面向关节式坐标测量机的实时接触力测量方法及装置
技术领域
本发明涉及关节式坐标测量机领域，具体涉及面向关节式坐标测量机的实时接触力测量方法及装置。
背景技术
关节式坐标测量机(AACMM，articulated arm coordinate measuringmachines)，是一种具有多自由度的非正交系坐标测量机，它由测量臂和旋转关节串联构成开链结构，以角度测量基准取代长度测量基准，具有结构简单、体积小、量程大、便于现场使用等优点，被广泛应用于工业生产与科学研究领域。但是由于其串联开链式结构，测量机的误差会被累积并放大，与传统的正交式坐标测量机相比，整体测量精度还存在比较大的差距。为了扩大关节式坐标测量机的应用领域，提高关节式坐标测量机的精度是十分重要的。
当前针对关节式坐标测量机精度提高的手段主要注重测量机的硬件方面，如结构参数的标定、测量位姿与测量区域的择优、温度误差的补偿等方面，这些手段可以比较好得消除测量机存在的系统误差，但不能对因操作者本身带来的随机误差进行较好的控制，如接触力、最佳运动轨迹、稳定的接触方向等。其中，接触力是操作员测量的一个主要参数之一，由于接触测量力的存在，使得坐标测量机测头实际几何形状与理论运动学模型不同，从而导致测量误差。现有的关节式坐标测量机通过定期校准，可以标定结构参数从而提高精度，但在标定和测量过程中通常忽略了接触力这一个因素的影响，也就无法补偿接触力在此过程中带来的标定误差和测量误差。另外，操作者的测量习惯对接触力、测量稳定性、探头方向等测量参数有决定性影响，所以对于同一台关节式坐标测量机，不同的操作员使用会导致最终的测量精度不同。为了降低人为因素对测量精度的影响，保持关节式坐标测量机测量精度，需要对接触测量力误差进行补偿。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出面向关节式坐标测量机的实时接触力测量装置的使用方法，使用三球锥窝定位装置对实时接触力测量装置进行标定，建立测量装置的测量模型，实现对接触测量力误差的补偿。
所述基于关节式坐标测量机的实时接触力测量装置包括关节式坐标测量机、集成力传感器测头和计算机。
所述关节式坐标测量机包括六个关节，每个关节内部有一个圆光栅角度编码器，在末端摆动关节上装有指示灯与蜂鸣报警装置，关节式坐标测量机通过线缆与计算机相连。
所述集成力传感器测头包括测头螺纹连接件、三维力传感器、连接底板和测针。三维力传感器的上端与测头螺纹连接件固定连接，下端与连接底板固定连接，连接底板的中心处开有螺纹孔，用于固定安装测针。集成力传感器测头与关节式坐标测量机的末端固定连接。
所述计算机包含三维力传感器信号采集器和圆光栅角度编码采集卡。
作为优选，关节式坐标测量机选用海克康斯RA-7125。
作为优选，三维力传感器的量程为0～10N。
面向关节式坐标测量机的实时接触力测量装置的使用方法，具体包括以下步骤：
步骤一、开启基于关节式坐标测量机的实时接触力测量装置，在稳定的温度下运行一段时间，完成开机预热。
作为优选，在开机预热前，实时接触力测量装置放置在同一温度场内不少于4小时，开机预热的过程不少于0.5小时，环境温度变化不超过1.0℃/h。
步骤二、将J个三球锥窝定位装置固定在实时接触力测量装置的测量空间内。
所述三球锥窝定位装置包括三球锥窝轴与标定座，其中三球锥窝轴上端面设置有呈正三角形排布的三个球体，三球锥窝轴固定安装在标定座上，标定座上沿周向均布四个沉头螺纹孔，用于固定三球锥窝定位装置。
步骤三、操作预热后的实时接触力测量装置，将集成力传感器测头放置在三球锥窝定位装置的三球锥窝轴内，以不同的姿态和不同的接触力对每一个位置进行N次采样，记录每次采样时集成力传感器测头读取的接触力fi＝(fx,fy,fz)，以及圆光栅角度编码器的读数值Θ＝(θ1,θ2,θ3,θ4,θ5,θ6)；fx,fy,fz分别表示x轴、y轴和z轴方向的接触力，θ1～θ6分别表示6个圆光栅角度编码器的读数值。
步骤四、为了补偿接触测量力误差，在D-H(Denavit-Hartenberg)模型的基础上集成测针变形模型，构建如下的实时接触力测量装置的理论数学模型
其中，为集成力传感器测头相对于基座坐标系的数学模型，A1～A6分别为相邻坐标系的齐次变换矩阵，A7为集成力传感器测头相对于A6的坐标转换矩阵；C为角度修正矩阵，ΔAx为测针受力形变在x方向的位移矩阵，ΔAy为测针受力形变在y方向的位移矩阵，ΔAz为测针受力形变在z方向的位移矩阵。
根据模型(1)得到集成力传感器测头的实际坐标(x，y，z)为：
x＝Fx(P,Q)
y＝Fy(P,Q)
z＝Fz(P,Q) (2)
其中，P为由31个实时接触力测量装置的运动学参数组成的运动学参数集，
P＝(θ0,1,θ0,2,θ0,3,θ0,4,θ0,5,θ0,6,α1,α2,α3,α4,α5,α6,a1,a2,a3,a4,a5,a6,d1,d2,d3,d4,d5,d6,l,δ,k1,b1,k2,b2,k3)
其中θ0,i为关节零位偏差、di为连杆长度、ai关节长度、αi关节扭角，i＝1,2,...6。Q＝(θ1,θ2,θ3,θ4,θ5,θ6,fx,fy,fz)为集成力传感器测头读取的接触力数值和以及圆光栅角度编码器的读数值组成的自变量。
步骤五、使用智能算法辨识实时接触力测量装置的结构参数，标定运动学参数集P中的参数。具体包括：
步骤5.1、确定目标函数
计算对第j个三球锥窝定位装置进行N次测量采样结果在x轴、y轴、z轴三个方向上的方差和：
其中，(xn，yn，zn)为第n次测量的集成力传感器测头的实际坐标，为N次测量结果的平均值，作为精确坐标结果。
建立如下目标函数：
步骤5.2、剔除运动学参数集P中冗余的线性相关参数关节扭角α6和关节转角θ0,6，以及无关参数关节转角θ0,1和连杆长度d1。
步骤5.3、代入步骤三采集得到的数据，利用智能算法对实时接触力测量装置的结构参数进行辨识。将辨识后的运动学参数集输入到实时接触力测量装置的理论数学模型中，完成装置的标定。
作为优选，选用的智能算法为遗传算法、粒子群算法或差分进化算法。
步骤六、根据步骤5.3标定后的理论数学模型得到实时接触力测量装置在x轴、y轴、z轴三个方向上的测量范围[-tx,tx],[-ty,ty],[-tz,tz]，使用实时接触力测量装置进行测量，集成力传感器测头将采集到的接触测量力数据传输到计算中，判断是否超出测量范围，当超出范围时，指示灯闪烁并且蜂鸣报警装置鸣音报警。
步骤七、计算操作标准程度。
定义参数QF：
QF＝ErrorDH/ErrorF-DH (5)
其中，ErrorDH和ErrorF-DH分别表示一次测量结果通过Denavit-Hartenberg模型和模型计算得到的几何误差；当QF的绝对值越接近1，表示本次的测量操作越标准，相反，QF的绝对值越偏离1，表示本次的测量操作越不标准。
现有技术中，没有标注对操作员的测量过程进行指导，每个操作员都遵循自己的测量标准和策略，通过计算一个操作员多次测量的操作标准程度，若该测量操作员的平均QF值较为接近1，则说明该名测量操作员的操作过程标准，测量技术水平较高，反之，该说明该操作员的操作过程存在不标准行为，需要进行培训，提高测量技术。
本发明具有以下有益效果：
1、将测针变形模型集成到运动学模型中，将原先关节式坐标测量机25项误差参数扩展为31项误差参数，可以代入接触测量力数据，修改点的坐标，实现接触测量力误差补偿，减少人为因素对关节式坐标测量机精度的影响，保持关节式坐标测量机精度。
2、上述集成测力模块的关节式坐标测量机可以实现对于操作员测量技术评价，用测量接触力去评价测量操作员测量技术水平，也可以作为一种操作员的培训工具，规范操作员的测量，从提高测量操作员探测技术，从而降低人为因素对关节式坐标测量机精度的影响。
3、可以一次标定完成关节式坐标测量机的结构参数标定与测头挠度参数标定，无需单独辨识测头挠度参数去补偿接触测量力误差，减少了标定工作量且操作简便。
4、末端关节处安装有指示灯与蜂鸣报警装置，使得操作员测量时都能得到反馈，避免粗大误差的出现，减少人为因素的影响。
附图说明
图1是实施例中测量装置的整体结构示意图；
图2是实施例中关节式坐标测量机结构示意图；
图3是实施例中集成力传感器测头结构立体图；
图4是实施例中三球锥窝定位装置的放置位置；
图5是实施例中三球锥窝定位装置的结构立体图；
图6是为测针受力弯曲变形示意图；
图7是实施例中智能算法辨识参数示意流程图；
图8是实施例中模型接触测量力误差补偿前后对比图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步的解释说明；
如图1所示，面向关节式坐标测量机的实时接触力测量装置包括关节式坐标测量机1、集成力传感器测头2和计算机4。
如图2所示，关节式坐标测量机选用海克康斯RA-7125，包括基座1-1、三个回转关节1-2、1-4、1-6和三个摆动关节1-3、1-5、1-7，以及六个关节内部的圆光栅角度编码器1-10。从基座1-1开始，三个回转关节1-2、1-4、1-6和三个摆动关节1-3、1-5、1-7串联构成空间开链结构。在末端摆动关节1-7上装有指示灯1-8与蜂鸣报警装置1-9，用于反馈关节式坐标测量机工作状态。关节式坐标测量机1通过线缆与计算机4相连。计算机4包含三维力传感器信号采集器和圆光栅角度编码采集卡。
如图3所示，集成力传感器测头2包括测头螺纹连接件2-1、三维力传感器2-2、连接底板2-3和测针2-4。三维力传感器2-2的上端与测头螺纹连接件2-1固定连接，下端与连接底板2-3固定连接，连接底板2-3的中心处开有螺纹孔，用于固定安装测针2-4。集成力传感器测头2与关节式坐标测量机1的末端固定连接。三维力传感器2-2的量程选择与关节式坐标测量机1的测量半径有关，测量半径越大，相应的配合使用的三维力传感器2-2量程也应该更大。本实施例中，三维力传感器2-2的量程为0～10N。
面向关节式坐标测量机的实时接触力测量装置的使用方法，具体包括以下步骤：
步骤一、将基于关节式坐标测量机的实时接触力测量装置置于同一温度场内4小时，然后在温度变化不超过1.0℃/h下运行0.5h，完成开机预热。
步骤二、为了使关节式坐标测量机1的所有圆光栅角度编码器可以达到最大转向，需要将三球锥窝定位装置3放置在关节式坐标测量机1基座固定平面内的至少三个位置，三个位置在360°范围内均匀分布，因此，将3个三球锥窝定位装置固定在如图4所示的位置上，其中3个三球锥窝定位装置3距离关节式坐标测量机1的距离分别为20％R、60％R、80％R，R为关节式坐标测量机的测量半径。
如图5所示，三球锥窝定位装置3包括三球锥窝轴3-1与标定座3-2，其中三球锥窝轴3-1上端面设置有呈正三角形排布的三个球体，三球锥窝轴3-1通过螺栓固定安装在标定座3-2上，标定座3-2上沿周向均布四个沉头螺纹3-3孔，用于固定三球锥窝定位装置3。使用三球锥窝定位装置3作为标定件，为集成力传感器测头2添加物理约束，使得测量过程中关节式坐标测量机1的姿态不断发生变化，而集成力传感器测头2的测针2-4始终能保持于一点。
步骤三、操作预热后的实时接触力测量装置，将集成力传感器测头2放置在三球锥窝定位装置3的三球锥窝轴3-1内，以不同的姿态和不同的接触力对每一个位置进行50次采样，采集数据过程中要尽量增大各个关节的角度信息采集，所采集的接触力要覆盖常用的接触测量力大小范围，记录下各个方向的接触力采样范围[-tx,tx],[-ty,ty],[-tz,tz]。记录每次采样时集成力传感器测头2读取的接触力fi＝(fx,fy,fz)，以及圆光栅角度编码器的读数值Θ＝(θ1,θ2,θ3,θ4,θ5,θ6)；fx,fy,fz分别表示x轴、y轴和z轴方向的接触力，θ1～θ6分别表示6个圆光栅角度编码器的读数值。
步骤四、基于D-H(Denavit-Hartenberg)模型，建立关节式坐标测量机末端测头相对于基座坐标系的数学模型：
其中，其中θ0,i为关节零位偏差、di为连杆长度、ai关节长度、αi关节扭角，i＝1,2,...6。
如图6所示，在关节式坐标测量机使用过程中，由于接触操作力的施加，会导致测针发生形变，使得实际坐标点偏离运动学模型计算点。为了补偿接触测量力误差，在D-H(Denavit-Hartenberg)模型的基础上集成测针变形模型，构建如下的实时接触力测量装置的理论数学模型
其中，δ,k1,b1,k2,b2,k3为引入测针变形模型后新增加的关节式坐标测量机运动学参数，δ为安装偏角，用于补偿三维力传感器力坐标系与第6关节坐标系的安装偏差。b1,b2分别为测针在x轴、y轴方向上的初始偏摆。k1,k2,k3分别为x轴、y轴方向上的挠度变形系数和z方向上的压缩变形系数：
其中，L为测针的有效长度，D为测针的直径，E为测针的弹性模量，M为测针截面的惯性力矩。
步骤五、由于机械加工误差、装配误差等导致测量机实际的运动学参数与理论设计值产生偏差，从而影响关节式坐标测量机精度。而关节式坐标测量机实际运动学参数和理论运动学参数存在偏差，使得测量机每次以不同的姿态测量同一个点时，计算得到的点坐标是不同的。为提高测量机的测量精度，需要算法辨识得到较为准确的结构参数，以确保关节式坐标测量机测量精度在设计精度范围内，使用全局搜索能力强且搜索速度快的差分进化-单纯形智能算法辨识实时接触力测量装置的结构参数，标定运动学参数集P中的参数。具体包括：
步骤5.1、对于关节式坐标测量机而言，在x轴、y轴、z轴三个方向上的测量精度重要性一致。因此计算测量结果在x,y,z三个方向上的方差和作为目标函数。
首先计算对第j个三球锥窝定位装置进行50次测量采样结果在x轴、y轴、z轴三个方向上的方差和：
其中，N＝50，(xn，yn，zn)为第n次测量的集成力传感器测头的实际坐标，为N次测量结果的平均值，作为精确坐标结果。
建立如下目标函数：
步骤5.2、在关节式坐标测量机得待标定31个参数中，算法无法准确辨识一些线性相关参数。在参数辨识前需要剔除这些冗余的线性相关参数。由于连杆长度d6和关节扭角α6线性相关，关节长度a6和关节转角θ0,6线性相关，因此将不对关节扭角α6和关节转角θ0,6进行辨识。另外关节转角θ0,1，连杆长度d1的误差不影响测量机精度，因此也不对这两个无关参数进行辨识[1]。故最终待辨识的结构参数为
Pactual＝(θ0,2,θ0,3,θ0,4,θ0,5,α1,α2,α3,α4,α5,a1,a2,a3,a4,a5,a6,d2,d3,d4,d5,d6,l,δ,k1,b1,k2,b2,k3)，
步骤5.3、如图7所示，代入步骤三采集得到的数据，利用智能算法在合适的待辨识参数搜索范围内，找到一个使得目标函数最小的结构参数输出。将辨识后运动学参数集输入到实时接触力测量装置的理论数学模型中，完成装置的标定。
步骤六、根据步骤5.3标定后的理论数学模型得到实时接触力测量装置在x轴、y轴、z轴三个方向上的测量范围[-tx,tx],[-ty,ty],[-tz,tz]，使用实时接触力测量装置进行测量，集成力传感器测头2将采集到的接触测量力数据传输到计算机4中，判断是否超出测量范围，当超出范围时，指示灯1-8闪烁并且蜂鸣报警装置1-9鸣音报警。
步骤七、为了实现对于操作员操作过程标准程度的计算，从而实现测量技术的评价，从AACMM的测量结果出发，提出一种新的参数来计算操作过程的标准程度。
定义参数QF：
QF＝ErrorDH/ErrorF-DH (6)
其中，ErrorDH和ErrorF-DH分别表示一次测量结果通过Denavit-Hartenberg模型和模型计算得到的几何误差；
假设一固定杆件，在经过三坐标测量机(测量精度比现有关节式坐标测量机的测量精度高一个数量级)定标后的长度为Lcal。用上述装置测量该杆件两端点，代入此次测量的两组角度编码器值Θ＝(θ1,θ2,θ3,θ4,θ5,θ6)，使用D-H模型与两点距离公式计算得到长度LDH，代入此次测量的两组角度编码器值和测量力数值Q＝(θ1,θ2,θ3,θ4,θ5,θ6,fx,fy,fz)，使用模型和两点距离公式计算得到长度LF-DH。则此次测量的QF值为：
从公式定义出发，QF的绝对值越接近1，表示此次测量过程中因接触力造成的误差较小，也就反映着该次测量操作越标准，测量质量较高，QF的绝对值越偏离1，则表示此次测量过程中因为接触力造成的误差较大，也就反映着此次测量过程中存在不标准操作，测量质量较低。在一名测量操作员的多次测量中，如果QF的平均绝对值较为接近1，则说明该名测量操作员在测量过程中的操作比较标准，技术水平较高，反之，则说明该操作员在测量过程中存在不标准操作，需要进行培训，提高测量技术。
基于上述使用方法，可以实现对于AACMM测量操作员测量技术的评价，或作为一种培训工具，规范测量操作员测量技术，提高测量操作员熟练度。
本实施例对接触测量力误差补偿前后对比如图8所示。结果表明，基于本实施例的测量装置与方法有效改善了接触测量力对关节式坐标测量机精度的影响。
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