高结构参数解算的鲁棒性和精度，并提高关节式坐标测量机的精度。本专利技术的技术方案是：一种基于任意空间距离的标定系统，包括标定装置、关节式坐标测量机28、标定装置电缆29、关节式坐标测量机电缆30、计算机31；所述标定装置通过标定装置电缆29与计算机31连接，关节式坐标测量机28通过关节式坐标测量机电缆30与计算机31连接；首先通过计算机31采集标定装置的数据以及关节式坐标测量机28的关节转角，其次根据两次采集到的标定装置的数据对标定装置的有效长度进行校准，最后根据校准之后的有效长度并利用采集的双轴倾角传感器25、光栅读数头22的数据计算出关节式坐标测量机28的测头27在工作空间任意两点之间的距离；所述有效长度为测头27中心与轴Ⅱ14中心线的垂直距离；所述标定装置的数据包括双轴倾角传感器25的角度、角度传感器Ⅰ5的角度、角度传感器Ⅱ15的角度、光栅读数头22读取的长度。所述标定装置包括支撑底座1、下轴承座2、圆锥滚子轴承Ⅰ3、弹簧片4、角度传感器Ⅰ5、支撑体6、轴Ⅰ7、圆锥滚子轴承Ⅱ8、上轴承座9、上支撑板10、U型连接件Ⅰ11、深沟球轴承Ⅰ12、深沟球轴承Ⅱ13、轴Ⅱ14、角度传感器Ⅱ15、U型连接件Ⅱ16、连接杆17、挡板18、支撑轨19、滑动轨20、光栅读数头安装板21、光栅读数头22、滑动杆23、光栅尺24、双轴倾角传感器25、锥窝26；所述下轴承座2安装在支撑底座1上，圆锥滚子轴承Ⅰ3安装于轴承座Ⅰ2内，轴Ⅰ7的一端安装在圆锥滚子轴承Ⅰ3内，角度传感器Ⅰ5安装在轴Ⅰ7上，弹簧片4一端安装在角度传感器Ⅰ5上，弹簧片4另一端安装在支撑底座1上，阻止角度传感器Ⅰ5的转动，上轴承座9安装在上支撑板10上，上支撑板10与支撑底座1通过支撑体6连接，圆锥滚子轴承Ⅱ8安装于上轴承座9内，轴Ⅰ7的另一端安装在圆锥滚子轴承Ⅱ8内；U型连接件Ⅰ11安装在轴Ⅰ7上，U型连接件Ⅰ11一端安装有深沟球轴承Ⅰ12，U型连接件Ⅰ11另一端安装有深沟球轴承Ⅱ13，轴Ⅱ14的一端安装在深沟球轴承Ⅰ12内，轴Ⅱ14的另一端安装在深沟球轴承Ⅱ13内，角度传感器Ⅱ15安装在轴Ⅱ14的另一端，U型连接件Ⅱ16安装在轴Ⅱ14上，随轴Ⅱ14一起转动，连接杆17一端与U型连接件Ⅱ16连接，连接杆17另一端与挡板18连接，挡板18上贴有光栅尺24，圆柱形导轨副由支撑轨19、滑动轨20组成，圆柱形导轨副的支撑轨19安装在挡板18上，滑动轨20上安装有光栅读数头安装板21、滑动杆23，光栅读数头22安装在光栅读数头安装板21上，随滑动轨20一起移动，滑动杆23上安装有锥窝26，锥窝26上贴有双轴倾角传感器25。一种基于任意空间距离的标定方法，所述标定方法的具体步骤如下：Step1、将关节式坐标测量机28的测头27与标定装置的锥窝26连接，实现标定装置与关节式坐标测量机28的连接；Step2、将关节式坐标测量机28移动至初始位姿；Step3、通过计算机31同时采集双轴倾角传感器25的读数、角度传感器Ⅰ5的读数、角度传感器Ⅱ15的读数、光栅读数头22的读数和关节式坐标测量机28的关节转角数据；Step4、变换关节式坐标测量机28的位姿；其中所有关节变换次数为n，每变换一次就进行判断，判断数据采集是否完成；若已经完成数据采集则转至Step5；若尚未完成则转至Step3；Step5、标定装置有效长度的校准：由于轴Ⅰ7的轴线、轴Ⅱ14的轴线、滑动杆23的延长线相交于同一点o，点o到测头27的距离为标定装置的有效长度，首先可根据角度传感器Ⅰ5的读数、角度传感器Ⅱ15的读数、光栅读数头22的读数以及固定值l4列出关节式坐标测量机28的测头27在空间的任意两点之间距离的一个方程式作为方程式一，其次可根据双轴倾角传感器25读数、光栅读数头22的读数以及固定值l4列出关节式坐标测量机28的测头27在空间的上述任意两点之间距离的另一个方程式作为方程式二，最后联立方程式一与方程式二即可求解出固定值l4，即可得到有效长度的校准值；列出方程式一的方法为：选择轴Ⅱ14所在平面为水平面m，根据角度传感器Ⅰ5的读数、角度传感器Ⅱ15的读数、光栅读数头22的读数以及固定值l4列出方程式一；关节式坐标测量机28的测头27位于位置i与j时，点i与j到投影点p与q距离li,p与lj,q为：li,p＝Lisinθi；lj,q＝Ljsinθj；投影两点之间的长度lp,q为：lo,p＝Licosθi；lo,q＝Ljcosθj；lp,q2＝lo,p2+lo,q2-2lo,p·lo,q·cosθp,q；其中，θi为关节式坐标测量机28的测头27位于位置i时有效长度在竖直方向上与水平面的夹角，由角度传感器Ⅱ15的获得，θj为关节式坐标测量机28的测头27位于位置j时有效长度在竖直方向上与水平面的夹角，由角度传感器Ⅱ15的获得；θp,q为关节式坐标测量机28的测头27由位置i移动到位置j时在水平面转过的角度，θp,q＝θp-θq，θp为关节式坐标测量机28的测头27位于位置i时角度传感器Ⅰ5的读数，θq为关节式坐标测量机28的测头27位于位置j时角度传感器Ⅰ5的读数；Li＝li+l4，Lj＝lj+l4，Li、Lj为测头27位于位置i、j时的有效长度，li、lj为测头27位于位置i、j时光栅读数头22的读数；方程式一： L i , j = l i , t 2 + l 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于任意空间距离的标定系统，其特征在于：包括标定装置、关节式坐标测量机(28)、标定装置电缆(29)、关节式坐标测量机电缆(30)、计算机(31)；所述标定装置通过标定装置电缆(29)与计算机(31)连接，关节式坐标测量机(28)通过关节式坐标测量机电缆(30)与计算机(31)连接；首先通过计算机(31)采集标定装置的数据以及关节式坐标测量机(28)的关节转角，其次根据两次采集到的标定装置的数据对标定装置的有效长度进行校准，最后根据校准之后的有效长度并利用采集的双轴倾角传感器(25)、光栅读数头(22)的数据计算出关节式坐标测量机(28)的测头(27)在工作空间任意两点之间的距离；所述有效长度为测头(27)中心与轴Ⅱ(14)中心线的垂直距离；所述标定装置的数据包括双轴倾角传感器(25)的角度、角度传感器Ⅰ(5)的角度、角度传感器Ⅱ(15)的角度、光栅读数头(22)读取的长度。

【技术特征摘要】
1.一种基于任意空间距离的标定系统，其特征在于：包括标定装置、关节式坐标测量机(28)、标定装置电缆(29)、关节式坐标测量机电缆(30)、计算机(31)；所述标定装置通过标定装置电缆(29)与计算机(31)连接，关节式坐标测量机(28)通过关节式坐标测量机电缆(30)与计算机(31)连接；首先通过计算机(31)采集标定装置的数据以及关节式坐标测量机(28)的关节转角，其次根据两次采集到的标定装置的数据对标定装置的有效长度进行校准，最后根据校准之后的有效长度并利用采集的双轴倾角传感器(25)、光栅读数头(22)的数据计算出关节式坐标测量机(28)的测头(27)在工作空间任意两点之间的距离；所述有效长度为测头(27)中心与轴Ⅱ(14)中心线的垂直距离；所述标定装置的数据包括双轴倾角传感器(25)的角度、角度传感器Ⅰ(5)的角度、角度传感器Ⅱ(15)的角度、光栅读数头(22)读取的长度。2.根据权利要求1所述的基于任意空间距离的标定系统，其特征在于：所述标定装置包括支撑底座(1)、下轴承座(2)、圆锥滚子轴承Ⅰ(3)、弹簧片(4)、角度传感器Ⅰ(5)、支撑体(6)、轴Ⅰ(7)、圆锥滚子轴承Ⅱ(8)、上轴承座(9)、上支撑板(10)、U型连接件Ⅰ(11)、深沟球轴承Ⅰ(12)、深沟球轴承Ⅱ(13)、轴Ⅱ(14)、角度传感器Ⅱ(15)、U型连接件Ⅱ(16)、连接杆(17)、挡板(18)、支撑轨(19)、滑动轨(20)、光栅读数头安装板(21)、光栅读数头(22)、滑动杆(23)、光栅尺(24)、双轴倾角传感器(25)、锥窝(26)；所述下轴承座(2)安装在支撑底座(1)上，圆锥滚子轴承Ⅰ(3)安装于轴承座Ⅰ(2)内，轴Ⅰ(7)的一端安装在圆锥滚子轴承Ⅰ(3)内，角度传感器Ⅰ(5)安装在轴Ⅰ(7)上，弹簧片(4)一端安装在角度传感器Ⅰ(5)上，弹簧片(4)另一端安装在支撑底座(1)上，上轴承座(9)安装在上支撑板(10)上，上支撑板(10)与支撑底座(1)通过支撑体(6)连接，圆锥滚子轴承Ⅱ(8)安装于上轴承座(9)内，轴Ⅰ(7)的另一端安装在圆锥滚子轴承Ⅱ(8)内；U型连接件Ⅰ(11)安装在轴Ⅰ(7)上，U型连接件Ⅰ(11)一端安装有深沟球轴承Ⅰ(12)，U型连接件Ⅰ(11)另一端安装有深沟球轴承Ⅱ(13)，轴Ⅱ(14)的一端安装在深沟球轴承Ⅰ(12)内，轴Ⅱ(14)的另一端安装在深沟球轴承Ⅱ(13)内，角度传感器Ⅱ(15)安装在轴Ⅱ(14)的另一端，U型连接件Ⅱ(16)安装在轴Ⅱ(14)上，随轴Ⅱ(14)一起转动，连接杆(17)一端与U型连接件Ⅱ(16)连接，连接杆(17)另一端与挡板(18)连接，挡板(18)上贴有光栅尺(24)，圆柱形导轨副由支撑轨(19)、滑动轨(20)组成，圆柱形导轨副的支撑轨(19)安装在挡板(18)上，滑动轨(20)上安装有光栅读数头安装板(21)、滑动杆(23)，光栅读数头(22)安装在光栅读数头安装板(21)上，随滑动轨(20)一起移动，滑动杆(23)上安装有锥窝(26)，锥窝(26)上贴有双轴倾角传感器(25)。3.一种基于任意空间距离的标定方法，其特征在于：所述标定方法的具体步骤如下：Step1、将关节式坐标测量机(28)的测头(27)与标定装置的锥窝(26)连接，实现标定装置与关节式坐标测量机(28)的连接；Step2、将关节式坐标测量机(28)移动至初始位姿；Step3、通过计算机(31)同时采集双轴倾角传感器(25)的读数、角度传感器Ⅰ(5)的读数、角度传感器Ⅱ(15)的读数、光栅读数头(22)的读数和关节式坐标测量机(28)的关节转角数据；Step4、变换关节式坐标测量机(28)的位姿；其中所有关节变换次数为n，每变换一次就进行判断，判断数据采集是否完成；若已经完成数据采集则转至Step5；若尚未完成则转至Step3；Step5、标定装置有效长度的校准：由于轴Ⅰ(7)的轴线、轴Ⅱ(14)的轴线、滑动杆(23)的延长线相交于同一点o，点o到测头(27)的距离为标定装置的有效长度，首先可根据角度传感器Ⅰ(5)的读数、角度传感器Ⅱ(15)的读数、光栅读数头(22)的读数以及固定值l4列出关节式坐标测量机(28)的测头(27)在空间的任意两点之间距离的一个方程式作为方程式一，其次可根据双轴倾角传感器(25)读数、光栅读数头(22)的读数以及固定值l4列出关节式坐标测量机(28)的测头(27)在空间的上述任意两点之间距离的另一个方程式作为方程式二，最后联立方程式一与方程式二即可求解出固定值l4，即可得到有效长度的校准值...

【专利技术属性】
技术研发人员：高贯斌，张怀山，那靖，伞红军，伍星，
申请(专利权)人：昆明理工大学，
类型：发明
国别省市：云南;53