專利名稱：一種用于空間全位置和姿態(tài)的測(cè)量方法及其裝置的制作方法
所屬領(lǐng)域本發(fā)明涉及一種基于光學(xué)測(cè)量?jī)x器的測(cè)量方法及其裝置，確切地說，涉及一種用于空間全位置和姿態(tài)的測(cè)量方法及其裝置，屬于空間位置和角度的測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
對(duì)于一個(gè)剛體，它在空間的定位可用位置(position)和姿態(tài)(orientation)來加以描述。其中位置通常是采用笛卡爾坐標(biāo)來表示，即x、y、z三維坐標(biāo)；而姿態(tài)通常是采用三個(gè)歐拉角φ、θ、ψ來表示，即通常說的進(jìn)動(dòng)角φ、章動(dòng)角θ和自轉(zhuǎn)角ψ。對(duì)于上述6個(gè)空間參數(shù)的測(cè)量方法和設(shè)備，目前主要是采用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、經(jīng)緯儀、雙頻激光干涉儀和激光跟蹤儀等裝置進(jìn)行的。但是，上述測(cè)量設(shè)備或方法都存在著這樣或那樣的缺陷或者是價(jià)格較高，或者是只能適用于位置測(cè)量，而對(duì)三個(gè)歐拉角的測(cè)量往往效果不佳。而在實(shí)際應(yīng)用中，例如并聯(lián)機(jī)床的切削加工和機(jī)器人的位置控制中，如何簡(jiǎn)單、方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)三個(gè)歐拉角的精確測(cè)量一直是機(jī)械行業(yè)技術(shù)人員關(guān)注的重要課題。另外，傳統(tǒng)的球桿儀測(cè)量范圍一般只有幾個(gè)毫米的量程，通常只是應(yīng)用于傳統(tǒng)機(jī)床的動(dòng)態(tài)標(biāo)定的測(cè)量上，無法實(shí)現(xiàn)數(shù)十毫米、甚至更大量程的長(zhǎng)度測(cè)量任務(wù)。
本發(fā)明的另一目的是提供一種用于上述空間全位置和姿態(tài)的測(cè)量方法的測(cè)量裝置，以便能夠進(jìn)行數(shù)十毫米或更大量程的長(zhǎng)度測(cè)量，使上述測(cè)量方法得以實(shí)施。
本發(fā)明的用于空間全位置和姿態(tài)的測(cè)量方法是這樣實(shí)現(xiàn)的包括有下列步驟(1)首先將一個(gè)相對(duì)固定的物體，即量測(cè)時(shí)的參照物設(shè)定為固定坐標(biāo)系，并在該固定坐標(biāo)系，即相對(duì)固定的物體中設(shè)定三個(gè)球座位置；(2)接著將一個(gè)待量測(cè)的物體，即具有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的物體設(shè)定為運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系，并在該運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系，即待量測(cè)的物體中也設(shè)定三個(gè)球座位置；(3)根據(jù)上述固定坐標(biāo)系中的三個(gè)球座的中心位置與運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系中的三個(gè)球座的中心位置相互之間形成的9個(gè)中心距的長(zhǎng)度大小，選用長(zhǎng)度適當(dāng)?shù)膶Ｓ脺y(cè)量裝置-球桿儀，并用標(biāo)準(zhǔn)臺(tái)對(duì)該球桿儀的基準(zhǔn)長(zhǎng)度進(jìn)行調(diào)測(cè)，以確定測(cè)量基準(zhǔn)；(4)當(dāng)上述待量測(cè)的物體(運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系)運(yùn)動(dòng)到某一需要量測(cè)的位置或姿態(tài)時(shí)，用所述的專用測(cè)量裝置-球桿儀分別測(cè)量上述固定坐標(biāo)系(即相對(duì)固定的物體)中的三個(gè)設(shè)定球座的中心位置與運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系(即待量測(cè)的物體)中的三個(gè)設(shè)定球座的中心位置之間的3×3共9個(gè)中心距的長(zhǎng)度數(shù)值；(5)從球桿儀上的數(shù)顯表或與該球桿儀相連接的計(jì)算機(jī)上讀出上述9個(gè)中心距的長(zhǎng)度數(shù)值，并根據(jù)該9個(gè)長(zhǎng)度參數(shù)列出9個(gè)非線性方程組，再采用詹重禧法解析該9個(gè)非線性方程組，即可求得上述待量測(cè)的物體(運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系)的空間位置姿態(tài)。
上述在固定坐標(biāo)系和運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系中分別設(shè)定的三個(gè)球座的中心位置可以是兩組不同長(zhǎng)度的等腰直角三角形的各自的頂點(diǎn)；并盡量使該兩組直角三角形處于對(duì)接的位置，以便減少計(jì)算工作量，并避免出現(xiàn)冗余的非線性方程。
上述球座位置中的內(nèi)凹球面的球徑為3/4英寸，其不球度應(yīng)≤0.5μm。
本發(fā)明的用于空間全位置和姿態(tài)的測(cè)量裝置是這樣實(shí)現(xiàn)的包括有由光柵、及其外側(cè)的片簧、拉簧、阻尼器、零基準(zhǔn)面和外殼構(gòu)成的光柵尺，其特征在于該光柵尺兩端通過精密配合分別連接有一固定軸和一活動(dòng)軸，該固定軸和活動(dòng)軸兩者的軸線應(yīng)嚴(yán)格重合而在同一軸線上，其中活動(dòng)軸的一端面被加工成與標(biāo)準(zhǔn)球的球面半徑相同的內(nèi)凹球弧面，再通過粘接劑粘接有標(biāo)準(zhǔn)球；而固定軸的另一端嵌入在一圓柱形接頭的凹槽里，并通過該接頭側(cè)面上的鎖緊螺絲使之緊固定位，該圓柱形接頭的另一端是通過螺紋連接有加長(zhǎng)桿。
上述活動(dòng)軸一端面的內(nèi)凹球弧面的球徑為3/4英寸，其不球度應(yīng)不大于0.5μm。
上述固定軸和活動(dòng)軸兩者的軸線的不同軸度應(yīng)小于10微米。
上述活動(dòng)軸一端面的內(nèi)凹球弧面與標(biāo)準(zhǔn)球的粘接所使用的粘接劑是AB膠。
本發(fā)明的測(cè)量方法除了上述特點(diǎn)外，還具有下述優(yōu)點(diǎn)該方法容易實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化測(cè)量，具有量測(cè)精度高、使用方便，受環(huán)境因素影響小等優(yōu)點(diǎn)；同時(shí)與其他測(cè)量方法相比，所需配置的測(cè)量裝置價(jià)格較低，具有很高的使用價(jià)值與性能價(jià)格比。本發(fā)明的測(cè)量方法主要應(yīng)用于并聯(lián)機(jī)床運(yùn)動(dòng)精度的標(biāo)定，可實(shí)現(xiàn)對(duì)并聯(lián)機(jī)床運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的位置和姿態(tài)的一定精度的測(cè)量；也可實(shí)現(xiàn)基于平面并聯(lián)機(jī)構(gòu)模型的各種新型機(jī)床刀具平面位置和姿態(tài)的準(zhǔn)確測(cè)量，進(jìn)而對(duì)它們進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)標(biāo)定；還可用于對(duì)并聯(lián)機(jī)械手的空間位置和姿態(tài)進(jìn)行測(cè)量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)其運(yùn)動(dòng)精度標(biāo)定。該方法如果能在今后的研究和應(yīng)用中進(jìn)一步加以完善，有望成為并聯(lián)機(jī)床精度標(biāo)定的主要手段，因此，本發(fā)明的方法具有很高的商業(yè)價(jià)值和很好的市場(chǎng)前景。
再者，本發(fā)明還為該測(cè)量方法的實(shí)施提供了技術(shù)保障手段，即提供了采用光柵測(cè)長(zhǎng)原理的專用測(cè)量裝置-球桿儀，使通常只能量測(cè)數(shù)毫米的球桿儀的量程大大拓展，能夠進(jìn)行十幾毫米、乃至數(shù)十毫米長(zhǎng)度的測(cè)量，其最大測(cè)量量程可達(dá)50毫米，再加上一系列的加長(zhǎng)桿，理論上該裝置可以進(jìn)行較大長(zhǎng)度范圍的長(zhǎng)度測(cè)量，并且能夠?qū)崿F(xiàn)較高的測(cè)量精度。
圖2是本發(fā)明的測(cè)量方法示意圖。
圖3是本發(fā)明的測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
需要說明的是，在固定坐標(biāo)系和運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系中分別設(shè)定的三個(gè)球座的中心位置可以是兩組不同長(zhǎng)度的等腰直角三角形的各自的頂點(diǎn)，同時(shí)應(yīng)盡量使該兩組直角三角形處于對(duì)接的位置，以便減少計(jì)算工作量，并避免出現(xiàn)冗余的非線性方程。
另外，對(duì)空間運(yùn)動(dòng)剛體的位置和姿態(tài)進(jìn)行測(cè)量，理論上只要測(cè)量上述9個(gè)長(zhǎng)度中的6個(gè)數(shù)值即可。本發(fā)明之所以采用冗余測(cè)量，主要目的是可以通過檢查該9個(gè)參數(shù)之間的相容性，對(duì)一些偏差較大的測(cè)量值進(jìn)行剔除，以提高整體的測(cè)量精度，并且可以通過冗余的測(cè)量數(shù)據(jù)估計(jì)出該次測(cè)量的誤差精度等級(jí)。
參見圖3所示的本發(fā)明的用于空間全位置和姿態(tài)的測(cè)量裝置-球桿儀，其是由光柵1和其外側(cè)的片簧2、拉簧3、阻尼器4、零基準(zhǔn)面5與外殼8構(gòu)成的光柵尺，以及活動(dòng)軸6、固定軸7、標(biāo)準(zhǔn)球9、圓柱形接頭10和加長(zhǎng)桿12所組成的。該光柵尺兩端通過精密配合分別連接有一固定軸7和一活動(dòng)軸6，該固定軸7和活動(dòng)軸6兩者的軸線應(yīng)嚴(yán)格重合而在同一軸線上，其不同軸度應(yīng)小于10微米，以保證量測(cè)精度。其中該光柵尺的活動(dòng)軸6的一端面被加工成與標(biāo)準(zhǔn)球9的球面半徑相同的內(nèi)凹球弧面，再用粘接劑粘接有標(biāo)準(zhǔn)球9，這里使用的粘接劑是AB膠。而固定軸7的另一端則嵌入在一圓柱形接頭10的凹槽里，并通過該接頭側(cè)面上的鎖緊螺絲11使之緊固定位，該圓柱形接頭的另一端是通過螺紋連接有加長(zhǎng)桿12。活動(dòng)軸6的一端面的凹球弧面的球徑為3/4英寸，其不球度應(yīng)不大于0.5μm。
本發(fā)明的測(cè)量裝置是利用光柵尺改裝而成的，其中最關(guān)鍵的是要確保標(biāo)準(zhǔn)球9與光柵尺中活動(dòng)軸6的連接定位要盡可能地準(zhǔn)確無誤，同時(shí)保證該標(biāo)準(zhǔn)球不能發(fā)生較大的變形。為此在制造該球桿儀的過程中，須將光柵尺的活動(dòng)軸6的一端面銑切成與標(biāo)準(zhǔn)球9的球面半徑相同的內(nèi)凹球弧面，并用標(biāo)準(zhǔn)球面對(duì)其進(jìn)行刮研，以提高其不球度的精度，然后用AB膠將標(biāo)準(zhǔn)球粘接在該內(nèi)凹球弧面上。采用這種AB膠連接的結(jié)構(gòu)零件的機(jī)械強(qiáng)度很高，即使將該零件在機(jī)床上進(jìn)行切削加工也不會(huì)使標(biāo)準(zhǔn)球脫落，這樣就可保證標(biāo)準(zhǔn)球的球面不會(huì)發(fā)生較大的變形，從而保證了球桿儀的整體精度。本發(fā)明所使用的標(biāo)準(zhǔn)球?yàn)樗姆种⒋绲臉?biāo)準(zhǔn)球，它的不球度應(yīng)不大于0.5微米，該球桿儀的最大滿量程(50mm)的精度要控制在2微米以內(nèi)。
本發(fā)明的測(cè)量裝置和測(cè)量方法已經(jīng)被用來對(duì)某一并聯(lián)機(jī)床進(jìn)行測(cè)量和標(biāo)定的試驗(yàn)實(shí)施，試驗(yàn)的結(jié)果是相當(dāng)理想的效果使得該機(jī)床的精度有了很大的提高，即使該機(jī)床達(dá)到和滿足國(guó)家有關(guān)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)要求，為其今后實(shí)現(xiàn)商業(yè)化奠定了基礎(chǔ)。
權(quán)利要求
1.一種用于空間全位置和姿態(tài)的測(cè)量方法，其特征在于包括有下列步驟(1)首先將一個(gè)相對(duì)固定的物體，即量測(cè)時(shí)的參照物設(shè)定為固定坐標(biāo)系，并在該固定坐標(biāo)系，即相對(duì)固定的物體中設(shè)定三個(gè)球座位置；(2)接著將一個(gè)待量測(cè)的物體，即具有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的物體設(shè)定為運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系，并在該運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系，即待量測(cè)的物體中也設(shè)定三個(gè)球座位置；(3)根據(jù)上述固定坐標(biāo)系中的三個(gè)球座的中心位置與運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系中的三個(gè)球座的中心位置相互之間形成的9個(gè)中心距的長(zhǎng)度大小，選用長(zhǎng)度適當(dāng)?shù)膶Ｓ脺y(cè)量裝置-球桿儀，并用標(biāo)準(zhǔn)臺(tái)對(duì)該球桿儀的基準(zhǔn)長(zhǎng)度進(jìn)行調(diào)測(cè)，以確定測(cè)量基準(zhǔn)；(4)當(dāng)上述待量測(cè)的物體運(yùn)動(dòng)到某一需要量測(cè)的位置或姿態(tài)時(shí)，用所述的專用測(cè)量裝置-球桿儀分別測(cè)量上述固定坐標(biāo)系(即相對(duì)固定的物體)中的三個(gè)設(shè)定球座的中心位置與運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系(即待量測(cè)的物體)中的三個(gè)設(shè)定球座的中心位置之間的3×3共9個(gè)中心距的長(zhǎng)度數(shù)值；(5)從球桿儀上的數(shù)顯表或與該球桿儀相連接的計(jì)算機(jī)上讀出上述9個(gè)中心距的長(zhǎng)度數(shù)值，并根據(jù)該9個(gè)長(zhǎng)度參數(shù)列出9個(gè)非線性方程組，再采用詹重禧法解析該9個(gè)非線性方程組，即可求得上述待量測(cè)的物體(運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系)的空間位置姿態(tài)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于空間全位置和姿態(tài)的測(cè)量方法，其特征在于上述在固定坐標(biāo)系和運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系中分別設(shè)定的三個(gè)球座的中心位置可以是兩組不同長(zhǎng)度的等腰直角三角形的各自的頂點(diǎn)；并盡量使該兩組直角三角形處于對(duì)接的位置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于空間全位置和姿態(tài)的測(cè)量方法，其特征在于上述球座位置中的內(nèi)凹球面的球徑為3/4英寸，其不球度應(yīng)≤0.5μm。
4.一種用于空間全位置和姿態(tài)的測(cè)量裝置，包括有由光柵、及其外側(cè)的片簧、拉簧、阻尼器、零基準(zhǔn)面和外殼構(gòu)成的光柵尺，其特征在于該光柵尺兩端通過精密配合分別連接有一固定軸和一活動(dòng)軸，該固定軸和活動(dòng)軸兩者的軸線應(yīng)嚴(yán)格重合而在同一軸線上，其中活動(dòng)軸的一端面被加工成與標(biāo)準(zhǔn)球的球面半徑相同的內(nèi)凹球弧面，再通過粘接劑粘接有標(biāo)準(zhǔn)球；而固定軸的另一端嵌入在一圓柱形接頭的凹槽里，并通過該接頭側(cè)面上的鎖緊螺絲使之緊固定位，該圓柱形接頭的另一端是通過螺紋連接有加長(zhǎng)桿。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的用于空間全位置和姿態(tài)的測(cè)量裝置，其特征在于上述活動(dòng)軸一端面的內(nèi)凹球弧面的球徑為3/4英寸，其不球度應(yīng)不大于0.5μm。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的用于空間全位置和姿態(tài)的測(cè)量裝置，其特征在于上述固定軸和活動(dòng)軸兩者的軸線的不同軸度應(yīng)小于10微米。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的用于空間全位置和姿態(tài)的測(cè)量裝置，其特征在于上述光柵尺的活動(dòng)軸的一端面的內(nèi)凹球弧面與標(biāo)準(zhǔn)球的粘接所使用的粘接劑是AB膠。
全文摘要
一種用于空間全位置和姿態(tài)的測(cè)量方法及其測(cè)量裝置,該測(cè)量方法是利用本發(fā)明的專用大尺寸球桿儀測(cè)量空間運(yùn)動(dòng)剛體(即運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系)上的三個(gè)固定點(diǎn)相對(duì)于某固定坐標(biāo)系中的三個(gè)定點(diǎn)的距離,得到兩者之間3×3共9個(gè)中心距的長(zhǎng)度數(shù)值;再?gòu)脑撉驐U儀上的數(shù)顯表或與該球桿儀相連接的計(jì)算機(jī)上讀出上述9個(gè)中心距的長(zhǎng)度數(shù)值,根據(jù)該9個(gè)長(zhǎng)度參數(shù)列出9個(gè)非線性方程組,并采用詹重禧法解析該9個(gè)非線性方程組,即可求得上述待量測(cè)的物體的空間位置和姿態(tài)。該測(cè)量方法操作步驟簡(jiǎn)單易行,無需價(jià)格昂貴的儀器,經(jīng)濟(jì)實(shí)用,能夠獲得精度較高的三個(gè)歐拉角的測(cè)量值。該測(cè)量方法對(duì)于并聯(lián)機(jī)床/機(jī)械人的運(yùn)動(dòng)學(xué)標(biāo)定具有重要的應(yīng)用價(jià)值。
文檔編號(hào)G01B11/02GK1346964SQ0113663
公開日2002年5月1日 申請(qǐng)日期2001年10月23日 優(yōu)先權(quán)日2001年10月23日
發(fā)明者魏世民, 廖啟征, 于文新 申請(qǐng)人:北京郵電大學(xué)