關節臂式三坐標測量機、多測量模型系統及工件測量方法
2023-05-29 05:05:06
關節臂式三坐標測量機、多測量模型系統及工件測量方法
【專利摘要】本發明提供了一種關節臂式三坐標測量機、多測量模型系統及工件測量方法，本
【發明內容】
主要包括：規劃測量機工作空間內的N個子區域；在每個子區域內，建立一個測量模型，即整個工作區間內有N個測量模型；測量時首先確定待測工件所處的子區域，然後自動實時切換對應子區域的測量模型；通過該測量模型進行工件幾何量坐標計算。在不增加硬體製造成本的基礎上，本發明能提高關節臂式三坐標測量機的測量精度。
【專利說明】關節臂式H坐標測量機、多測量模型系統及工件測量方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬於精密測量裝置【技術領域】，尤其涉及一種關節臂式H坐標測量機、多測 量模型系統及工件測量方法。
【背景技術】
[0002] 隨著我國製造業的迅猛發展，先進的計量測試儀器逐漸引起人們的重視，而關節 臂式H坐標測量機則是計量測試中重要的一種新型精密測量儀器。
[0003]由於高精度的關節臂式H坐標測量機價格昂貴，因而如何採用低精度的關節臂式 H坐標測量機實現高精度測量，一直是人們研究的對象。
[0004] 根據對國內外各種資料分析表明，現有的關節臂式H坐標測量機精度保證的理論 與技術，主要是採用高精度的硬體製造技術，該樣不可避免會提高製造成本。而且現有的H 坐標測量機只有一個測量模型，在整個工作空間內，只有一組固定的標定參數。由於在不同 的測量區域內，每個測量點對標定參數的影響程度不同，顯然，用一組固定的標定參數去計 算整個工作空間內的不同測量點坐標是不科學的。
【發明內容】
[0005] 本發明的目的在於提供一種關節臂式H坐標測量機，旨在解決現有的H坐標測量 機只有一個測量模型、測量精度不高的問題。
[0006] 本發明的另一目的在於提供一種包括上述關節臂式H坐標測量機的多測量模型 系統。
[0007] 本發明的再一目的在於提供通過上述多測量模型系統進行工件測量的方法。
[0008] 本發明是該樣實現的，一種關節臂式H坐標測量機，所述關節臂式H坐標測量機 包括基座（1)、立柱（2)、旋轉關節（3)、角度編碼器（4)、擺動關節巧）、測量臂化）、旋轉關 節（7)、角度編碼器巧）、擺動關節巧）、測量臂（10)、旋轉關節（11)、角度編碼器（12)、擺動 關節（13)W及測頭（14);其中，
[0009] 立柱（2)安裝於基座（1)上，基座（1)支撐測量機的所有部件；旋轉關節（3)和擺 動關節（5)構成了一個整體的連接件，而且旋轉關節（3)安裝了角度編碼器（4)，擺動關節 (5)也安裝了一個與角度編碼器（4)相互垂直的角度編碼器；測量臂（6)通過連接件與立 柱（2)連接；同樣，旋轉關節（7)和擺動關節（9)也構成了一個整體的連接件，分別對應兩 個角度編碼器，測量臂（10)也通過連接件與測量臂（6)連接；測頭（14)通過旋轉關節（11) 和擺動關節（13)構成的連接件連接。
[0010] 本發明進一步提供了一種多測量模型系統，包括上述關節臂式H坐標測量機。
[0011] 優選地，所述多測量模型系統還包括測量模型處理系統，所述測量模型處理系統 包括：
[0012] 工作區域劃分模塊，用於規劃測量機的整個工作空間內N個子區域；
[0013] 測量模型構建模塊，用於在測量機的整個工作空間內每個子區域建立相應的測量 模型，即測量機攜帶N個測量模型；
[0014] 測量模型選取模塊，用於測量時，確定待測工件所處子區域，並在幾何量坐標計算 時自動實時切換對應子區域的測量模型。
[0015] 優選地，所述多測量模型系統還包括電路系統，其中，所述電路系統包括用於採集 角度編碼器的採用信號並轉換關節變量值的信號處理模塊，W及用於將所述關節變量值輸 送到多測量模型系統中通訊模塊。
[0016] 優選地，所述多測量模型系統還包括標定系統；其中，所述標定系統包括通過標定 工具採集數據模塊，確定測量模型中的待定參數的標定模塊，W及用於求解待定參數的標 定算法模塊。
[0017] 本發明進一步提供了一種工件測量方法，通過上述多測量模型系統進行測量，所 述方法包括W下步驟：
[001引 （1)規劃測量機的工作空間內N個子區域；
[0019] (2)在整個工作空間內有N個子區域，相應建立測量機N個測量模型；
[0020] (3)確定待測工件所處子區域，並自動實時切換對應子區域的測量模型，通過該測 量模型進行工件幾何量坐標計算。
[0021] 優選地，在步驟（1)中，所述子區域滿足條件；同一個子區域的誤差應儘量接近， W及子區域的數量N可由所需條件來確定。
[0022] 優選地，在步驟（2)中，所述測量模型依據不同的方法來構建，或者在統一的測量 模型裡構建多組標定參數。
[0023] 優選地，所述不同的方法包括Denavit-Hartenberg方法、支持向量機方法等。
[0024] 本發明克服現有技術的不足，提供一種關節臂式H坐標測量機、多測量模型系統 及工件測量方法，在本發明中，關節臂式H坐標測量機不能直接讀出被測點坐標，需要建立 測量模型，而只有通過對測量模型參數的精確標定，才能得到較為精確的讀數。本發明涉及 關節臂式H坐標測量機多個測量模型的問題，在不同區域具有不同參數的測量模型，使其 具有不同程度的誤差補償，最終實現最佳測量，提高測量精度。為了達到上述目的，本發明 所涉及到的內容主要有：
[0025] 1、規劃測量機工作空間內N個子區域
[0026] 要提高測量精度，減少測量誤差，建立多個測量模型，關鍵是要在測量機的整個工 作空間內合理規劃N個子區域。本發明規劃的子區域滿足兩個條件；（1)同一個子區域的 誤差應儘量接近；(2)子區域的數量N可由所需條件來確定，如測量機工作空間的範圍、用 戶要求測量精度的大小、工作時所處的環境、被測工件的形狀和標定算法等條件。
[0027] 2、建立測量機多個測量模型
[0028] 多測量模型理論是指一臺測量機帶有多個測量模型，即一臺測量機在工作時，根 據不同的測量區域能自動切換對應的測量模型，實現多測量模型計算坐標。在整個工作空 間內有N個子區域，則可建立N個測量模型。本發明涉及到的多測量模型可依據不同的方 法來構建，也可指在統一的測量模型裡構建多組標定參數。
[0029] 3、自動選取測量機測量模型
[0030] 當用一臺具有多個測量模型的關節臂式H坐標測量機去測量時，涉及到如何正確 選取測量模型的問題。由於多個測量模型是由規劃的N個子區域所確定的，測量時需確定 待測工件處於哪個子區域，進而自動實時地切換選擇相應的測量模型。本發明中的待測工 件處於哪個子區域採用一個統一的測量模型來確定，最終輸出的被測點坐標由對應的子區 域測量模型來計算。
[0031] 與現有技術的缺點和不足相比，本發明的有益效果體現在：
[0032] (1)在不增加硬體製造成本的基礎上，提高關節臂式H坐標測量機的測量精度。
[0033] (2)-臺關節臂式H坐標測量機帶有多個測量模型。
[0034] (3)多個測量模型能根據對應的子區域進行實時自動選取切換。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0035] 圖1是本發明關節臂式H坐標測量機一實施例的結構示意圖；
[0036] 圖2是本發明多測量模型系統一實施例的結構示意圖；
[0037] 圖3是本發明實施例中標定工具石英棒量塊夾具的結構示意圖；
[0038]圖4本發明實施例中標定工具錐窩的結構示意圖；
[0039] 圖5是關節臂式H坐標測量機各杆件坐標系轉換關係圖。
【具體實施方式】
[0040] 為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，W下結合附圖及實施例，對 本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用W解釋本發明，並 不用於限定本發明。
[0041] 一種關節臂式H坐標測量機，如圖1所示，所述關節臂式H坐標測量機包括基座 1、立柱2、旋轉關節3、角度編碼器4、擺動關節5、測量臂6、旋轉關節7、角度編碼器8、擺動 關節9、測量臂10、旋轉關節11、角度編碼器12、擺動關節13W及測頭14 ;其中，立柱2安 裝於基座1上，基座1支撐測量機的所有部件；旋轉關節3和擺動關節5構成了一個整體的 連接件，而且旋轉關節3安裝了角度編碼器4,擺動關節5也安裝了一個與角度編碼器4相 互垂直的角度編碼器；測量臂6通過連接件與立柱2連接；同樣，旋轉關節7和擺動關節9 也構成了一個整體的連接件，分別對應兩個角度編碼器，測量臂10也通過連接件與測量臂 6連接；測頭14通過旋轉關節11和擺動關節13構成的連接件連接。
[0042] 使用時，將測量工件置於合適的測量空間內，測頭14接觸測量點，獲取6個關節變 量，經對應的測量模型計算該點的H維坐標，將該些點的坐標數值經過計算機處理，擬合形 成測量元素如圓、球、圓柱、圓錐、曲面等，最後經過軟體按一定的評定準則計算出所需要的 幾何量如形狀、位置公差等指標。
[0043] 在此基礎上，本發明進一步提供了一種多測量模型系統，包括上述關節臂式H坐 標測量機、測量模型處理系統、電路系統W及標定系統；其中，如圖2所示，
[0044] 所述測量模型處理系統包括：
[0045] 工作區域劃分模塊Al,用於規劃測量機的整個工作空間內N個子區域；
[0046] 測量模型構建模塊A2,用於在測量機的整個工作空間內每個子區域建立相應的測 量模型，即測量機攜帶N個測量模型；
[0047] 測量模型選取模塊A3,用於測量時，確定待測工件所處子區域，並在幾何量坐標計 算時自動實時切換對應子區域的測量模型。
[0048]所述電路系統包括用於採集角度編碼器的採用信號並轉換關節變量值的信號處 理模塊，W及用於將所述關節變量值輸送到多測量模型系統中通訊模塊。
[0049] 所述標定系統包括通過標定工具採集數據模塊，確定測量模型中的待定參數的標 定模塊，W及用於求解待定參數的標定算法模塊。其中，對於標定工具的選擇，標定關節臂 式H坐標測量機所用的標準量有高精度的點坐標測量設備如雷射跟蹤儀、正交坐標測量機 等；高精度的長度測量設備如光柵測長裝置、雷射幹涉測長裝置和高精度的標準件如量塊、 球桿板球板等。該些標準量各有其優缺點，標定時應根據實際情況來選擇。本發明可根據 實際情況選擇上述的標準量，也可選用自行開發的如圖3所示的標準工具石英棒量塊夾具 和圖4所示的錐窩，前者適用於距離標定模型，後者適用於點坐標標定模型。
[0050]標準工具石英棒量塊夾具包括底盤15、支柱16、手緊螺母17、光軸18、蓋板19、石 英棒量塊20、套筒21、V型支撐架22、手緊螺母23、聯接件24。使用時，先用4個M6螺釘 將底盤15固定在標準工作檯上，再用手緊螺母17調整支柱16與光軸18之間的相對高度。 通過手緊螺母23調整V型支撐架22至合適位置，將石英棒量塊20夾持在V型槽內，鎖緊 蓋板19,即可使用。錐窩的使用較簡單，只要將測量機測頭25繞錐窩26連續採點即可。
[0051] 此外，標定算法的合適性在於其是否收斂和有效，其不僅受到標準量的影響，還受 到數據採集次數、採集範圍等因素的影響。一般來說，求解關節臂式H坐標測量機結構參數 的標定算法主要有非線性最小二乘法、模擬退火算法、遺傳算法等。本發明採用非線性最小 二乘法中的LM標定算法。
[0052]在本發明中，關節臂式H坐標測量機的數據採集實際上是採集六個關節變量的 值。現有的單個測量模型的關節臂式H坐標測量機在標定採樣時，由於整個測量空間較大， 因而存在採樣的隨機性。該種隨機性必然導致標定結果和測量精度的不確定性。本發明採 用多測量模型技術，由於每個測量模型對應的子區域範圍較小，因而能較好地避免W往一 個測量模型在整個工作空間內採樣策略不規範導致標定參數不穩定的問題。採樣時只需要 在一個較小範圍的子區域內均勻分布採樣即可。
[0053] 本發明進一步提供了一種工件測量方法，通過上述實施例中多測量模型系統進行 測量，所述方法包括W下步驟：
[0054] (1)規劃測量機的工作空間內N個子區域。
[00巧]在步驟（1)中，在關節臂式H坐標測量機的整個工作空間內規劃N個子區域，是建 立多個測量模型的基礎。本發明運用最優規劃理論並根據所需的條件，合理規劃，首先，運 用最優規劃理論，使同一個子區域的誤差儘量接近；其次，根據各型號測量機的測量範圍， 並根據所需的條件確定子區域數量N;最後，通過實驗來驗證所規劃的N個子區域是否能夠 滿足要求。一般情況下，子區域範圍越小，子區域數量N越大，越有利於提高測量精度。
[0056] (2)在整個工作空間內有N個子區域，相應建立測量機N個測量模型。
[0057] 在步驟（2)中，本發明涉及到的多測量模型可依據不同的方法來構建，女口 Denavit-Hartenberg(D-H)方法、支持向量機方法等，也可指在統一的測量模型裡構建多組 標定參數。本發明W後一種方式為例來構建多測量模型。
[0058] 圖5描述了關節臂式H坐標測量機各杆件坐標系轉換關係圖，根據D-H方法構建 統一的測量模型如下：
[0059]
【權利要求】
1. 一種關節臂式三坐標測量機，其特徵在於，所述關節臂式三坐標測量機包括基座 (1) 、立柱（2)、旋轉關節（3)、角度編碼器（4)、擺動關節（5)、測量臂（6)、旋轉關節（7)、角 度編碼器（8)、擺動關節（9)、測量臂（10)、旋轉關節（11)、角度編碼器（12)、擺動關節（13) 以及測頭（14);其中， 立柱（2)安裝於基座（1)上，基座（1)支撐測量機的所有部件；旋轉關節（3)和擺動關 節（5)構成了一個整體的連接件，而且旋轉關節（3)安裝了角度編碼器（4)，擺動關節（5) 也安裝了一個與角度編碼器（4)相互垂直的角度編碼器；測量臂（6)通過連接件與立柱 (2) 連接；同樣，旋轉關節（7)和擺動關節（9)也構成了一個整體的連接件，分別對應兩個 角度編碼器，測量臂（10)也通過連接件與測量臂（6)連接；測頭（14)通過旋轉關節（11) 和擺動關節（13)構成的連接件連接。
2. -種多測量模型系統，其特徵在於，包括權利要求1所述的具有多測量模型系統的 關節臂式三坐標測量機。
3. 如權利要求2所述的多測量模型系統，其特徵在於，所述多測量模型系統還包括測 量模型處理系統，所述測量模型處理系統包括： 工作區域劃分模塊，用於規劃測量機的整個工作空間內N個子區域； 測量模型構建模塊，用於在測量機的整個工作空間內每個子區域建立相應的測量模 型，即一臺測量機攜帶N個測量模型； 測量模型選取模塊，用於測量時，確定待測工件所處子區域，並在幾何量坐標計算時自 動實時切換對應子區域的測量模型。
4. 如權利要求3所述的多測量模型系統，其特徵在於，所述多測量模型系統還包括電 路系統，其中，所述電路系統包括用於採集角度編碼器的採用信號並轉換關節變量值的信 號處理模塊，以及用於將所述關節變量值輸送到多測量模型系統中通訊模塊。
5. 如權利要求4所述的多測量模型系統，其特徵在於，所述多測量模型系統還包括標 定系統；其中，所述標定系統包括通過標定工具採集數據模塊，確定測量模型中的待定參數 的標定模塊，以及用於求解待定參數的標定算法模塊。
6. -種工件測量方法，其特徵在於，通過上述權利要求2?5任一項所述的多測量模型 系統進行測量，所述方法包括以下步驟： (1) 規劃測量機工作空間內的N個子區域； (2) 在整個工作空間內有N個子區域，相應建立測量機N個測量模型； (3) 確定待測工件所處子區域，並自動實時切換對應子區域的測量模型，通過該測量模 型進行工件幾何量坐標計算。
7. 如權利要求6所述的工件測量方法，其特徵在於，在步驟（1)中，所述子區域滿足條 件：同一個子區域的誤差應儘量接近，以及子區域的數量N由所需條件來確定。
8. 如權利要求6所述的工件測量方法，其特徵在於，在步驟⑵中，所述測量模型依據 不同的方法來構建，或者在統一的測量模型裡構建多組標定參數。
9. 如權利要求8所述的工件測量方法，其特徵在於，所述不同的方法包括 Denavit-Hartenberg方法、支持向量機方法。
【文檔編號】G01B21/04GK104359436SQ201410633428
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年11月13日 優先權日:2014年11月13日
【發明者】鄭大騰, 尹三鳳, 肖忠躍, 周燕輝, 夏翔, 周太平 申請人:鄭大騰