激光跟踪干涉仪测量场在机床坐标系中自标定方法及系统技术方案

本发明专利技术提供了一种激光跟踪干涉仪测量场在机床坐标系中自标定方法及系统，包括：利用四台激光干涉跟踪仪连接组网形成测量场并建立测量坐标系，激光干涉跟踪仪实时采集机床刀尖点的运动数据；在机床刀尖运动范围以及激光干涉跟踪仪的测量范围内规划标定点位置；对标定点和激光跟踪干涉仪的位置进行仿真，计算仿真误差；判断仿真误差是否小于阈值，若是，计算四台激光干涉跟踪仪在机床坐标系中的坐标，建立测量场测量坐标系与机床机械坐标系转换模型；若否，对激光干涉跟踪仪的位置进行重新规划。本发明专利技术无需借助第三方测量仪器或标准件，即可快速在机床机械坐标系中对测量场进行标定,本发明专利技术在测量场标定完成后，可以迅速估算测量场的不确定度。测量场的不确定度。测量场的不确定度。

【技术实现步骤摘要】
激光跟踪干涉仪测量场在机床坐标系中自标定方法及系统


[0001]本专利技术涉及机床校准的
，具体地，涉及一种激光跟踪干涉仪测量场在机床坐标系中自标定方法及系统。

技术介绍

[0002]基于多边法和激光跟踪干涉原理的三维坐标测量系统，以其众多的优点如系统自标定、高精度、大范围、柔性、动态、现场测量等，在工业测量领域中有着十分广阔的应用前景。系统测量原理相当简单,即通过测量空间1点到3个已知点的距离来确定被测点的坐标,这与GPS(全球定位系统)定位原理一致。系统只需测量长度量,不用测量角度量,而对长度的测量是基于激光干涉原理的这就使得系统具有很高的理论测量精度。
[0003]当采用四路激光跟踪干涉仪组成测量系统时，系统具有了一个冗余度可以实现系统自标定而无需借助于其他实物基准。这为系统应用于现场测量提供了极大方便。一般说来，测量系统在实际应用时，首先要经过标定，确定出系统参数与测量不确定度，然后才可以进行实际测量。显然，系统标定的精度会直接影响系统最终测量精度，因此提高系统自标定的精度对于保证系统最终测量精度具有重要意义。由于系统自标本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种激光跟踪干涉仪测量场在机床坐标系中自标定方法，其特征在于，包括以下步骤：测量场搭建步骤：利用四台激光干涉跟踪仪连接组网形成测量场，所述激光干涉跟踪仪实时采集机床刀尖点的运动数据；标定点规划步骤：在机床刀尖运动范围以及激光干涉跟踪仪的测量范围内规划标定点坐标；位置仿真步骤：对标定点和激光跟踪干涉仪的位置进行蒙特卡洛仿真，计算仿真误差；测量场校验步骤：判断仿真误差是否小于阈值，若是，计算四台激光干涉跟踪仪在机床坐标系中的坐标，建立测量场测量坐标系与机床机械坐标系转换模型；若否，对激光干涉跟踪仪的位置进行重新规划。2.根据权利要求1所述的激光跟踪干涉仪测量场在机床坐标系中自标定方法，其特征在于：所述激光干涉跟踪仪均匀分布，且四台所述激光干涉跟踪仪处于非共平面位置，任意三台激光干涉跟踪仪处于非共直线位置。3.根据权利要求1所述的激光跟踪干涉仪测量场在机床坐标系中自标定方法，其特征在于：所述标定点的数量不少于13个，且所有标定点处于非共平面位置。4.根据权利要求1所述的激光跟踪干涉仪测量场在机床坐标系中自标定方法，其特征在于：所述位置仿真步骤包括：步骤S1：建立测量场测量坐标系与机床坐标系变换数学模型；所述变换数学模型包括激光干涉跟踪仪基站位置、测量靶镜坐标、激光干涉跟踪仪测量原点坐标以及测量死径长度，所建立模型如下：设激光干涉跟踪仪位于第j个基站位置，在机床坐标系中表示为P
j
(X
0j
，Y
0j
，Z
0j
)，机床主轴上的靶镜位于点M0时跟踪仪设置干涉原点，该位置距离被称为干涉测量的死径长度，长度L
0j
表示为M0与P
j
间的绝对距离，当靶镜移动至测点M
i
(x
i
，y
i
，z
i
)时，M
i
与P
j
的绝对距离为L
0j
，ΔL
ij
为此时干涉仪测得的相对位移量，即有：式中[x
i
，y
i
，z
i
，X
0j
，Y
0j
，Z
0j
，L
0j
]为未知常量，ΔL
ij
为测量已知量；将上式用矢量写为误差形式：∈
ij
＝|M
i
‑
P
j
|
‑
L
0j
‑
ΔL
ij
步骤S2：根据测量数据与测量场测量标定数学模型建立最优化问题，以多个空间点实际测量拟合误差的平方和作为优化目标，建立最优化问题具体如下：∈
ij
为[M
i
，P
j
，L
0j
]的拟合量与测量值ΔL
ij
间的拟合误差，通过最小化多个空间测点的拟合误差∈
ij
平方和，来实现对测点实际坐标M
i
的精确估算，建立以下最优化问题：式中x＝[{M
i
}
i＝1，...，m
，{P
j
}
j＝1，...，n
，{L
0j
}
j＝1，...，n
]
步骤S3：根据测量坐标系、机床坐标系以及测量场内激光干涉跟踪仪站位规划，确定最优化问题的等式约束与求解参数，通过LM算法对最优化模型进行求解，求解过程包括：为待辨识的未知量，m为测点总数，n为基站位置总数，以跟踪仪基站位置[P1，P2，P3]为参考点建立测量坐标系，通过坐标系约束了6个参数，使未知量总数下降为3m+4n
‑
6，测点方程组共有m
·
n个，该最优化问题有解，得：(n
‑
3)m＞4n
‑
6使用LM算法构建求解所建测量模型的算法过程：式中F(x)＝[F1(x)，...，F
r
(x)，...，F
mn
(x)]
T
(r＝1，...，mn)且下标满足r＝(j
‑
1)m+i，即将不同测点误差方程按下标r组合为1
×
mn维向量；目标函数h(x)的梯度为：式中J为F(x)的雅各比矩阵：则根据LM算法在迭代点x
k
有下降方向：u
K
为阻尼系数，用于在拟Hessen矩阵近似情况较差时调节d
k
趋向最速下降方向；在当前迭代点处对g(x)作二次泰勒展开近似：计算二次近似函数q(d)和原目标函数在d
k
下的增量之比当η
k
接近1时，表明二次函数q(d)在迭代点x
k
处与目标函数拟合较好，取接近高斯牛顿方向迭代，阻尼系数μ
k
取较小值，反之μ
k
取较大值；为避免迭代中步长震荡，获得更快的收敛速度，μ
k
的变化率应尽量光滑，更新规则如下所示：步骤S4：根据计算出的测量场标定参数，对测量场测量不确定度进行仿真，核算测量场测量精度：根据激光干涉跟踪仪的测量误差(0.2+0.3μm/m)进行蒙特卡洛仿真，根据测量的距离
对每个测量点附加高斯随机误差：Erorr＝0.2+0.3*L
ij
加入误差后，原测量等式变为：进行仿真后，求解优化问题：计算每个激光干涉跟踪位置的期望与方差与方差与方差5.一种激光跟踪干涉仪测量场在机床坐标系中自标定系统，其特征在于，包括以下模块：测量场搭建模块：利用四台激光干涉跟踪仪连接组网形成测量场，所述激光干涉跟踪仪实时采集机床刀尖点的运动数据；标定点规划步骤：在机床刀尖...

【专利技术属性】
技术研发人员：王宇晗，钟磊，
申请(专利权)人：上海拓璞数控科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：