基于虚拟样机的关节式坐标测量机采样仿真布点策略

摘要

本发明公开了一种基于虚拟样机的关节式坐标测量机采样仿真布点策略，其特征是在机械系统动态分析软件中搭建六自由度关节式坐标测量机虚拟样机；在虚拟样机各关节位置处分别添加旋转副，在测头的顶端设置球副，约束测头于采样点，完成单点虚拟样机的搭建；依次选择第一关节到第六关节为驱动关节，按设定的角度步距步进式旋转，带动其他关节转动，使虚拟样机呈现不同的姿态，采集到单点多姿态下六个关节角度，并由此得到圆编码器测量值。借助于已知的六个圆编码器的误差特性和采样点多姿态下圆编码器测量值，可以通过计算获得该点由于测角误差而引起的测量误差，再将分析单点测量误差的方法推广到整个空间，从而使得能够利用足够多的数据样本进行最佳测量区的分析。

说明书

技术领域

本发明涉及一种应用在坐标测量技术领域中的基于虚拟样机的关节式坐标测量机采样仿 真方法及布点策略。

背景技术

关节式坐标测量机为多杆通过旋转关节串联而成的空间开链式串联结构，由于其具有测 量空间开阔、操作简便、便携性、对使用环境无特殊要求、易于实现在线测量等优点，而被 广泛应用于各类几何零件的质量控制、产品的逆向工程、模具制造的计算机辅助检测、产品 加工装配的在线或离线检测等。

六自由度关节式坐标测量机具有各测量臂、各关节、各圆编码器以及测头，各测量臂分 别是第一臂、第二臂和第三臂；各关节分别是第一关节、第二关节、第三关节、第四关节、 第五关节和第六关节；各圆编码器分别是第一圆编码器、第二圆编码器、第三圆编码器、第 四圆编码器、第五圆编码器和第六圆编码器。每一个关节可以绕其自身的轴线转动，每一个 旋转关节对应有一个自由度，装在关节上的圆编码器可以记录关节转动的角度，六个圆编码 器记录的角度和测量机结构参数决定了测量机测头的坐标。

六自由度关节式坐标测量机对空间一测量点测量时可以呈现为不同的姿态。由于测量机 上六个圆编码器的误差特性不一样，测量机以不同姿态测量空间同一确定测量点时，不同测 量姿态对应六个圆编码器的不同测量角度组合，从而对应着六个圆编码器的不同角度误差组 合，导致空间某一确定测量点测量误差随着六个圆编码器的转角位置不同而随机变化，为一 个不确定的变量，其空间三维误差如图1所示，图中P点表示某个测量点的实际位置，黑色 区域Q表示P点测量误差的范围。由于六自由度关节式坐标测量机全部测量点测量误差变化 量的最大值在全测量空间范围内是连续变化的，存在测量点最大误差为最小或较小的最佳测 量区，图2中包含有第一区域1、第二区域2和第三区域3，其中的第一区域1即为最佳测量 区，在最佳测量区进行测量，可以得到高精度的测量结果。

已经公开的论文对最佳测量区进行了理论探讨，在关节式坐标测量机测量空间内进行大 量实验获得数据样本，并通过所建的数学模型计算实现在最佳测量区内测量。研究最佳测量 区仅考虑关节式坐标测量机圆编码器测量误差单独对关节式坐标测量机产生的测量误差的影 响，但在现实中，关节式坐标测量机的测量误差不仅仅包含由圆编码器测量误差所产生的误 差，还包括杆件弹性变形、环境温度和干扰等产生的误差，很难单独分离出测角误差所产生 的误差；且通过实验获取实验样本时，空间布点受标准件限制，同时为了减轻工作量，只能 采用有限的测量姿态，获取有限的采样数据，数据样本不可能足够多。

在已知六自由度关节式坐标测量机上六个圆编码器的误差特性情况下，可以计算出由圆 编码器测量误差产生的测量误差，从而确定一测量点形如图1所示的误差分布，并进一步地 去分析最佳测量区。然而，对于空间的一个采样点，以计算的方式获得多姿态下六个角度值 是难以实现的。

虚拟样机技术是一门新兴技术，通过计算机仿真能很直观表现产品外观、空间关系以及 运动学和动力学的特性，但是，运用虚拟样机模拟测量机在虚拟环境空间中测头固定于一点 进行多姿态运动、并输出各姿态下六个圆编码器角度，以及关于采样点的合理分布策略迄今 未见报道。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种基于虚拟样机的关节式坐标 测量机采样仿真布点策略，在ADAMS-VIEW中建立六自由度关节式坐标测量机模型，通过 给各关节添加运动约束和驱动、限制测头的平移等条件搭建虚拟样机的仿真平台，对关节式 坐标测量机作单点多姿态运动仿真，并在ADAMS-PostProcess中输出各姿态下六个关节的角 度值，用关节的旋转角度仿真圆编码器测量角度。有了这样的角度的组合的数据样本，借助 于已知的六个圆编码器的误差特性，通过计算获得该点由于测角误差而引起的测量误差，再 将分析单点测量误差的方法推广到整个空间，便可以有足够多的数据样本进行最佳测量区的 分析。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明基于虚拟样机的关节式坐标测量机的采样点的平面布置策略，所述关节式坐标测 量机为六自由度关节式坐标测量机，具有各测量臂、各关节、各圆编码器以及测头，所述各 测量臂分别是第一臂、第二臂和第三臂；所述各关节分别是第一关节、第二关节、第三关节、 第四关节、第五关节和第六关节；所述各圆编码器分别是第一圆编码器、第二圆编码器、第 三圆编码器、第四圆编码器、第五圆编码器和第六圆编码器；关节转动的角度由安装在其上 的圆编码器输出获得；其特征是：所述采样点按如下方式进行布置：

步骤1、设置虚拟样机的基本姿态是各圆编码器的角度值均为零，以Δθ为角度步距步进 式旋转第六关节到各不同的位置上，获得n1个采样点A1；

步骤2、设置虚拟样机的基本姿态为各圆编码器的角度值均为零，以Δθ为角度步距步进 式旋转第四关节到各不同的位置上，获得n2个采样点A2，每个采样点A2对应一个采样姿 态A22；随后，虚拟样机分别以每个采样姿态A22为基本姿态，以Δθ为角度步距步进式旋 转第六关节到各不同的位置上，获得n3个采样点A3；

步骤3、设置虚拟样机的基本姿态为各圆编码器的角度值均为零，以Δθ为角度步距步进 式旋转第二关节到各不同的位置上，获得n4个采样点A4，每个采样点A4对应一个采样姿 态A44；随后，虚拟样机分别以每个采样姿态A44为基本姿态，以Δθ为角度步距步进式旋 转第四关节到各不同的位置上，获得n5个采样点A5，每个采样点A5对应一个采样姿态A55； 再后，虚拟样机分别以每个采样姿态A55为基本姿态，以Δθ为角度步距步进式旋转第六关 节到各不同的位置上，获得n6个采样点A6；

则，所述采样点布局中的所有采样点即为采样点A1、A2、A3、A4、A5与A6之和；所 述第六关节、第四关节和第二关节是在同一平面中的旋转，所述采样点A1、A2、A3、A4、 A5和A6是处在同一平面中的采样点；

步骤4、对于所有采样点，利用基于虚拟样机的关节式坐标测量机采样仿真方法得到每 一个采样点的多种姿态的采样数据。

本发明基于虚拟样机的关节式坐标测量机的采样点的平面布置策略的特点也在于：所述 步骤4中的基于虚拟样机的关节式坐标测量机采样仿真方法是单点多姿态采样仿真方法，是 在机械系统动态分析软件中按如下步骤进行：

步骤1、根据六自由度关节式坐标测量机的结构参数搭建六自由度关节式坐标测量机虚 拟样机，在所述虚拟样机的各关节位置处分别添加旋转副，以旋转副带动关节旋转，以关节 的旋转角度仿真圆编码器的测量角度，在测头的顶端设置球副，球副的中心点为设定的采样 点A，完成针对采样点A的单点虚拟样机的搭建；完成搭建时的单点虚拟样机的姿态为初始 姿态，记录初始姿态下的各圆编码器角度值，并记为：初始角度值；

步骤2，将测头利用球副约束在采样点A，按如下方式获得采样数据：

a、依次选择第一关节到第六关节为驱动关节，并分别重复步骤b，获得采样数据；

b、针对驱动关节上所对应的旋转副施加旋转驱动，使驱动关节自旋转关节初始位置起按 设定的角度步距步进式旋转到各不同的角度位置上，驱动关节每个不同的角度位置对应于单 点虚拟样机的一个姿态，记录所述单点虚拟样机的每一个姿态下的各关节相对于自身旋转关 节初始位置的关节旋转角度值；

c、仿真获得单点虚拟样机的每一个姿态下的圆编码器的测量值为圆编码器初始角度值与 关节旋转角度值之和。

本发明基于虚拟样机的关节式坐标测量机的采样点的空间布置策略的特点是：

在360度范围内，以为角度步距步进式旋转第一关节到各不同的位置上，对于第一 关节所在的各不同的位置，利用基于虚拟样机的关节式坐标测量机的采样点的平面布置策略 完成各个不同平面中的采样点的布置，实现采样点在空间的布置。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明基于虚拟样机的关节式坐标测量机的采样点的平面布置策略是在单点多姿态仿 真方法的基础上设计的采样点的平面布点策略，一次性搭建虚拟样机使测头到采样点，同时 确定了各初始角度值，提高了平面内各采样点搭建虚拟样机的效率；在测量空间的一个平面 内均匀采集若干个点后，利用了六自由度关节式坐标测量机的结构特点，通过修改第一关节 角度的方法将一个平面上采集点的测量数据推广到整个空间，不必空间每一采样点均搭建虚 拟样机并进行单点采样仿真，大大地提高了仿真效率；空间采样点数量可通过修改角度步距 而改变。本发明获得大量的数据样本，可为后续的六自由度关节式坐标测量机最佳测量区理 论分析奠定基础。

2、本发明根据六自由度关节式坐标测量机结构参数建立的虚拟样机可以模拟真实的测量 机做单点多姿态测量的情况，并输出不同姿态下各圆编码器测量角度。借助于获得的测量角 度值，可以结合圆编码器的测量误差，再进一步计算出不同姿态下该点的测量误差分布和误 差的最大值，而此误差仅仅由圆编码器测量误差引起，排除掉了杆件弹性变形、环境温度、 干扰等因素造成的影响，且测量机单点多姿态的采样数据的样本数可以通过修改驱动的角度 步距而改变，有效解决了实际测量中测量数据样本数有限的问题。

附图说明

图1为六自由度关节式坐标测量机单点不同姿态下测量误差分布图；

图2为六自由度关节式坐标测量机最佳测量区域示意图；

图3本发明方法中由虚拟样机在yoz平面上所采集的点的分布图；

图4本发明方法中由采集的面上的点所推广的空间的点的分布图；

图5本发明方法中建立的单点虚拟样机初始状态示意图；

图中标号：11第一臂，12第二臂，13第三臂，21第一关节，22第二关节，23第三关节， 24第四关节，25第五关节，26第六关节，31测头。

具体实施方式：

参见图5，本实施例中关节式坐标测量机为六自由度关节式坐标测量机具有各测量臂、 各关节、各圆编码器以及测头，各测量臂分别是第一臂11、第二臂12和第三臂13；各关节 分别是第一关节21、第二关节22、第三关节23、第四关节24、第五关节25和第六关节26； 各圆编码器分别是第一圆编码器、第二圆编码器、第三圆编码器、第四圆编码器、第五圆编 码器和第六圆编码器；关节转动的角度由安装在其上的圆编码器输出获得。

本实施例中基于虚拟样机的关节式坐标测量机采样仿真方法为单点多姿态采样仿真方 法，是在ADAMS-VIEW机械系统动态分析软件的工作界面中按如下步骤进行：

步骤1、根据六自由度关节式坐标测量机的结构参数搭建六自由度关节式坐标测量机虚 拟样机，在虚拟样机的各关节位置处分别添加旋转副，以旋转副带动关节旋转，以关节的旋 转角度仿真圆编码器的测量角度，在测头的顶端设置球副，球副的中心点为设定的采样点A， 完成针对采样点A的单点虚拟样机的搭建；完成搭建时的单点虚拟样机的姿态为初始姿态， 记录初始姿态下的圆编码器角度值，并记为：初始角度值。

步骤2，将测头利用球副约束在采样点A，按如下方式获得采样数据：

a、依次选择第一关节到第六关节为驱动关节，并分别重复步骤b，获得采样数据。

b、针对驱动关节上所对应的旋转副施加旋转驱动，使驱动关节自旋转关节初始位置起按 设定的角度步距步进式旋转到各不同的角度位置上，测头的采样点利用球副约束在采样点A， 驱动关节每个不同的角度位置对应于单点虚拟样机的一个姿态，记录单点虚拟样机的每一个 姿态下的各关节相对于自身旋转关节初始位置的关节旋转角度值，记录关节旋转角度值是利 用仿真软件后处理模块ADAMS-PostProcess完成的。

c、仿真获得单点虚拟样机的每一个姿态下的圆编码器的测量值为圆编码器初始角度值与 关节旋转角度值之和，在仿真软件后处理模块ADAMS-PostProcess完成。

按已有技术中的关节式坐标测量机的测量原理是：关节式坐标测量机由三个臂串联六个 关节组成空间连杆机构，测量机测头的坐标由六个圆编码器测量的角度和测量机结构参数决 定，通过测量方程计算得到。对于标定过的关节式坐标测量机，其结构参数为常数，对空间 一采样点的测量，该点的坐标是其六个圆编码器测量角度的函数。由于圆编码器存在测量误 差，导致关节式坐标测量机产生测量误差。而圆编码器的测量误差可通过标定方法获得误差 数据、通过数据拟合的方法得到其误差特性方程。

关节式坐标测量机有六个自由度，在对采样点测量时测量机可呈任意姿态，并没有限制 它的测量姿态。由于测量机上六个圆编码器的误差特性不一样，测量机以不同姿态测量空间 同一采样点时，不同测量姿态对应六个圆编码器的不同测量角度组合，从而对应着六个圆编 码器的不同角度误差组合，导致该采样点测量误差随着六个圆编码器的测量角度不同而相应 变化。基于关节式坐标测量机圆编码器误差特性，对最佳测量区进行分析，首要的工作是要 确定采样点不同姿态下测量误差的分布。

本实施例在机械系统动态分析软件ADAMS-VIEW搭建六自由度关节式坐标测量机虚拟 样机。对测量空间不同的采样点，虚拟样机初始姿态不同，即各圆编码器测量角度不同，存 在一个初始角度。借助于建立的虚拟样机进行单点采样仿真，利用后处理模块 ADAMS-PostProcessor输出驱动关节每变化一个步距角对应虚拟样机一个姿态下的各关节的旋 转角度值，该姿态下各圆编码器测量值为圆编码器初始角度值与关节旋转角度值之和，这一 处理同样可以在ADAMS-PostProcessor完成。借助于软件ADAMS，建立单点虚拟样机，通过仿 真即可获得采样点不同姿态下六个圆编码器角度组合样本，在MATLAB中编程分别将圆编 码器角度值代入其误差特性方程，计算出对应的测量误差，并进一步计算出带有测量误差的 圆编码器测量值；分别将一姿态下一组带测量误差的圆编码器测量值带入关节式坐标测量机 的测量方程，将计算得到的采样点坐标与该点理论坐标比较，得到该采样点对应姿态下的测 量误差。借助虚拟样机单点采样仿真方法，分别驱动每一个关节以设定的角度步距角步进式 旋转，使得虚拟样机对采样点的采样姿态相比于实验方法，获得的数据样本足够多，且排除 其它误差因素对测量的影响，得到采样点如图1所示的误差分布较为准确。

在基于虚拟样机的关节式坐标测量机单点多姿态采样仿真的基础上，高效快速地获得整 个空间内的测量数据也是问题的关键。在一个平面上布置采样点，最直接的方法是等间距地 纵、横画直线，各交叉点处布置为采样点。对这种平均分割确定的采样点在ADAMS-VIEW 中搭建虚拟样机时，需要不断修改各关节的角度，使测头正好位于该点上；当测头定位于该 采样点上后，还需确定此状态下各圆编码器的初始角度值，这种方式使仿真效率大大降低。

本实施例中基于虚拟样机的关节式坐标测量机的采样点的平面布置策略是：采样点按如 下方式进行布置：

步骤1、设置虚拟样机的基本姿态是各圆编码器的角度值均为零，以Δθ为角度步距步进 式旋转第六关节26到各不同的位置上，获得n1个采样点A1。

步骤2、设置虚拟样机的基本姿态为各圆编码器的角度值均为零，以Δθ为角度步距步进 式旋转第四关节24到各不同的位置上，获得n2个采样点A2，每个采样点A2对应一个采样 姿态A22；随后，虚拟样机分别以每个采样姿态A22为基本姿态，以Δθ为角度步距步进式 旋转第六关节26到各不同的位置上，获得n3个采样点A3。

步骤3、设置虚拟样机的基本姿态为各圆编码器的角度值均为零，以Δθ为角度步距步进 式旋转第二关节22到各不同的位置上，获得n4个采样点A4，每个采样点A4对应一个采样 姿态A44；随后，虚拟样机分别以每个采样姿态A44为基本姿态，以Δθ为角度步距步进式 旋转第四关节24到各不同的位置上，获得n5个采样点A5，每个采样点A5对应一个采样姿 态A55；再后，虚拟样机分别以每个采样姿态A55为基本姿态，以Δθ为角度步距步进式旋 转第六关节26到各不同的位置上，获得n6个采样点A6。

则，采样点布局中的所有采样点即为采样点A1、A2、A3、A4、A5与A6之和；第六关 节26、第四关节24和第二关节22是在同一平面中的旋转，采样点A1、A2、A3、A4、A5 和A6是处在同一平面中的采样点。

步骤4、对于所有采样点，利用本实施例中基于虚拟样机的关节式坐标测量机采样仿真 方法得到每一个采样点的多种姿态的采样数据。

本实施例通过采用逐一有规则改变圆编码器的初始角度建立虚拟样机、测头31对应的点 为确定的采样点的布置方法，其意义在于可以进一步提高建立虚拟样机的效率。

本实施例中基于虚拟样机的关节式坐标测量机的采样点的空间布置策略是：

在360度范围内，以为角度步距步进式旋转第一关节21到各不同的位置上，对于第 一关节21所在的各不同的位置，利用基于虚拟样机的关节式坐标测量机的采样点的平面布置 策略完成各个不同平面中的采样点的布置，实现采样点在空间的布置。

采样点的空间布置策略所用方法是考虑了关节式坐标测量机的结构特点。测量机以一固 定姿态绕z轴旋转360度，测头运动轨迹为一圆，虚拟样机对这个圆上的任意一点进行采集， 得出的大量角度组合与对这个圆上的任意其它一点相比，差别只是第一关节21的角度有所不 同，相差的角度为其中一点绕z轴到另一点的旋转角度。根据这一特性，本实施例利用基于 虚拟样机的关节式坐标测量机的采样点的平面布置策略确定该平面的各采样点，并均利用单 点多姿态采样仿真方法获得每一个采样点多种姿态的采样数据；该平面以为角度步距步 进式旋转第一关节21得到另一新的平面，新平面上采样点相互位置和原平面相同，新平面上 所有采样点的采样数据是在原平面采样点的采样数据的基础上，只对采样数据中的所有的第 一圆编码器角度加上旋转角度其它圆编码器角度不变，这一过程利用MATLAB编程完成。 依此类推，将采样点布置到整个测量空间。该策略的意义在于将面推广到空间，并不需要对 空间的每一点都建立虚拟样机并进行仿真，只需对选定的平面利用平面布置策略布置采样点， 并分别对采样点采用虚拟样机单点采样仿真方法获得采样数据。本发明方法可大大减少计算 的工作量。

按基于虚拟样机的关节式坐标测量机采样点的平面布点策略布置采样点，以yz坐标系第 一象限为例，布置的采样点如图3所示；按基于虚拟样机的关节式坐标测量机采样点的空间 布点策略将yz坐标系第一象限采集的每个点推广空间，采样点空间布置如图4所示。