一种点投射光学测头空间位置矢量的测量标定方法技术

本发明专利技术是一种点投射光学测头空间位置矢量的测量标定方法，该方法在直角坐标系测量机上利用点投射光学测头测量标准球，获取标准球表面七个光点的测量机坐标信息，并获取对应光点的光学测头读数值，利用光束直线矢量与标准球表面的空间几何关系建立联系方程，求解点投射光学测头的光束位置矢量信息。该方法优点是简便易行，测量精度高。本发明专利技术给出了测量原理、方法、步骤和计算公式等。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术是，该方法在直角坐标系测量机上利用点投射光学测头测量标准球，获取标准球表面七个光点的测量机坐标信息，并获取对应光点的光学测头读数值，利用光束直线矢量与标准球表面的空间几何关系建立联系方程，求解点投射光学测头的光束位置矢量信息。该方法优点是简便易行，测量精度高。本专利技术给出了测量原理、方法、步骤和计算公式等。【专利说明】
本专利技术是，属于测量
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技术介绍
直角坐标系三坐标测量机(CMM)是具有三个直线运动轴(X轴、Y轴和Z轴)的测量机床，通过三个轴的运动产生坐标变动，利用测头与工件的触测实现零件表面的采样测量。传统三坐标测量机通常采用接触触发测头；接触触发测头是零位发讯测头，测量零件之前只需要标定触发测头在坐标测量机中的零位位置(测头发讯位置的测量机坐标值)即可。在直角坐标系(笛卡尔坐标系)的三坐标测量机中，使用点投射光学测头时，在进行零件坐标测量之前，需要准确知道光学测头投射光束矢量与坐标测量机的关系，即需要知道光束直线方向与坐标测量运动系统轴线的夹角和光束零位在坐标测量机中的位置，才能实现光学测头的读数值与坐标测量机数据的叠加整合，从而完成零件的精确测量。点投射光学测头投射光束到零件表面，在零件表面形成一个光点，光学测头可以给出该光点到测头之间的距离(光学测头的读数值)信息。点投射光学测头是一种线性位移传感器，所以不仅需要测量标定光学测头的零位，而且需要测量标定光学测头光束直线方向与坐标测量机坐标轴的角度。当坐标测量机三个直线运动轴(X轴、Y轴和Z轴)运动过程中，光学测头光束的方向角度是不变的；光学测头安装完毕后，需要测量标定光束的初始位置矢量，即需要标定光学测头投射光束直线与坐标测量机X轴的夹角α、与Y轴的夹角β、与Z轴的夹角Y，和光学测头光束零位在测量机坐标系中的位置坐标。近年国外采用点投射光学测头的坐标测量机已经开发应用，包括德国和以色列等国。国内采用点投射光学测头的坐标测量机尚在研究阶段，目前国内点投射光学测头光束矢量测量标定尚没有成熟完善的方法。国内进行过另一种点投射光学测头光束方向测量标定方法研究，即采用平面角度块的测量标定方法；该方法采用两个互成一定夹角的平面作为测量基准；该方法原理是利用光束直线矢量与平面的空间几何关系，求解光束直线矢量信息；该方法采用的测量基准为平面；平面基准制造精度低，不易实现高精度的测量标定。本专利技术采用的测量基准为标准球面，标准球面制造精度高，并且本专利技术采用的七点球面坐标测量法，比前种方法使用简便，测量精度高。
技术实现思路
本专利技术正是针对上述现有技术中存在的不足而设计提供了，其目的是为了解决直角坐标系测量机中，点投射光学测头光束空间矢量位置标定问题，实现测量标定点投射光学点投射光学测头光束与坐标测量机X轴的夹角α、与Y轴的夹角β、与Z轴的夹角Y，并确定点投射光学测头光束矢量零位在测量机通用坐标系中的位置。本专利技术适用于直角坐标系测量机的光学点投射光学测头标定，也可用于具有直角坐标系的数控加工机床的光学点投射光学测头标定。本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的:该种点投射光学测头空间位置矢量的测量标定方法，其特征在于:测量标定方法的步骤如下:⑴在一个具有直角坐标系的坐标测量机上设置一个点投射光学测头(3)和一个标准球(4 )，该测量机包括相互垂直的三个直线运动轴，X轴(5 )、Y轴(I)和Z轴(2 );⑵用点投射光学测头(3)在标准球(4)的表面投射光点，获得七个光点在坐标测量机上的坐标值和点投射光学测头(3)的读数值，对七个光点的位置要求如下:点投射光学测头(3)的投射光束方向相同； 四个点一MpM2、M3、M4—的点投射光学测头(3)的读数值相同，该读数值设为J1，三个点一M5、M6、M7—的点投射光学测头(3)的读数值相同，该读数值设为J2 ；ΜρΜ2、Μ3、Μ4四个点不能分布在一个平面上，M5、M6、M7三个点不能分布在一条直线上;(3)用 M1^ M2' M3 > M4 四个点的坐标值 M1 (X1, y” Z1)、M2 (x2, y2, z2)、M3 (x3, y3, z3)、M4(x4) y4, Z4)建立如下四个联立方程:(X1-X0)2+ Cy1-Y0)2+ (Z1-Z0)2=!?2 (I)(χ2-χ0)2+ (y2-y0)2+ (Z2-Z0) 2=R2 (2)(X3-Xtl)2+ (y3_y0)2+ (z3_z0) 2=R2 (3)(X4-Xtl)2+ (y4-y0)2+ (Z4-Ztl) 2=R2 (4)公式中:R标准球半径,M0 (x0, y0, z0)为标准球球心在坐标测量机中的坐标值；公式(I)与公式⑵展开相减得:(X12I22) _2x0 (X1-X2)+ (Yi2-Y22) _2y0 Cy1-Y2) + (Z^-Z22) _2z0 (Z1-Z2)=O (5)公式(I)与公式(3)展开相减得:(X12I32) _2x0 (X1-X3)+ (Yi2-Y32) _2y0 Cy1-Y3) + Cz1^z32) ~2z0 (Z1-Z3)=O (6)公式(I)与公式⑷展开相减得:(X^-X42)-2x0 (X1-X4)+ Cy1^y42) ~2y0 Cy1-Y4) + (Z12I42) _2z0 (Z1-Z4)=O (7)为简化计算表达，设参数表达式I如下:I1=X1-X2 ；I2=Y1-Y2 ;I3=Z1-Z2 ；I^xl2-X22+j^-J22+z^-Z22 ；I5=X1-X3 ；I6=Y1-Y3 ;I7=Z1-Z3 ；I8=X12I3^yJ-yZ+zJ-z/ ；I9=X1-X4 ；Ii0=Yry4 ；I11=Z1-Z4 ；I12=X1Wy4W;用上述参数表达式I简化公式(5)、(6)、(7)得到以下三个方程组:2I1x0+2I2y0+2I3z0=I4 (8)2I5x0+2I6y0+2I7z0=I8 (9)2I9x0+2I10y0+2Inz0=I12 (10)从公式(10)得到:z0=(I12-2I9x0-2I10y0)/(2In) (11)将公式(11)带入式⑶、(9)得到:X0 Ql1I11-SI3I9)+y0(2Ι2Ιη-2Ι3Ι10) =I4I11-13I12 (12) X0 (2I5In_2I7I9)+y0 Ql6I1「217110) =I8I11-17I12 (13)为简化计算表达，设参数表达式II如下:I^I1I11H3I9k2=2I2In_2I3I10k3=I4In-13I12k4=2I5In-2I7I9k5=2I6In-2I7I10k6=I8In-17I12将参数表达式II代入公式(12)、(13)中得到公式:k1x0+k2y0=k3 (14)k4x0+k5y0=k6 (15)解公式(14)、(15)得到:y0= (k6-k4x0) /k5 (16)X0= (k3k5 - k3k4) /(17)从公式(11)、(16)、(17)可以求得标准球(4)球心的坐标值Mtl(X(l，^ Z(l)，然后，建立以标准球(4)球心为坐标原点的通用坐标系，并将点投射光学测头(3)的读数值为J1时的位置设定为点投射光学测头(3)在通用坐标系下光束矢量的零位；(4)用 M5、M6、M7 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种点投射光学测头空间位置矢量的测量标定方法，其特征在于：测量标定方法的步骤如下：⑴在一个具有直角坐标系的坐标测量机上设置一个点投射光学测头（3）和一个标准球（4），该测量机包括相互垂直的三个直线运动轴，X轴（5）、Y轴（1）和Z轴（2）；⑵用点投射光学测头（3）在标准球（4）的表面投射光点，获得七个光点在坐标测量机上的坐标值和点投射光学测头（3）的读数值，对七个光点的位置要求如下：点投射光学测头（3）的投射光束方向相同；四个点—M1、M2、M3、M4—的点投射光学测头（3）的读数值相同，该读数值设为J1，三个点—M5、M6、M7—的点投射光学测头（3）的读数值相同，该读数值设为J2；M1、M2、M3、M4四个点不能分布在一个平面上，M5、M6、M7三个点不能分布在一条直线上；⑶用M1、M2、M3、M4四个点的坐标值M1(x1,y1,z1)、M2(x2,y2,z2)、M3(x3,y3,z3)、M4（x4,y4,z4）建立如下四个联立方程：（x1?x0）2+（y1?y0）2+（z1?z0）2=R2????（1）（x2?x0）2+（y2?y0）2+（z2?z0）2=R2????（2）（x3?x0）2+（y3?y0）2+（z3?z0）2=R2????（3）（x4?x0）2+（y4?y0）2+（z4?z0）2=R2????（4）公式中：R标准球半径，M0(x0,y0,z0)为标准球球心在坐标测量机中的坐标值；公式(1)与公式(2)展开相减得：（x12?x22）?2x0（x1?x2）+（y12?y22）?2y0（y1?y2）+（z12?z22）?2 z0（z1?z2）=0????（5）公式(1)与公式(3)展开相减得：（x12?x32）?2x0（x1?x3）+（y12?y32）?2y0（y1?y3）+（z12?z32）?2z0（z1?z3）=0????（6）公式(1)与公式(4)展开相减得：（x12?x42）?2x0（x1?x4）+（y12?y42）?2y0（y1?y4）+（z12?z42）?2z0（z1?z4）=0????（7）为简化计算表达，设参数表达式Ⅰ如下：I1=x1?x2；I2=y1?y2；I3=z1?z2；I4=x12?x22+y12?y22+z12?z22；I5=x1?x3；I6=y1?y3；I7=z1?z3；I8=x12?x32+y12?y32+z12?z32；I9=x1?x4；I10=y1?y4；I11=z1?z4；I12=x12?x42+y12?y42+z12?z42；用上述参数表达式Ⅰ简化公式(5)、(6)、(7)得到以下三个方程组：2I1x0+2I2y0+2I3z0=I4????（8）2I5x0+2I6y0+2I7z0=I8????（9）2I9x0+2I10y0+2I11z0=I12????(10)从公式(10)得到：z0=(I12?2I9x0?2I10y0)/(2I11)????(11)将公式(11)带入式(8)、(9)得到：x0(2I1I11?2I3I9)+y0(2I2I11?2I3I10)=I4I11?I3I12????(12)??x0(2I5I11?2I7I9)+y0(2I6I11?2I7I10)=I8I11?I7I12????(13)为简化计算表达，设参数表达式Ⅱ如下：k1=2I1I11?2I3I9k2=2I2I11?2I3I10k3=I4I11?I3I12k4=2I5I11?2I7I9k5=2I6I11?2I7I10k6=I8I11?I7I12将参数表达式Ⅱ代入公式(12)、(13)中得到公式：k1x0+k2y0=k3????(14)k4x0+k5y0=k6????(15)解公式(14)、(15)得到：y0=（k6?k4x0）/k5????(16)x0=（k3k5–k3k4）/(k1k5?k2k4)??(17)从公式(11)、(16)、(17)可以求得标准球（4）球心的坐标值M0(x0,y0,z0)，然后，建立以标准球（4）球心为坐标原点的通用坐标系，并将点投射光学测头（3）的读数值为J1时的位置设定为点投射光学测头（3）在通用坐标系下光束矢量的零位；⑷用M5、M6、M7三个点的坐标值M5(x5,y5,z5)、M6(x6,y6,z6)、M7(x7,y7,z7)计算点投射光学测头（3）的光束在坐标测量机的直角坐标系的矢量方向角α、β、γ，计算过程如下：点投射光学测头（3）光束与标准球（4）表面的交点坐标M（x，y，z）满足关系式：（x?x0）2+（y?y0）2+（z?z0）2=R2????(18)点投射光学测头（3）光束的矢量方向角为α、β、γ，长度为J且通过空间点Mi（xi,yi,zi）的直线方程表示为：x=xi+Jcosα????(19)y=yi+Jcosβ????(20)z=zi+Jcos...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：房建国，张谭，刘勇，李成玮，刘飞，刘京亮，宋影，李迪，李杰，毕超，房亮，庞长涛，郑会龙，
申请(专利权)人：中国航空工业集团公司北京航空精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：