關(guān)節(jié)式坐標測量機的角度編碼器偏心及結(jié)構(gòu)參數(shù)標定方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及坐標測量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及六自由度關(guān)節(jié)式坐標測量機結(jié)構(gòu)參數(shù)以 及角度編碼器偏心誤差的標定方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 關(guān)節(jié)式坐標測量機是一種多自由度非正交坐標式的三坐標測量機，通常具有6個 自由度。它仿照人體關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，由三個測量臂和一個測頭通過六個(旋轉(zhuǎn)）關(guān)節(jié)串聯(lián)連接構(gòu) 成空間開鏈結(jié)構(gòu)，從而以角度測量基準取代了長度測量基準。在使用測量機進行測量時，測 頭坐標是測量機運動學(xué)參數(shù)與其六個關(guān)節(jié)角度的函數(shù)。與傳統(tǒng)的正交坐標系式三坐標測量 機相比，它具有測量范圍大、方便靈活、精度較高、機械結(jié)構(gòu)簡單、環(huán)境適應(yīng)性好等優(yōu)點。但 是另一方面其結(jié)構(gòu)是一種串聯(lián)結(jié)構(gòu)，誤差因素多，且誤差傳遞系數(shù)大、誤差控制復(fù)雜，從而 其精度難以得到保證。目前，關(guān)節(jié)式坐標測量機大多應(yīng)用于產(chǎn)品反求設(shè)計等精度較低的領(lǐng) 域，使其推廣應(yīng)用受到較大限制。
[0003] 關(guān)節(jié)式坐標測量機的誤差源有多個，對測量機精度影響最大的有兩個，一個是由 加工和裝配引起幾何誤差，即測量機基于測量方程的結(jié)構(gòu)參數(shù)誤差；另一個是關(guān)節(jié)式坐標 測量機所采用的角度編碼器自身誤差，即角度編碼器的偏心誤差。為提高測量機的測量精 度，必須在使用之前對結(jié)構(gòu)參數(shù)及角度編碼器偏心參數(shù)進行標定，通過標定結(jié)果獲得精確 結(jié)構(gòu)參數(shù)及用于補償角度編碼器偏心誤差的參數(shù)，從而確保其測量精度在設(shè)計的精度范圍 之內(nèi)。
[0004] 目前，用于關(guān)節(jié)式坐標測量機結(jié)構(gòu)參數(shù)標定的方法有很多種，比如基于三坐標測 量機的標定方法、光學(xué)標定方法、基于平面和距離的標定方法。這些已有方法，通常都是將 待標定測量機放置在更高精度坐標測量儀器(如正交三坐標測量機、全站儀等）的測量空間 中。在此測量空間中有兩個坐標系，一個是由高精度坐標測量儀器提供的標準坐標系，另一 個是待標定機坐標系。測量時需由高精度坐標測量儀器建立兩種坐標系的變換關(guān)系，即確 定待標定機的原點位置；通過輔助設(shè)備固定或改變待標定機的關(guān)節(jié)角度，從而獲得待標定 機各種空間姿態(tài)，對于每一個姿態(tài)，除了測頭在待標定坐標系中的測頭坐標，還有測頭在標 準坐標系中的坐標值；通過測頭在兩種坐標系下的坐標值，可獲得各個姿態(tài)下的誤差數(shù)據(jù)， 采用相應(yīng)計算方法獲得待標定機的誤差參數(shù)。上述方法能夠?qū)崿F(xiàn)結(jié)構(gòu)參數(shù)的辨識，但在標 定之前必須對6個角度編碼器先進行標定，確定角度編碼器偏心參數(shù)，從而對測量機關(guān)節(jié) 轉(zhuǎn)角進行補償；同時這些方法大多使用傳統(tǒng)數(shù)值分析方法(如最小二乘法，奇異值分解法） 獲得解析解，這類方法對初值要求高，在初值選取不合適的情況下，經(jīng)常只能獲得局部解， 影響測量機的測量精度。
[0005] 除此以外，最近幾年陸續(xù)發(fā)表一些文獻提出了不同的標定方法：《多關(guān)節(jié)柔性三坐 標測量系統(tǒng)標定技術(shù)研究》（哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2008)采用標定球測量十個球心利用最 小二乘法進行標定；《基于激光跟蹤儀的關(guān)節(jié)式坐標測量機參數(shù)標定》（中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 學(xué)報，2009)利用激光跟蹤儀進行標定，標定時采用專用夾具固定測量機的姿態(tài)，測量30個 點，采用高斯-牛頓法求最小二乘解；《仿人關(guān)節(jié)式坐標測量機的數(shù)學(xué)建模及標定方法》（華 中科技大學(xué)學(xué)報，2007)標定時用高精度三坐標機建立世界坐標系及求取誤差，采集30個 點進行標定；《關(guān)節(jié)臂式坐標測量機標定系統(tǒng)的設(shè)計》（計算機測量與控制，2009)采用反轉(zhuǎn) 法對測量機的各個結(jié)構(gòu)參數(shù)進行間接測量，但實驗過程復(fù)雜，需要復(fù)雜裝夾工具和高精度 正交式坐標測量機；《六自由度關(guān)節(jié)式柔性坐標測量機高精度標定方法》（專利，2007)同樣 采用高精度儀器及專用夾具來完成標定，標定姿態(tài)固定，未考慮對單點的重復(fù)測量；《柔性 坐標測量機參數(shù)辨識方法》（農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2007)采用了單點錐窩的標定方法，將一個錐窩 固定在測量空間的一個位置，使用關(guān)節(jié)式柔性坐標測量機對錐窩頂點連續(xù)采樣200點；《一 種便攜關(guān)節(jié)式坐標測量機結(jié)構(gòu)參數(shù)標定的優(yōu)化采樣策略》采用兩端帶有錐窩的石英棒進行 標定，將石英棒置于測量機為圓心的六個圓周位置上，在每個位置上按一定分度、不同平面 旋轉(zhuǎn)石英棒測量500組數(shù)據(jù)，共計3000組數(shù)據(jù)。
[0006] 以上這些方法在標定時仍存在不足，如多數(shù)方法沒有考慮測量機誤差空間分布規(guī) 律，在采樣上存在測量機姿態(tài)單一、測量區(qū)域窄的現(xiàn)象，標定結(jié)果只在局部最優(yōu)；在標定時 對于衡量測量機精度的重復(fù)性精度和測長精度指標，只考慮了其一，使得標定結(jié)果在評價 測量機精度時不甚理想；這些標定方法同樣需要事先對角度編碼器的偏心誤差進行標定補 償。
[0007] 關(guān)節(jié)式坐標測量機中旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的角度編碼器，會由于加工、裝配等原因造成圓光 柵幾何中心與裝配后的關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)中心不重合而產(chǎn)生偏心，使得光柵讀數(shù)讀出的角度值與實 際旋轉(zhuǎn)角度值不一致，造成角度編碼器的偏心誤差，該誤差必須要進行補償修正。
[0008] 對于角度編碼器的偏心參數(shù)辨識，常用的方法有：《關(guān)節(jié)坐標測量機研制中圓光柵 誤差修正技術(shù)》(計測技術(shù)，2007)用光電自準儀和24面體標定圓光柵測量偏差，采用最小二 乘法擬合整周期的測量誤差?！秷A光柵閉環(huán)反饋回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)高精度補償方法研究》（中國機械 工程，2008)采用激光干涉儀回轉(zhuǎn)軸校準系統(tǒng)建立了一種綜合考慮大周期誤差和小周期誤 差的三次封閉樣條與三角函數(shù)相疊加的回轉(zhuǎn)運動誤差補償模型，對整個行程的關(guān)節(jié)誤差進 行補償?！痘赗BF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角誤差補償》（機械工程學(xué)報，2010)采用三坐標測量 機和量塊來標定關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角誤差，利用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角誤差補償。以上方法都提 出了各自的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角誤差補償模型，并進行了參數(shù)辨識，但都是將單獨關(guān)節(jié)放置在輔助器 械上測量，而不是在完全裝配好的測量機上進行測量，測量數(shù)據(jù)量大，操作復(fù)雜?！蛾P(guān)節(jié)臂式 坐標測量機角度傳感器偏心參數(shù)辨識》（光學(xué)精密工程，2010)提出將偏心角度誤差公式代 入到測頭坐標方程中，利用對錐孔測量獲得的測頭坐標辨識出角度編碼器的偏心參數(shù)。該 文提出的這種方法較簡單，但使用的前提是關(guān)節(jié)式坐標測量機的結(jié)構(gòu)參數(shù)已被標定。
[0009] 綜上，針對上述標定、補償技術(shù)中存在的問題，需要一種能夠利用一次標定同時將 測量機結(jié)構(gòu)參數(shù)與角度編碼器偏心參數(shù)都辨識出來的標定方法，該