关节臂式坐标测量机角度传感器偏心参数辨识

　　1　引　言

　　关节臂式坐标测量机是一种典型的非正交坐标测量系统,仿照人体手臂关节结构,由基座、测量臂、旋转关节通过串联方式连接而成。与传统的三坐标测 量机相比,关节臂式坐标测量机具有体积小、重量轻、便于携带、测量灵活、测量空间大、环境适应性强、成本低等优点[1]。然而,关节臂式坐标测量机的串联 式开链连杆结构决定了其具有误差放大、误差控制与补偿困难等缺点,测量精度较难保证,因此,该类测量机的应用受到较大的限制,目前主要应用于对精度要求相 对较低的产品反求设计和维修等领域。如果能够提高其测量精度,将会极大地提高其应用范围。

　　关节臂式坐标测量机采用角度传感器(通常为圆光栅)测量关节转角,并通过坐标转换求得测头空间三维坐标,角度传感器的测量误差直接影响系统的测 量精度。影响角度传感器测量精度的因素有传感器自身精度、关节轴承的径向与轴向窜动、角度传感器分度盘的轴向安装倾斜度和径向安装偏心等。对于前两个影响 因素可以选用高精度的角度传感器[2]和高精度的轴承来保证,而传感器分度盘的轴向安装倾斜容易通过加工装配工艺保证,且其对于角度传感器的测量误差影响 也较小。因此,影响角度传感器测量误差的主要因素是分度盘的径向安装偏心误差。目前,对于该影响因素的研究集中于安装偏心的调校与修正。张礼松[3]用最 小二乘法对圆光栅偏心进行修正;黄宗升[4]提出了一种用激光陀螺对圆光栅进行标校的方法;郭阳宽[5]阐述了运动偏心对圆光栅副测量的影响。然而,由于 关节臂式坐标测量机的实际使用特点,当使用环境变化、偏心误差漂移、周期性精度调校时都需要对旋转关节偏心情况进行重新标定,对角度测量传感器的角度测量 误差也需要重新修正。为了实现动态、实时的现场标校和修正,本文参考工业机器人的位姿标定方法[6-7],提出一种对关节臂式坐标测量机旋转关节角度测量 传感器的安装偏心参数进行辨识,并对其测量角度进行修正的方法。

　　2　关节臂式坐标测量机坐标变换模型

　　自行设计的关节臂式坐标测量机(以下简称为测量机)结构如图1所示,主要由1个基座、2个测量臂、6个旋转关节和1个测头系统构成,整个测量机共有6个自由度,与6个旋转关节相对应。

　　针对图1所示的测量机,各关节转角和测头坐标之间的关系可表示为:

　　y=f(θ,p) , (1)

　　式中y为测头坐标,θ为关节转角,p为结构参数。结构参数p确定之后,根据关节转角θ和f中定义的方程,即可利用式(1)计算出测头的坐标y。