本發(fā)明涉及坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的溫度補(bǔ)償技術(shù)，特別涉及一種關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的熱形變誤差補(bǔ)償方法。

背景技術(shù)：

關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)是一種多自由度非正交式的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，通常具有6個(gè)自由度。它仿照人體關(guān)節(jié)，由三個(gè)測(cè)量臂和一個(gè)測(cè)頭通過(guò)六個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)串聯(lián)而成。與傳統(tǒng)的正交式三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)相比，關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)具有測(cè)量范圍大、方便靈活、機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。但是，因?yàn)殛P(guān)節(jié)式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)經(jīng)常用在車間等工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，工作環(huán)境溫度差異較大。受環(huán)境溫度的影響，關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)會(huì)發(fā)生熱形變，從而導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果存在誤差。關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)作為精密的坐標(biāo)測(cè)量工具，串聯(lián)結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)誤差起放大作用，因熱形變而導(dǎo)致的誤差是不容忽視的。對(duì)關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)進(jìn)行熱形變誤差的補(bǔ)償，可以有效提高測(cè)量結(jié)果的精度。

近幾年陸續(xù)發(fā)表的一些文獻(xiàn)提出了不同的方法對(duì)關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的熱變誤差進(jìn)行補(bǔ)償：《關(guān)節(jié)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)溫度誤差修正技術(shù)研究》將關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的測(cè)量臂簡(jiǎn)化成細(xì)長(zhǎng)桿件模型，用材料的一維線膨脹系數(shù)對(duì)其熱形變誤差進(jìn)行修正；《關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)熱變形誤差建模及修正研究》對(duì)關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的熱變形誤差進(jìn)行了研究，并基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對(duì)誤差模型進(jìn)行修正；《關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)熱變形誤差及修正》用單隱層帶反向傳播前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立了關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的熱變形誤差模型，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了模型的有效性。研究多集中仿真分析、模型簡(jiǎn)化等方面，對(duì)于整機(jī)的熱形變誤差研究較少。

因此，需要研究一種能夠?qū)﹃P(guān)節(jié)式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)整機(jī)的熱形變誤差進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆椒ā?/p>

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的熱形變誤差補(bǔ)償方法，包括如下步驟：1)建立溫度對(duì)關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)影響的數(shù)學(xué)模型：

其中，Δa_i、Δd_i、Δα_i、Δθ_i、ΔI分別為關(guān)節(jié)長(zhǎng)度、測(cè)量臂長(zhǎng)度、關(guān)節(jié)扭轉(zhuǎn)角、關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角和測(cè)頭長(zhǎng)度的誤差，f_ai(T)、f_di(T)、f_αi(T)、f_I(T)、f_θi(T)為溫度誤差函數(shù)；2)將關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)置于溫度可控的恒溫室中，室溫設(shè)定為15°等待2小時(shí)；3)用關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)對(duì)設(shè)計(jì)的專用標(biāo)定板進(jìn)行測(cè)量，在每個(gè)位置對(duì)專用標(biāo)定板上的指定錐孔進(jìn)行100次測(cè)量，在測(cè)量時(shí)盡量使用多種不同的姿態(tài)；4)調(diào)節(jié)恒溫室的溫度到20°，等待2小時(shí)之后再次對(duì)標(biāo)定板進(jìn)行測(cè)量；5)繼續(xù)升溫，每隔5°進(jìn)行一組測(cè)量實(shí)驗(yàn)，直至溫度升到40°；6)根據(jù)專用標(biāo)定板的標(biāo)稱值計(jì)算出各組數(shù)據(jù)的誤差，用關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)自標(biāo)定的方法標(biāo)定出各個(gè)溫度下的結(jié)構(gòu)參數(shù)。根據(jù)關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)值，分別計(jì)算各個(gè)溫度下的結(jié)構(gòu)參數(shù)誤差，用多項(xiàng)式擬合的方法對(duì)溫度誤差函數(shù)進(jìn)行擬合，得到相應(yīng)的誤差函數(shù)f(T)；7)在恒溫室中分別在不同的溫度梯度下，再次對(duì)標(biāo)定板進(jìn)行測(cè)量，在每個(gè)位置上對(duì)指定錐孔進(jìn)行30次測(cè)量，用上面擬合出的f(T)對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行修正得到各個(gè)溫度下相應(yīng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，用修正后的結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算出修正后的坐標(biāo)值，計(jì)算修正前后關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的測(cè)量結(jié)果誤差，以此對(duì)f(T)的補(bǔ)償效果進(jìn)行驗(yàn)證。

優(yōu)選地，所述誤差函數(shù)模型為：f(T)＝kT³+mT²+nT+b。其中k，m，n，b為待擬合的常數(shù)。

優(yōu)選地，所述步驟7)的溫度梯度為17°、23°、28°、33°和38°。

優(yōu)選地，所述步驟7)的溫度梯度為15°、18°、21°、24°和27°。

優(yōu)選地，所述步驟7)的溫度梯度為15°、18°、23°、30°和37°。

應(yīng)當(dāng)理解，前述大體的描述和后續(xù)詳盡的描述均為示例性說(shuō)明和解釋，并不應(yīng)當(dāng)用作對(duì)本發(fā)明所要求保護(hù)內(nèi)容的限制。

附圖說(shuō)明

參考隨附的附圖，本發(fā)明更多的目的、功能和優(yōu)點(diǎn)將通過(guò)本發(fā)明實(shí)施方式的如下描述得以闡明，其中：

圖1示意性示出關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明所使用的專用標(biāo)定板的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為本發(fā)明的專用標(biāo)定板在使用過(guò)程中的擺放位置示意圖。

具體實(shí)施方式

通過(guò)參考示范性實(shí)施例，本發(fā)明的目的和功能以及用于實(shí)現(xiàn)這些目的和功能的方法將得以闡明。然而，本發(fā)明并不受限于以下所公開的示范性實(shí)施例；可以通過(guò)不同形式來(lái)對(duì)其加以實(shí)現(xiàn)。說(shuō)明書的實(shí)質(zhì)僅僅是幫助相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)人員綜合理解本發(fā)明的具體細(xì)節(jié)。

在下文中，將參考附圖描述本發(fā)明的實(shí)施例。在附圖中，相同的附圖標(biāo)記代表相同或類似的部件，或者相同或類似的步驟。

圖1為關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的示意圖。關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)100包括：基座110，三段測(cè)量臂107、108、109，轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)101、102、103、104、105、106以及測(cè)頭111。在基座110上，由三段測(cè)量臂107、108、109串聯(lián)的六個(gè)可旋轉(zhuǎn)的關(guān)節(jié)101、102、103、104、105、106構(gòu)成空間開鏈結(jié)構(gòu)，該開鏈結(jié)構(gòu)的末端是測(cè)量機(jī)的測(cè)頭111。

將溫度對(duì)關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)造成的熱形變誤差轉(zhuǎn)換成溫度對(duì)關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響。建立數(shù)學(xué)模型如下：

其中，Δa_i、Δd_i、Δα_i、Δθ_i、ΔI分別為關(guān)節(jié)長(zhǎng)度、測(cè)量臂長(zhǎng)度、關(guān)節(jié)扭轉(zhuǎn)角、關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角和測(cè)頭長(zhǎng)度的誤差。f_ai(T)、f_di(T)、f_αi(T)、f_I(T)、f_θi(T)為溫度誤差函數(shù)。

將關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)置于溫度可控的恒溫室中，室溫設(shè)定為15°。等待2個(gè)小時(shí)以上使關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)和室溫達(dá)到熱平衡，用關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)對(duì)設(shè)計(jì)的專用標(biāo)定板進(jìn)行測(cè)量，標(biāo)定板如附圖2所示。為了盡可能覆蓋整個(gè)測(cè)量空間，標(biāo)定板的擺放位置如圖3所示。在每個(gè)位置對(duì)專用標(biāo)定板上的指定錐孔進(jìn)行100次測(cè)量，在測(cè)量時(shí)盡量使用多種不同的姿態(tài)。之后調(diào)節(jié)恒溫室的溫度到20°，等待2小時(shí)之后再次對(duì)標(biāo)定板進(jìn)行測(cè)量。繼續(xù)升溫，每隔5°進(jìn)行一組測(cè)量實(shí)驗(yàn)，直至溫度升到40°。完成實(shí)驗(yàn)后，共得到7組分別對(duì)應(yīng)不同溫度的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。表1為同一個(gè)點(diǎn)在不同溫度下的部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表1 同一個(gè)點(diǎn)在不同溫度下的部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

根據(jù)專用標(biāo)定板的標(biāo)稱值計(jì)算出各組數(shù)據(jù)的誤差，用關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)自標(biāo)定的方法標(biāo)定出各個(gè)溫度下的結(jié)構(gòu)參數(shù)。根據(jù)關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)值，分別計(jì)算各個(gè)溫度下的結(jié)構(gòu)參數(shù)誤差。用多項(xiàng)式擬合的方法對(duì)溫度誤差函數(shù)進(jìn)行擬合，得到相應(yīng)的誤差函數(shù)f(T)。誤差函數(shù)模型為：f(T)＝kT³+mT²+nT+b。其中k，m，n，b為待擬合的常數(shù)。

在恒溫室中分別在17°、23°、28°、33°和38°下，再次對(duì)標(biāo)定板進(jìn)行測(cè)量，在每個(gè)位置上對(duì)指定錐孔進(jìn)行30次測(cè)量。用上面擬合出的f(T)對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行修正得到各個(gè)溫度下相應(yīng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，用修正后的結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算出修正后的坐標(biāo)值。計(jì)算修正前后關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的測(cè)量結(jié)果誤差，以此對(duì)f(T)的補(bǔ)償效果進(jìn)行驗(yàn)證。

在恒溫室中分別在15°、18°、21°、24°和27°下，再次對(duì)標(biāo)定板進(jìn)行測(cè)量，在每個(gè)位置上對(duì)指定錐孔進(jìn)行30次測(cè)量。用上面擬合出的f(T)對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行修正得到各個(gè)溫度下相應(yīng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，用修正后的結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算出修正后的坐標(biāo)值。計(jì)算修正前后關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的測(cè)量結(jié)果誤差，以此對(duì)f(T)的補(bǔ)償效果進(jìn)行驗(yàn)證。

在恒溫室中分別在15°、18°、23°、30°和37°下，再次對(duì)標(biāo)定板進(jìn)行測(cè)量，在每個(gè)位置上對(duì)指定錐孔進(jìn)行30次測(cè)量。用上面擬合出的f(T)對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行修正得到各個(gè)溫度下相應(yīng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，用修正后的結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算出修正后的坐標(biāo)值。計(jì)算修正前后關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的測(cè)量結(jié)果誤差，以此對(duì)f(T)的補(bǔ)償效果進(jìn)行驗(yàn)證。

結(jié)合這里披露的本發(fā)明的說(shuō)明和實(shí)踐，本發(fā)明的其他實(shí)施例對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員都是易于想到和理解的。說(shuō)明和實(shí)施例僅被認(rèn)為是示例性的，本發(fā)明的真正范圍和主旨均由權(quán)利要求所限定。