CN104457640A - 用于关节类坐标测量机标定的常见虚拟几何特征标准件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于关节类坐标测量机标定的常见虚拟几何特征标准件，包括作为标准件主体的正方体，正方体各个面上分别加工有多个锥窝，每个锥窝的锥角选值范围为60-120°，且各个面上的锥窝的锥角和深度均相同。本发明标定结果准确性高，使用时能有效减少测量环境温度、加工精度、拟合误差和采样点分布引入的误差，本发明基于常见基本几何特征对待标定的关节类坐标测量机进行标定，提高了关节类坐标测量机标定效率，具有方便快捷，成本低廉的优点。

Description

用于关节类坐标测量机标定的常见虚拟几何特征标准件

技术领域

本发明涉及标准件领域，具体是一种用于关节类坐标测量机标定的常见虚拟几何特征标准件。 

背景技术

关节类坐标测量机通常由各测量臂串联相应的旋转关节或线位移关节，从而形成开链式结构，开链式结构的末端为关节类坐标测量机的测头。关节可绕其自身轴线转动或绕其轴线方向平移。为记录关节变化量，各相对运动关节都装有角度传感器或线位移传感器。在使用测量机进行坐标测量时，测量机的测头坐标是以测量机结构参数与各关节角度或线位移为变量的函数值。未标定的关节类坐标测量机的测头位置和理想值之间有很大的误差。为了保证关节类坐标测量机的测量精度，需要对测量机的结构参数进行标定，并加以修正。标定过程即待被标定关节类测量机与高精度测量仪器或标准件比对的过程，获取关节类测量机最优结构参数。 

目前，关节类坐标测量机常见的标定方法有两类：基于比对单点坐标的标定方法，以正交坐标测量机标定法为代表；基于比对空间距离的标定方法，以量块、高精密标准球等为代表。各标定方法及其相应的缺点如下: 

1.正交坐标测量机单点标定法：先将关节类坐标测量机的姿态固定，应用更高精度等级的正交坐标测量机提供其准确坐标，其自身提供同一姿态下的测头坐标值。改变其姿态，重复上述工作。通过比对这两种测头坐标，利用最小二乘法逆向求解出关节类坐标测量机的几何参数。该方法的缺点是标定模型复杂，标定结果误差较大；同时需要设计专门的夹具，增加了成本。

2.量块标定法：用待标定的关节类坐标测量机测量高精度量块的两个端面，以获取量块的长度与量块的标称值进行比对。同时可以改变量块在测量空间中位姿，以获得更多的测量位置的误差信息。通过这些数据进行计算获得关节类坐标测量机的几何参数。该方法的缺点是热变形误差较大；同时工作面的加工精度要求很高；而量块在使用过程中，拟合误差是不可避免的。 

3.高精密标准球标定：在球表面进行数据点采集并进行球拟合得出球的半径或者直径与高精密标准球的标称值进行比对，同时也可以改变其在空间中的位置，以获取更多的测量位姿的误差信息。利用高斯-牛顿算法计算出关节类坐标测量机的结构参数。该方法的缺点是高精密标准球的加工成本高；同时测量过程中采样点分布会引入误差。 

这些用于关节类坐标测量机标定的标准件都是采用单一的特征（球、长度等），无法实现待标定关节类坐标测量机所采用的标准件和关节类坐标测量机所测量的基本几何特征相似。 

发明内容    本发明的目的是提供一种用于关节类坐标测量机标定的常见虚拟几何特征标准件，以解决现有技术用于关节类坐标测量机标定的标准件存在的问题。 

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为： 

用于关节类坐标测量机标定的常见虚拟几何特征标准件，其特征在于：包括作为标准件主体的正方体，所述正方体各个面上分别加工有多个锥窝，每个面上的锥窝分别呈正方形阵列分布，且正方形边沿与所在的面的对应方向边沿平行，每个锥窝的锥角选值范围为60-120°，且各个面上的锥窝的锥角和深度均相同。

所述的用于关节类坐标测量机标定的常见虚拟几何特征标准件，其特征在于：正方体每个面上分别加工有25个锥窝，每个面上25个锥窝呈正方形阵列分布，构成5×5的正方形阵列。 

所述的用于关节类坐标测量机标定的常见虚拟几何特征标准件，其特征在于：所述正方体材质为航空铝材。 

本发明的优点在于： 

1.标定结果准确性高

本发明基于基本几何特征的标定方法，消除了单点坐标标定法中的坐标系转换问题，标定模型中不会增加不必要的参数；在正方体面采样过程中，采样点均匀分布在各面上，消除了分布不均的拟合误差。

2.基于常见基本几何特征量的标准件 

本发明将常见几何特征的标准件虚拟化，正方体为主体结合均匀分布的锥窝，拟合常见的直线、圆、距离、球、圆柱、圆锥等标准件，新颖独特；可对放置在关节类坐标测量机的工作空间内不同位置标准件进行测量，重复性好，保证了标定结果的高准确性、高可靠性。

3.本发明对标准件的加工要求低 

本发明加工过程中仅需保证正方体上锥窝分布均匀，其锥角、深度和锥度等满足设计要求即可。

4.本发明选用航空铝材，其具有以下优点：重量轻、机械加工容易及尺寸稳定性高、卓越的热传导率等。 

附图说明

图1本发明标准件主体正方体-锥窝结构示意图。 

图2本发明拟合几种常见虚拟特征标准件示意图，其中： 

图2a为拟合圆形时示意图，图2b为拟合圆柱形时示意图，图2c为拟合圆锥形时示意图，图2d为拟合球形时示意图。 

图3待标定的关节类坐标测量机的标定数据采样示意图。 

具体实施方式

如图1所示，用于关节类坐标测量机标定的常见虚拟几何特征标准件，包括作为标准件主体的正方体1，正方体1各个面上分别加工有多个锥窝2，每个面上的锥窝2分别呈正方形阵列分布，且正方形边沿与所在的面的对应方向边沿平行，每个锥窝2的锥角选值范围为60-120°，且各个面上的锥窝2的锥角和深度均相同。 

正方体1每个面上分别加工有25个锥窝，每个面上25个锥窝呈正方形阵列分布，构成5×5的正方形阵列。 

正方体1材质为航空铝材。 

本发明采用正方体作为标准件主体，正方体的各面均加工有锥窝，锥窝对称均匀分布于各表面，每个表面拟加工25个锥窝，锥角为60-120°，每个锥窝的锥角和深度均相同，且具有较好的圆锥度，锥窝用于定位待标定关节类坐标测量机的测头。采用待标定的关节类坐标测量机对所述标准件进行测量过程中，测量不同分布的锥窝，可实现相应基本几何特征量的拟合（直线、圆、距离、球、圆柱、圆锥等）。可对放置在关节类坐标测量机的工作空间内不同位置标准件进行测量。通过比对数据，处理计算，获得更多的测量位置的误差信息，以获得待标定关节类坐标测量机的最优结构参数。 

本发明中，在使用待标定关节类坐标测量机进行标定数据采样时，将正方体标准件放置在待标定关节类坐标测量机的工作空间内，以保证正方体标准件表面上锥窝点能够被测量。通过测量不同分布所述锥窝点，可拟合相应基本几何特征量： 

拟合距离：测量正方体标准件表面上任意两个所述锥窝点。

拟合圆3、4：在正方体标准件的任一表面内或者截面内测量任意不共线三个及以上锥窝点拟合出一个圆，如图2a所示。 

拟合圆柱5：在正方体标准件任一表面内测量任意不共线三个及以上锥窝点，与之相对表面上相同位置测量三个及以上锥窝点，即可实现圆柱拟合，如图2b所示。 

拟合圆锥6：在正方体标准件的任一顶点所对应三个正方形面的对角线上的相同位置分别测量两个及以上锥窝点（共六个及以上锥窝点），拟合圆锥，如图2c所示。 

拟合球7：测量在正方体标准件的各面的中心位置的锥窝点，可拟合出正方体的内切球，如图2d所示。 

如图3所示，将正方体标准件放置在待标定关节类坐标测量机的工作空间内不同位置，可获得标定关节类坐标测量机在整个工作空间内标定数据采样。 

Claims (3)

1.用于关节类坐标测量机标定的常见虚拟几何特征标准件，其特征在于：包括作为标准件主体的正方体，所述正方体各个面上分别加工有多个锥窝，每个面上的锥窝分别呈正方形阵列分布，且正方形边沿与所在的面的对应方向边沿平行，每个锥窝的锥角选值范围为60-120°，且各个面上的锥窝的锥角和深度均相同。

2.根据权利要求1所述的用于关节类坐标测量机标定的常见虚拟几何特征标准件，其特征在于：正方体每个面上分别加工有25个锥窝，每个面上25个锥窝呈正方形阵列分布，构成5×5的正方形阵列。

3.根据权利要求1所述的用于关节类坐标测量机标定的常见虚拟几何特征标准件，其特征在于：所述正方体材质为航空铝材。