一种复杂曲面三坐标测量装置及误差补偿方法

摘要

本发明属于三维测量领域，并具体公开了一种复杂曲面三坐标测量装置及误差补偿方法，该复杂曲面三坐标测量装置包括三自由度运动平台和力控测头，力控测头与三自由度运动平台的Z轴同向，用来保持测针与工件表面的恒力接触，并通过六维力传感器采集测针与工件表面的接触力；该方法在测量中实现力控制使测针与工件表面恒力接触，同时测得测针与工件表面的接触力，根据接触力的合力方向判断误差补偿方向，在此方向上补偿测针球头的有效半径，进而获得测针与工件表面实际接触点的坐标。本发明有效提高了复杂曲面的轮廓测量精度，具有测量方便，测量精度高等优点。

说明书

技术领域

本发明属于三维测量领域，更具体地，涉及一种复杂曲面三坐标测量装置及误差补偿方法。

背景技术

三坐标测量机广泛应用于产品生产质量检测和逆向工程，具有通用性强、测量精度高、测量范围大等特点。目前商业化三坐标测量机技术较成熟，测量精度能够满足普通商业用途和研究用途的需求。但是随着工业技术的不断发展，工件的精度要求越来越高，现有的三坐标测量精度已不能满足一些高精密零件的检测需求。典型如航空发动机叶片、汽轮机叶片、燃气轮机叶片等复杂曲面零件，不仅加工和检测精度要求极高，而且工件型面曲率变化较大；另外如汽车车身、高铁车身、风电叶片等大型复杂曲面零件，测量面积大，工件表面曲率变化大，常规的三坐标测量机难以精确测量。

三坐标测量机的测量精度可以从两个方面剖析，一是三自由度运动装置的运动精度，二是测针球头半径误差补偿精度。运动精度主要取决于伺服电机的精度和丝杠滑块的精度，目前国内外知名制造厂商如安川、FANUC、松下、西门子、LenzeAG等已经在这一方面取得巨大成果。测针球头半径补偿是提高三坐标测量精度的主要措施，国内外研究人员对此做了大量研究，主要可以分为两类：一种是根据工件CAD模型信息估计测量点的误差补偿方向，另一种是根据测得的测针球心坐标的几何关系求测量点的误差补偿方向。由于复杂曲面类零件曲率变化大，测针与工件表面的接触方向也随着曲面的起伏而变化，使用上述两种方法并不能精确的估计出测针的实际接触方向，因此也无法准确的计算出真实接触点的近似位置。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种复杂曲面三坐标测量装置及误差补偿方法，其通过设计一与三自由度运动平台配合作用的力控测头，实现复杂曲面的三维测量，并提出了一种测针球头半径误差补偿方法，通过计算实际接触点的接触力方向判断误差补偿方向，对测量过程中的实际接触点进行精确补偿，有效提高了复杂曲面的轮廓测量精度，具有测量方便，测量精度高等优点。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提出了一种复杂曲面三坐标测量装置，包括三自由度运动平台和力控测头，其中：

所述三自由度运动平台用于带动所述力控测头在空间中实现三维运动，其包括直线模组、用于控制直线模组运动的伺服电机以及用于测量直线模组位移量的光栅尺；

所述力控测头与三自由度运动平台的Z轴同向，其包括法兰、六维力传感器和微型光栅尺，其中，所述法兰安装在三自由度运动平台上，所述六维力传感器的一端安装在所述法兰上，另一端连接有支架，该支架上安装有所述微型光栅尺，该微型光栅尺包括光栅和读数头，所述光栅固定在所述支架上，所述读数头安装在所述光栅上，并能在光栅内滑动，该读数头与光栅之间设置有弹簧，此外，所述读数头上还设置有头部为球形的测针，该测针的球形头部在测量时与待测工件的表面保持恒力接触。

作为进一步优选的，所述直线模组包括X轴直线模组、Y轴直线模组和Z轴直线模组，所述X轴直线模组、Y轴直线模组和Z轴直线模组上均装设有用于测量位移量的光栅尺。

作为进一步优选的，测针的球形头部在测量时与待测工件的表面采用如下方式保持恒力接触：根据六维力传感器的测量结果计算测针的球形头部与待测工件的实际接触力，将实际接触力与目标接触力进行比较，当实际接触力大于目标接触力时，使力控测头后退以使测针远离待测工件，当实际接触力小于目标接触力时，则使力控测头前进以使测针靠近待测工件，从而使实际接触力与目标接触力一致，保持测针的球形头部与待测工件的恒力接触。

按照本发明的另一方面，提供了一种复杂曲面三坐标测量装置的基于力反馈信息的误差补偿方法，包括如下步骤：

S1确定工作坐标系O_w到工件坐标系O_c的位置转换矩阵K_p，并获得测针球形头部的球心在工作坐标系中的初值P₀(x₀,y₀,z₀)；

S2控制三自由度运动平台运动使力控测头运动，使测针的球形头部与工件表面接触，并通过调整Z轴直线模组，使测针的球形头部与工件表面保持恒力接触，同时通过光栅尺读取X轴直线模组、Y轴直线模组和Z轴直线模组的位移x_s,y_s,z_s；

S3计算测针球形头部的球心的实时坐标P_t：

P_t(x_t,y_t,z_t)＝P₀(x₀,y₀,z₀)+(x_s,y_s,z_s-δ_s)

其中，δ_s为测针相对于光栅在Z轴方向上产生的位移；

S4计算测针与工件表面的实际接触点P_w在工作坐标系中的坐标：

P_w(x_w,y_w,z_w)＝P_t(x_t,y_t,z_t)+(x_b,y_b,z_b)

其中，(x_b,y_b,z_b)为误差补偿向量的三个分量；

S5对实际接触点P_w进行坐标变化得到其在工件坐标系中的坐标值：

[x_c,y_c,z_c]^T＝K_p[x_w,y_w,z_w]^T

作为进一步优选的，所述误差补偿向量的三个分量(x_b,y_b,z_b)采用如下方式计算：

其中，L表示六维力传感器受力中心S₀到测针球形头部的球心Q₀的距离，f_x,f_y,f_z,m_x,m_y,m_z为六维力传感器测量获得的测针与工件表面接触时的六个力信号。

作为进一步优选的，工作坐标系O_w到工件坐标系O_c的位置转换矩阵K_p采用如下公式确定：

其中，R为工件坐标系相对于工作坐标系的旋转矩阵，T为工件坐标系相对于工作坐标系的平移矩阵。

作为进一步优选的，工件坐标系相对于工作坐标系的平移矩阵T＝[Δx,Δy,Δz]^T，Δx,Δy,Δz分别为工作坐标系中的测针球形头部的球心移到工件坐标系原点的XYZ向的位移量。

作为进一步优选的，工件坐标系相对于工作坐标系的旋转矩阵其中，ψ,θ,分别为工件坐标系XYZ各轴相对于工作坐标系XYZ各轴的旋转角度。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1.本发明研究设计了由三自由度运动平台和力控测头相互配合的三坐标测量装置，并对力控测头的具体结构及布置方式进行了研究与设计，以在三坐标测量中加入了力控制部分，使得测量时测针与工件表面始终保持恒力接触，所测量的数据能真实反映工件表面的轮廓信息。

2.本发明采用六维力传感器采集测针所受的接触力，并通过受力方向估计测针球头半径误差补偿方向，提高了测量精度。

3.本发明在力控测头中加入弹簧及微型光栅尺，能有效减小刚体与刚体直接接触时产生的振动，并可有效测量出测针在与工件表面接触时的微小位移，以进一步保证测量精度。

4.本发明还提出了基于力反馈信息的误差补偿方法，其基于六维力传感器及微型光栅尺测量的数据实现复杂曲面的三维测量，并在测量过程中实现测量数据的实时补偿，大大提高测量的精度。

附图说明

图1是按照本发明的优选实施例所构建的复杂曲面三坐标测量装置控制原理图；

图2是按照本发明的优选实施例所构建的力控测头的结构示意图；

图3是按照本发明的优选实施例所构建的测针球头半径误差补偿示意图；

图4是本发明的力控制原理图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-法兰 2-六维力传感器 3-支架 4-数据接口 5-光栅 6-紧固螺母 7-弹簧 8-读数头 9-测针。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明实施例提供的一种复杂曲面三坐标测量装置包括三自由度运动平台和力控测头，其中：

三自由度运动平台用于带动力控测头在空间中实现三维运动，实现XYZ三向运动，其包括直线模组、伺服电机及光栅尺，其中伺服电机用来精确控制直线模组线性运动，光栅尺用来精确测量直线模组的位移量；

力控测头与三自由度运动平台的Z轴同向，用来保持测针与工件表面的恒力接触，并通过六维力传感器将测针与工件表面的接触力反馈回来。如图2所示，该力控测头包括从左至右依次设置的法兰1、六维力传感器2和微型光栅尺，其中，法兰1安装在三自由度运动平台上，六维力传感器2的一端安装在法兰1上，另一端连接有支架3，该支架3上安装有微型光栅尺，该微型光栅尺包括光栅5和读数头8，光栅5通过紧固螺母6固定在支架3上，读数头8嵌套在光栅5的内部(如图2所示嵌套在光栅5右端内部)，并可以在光栅5内滑动，该读数头8与光栅5之间设置有弹簧7，此外，读数头8的右端还设置有头部为球形的测针9。测量复杂曲面如叶片时，六维力传感器2采集测针9与工件的接触力，将力信号反馈给控制器，采用PID控制算法，使实际接触力跟踪给定恒力值(即目标接触力)，控制原理如图4所示，根据六维力传感器的测量结果计算实际接触力，然后将该实际接触力与目标接触力进行比较，当实际接触力大于目标接触力时，则使力控测头后退，以远离待测工件，即控制量为负，Z向伺服电机后退；当实际接触力小于目标接触力时，则使力控测头前进，以靠近待测工件，即控制量为正，Z向伺服电机前进，通过PID调节，使实际接触力与目标接触力一致，保持测针的球形头部与待测工件的恒力接触，目标接触力可根据实际需要进行限定。

为了避免测针与工件刚性接触时产生较大的抖动，设置了弹簧7用来缓冲振动，提高测量精度。当测针与工件刚性接触时，由于弹簧的设置，测针会回缩，此时读数头8会相对于光栅5产生移动，使弹簧7压缩，而读数头相对于光栅移动的量(即位移量)可通过光栅5上的数据接口4传输给控制器。

进一步的，三自由度运动平台中的直线模组包括X轴直线模组、Y轴直线模组和Z轴直线模组，以实现力控测头的XYZ三向运动，对于X、Y、Z的具体方向可根据实际需要进行限定，例如将X轴直线模组水平布置，可实现左右水平直线运动，将从左到右的水平直线运动的方向定义为X向，Y轴直线模组水平布置，并与X轴直线模组垂直，可实现前后水平直线运动，将从前到后的水平直线运动的方向定义为Y向，Z轴直线模组竖直布置，并与X轴直线模组和Y轴直线模组水平布置垂直，可实现上下竖直直线运动，将从下到上的竖直直线运动的方向定义为Z向。为了实现X轴直线模组、Y轴直线模组和Z轴直线模组各自位移的测量，X轴直线模组、Y轴直线模组和Z轴直线模组上均装设有用于测量位移量的光栅尺。为了实现X轴直线模组、Y轴直线模组和Z轴直线模组各自的运动，X轴直线模组、Y轴直线模组和Z轴直线模组均配备有各自的伺服电机。上述三自由度运动平台为本领域的现有常规结构，在此不赘述。

对于X轴直线模组、Y轴直线模组和Z轴直线模组之间的彼此装配关系及力控测头与直线模组的装配关系可根据实际需要进行限定，只要保证X轴直线模组、Y轴直线模组和Z轴直线模组构成的整体能够带动力控测头实现三维运动(即XYZ三向运动)即可，例如Y轴直线模组安装在X轴直线模组上，Z轴直线模组安装在Y轴直线模组上，力控测头则通过其上的法兰安装在Z轴直线模组上，并与Z轴直线模组同向。以此通过X轴直线模组带动Y轴直线模组和Z轴直线模组及其上的力控测头做X向运动，通过Y轴直线模组带动Z轴直线模组及其上的力控测头做Y向运动，通过Z轴直线模组带动其上的力控测头做Z向运动，从而实现力控测头的XYZ三向调节。

当然三自由度运动平台不限于上述结构，任何可带动力控测头实现三维运动的三维运动机构均适用于本发明，在此不赘述。

本发明还提供了利用所述复杂曲面三坐标测量装置进行测量时的误差补偿方法，该误差补偿方法基于力反馈信息进行，其包括如下步骤：

S1首先，确定三坐标测量装置所在的坐标系，即工作坐标系O_w，以及待测量工件所在的坐标系，即工件坐标系O_c，如前所述，可根据实际需要确定三坐标测量装置中的三自由度运动平台的XYZ向，然后根据实际需要以三坐标测量装置中的一点为工作坐标系的原点，并以三自由度运动平台的XYZ向确定工作坐标系的XYZ轴，以此即可确定出工作坐标系，工作坐标系的确定为现有技术，其可以采用现有的任何坐标系建立方式进行建立，在此不赘述；确定工作坐标系后，再来确定工件坐标系O_c，例如以工件上的一点为工件坐标系O_c的原点，然后根据需要选定三个方向作为工件坐标系的XYZ轴，此为现有技术，在此不赘述；然后根据工作坐标系O_w和工件坐标系O_c确定工作坐标系O_w到工件坐标系O_c的位置转换矩阵K_p，同时获得测针球形头部的球心在工作坐标系中的初值P₀(x₀,y₀,z₀)，由于三坐标测量装置中各部件的位置固定，当确定出工作坐标系O_w后，根据测针球形头部的球心与工作坐标系原点的相对位置即可知道测针球形头部的球心在工作坐标系中的初值P₀(x₀,y₀,z₀)，即测针球形头部的球心在工作坐标系中的坐标值；

其中，工作坐标系O_w到工件坐标系O_c的位置转换矩阵K_p，具体采用如下方式获得：

首先，将工作坐标系中的测针球形头部的球心移到工件坐标系的原点，记录各向的位移量Δx，Δy，Δz，得到工件坐标系相对于工作坐标系的平移矩阵T＝[Δx,Δy,Δz]^T；

然后，计算工件坐标系XYZ各轴相对于工作坐标系XYZ各轴的旋转角度ψ,θ,确定工件坐标系相对于工作坐标系的旋转矩阵R：

则转换矩阵K_p为：

S2控制三自由度运动平台运动使力控测头运动以使测针的球形头部与工件表面接触，此时力控制程序会调整Z轴方向上的直线模组上下调整，使测针与工件表面保持恒力接触，并通过光栅尺读取X轴直线模组、Y轴直线模组和Z轴直线模组的位移x_s,y_s,z_s，即通过光栅尺读取工作坐标系XYZ各轴方向上的位移x_s,y_s,z_s；

S3计算测针球形头部的球心的实时坐标P_t：

为了避免测针与工件表面刚性接触时产生较大的振动，对数据采集产生不利的影响，在测针与光栅之间设置了弹簧，增加了力控制过程中的阻尼，使得力控制更加平稳。因此，当测针与工件表面恒力接触时，测针会产生一个微小的位移δ_s，此时弹簧受力压缩，该位移可直接由微型光栅尺读取。由于测针与三自由度运动平台的Z轴同向设置，因此，该位移δ_s为Z轴方向上的位移。

故测针球形头部的球心的实时坐标P_t可表示为：

P_t(x_t,y_t,z_t)＝P₀(x₀,y₀,z₀)+(x_s,y_s,z_s-δ_s)

S4计算测针与工件表面的实际接触点P_w在工作坐标系中的坐标：

为了得到测针与工件表面的实际接触点，需要对上述测针球心坐标进行补偿。在工作坐标系中，测针与工件表面的接触方向为工件表面上实际接触点P_w位置的法向，P_w点受到的接触力方向也是工件表面的法向，因此认为实际接触点P_w所受接触力的方向即为测针球心坐标的补偿方向。

采用力控测头上的六维力传感器捕获测针与工件表面接触时的六个力信号M_s(f_x,f_y,f_z,m_x,m_y,m_z)，f_x,f_y,f_z,m_x,m_y,m_z分别为力控测头在工作坐标系XYZ方向所受的力和力矩，通过几何关系和受力分析，计算得到实际接触点P_w所受到的接触力F_q(f′_x,f′_y>z>q(f′_x,f′_y,f′_z)的方向即为测针误差补偿向量为便于计算和表达，将误差补偿向量根据几何关系分解为(x_b,y_b,z_b)三个分量，则根据受力关系有如下公式：

其中，L表示六维力传感器受力中心S₀到测针球心Q₀的距离。

因此，(x_b,y_b,z_b)可以表示为力信号M_s的函数

(x_b,y_b,z_b)＝f(M_s)

则，测针与工件表面的实际接触点P_w在工作坐标系中的坐标为

P_w(x_w,y_w,z_w)＝P_t(x_t,y_t,z_t)+(x_b,y_b,z_b)

即：

S5对实际接触点P_w进行坐标变化得到其在工件坐标系中的坐标值(x_c,y_c,z_c)：

[x_c,y_c,z_c]^T＝K_p[x_w,y_w,z_w]^T；

即将实际接触点P_w(x_w,y_w,z_w)转换至工件坐标系中，获得工件坐标系中对应的点P_c(x_c,y_c,z_c)，点P_c的坐标表示为P_c(x_c,y_c,z_c)＝K_p·P_w(x_w,y_w,z_w)，以此即完成了复杂曲面三坐标的测量，并在测量时实现了误差补偿，保证测量的精度。

采用上述方法依次测得复杂曲面上的点(经过补偿后的精确点)，对所有点数据进行三维重构即可生成工件的三维模型。

本发明同时提出基于力反馈信息的误差补偿方法，即在测量中实现力控制使测针与工件表面恒力接触，同时测得测针与工件表面的接触力，根据接触力的合力方向判断误差补偿方向，在此方向上补偿测针球头的有效半径，该方法能有效估计测针与工件表面的实际接触点坐标，提高测量精度。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。