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专利名称：一种平行双关节坐标测量机的旋转轴平行度标定方法
技术领域：
本发明涉及测试技术及仪器领域，特别涉及一种平行双关节坐标测量机的旋转轴 平行度标定方法。
背景技术：
三坐标测量机至今经历了许多年的发展，广泛应用于航空航天、机械电子、汽车制 造的领域中，对零部件的尺寸、形状和相对位置等进行测量。三坐标测量机主要包括正交式 三坐标测量机和非正交式三坐标测量机两种。其中正交式三坐标测量机以正交坐标系为基 础设计，包括三根相互垂直的导轨和一个工作平台，利用接触的方法来确定被测工件特征 点的坐标及相互关系。在非正交坐标测量机中，目前具有影响力的主要是关节臂式坐标测量机和平行双 关节坐标测量机。平行双关节坐标测量机的优点为测量机整体质量轻，便于携带和在线检 测。参见图1，现有技术中的平行双关节坐标测量机主要包括第一旋转关节1、大连接板2、 第二旋转关节3、小连接板4、直线关节5手臂6和触发测头7，大连接板2连接第一旋转关 节1和第二旋转关节3，小连接板4连接第二旋转关节3和直线关节5，直线关节5底部安 装了一个触发测头7，用于采集读数。由于加工、安装误差等因素的影响，使得平行双关节坐 标测量机存在很多系统误差，如各个运动轴的平行度、连接板的长度、零点等，它们实际的 尺寸与设计的理论值相差很大，必须通过标定的方法，得到各系统误差的具体数值，然后对 测量模型进行修正补偿，才能使平行双关节坐标测量机具有较高的精度。通过查阅相关文献，平行双关节坐标测量机的平行度标定方法主要有参数测定 法，参数测定法的基本思想用平行双关节坐标测量机测量空间已知的坐标点，根据数学模 型列出带有误差项的方程组，然后利用最小二乘法进行求解，得到各个误差项的具体数值。 但是参数测定法中所列的方程组较大，空间已知的坐标点如果分布不当，得出的结果误差 较大，严重时，最小二乘法求解将不会收敛，以至于得不到方程的解；或者，即使最小二乘法 求解收敛，得到的平行度标定误差也很大，平行度标定精度不高。

发明内容
为了最大限度的减小平行度标定误差，提高平行度标定精度，本发明提供了一种 平行双关节坐标测量机的旋转轴平行度标定方法，所述方法包括以下步骤(1)调整第一旋转轴与平台在X-Z平面内的垂直度；(2)固定第一测长仪和第二测长仪，使所述第一测长仪和所述第二测长仪在一条 直线上；(3)通过标准棒标定所述第一测长仪的第一读数Δ al和所述第二测长仪的第一 读数ΔΜ ；(4)固定第二旋转轴；(5)直线关节的行程至第一阈值；
(6)所述第二测长仪与所述直线关节上的触发测头接触，由触发测头的触发信号 锁存所述第二测长仪的第二读数Δ132 ；(7)所述直线关节围绕所述第一旋转轴旋转180度；(8)所述第一测长仪与所述直线关节上的触发测头接触，由所述触发测头的触发 信号锁存所述第一测长仪的第二读数；(9)通过第一计算公式获取触发测头在所述直线关节行程至所述第一阈值时，距 离所述第一旋转轴的旋转中心的距离Cl1 ；(10)将所述直线关节行程至第二阈值；(11)通过所述直线关节上的光栅尺获取所述第一阈值和所述第二阈值之间的距 离h ；(12)所述第二测长仪与所述直线关节上的触发测头接触，由触发测头的触发信号 锁存所述第二测长仪的第三读数八b3 ；(13)所述直线关节围绕所述第一旋转轴旋转180度；(14)所述第一测长仪与所述直线关节上的触发测头接触，由触发测头的触发信号 锁存所述第一测长仪的第三读数；(15)通过第二计算公式获取触发测头在所述直线关节行程至所述第二阈值时，距 离所述第一旋转轴的旋转中心的距离d2 ；(16)通过第三计算公式获取所述直线关节与所述第一旋转轴之间在XOZ平面内 径向的平行度。所述第一计算公式具体为Cl1 = L+( Aal-Δ a2) + ( Abl-Δ 1^2)，其中，L 为标准棒的长度。所述第二计算公式具体为d2 = L+(Aal-Aa3) + (Abl-Ab3)，其中，L 为标准棒的长度。所述第三计算公式具体为θ = Ad/h，其中，Ad = Cl2-C^本发明提供的技术方案的有益效果是本发明提供了一种平行双关节坐标测量机的旋转轴平行度标定方法，借助直线关 节可上下移动的特性，采用第一旋转轴旋转180度，通过直线关节在第一阈值位置和第二 阈值位置的测量值、触发测头在直线关节行程至第二阈值时距离第一旋转轴的旋转中心的 距离、触发测头在直线关节行程至第一阈值时距离第一旋转轴的旋转中心的距离计算第一 旋转轴和直线关节在XOZ平面内的平行度，在标定第一旋转轴的同时，固定第二旋转轴，避 免第二旋转轴对标定的影响，通过实验验证，可以使得平行度标定精度达到1. 2ym/250mm， 提高了平行度标定精度、最大限度的减少了平行度标定误差，标定方法简单可靠，满足了实 际应用中的需要。


图1为现有技术提供的平行双关节坐标测量机的结构示意图；图2为本发明提供的平行双关节坐标测量机的分析示意图；图3为本发明提供的平行双关节坐标测量机的旋转轴平行度标定方法的流程图4为本发明提供的调整垂直度的示意图；图5为本发明提供的标准棒标定第一测长仪和第二测长仪的示意图；图6为本发明提供的直线关节的行程在第一阈值时的示意图；图7为本发明提供的直线关节的行程在第一阈值时围绕第一旋转轴旋转的示意 图；图8为本发明提供的直线关节的行程在第二阈值时的示意图；图9为本发明提供的直线关节的行程在第二阈值时围绕第一旋转轴旋转的示意 图；图10为本发明提供的平行双关节坐标测量机的旋转轴平行度标定方法的另一流 程图。附图中，各标号所代表的部件列表如下1第一旋转关节2 大连接板
3第二旋转关节4 小连接板
5直线关节6:手臂
7触发测头8 平台
9标准棒10 第一测长仪
11第二测长仪
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方 式作进一步地详细描述。为了最大限度的减小标定误差，提高标定精度，本发明实施例提供了一种平行双 关节坐标测量机的旋转轴平行度标定方法，详见下文描述参见图2，图2为图1的结构简化图，第一旋转轴为Zl或Z2、第二旋转轴为Z2或 ZUZ3为直线关节、7为触发测头、al为大连接杆的长度、a2为小连接杆的长度，本发明实施 例中的平行度包括第一旋转轴Zl和直线关节在XOZ平面内的平行度；第一旋转轴Z2 和直线关节Z3在XOZ平面内的平行度。实施例1以第一旋转轴为Z1、第二旋转轴为Z2为例，标定第一旋转轴Zl和直线关节在 XOZ平面内的平行度，参见图3，具体步骤详见下文描述101 调整第一旋转轴Zl与平台8在X-Z平面内的垂直度；为了提高标定的精度，在进行标定之前可以对第一旋转轴Zl与平台8在X-Z平面 内的垂直度进行调整，参见图4，固定第二旋转轴，使得第一连接杆和第二连接杆在一条直 线上，利用直线关节Z3上的触发测头7测量平台8的高度，平台8的高度可以通过直线关 节Z3上的直线光栅尺获得，直线关节围绕第一旋转轴Zl旋转180度，利用直线关节 上的触发测头7再次测量平台8的高度，通过对两次平台8高度的对比，调整第一旋转轴Zl 与平台8在X-Z平面内的垂直度。具体实现时还可以利用仪器、水泡等方式对垂直度进行 调整，具体实现时，本发明实施例对此不做限制。102 固定第一测长仪10和第二测长仪11，使第一测长仪10和第二测长仪11在一条直线上；具体实现时，为了提高标定的精度，本发明实施例优选不共线的角度小于0.5度。103 通过标准棒9标定第一测长仪10的第一读数Aal和第二测长仪11的第一 读数ΔΜ ；参见图5，设标准棒9的长度为L，当标准棒9与第一测长仪10接触时，第一测长 仪10的第一读数为Aal ；当标准棒9与第二测长仪11接触时，第二测长仪11的第一读数 为 Abl。104 固定第二旋转轴Z2 ；通过该步骤使得第二旋转轴Z2不能转动，使得大连接杆和小连接杆基本在一条 直线上。105 直线关节的行程至第一阈值；参见图6，第一阈值根据实际中的应用情况来确定，第一阈值通常为直线关节 的最大行程。106 第二测长仪11与直线关节上的触发测头7接触，由触发测头7的触发信 号锁存第二测长仪11的第二读数Δ132 ；设触发测头7的触发信号锁存第二测长仪11的第二读数为Δ W。107 直线关节围绕第一旋转轴Zl旋转180度；其中，该步骤中的旋转方向可以为顺时针方向旋转或逆时针方向旋转，具体实现 时，本发明实施例对此不做限制，参见图7，本发明实施例以顺时针方向旋转为例进行说明。108 第一测长仪10与直线关节上的触发测头7接触，由触发测头7的触发信 号锁存第一测长仪10的第二读数；设触发测头7的触发信号锁存第一测长仪10的第二读数为Δ a2。109 通过第一计算公式获取触发测头7在直线关节行程至第一阈值时距离第 一旋转轴Zl的旋转中心的距离Cl1 ；其中，第一计算公式为=Cl1= L+(Aal-Aa2) + (Abl-Ab2)0110 将直线关节Ti行程至第二阈值；参见图8，第二阈值根据实际中的应用情况来确定，第二阈值通常为直线关节 的最小行程。111 通过直线关节Ti上的光栅尺获取第一阈值和第二阈值之间的距离h ；其中，距离h的取值等于第一阈值和第二阈值之间的差值。112 第二测长仪11与直线关节上的触发测头7接触，由触发测头7的触发信 号锁存第二测长仪11的第三读数；设触发测头7的触发信号锁存第二测长仪11的第三读数为Ab3。113 直线关节围绕第一旋转轴Zl旋转180度；其中，该步骤中的旋转方向可以为顺时针方向旋转或逆时针方向旋转，具体实现 时，本发明实施例对此不做限制，参见图9，本发明实施例以顺时针方向旋转为例进行说明。114 第一测长仪10与直线关节上的触发测头7接触，由触发测头7的触发信 号锁存第一测长仪10的第三读数；设触发测头7的触发信号锁存第一测长仪10的第三读数为Δ a3。
115 通过第二计算公式获取触发测头7在直线关节Ti行程至第二阈值时距离第 一旋转轴Zl的旋转中心的距离d2 ；其中，第二计算公式为d2= L+(Aal-Aa3) + (Abl-Ab3)0116:通过第三计算公式获取直线关节D与第一旋转轴Zl之间在XOZ平面内径向 的平行度。其中，第三计算公式为θ = (Cl2-Cl1)A = Ad/h。综上所述，通过直线关节在第一阈值位置和第二阈值位置的测量值、触发测头 7在直线关节Z3行程至第二阈值时距离第一旋转轴Zl的旋转中心的距离、触发测头7在 直线关节Z3行程至第一阈值时距离第一旋转轴Zl的旋转中心的距离，计算第一旋转轴Zl 和直线关节Z3在XOZ平面内径向的平行度，通过实验验证，可以使得平行度标定精度达到 1.2 μ m/250mm，提高了平行度标定精度、最大限度的减少了平行度标定误差，平行度标定方 法简单可靠，满足了实际应用中的需要。实施例2以第一旋转轴为Z2、第二旋转轴为Zl为例，标定第一旋转轴Z2和直线关节在 XOZ平面内的平行度，参见图10，具体步骤详见下文描述201 调整第一旋转轴Z2与平台8在X-Z平面内的垂直度；为了提高标定的精度在进行标定之前可以对第一旋转轴Z2与平台8在X-Z平面 内的垂直度进行调整，详细描述参见实施例1，在此不再赘述。202 固定第一测长仪10和第二测长仪11，使第一测长仪10和第二测长仪11在
一条直线上；203 通过标准棒9标定第一测长仪10的第一读数Aal和第二测长仪11的第一 读数ΔΜ ；204 固定第二旋转轴Zl ；通过该步骤使得第二旋转轴Zl不能转动。205 直线关节Ti的行程至第一阈值；206 第二测长仪11与直线关节上的触发测头7接触，由触发测头7的触发信 号锁存第二测长仪11的第二读数Δ132 ；207 直线关节Ti围绕第一旋转轴Z2旋转180度；其中，该步骤中的旋转方向可以为顺时针方向旋转或逆时针方向旋转，具体实现 时，本发明实施例对此不做限制，本发明实施例以顺时针方向旋转为例进行说明。208 第一测长仪10与直线关节上的触发测头7接触，由触发测头7的触发信 号锁存第一测长仪11的第二读数；209 通过第一计算公式获取触发测头7在直线关节行程至第一阈值时距离第 一旋转轴Z2的旋转中心的距离Cl1 ；210 将直线关节Ti行程至第二阈值；211 通过直线关节上的光栅尺获取第一阈值和第二阈值之间的距离h ；212 第二测长仪11与直线关节上的触发测头7接触，由触发测头7的触发信 号锁存第二测长仪11的第三读数八b3 ；213 直线关节Ti围绕第一旋转轴Z2旋转180度；
214 第一测长仪10与直线关节Τ 上的触发测头7接触，由触发测头7的触发信 号锁存第一测长仪10的第三读数；215 通过第二计算公式获取触发测头7在直线关节行程至第二阈值时距离第 一旋转轴Z2的旋转中心的距离d2 ；216 通过第三计算公式获取直线关节与第一旋转轴Z2之间在XOZ平面内径向 的平行度。综上所述，通过直线关节在第一阈值位置和第二阈值位置的测量值、触发测头 7在直线关节Z3行程至第二阈值时距离第一旋转轴Z2的旋转中心的距离、触发测头7在 直线关节Z3行程至第一阈值时距离第一旋转轴Z2的旋转中心的距离，计算第一旋转轴 Z2和直线关节在XOZ平面内的平行度，通过实验验证，可以使得平行度标定精度达到 1. 2 μ m/250mm，提高了平行度标定精度、最大限度的减少了平行度标定误差，平行度标定方 法简单可靠，满足了实际应用中的需要。本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例 序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和 原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种平行双关节坐标测量机的旋转轴平行度标定方法，其特征在于，所述方法包括 以下步骤(1)调整第一旋转轴与平台在X-Z平面内的垂直度；(2)固定第一测长仪和第二测长仪，使所述第一测长仪和所述第二测长仪在一条直线上；(3)通过标准棒标定所述第一测长仪的第一读数Aal和所述第二测长仪的第一读数 Abl ；(4)固定第二旋转轴；(5)直线关节的行程至第一阈值；(6)所述第二测长仪与所述直线关节上的触发测头接触，由触发测头的触发信号锁存 所述第二测长仪的第二读数Δ132 ；(7)所述直线关节围绕所述第一旋转轴旋转180度；(8)所述第一测长仪与所述直线关节上的触发测头接触，由所述触发测头的触发信号 锁存所述第一测长仪的第二读数；(9)通过第一计算公式获取触发测头在所述直线关节行程至所述第一阈值时，距离所 述第一旋转轴的旋转中心的距离Cl1 ；(10)将所述直线关节行程至第二阈值；(11)通过所述直线关节上的光栅尺获取所述第一阈值和所述第二阈值之间的距离h；(12)所述第二测长仪与所述直线关节上的触发测头接触，由触发测头的触发信号锁存 所述第二测长仪的第三读数；(13)所述直线关节围绕所述第一旋转轴旋转180度；(14)所述第一测长仪与所述直线关节上的触发测头接触，由触发测头的触发信号锁存 所述第一测长仪的第三读数；(15)通过第二计算公式获取触发测头在所述直线关节行程至所述第二阈值时，距离所 述第一旋转轴的旋转中心的距离d2 ；(16)通过第三计算公式获取所述直线关节与所述第一旋转轴之间在XOZ平面内径向 的平行度。
2.根据权利要求1所述的平行双关节坐标测量机的旋转轴平行度标定方法，其特征在 于，所述第一计算公式具体为Cl1 = L+( Aal-Δ a2) + ( Abl-Δ 1^2)，其中，L 为标准棒的长度。
3.根据权利要求2所述的平行双关节坐标测量机的旋转轴平行度标定方法，其特征在 于，所述第二计算公式具体为d2 = L+(Aal-Aa3) + (Abl-Ab3)，其中，L 为标准棒的长度。
4.根据权利要求3所述的平行双关节坐标测量机的旋转轴平行度标定方法，其特征在 于，所述第三计算公式具体为θ = Ad/h，其中，Ad = Cl2-Cl1 ο
全文摘要
本发明公开了一种平行双关节坐标测量机的旋转轴平行度标定方法，涉及测试技术及仪器领域。本发明借助直线关节可上下移动的特性，采用第一旋转轴旋转180度，通过直线关节在第一阈值位置和第二阈值位置的测量值、触发测头在直线关节行程至第二阈值时距离第一旋转轴的旋转中心的距离、触发测头在直线关节行程至第一阈值时距离第一旋转轴的旋转中心的距离，计算第一旋转轴和直线关节在XOZ平面内径向的平行度，在标定第一旋转轴的同时，固定第二旋转轴，避免第二旋转轴对平行度标定的影响，通过实验验证，可以使得标定精度达到1.2μm/250mm，提高了平行度标定精度、最大限度减少了标定误差，标定方法简单可靠，满足实际应用中的需要。
文档编号G01B5/004GK102072693SQ20101055020
公开日2011年5月25日 申请日期2010年11月18日 优先权日2010年11月18日
发明者张国雄, 李杏华, 裘祖荣, 郭敬滨 申请人:天津大学