[发明专利]扫描测头标定方法

摘要

本发明扫描测头标定方法，是基于三维坐标测量系统，针对坐标测量机、精密数控机床、齿轮测量中心等精密测量仪器领域设计的扫描测头的标定模型及实现方法，降低了标定算法对于坐标测量机的定位精度的要求，消除了算法对于测头标定过程中测头滑动带来的影响。本方法对坐标测量机的定位精度没有要求，模型结构简单，实现容易，标定速度快，可以广泛应用于三坐标测量机中的扫描测头标定。

主权项

1.一种扫描测头标定方法，针对坐标测量机、精密数控机床、齿轮测量中心等精密测量仪器领域，通过坐标测量机、精密数控机床、齿轮测量中心等精密仪器组成的测量系统，可以实现扫描测头标定；其特征是：按照正交坐标系的特征，构建扫描测头正交坐标系的5个未知参数的迭代模型，利用最小二乘法迭代计算出使扫描测头标定数据点拟合球的球度误差最小的扫描测头正交坐标系的5个未知参数以及测头半径，从而得到扫描测头测头坐标系即测头半径，最终实现扫描测头的标定；实施方式如下：定义三维扫描测头坐标系∑_p，测头坐标系原点Op是扫描测头处于当前姿态零点即测头没有位移时的测端中心点，坐标轴Xp、Yp、Zp分别与扫描测头对应导轨平行，方向指向计数的正向；定义三坐标测量机的机器坐标系∑_m,坐标轴X_m、Y_m、Z_m分别与三坐标3个运动导轨平行，方向指向标尺计数的正向，坐标系原点为三坐标测量机的机器原点；操作扫描测头在坐标测量机的Z轴方向测量标准球的最高点，根据此点计算出扫描测头标定路径，即绕坐标测量机的X轴在标准球的最大圆上采集2^N个数据点，绕坐标测量机的Y轴在标准球的最大圆上采集2^N个数据点，绕坐标测量机的Z轴在标准球的最大圆上采集2^N个数据点，其中N为整数且N>=3，扫描路径中在避过支撑杆的情况下扫描标准球的经线与纬线；第i个测量点在三坐标测量机的机器坐标系的读数，即测头坐标系原点在三坐标测量机机器坐标系下的坐标为(x_pmi,y_pmi,z_pmi)，第i个测量点在测头坐标系读数为(x_pi,y_pi，z_pi)，根据下式的坐标系变换矩阵将测头坐标系读数与三坐标机器坐标系读数统一在三坐标机器坐标系下；xdiydizdi1=A•xpiypizpi1]]>其中A为测头坐标系到三坐标机器坐标系的变换矩阵，设扫描测头的测头坐标系的X轴向量e_1p为(X_i,X_j,X_k)，Y轴向量e_2p为Z轴向量e_3p为X轴向量与Y轴向量的矢量积，即为扫描测头的测头坐标系中仅有5个未知数X_i,X_j,X_k,Y_j,Y_k，设三坐标测量机的机器坐标系中X轴方向矢量e₁为（1，0，0），Y轴方向矢量e₂为（0，1，0），Z轴方向矢量e₃为（0，0，1）；变换矩阵A为：A=e1·e1pe1·e2pe1·e3pxpmie2·e1pe2·e2pe2·e3pypmie3·e1pe3·e2pe3·e3pzpmi0001]]>矩阵A的初值给定为A=100xpmi010ypmi001zpmi0001]]>对坐标系变换后的测量点数据用最小二乘法来迭代计算A中的5个未知数，使得迭代出的球度误差最小；即：minΣi=1n((xdi-x0)2+(ydi-y0)2+(zdi-z0)2)-R-r)2]]>式中x_di、y_di、z_di为经过坐标系变换后测量点的坐标值，x₀、y₀、z₀为拟合球的球心坐标值，R为标准球的半径，r为测头半径，i为测量点数变量，n为测量点总数；通过最小二乘迭代即可得到扫描测头与三坐标机器坐标系的坐标变换矩阵及测头半径，即完成了扫描测头标定。