空间坐标测量仪器的标定方法转让专利
申请号 : CN202111367247.3
文献号 : CN113790689B
文献日 : 2022-03-08
发明人 : 张和君 , 廖学文 , 陈源 , 常立超
申请人 : 深圳市中图仪器股份有限公司
摘要 :
权利要求 :
1.一种空间坐标测量仪器的标定方法,所述空间坐标测量仪器配置为测量辅助测量装置的空间坐标,所述空间坐标测量仪器包括具有第一旋转轴和基准部的第一旋转装置和设置于所述第一旋转装置并具有第二旋转轴的第二旋转装置,所述第一旋转轴与所述第二旋转轴正交,其特征在于,所述标定方法包括:测量标准杆的实际长度作为第一测长值;将所述空间坐标测量仪器置于承载面的支撑装置,并且所述第一旋转轴与所述承载面垂直;以垂直于所述承载面的方式固定所述标准杆,通过所述空间坐标测量仪器对所述标准杆的长度进行测量以获得第二测长值;以平行于所述承载面的方式固定所述标准杆,通过所述空间坐标测量仪器对所述标准杆的长度进行测量以获得第三测长值;令经过所述第二旋转轴的轴线并平行于所述承载面的虚拟面与所述第一旋转轴的轴线的交点为所述空间坐标测量仪器的中心位置,令所述中心位置与所述基准部的基准面的凹槽状中心之间的距离为基准距离,令所述承载面的平面度偏差小于第一预设值,所述第一测长值和所述第二测长值的差值为第一误差值,若所述第一误差值大于第二预设值,则基于所述第一误差值标定与所述基准距离相匹配的基准距离误差值;令所述第一测长值和所述第三测长值的差值为第二误差值,所述第一旋转轴的轴线和所述第二旋转轴的轴线的线间距为异面误差值,若所述第一误差值大于所述第二预设值或所述第二误差值大于第三预设值,则基于所述第二误差值和所述基准距离误差值标定所述第一旋转轴与所述第二旋转轴的异面误差值。
2.如权利要求1所述的标定方法,其特征在于:所述标准杆包括第一端部和第二端部,通过将所述辅助测量装置依次设置于所述第一端部和第二端部测量所述第一端部的坐标值和所述第二端部的坐标值。
3.如权利要求2所述的标定方法,其特征在于:所述第一端部与所述第二端部到所述中心位置的距离相等。
4.如权利要求2所述的标定方法,其特征在于:通过多次测量所述第一端部和所述第二端部的坐标值获得所述第二测长值的平均值和所述第三测长值的平均值。
5.如权利要求1所述的标定方法,其特征在于:基于所述第一误差值标定所述基准距离误差值,进而利用系统补偿模型对所述空间坐标测量仪器的坐标测量系统进行修正。
6.如权利要求5所述的标定方法,其特征在于:基于所述第二误差值和所述基准距离误差值标定所述异面误差值,进而利用所述系统补偿模型对所述空间坐标测量仪器的坐标测量系统进行修正。
7.如权利要求1所述的标定方法,其特征在于:基于所述第二误差值获得所述基准距离误差值与所述异面误差值的和,并基于所述基准距离误差值获得所述异面误差值。
8.如权利要求1所述的标定方法,其特征在于:所述基准部为所述辅助测量装置的初始放置点,所述空间坐标测量仪器测量所述标准杆的长度之前,将所述辅助测量装置置于所述基准部以对所述空间坐标测量仪器进行初始化。
9.如权利要求1所述的标定方法,其特征在于:以平行于所述承载面的方式固定所述标准杆时,所述标准杆与所述空间坐标测量仪器等高。
10.如权利要求1所述的标定方法,其特征在于:所述标准杆为标准铟瓦尺、标准碳钎维或含激光干涉仪的导轨,所述第一测长值通过双频干涉仪或三坐标测量仪器对所述标准杆进行测量。
说明书 :
空间坐标测量仪器的标定方法
技术领域
背景技术
和结构误差的引入会使仪器的坐标测量系统产生误差,最终影响仪器的综合测量精度。另
外,在仪器的长途搬运过程、测量过程中受到碰撞或者测量环境的气象参数发生较大的变
化时,也会引入上述误差。传统的误差的标定常常需要将坐标测量仪器返回实验室进行标
定,需要复杂的标准仪器对坐标测量仪器进行校准,并且标定方法常常步骤繁琐耗时过多。
行标定,获得多个标定点的观测量,其中观测量包括激光跟踪仪对标定点的水平观测量、天
顶距观测量、边长观测量和长度观测量。通过计算得到标定点观测量的改正数及观测量平
均值的精度;根据标定点的观测量、标定点观测量的改正数以及标定点观测量平均值的精
度对目标点的观测量进行插值改正,获得目标点观测量的改正数;然后将目标点的观测量
与目标点观测量的改正数相加,获得目标点改正后的观测量。
的测量精度。利用上述方法虽然能够提高激光跟踪仪的测量精度,但是需要测量的数据过
多,导致测量的步骤也相应过多并繁琐,测量的过程中会引入较大误差。此外,标定点改正
数的计算过于复杂且繁琐。多个测量误差和计算误差的引入将会对激光跟踪仪的综合测量
精度产生较大影响。
发明内容
和基准部的第一旋转装置和设置于所述第一旋转装置并具有第二旋转轴的第二旋转装置,
所述第一旋转轴与所述第二旋转轴正交,其特征在于,所述标定方法包括:测量标准杆的实
际长度作为第一测长值;将所述空间坐标测量仪器置于位于承载面的支撑装置,并且所述
第一旋转轴与所述承载面垂直;以垂直于所述承载面的方式固定所述标准杆,通过所述空
间坐标测量仪器对所述标准杆的长度进行测量以获得第二测长值;以平行于所述承载面的
方式固定所述标准杆,通过所述空间坐标测量仪器对所述标准杆的长度进行测量以获得第
三测长值;令经过所述第二旋转轴的轴线并平行于所述承载面的虚拟面与所述第一旋转轴
的轴线的交点为所述空间坐标测量仪器的中心位置,令所述中心位置与所述基准部之间的
距离为基准距离,基于所述第一测长值和所述第二测长值标定与所述基准距离相匹配的基
准距离误差值,令所述第一旋转轴的轴线和所述第二旋转轴的轴线的线间距为异面误差
值,基于所述第一测长值、所述第三测长值、以及所述基准距离误差值标定所述第一旋转轴
与所述第二旋转轴的异面误差值。
准杆在平行于承载面的方向上的第三测长值,然后基于第一测长值和第二测长值标定空间
坐标测量仪器的基准距离误差值,并且能够基于第一测长值、第三测长值和基准距离误差
值标定空间坐标测量仪器的异面误差值。在这种情况下,无需返回实验室对坐标测量系统
的误差进行标定,而是在空间坐标测量仪器的测量现场通过简单的测量步骤即可反向标定
空间坐标测量仪器的基准距离误差值和异面误差值,进而利用系统补偿模型对坐标测量系
统进行修正以提高空间坐标测量仪器的综合测量精度,同时也提高了空间坐标测量仪器的
测量效率。
端部的坐标值和所述第二端部的坐标值。在这种情况下,基于第一端部的坐标值和第二端
部的坐标值可以得到标准杆的第二测长值,也即纵向测长值。
量过程中旋转的角度,方便后续误差的标定的计算。
这种情况下,通过测量足够多的数据能够减小空间坐标测量仪器的测量误差进而得到准确
的第二测长值。
差值标定所述基准距离误差值,进而利用系统补偿模型对所述空间坐标测量仪器的坐标测
量系统进行修正。在这种情况下,能够基于第一测长值和第二测长值的差值反向标定基距
误差值,进而能够实时补偿空间坐标测量仪器的测量误差以提高测量精度。
值大于第三预设值,则标定所述异面误差值,进而利用所述系统补偿模型对所述空间坐标
测量仪器的坐标测量系统进行修正。在这种情况下,通过设定一定的误差范围判断空间坐
标测量仪器是否达到测量精度要求,若达不到则可以及时标定异面误差进而提高测量仪器
的测量精度。
差值。在这种情况下,能够通过计算获得异面误差值的具体量值。
量装置置于所述基准部以对所述空间坐标测量仪器进行初始化。在这种情况下,能够使空
间坐标测量仪器的坐标原点初始化。
其他结构误差的干扰,使空间坐标测量仪器的测量精度更精准。
器对所述标准杆进行测量。在这种情况下,基于高精度的精密量具或长度基准尺,再由具备
高精度测量功能的测量仪器对标准杆进行测量,能够使测量结果最接近真实值,即测量的
结果为标准杆的真实值。
附图说明
具体实施方式
寸的比例或者部件的形状等可以与实际的不同。
些步骤或单元,而是可以包括或具有没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备
固有的其它步骤或单元。
应将小标题下的内容仅仅限制在小标题的范围内。
基准部的第一旋转装置和设置于第一旋转装置并具有第二旋转轴的第二旋转装置,第一旋
转轴与第二旋转轴正交。
直;以垂直于所述承载面的方式固定所述标准杆,通过所述空间坐标测量仪器对所述标准
杆的长度进行测量以获得第二测长值;以平行于所述承载面的方式固定所述标准杆,通过
所述空间坐标测量仪器对所述标准杆的长度进行测量以获得第三测长值。在这种情况下,
能够通过测量标准杆的实际长度值作为第一测长值,以及经空间坐标测量仪器测量出的标
准杆在垂直于承载面的方向上的第二测长值和标准杆在平行于承载面的方向上的第三测
长值。
准距离,可以基于第一测长值和第二测长值标定基准距离误差值。在一些示例中,可以令第
一旋转轴的轴线和第二旋转轴的轴线的线间距为异面误差值,可以基于第一测长值、第三
测长值、和基准距离误差值标定第一旋转轴与第二旋转轴的异面误差值。在这种情况下,能
够基于第一测长值和第二测长值标定空间坐标测量仪器的基准距离误差值,并且能够基于
第一测长值、第三测长值和基准距离误差值标定空间坐标测量仪器的异面误差值。
仪,但本发明所涉及的标定方法也可以适用于其他包括两个轴正交的空间坐标测量仪器。
通过本实施方式涉及的标定方法,能够标定出空间坐标测量仪器的结构误差,例如标定出
基准距离误差和异面误差等,进而通过系统补偿模型对空间坐标测量仪器的坐标测量系统
进行修正以提高空间坐标测量仪器的综合测量精度。以下,结合附图,具体说明本实施方式
所涉及的空间坐标测量仪器的标定方法。
器1测量标准杆3(稍后描述)的长度之前,可以将辅助测量装置2置于基准部112以对空间坐
标测量仪器1进行初始化。在这种情况下,能够使空间坐标测量仪器1的坐标原点初始化。在
一些示例中,基准部112放置辅助测量装置2的位置可以是基准距离位置A。
三侧面、第四侧面、第五侧面和第六侧面,其中,第一侧面可以为与第一旋转装置11连接的
侧面,第四侧面可以为基准面。本发明不限于此,基准面也可以通过其他方式与第一旋转装
置11连接,包括但不限于通过机械臂连接、通过支架连接或通过至少一个支柱连接等。
的空间坐标。如图1B所示,在一些示例中,辅助测量装置2可以呈球形结构,其内部可以嵌入
一个空心的角锥棱镜用以反射激光。在这种情况下,空间坐标测量仪器1能够根据入射的激
光与反射的激光获得辅助测量装置2的空间坐标。
部122可以具有第一通孔124,第二支承部123可以具有第二通孔125。
些示例中,可以通过驱动装置(未图示)例如驱动电机驱动第一旋转轴111旋转进而带动第
一旋转装置11旋转。在一些示例中,第一旋转轴111可以安装于第一旋转装置11,第二旋转
轴121可以安装于第二旋转装置12。在一些示例中,第一旋转轴111和第二旋转轴121可以正
交以构成空间坐标测量仪器1的正交轴系统。在这种情况下,基于第一旋转轴111和第二旋
转轴121正交,能够提高空间坐标测量仪器1的测量精度。在一些示例中,第二旋转轴121可
以通过第一通孔124和第二通孔125安装于第一支承部122和第二支承部123之间。
测长值L1。由此,便于后续在测量现场利用标准杆3的第一测长值对空间坐标测量仪器1进
行误差校正。
杆3可以为细长的圆柱状或多边形棱柱体状。
示)或者高精度的长度基准尺(未图示)获得,例如可以通过标准铟瓦尺、标准碳钎维棒或含
激光干涉仪的导轨测量获得,精密量具和高精度的长度基准尺的测量误差可以达到微米级
别。在这种情况下,由于精密量具和长度基准尺对标准杆3的测量误差非常小,因此可以认
为测量的结果就是标准杆3的实际长度值。
碳钎维棒测量标准杆3的实际长度。
以通过双频干涉仪或三坐标测量仪器对标准杆3进行测量以获得第一测长值L1。在这种情
况下,基于高精度的精密量具或长度基准尺,再由具备高精度测量功能的测量仪器对标准
杆3进行测量,能够使测量结果最接近真实值,即测量的结果为标准杆3的真实值。
(未图示)。在一些示例中,支撑装置4之下可以安装有可移动的滑轮或滚轮。由此,能够便于
移动空间坐标测量仪器1。在一些示例中,空间坐标测量仪器1的第一旋转轴111可以与承载
面垂直。在一些示例中,若第一旋转轴111与承载面不垂直,可以通过调节机构(未图示)或
者调节方法对空间坐标测量仪器1进行调节以保持第一旋转轴111与承载面垂直。在这种情
况下,能够提高空间坐标测量仪器1的测量精度。
平。在一些示例中,承载面的平面度偏差可以小于第一预设值。在一些示例中,第一预设值
可以为1微米至10微米。例如,第一预设值可以为1微米、2微米、3微米、4微米、5微米、6微米、
7微米、8微米、9微米或10微米等。在一些示例中,承载面的水平度偏差越小,空间坐标测量
仪器1的测量误差将会越小。
值。在一些示例中,竖直方向可以是垂直于承载面的方向。在另一些示例中,竖直方向可以
是平行于第一旋转轴111的轴线的方向。
杆3以平行于第一旋转轴111的轴线的方式固定于空间坐标测量仪器1的前方。
的正前方。在一些示例中,标准杆3和空间坐标测量仪器1的在水平方向上的距离可以与标
准杆3的长度相关。在一些示例中,固定机构可以是具有固定标准杆3功能的支架。在另一些
示例中,固定机构还可以是其他具有固定功能的装置。在这种情况下,标准杆3可以以垂直
于承载面的姿态被固定于空间坐标测量仪器1的前方。
值。在这种情况下,基于第一端部31的坐标值和第二端部32的坐标值可以得到标准杆3的第
二测长值L2,也即纵向测长值。
间坐标测量仪器1可以基于辅助测量装置2获得第二端部32的坐标值。在一些示例中,当标
准杆3以垂直于承载面的方式固定于空间坐标测量仪器1的前方时,第一端部31的坐标值可
以称为第一坐标值,第二端部32的坐标值可以称为第二坐标值。在这种情况下,基于第一坐
标值和第二坐标值能够获得标准杆3在竖直方向上的测量长度作为第二测长值L2,也即纵
向测长值。
大致相等。优选地,中心位置B可以与标准杆3的中点位置33等高,换言之,中心位置B和标准
杆3的中点位置33的连线可以垂直于标准杆3。在这种情况下,能够便于测量出空间坐标测
量仪器1在测量过程中旋转的角度,方便后续误差的标定的计算。
值。在一些示例中,水平方向可以是平行于承载面的方向。在另一些示例中,水平方向可以
是垂直于第一旋转轴111的轴线的方向。
杆3以垂直于第一旋转轴111的轴线的方式固定于空间坐标测量仪器1的前方。
与空间坐标测量仪器1可以等高。在一些示例中,当以平行于承载面的方式固定标准杆3时,
标准杆3与空间坐标测量仪器1的中心位置B可以等高。在这种情况下,能够排除其他结构误
差的干扰,使空间坐标测量仪器1的测量精度更精准。在一些示例中,在测量第三测长值的
过程中,中心位置B和标准杆3的中点位置33的连线可以垂直于标准杆3。换言之,第一端部
31与第二端部32到空间坐标测量仪器1的中心位置B的距离可以相等。在这种情况下,能够
便于测量出空间坐标测量仪器1在测量过程中旋转的角度,方便后续误差的标定的计算。
的姿态被固定于空间坐标测量仪器1的前方。
下,基于第一端部31的坐标值和第二端部32的坐标值可以得到标准杆3的第三测长值L3,也
即横向测长值。
间坐标测量仪器1可以基于辅助测量装置2获得第二端部32的坐标值。由此,能够基于辅助
测量装置获得第一端部和第二端部的坐标值。
值。在这种情况下,基于第三坐标值和第四坐标值能够获得标准杆3在水平方向上的测量长
度作为第三测长值L3,也即横向测长值。
当标准杆3处于竖直方向时,可以通过多次测量第一坐标值和第二坐标值并基于多个第一
坐标值和多个第二坐标值获得多个第二测长值L2,然后计算多个第二测长值L2的平均值。
在这种情况下,通过测量足够多的数据能够减小空间坐标测量仪器1的测量误差进而得到
准确的第二测长值L2。
三测长值L3的平均值。在这种情况下,通过测量足够多的数据能够得到准确的第三测长值
L3。
长值L2和第三测长值L3的测量误差。
位置B。在一些示例中,第一旋转轴111的轴线可以称为第一轴线1111,第二旋转轴121的轴
线可以称为第二轴线1211,即可以令经过第二轴线1211并平行于承载面的虚拟面Z与第一
轴线1111的交点为空间坐标测量仪器1的中心位置B。
的距离。在一些示例中,基准距离位置A可以是一个凹槽,基准距离L可以是中心位置B与凹
槽中心之间的距离。
从而影响空间坐标测量仪器1的测量误差。因此,需要对与基准距离L相匹配的基准距离误
差值(以下简称基距误差值)定期标定。在这种情况下,通过标定出基距误差值进而能够提
高测量仪器的综合测量精度。
坐标测量仪器1的测量精度,需要标定出基距误差值的具体量值。
L2的测量精度。在一些示例中,基距误差值越大,第二测长值L2的测量误差越大。因此,在空
间坐标测量仪器1对目标点进行测量之前,标定出基距误差值的具体量值对是具有重要意
义的,通过标定的基距误差值的具体量值进而能够提高空间坐标测量仪器1的综合测量精
度。
空间坐标测量仪器1的坐标测量系统进行修正。在这种情况下,能够基于第一测长值L1和第
二测长值L2的差值反向标定基距误差值,进而能够实时补偿空间坐标测量仪器1的测量误
差以提高综合测量精度。在一些示例中,第一误差值也可以称为纵向测长误差值。
米、27微米、28微米、29微米或30微米等。若第一误差值不大于第二预设值,则说明空间坐标
测量仪器1的测量精度在允许的误差范围内,此时可以不标定基距误差值对空间坐标测量
仪器1进行实时补偿。
补偿。由此,能够提高空间坐标测量仪器1的综合测量精度。
空间坐标测量仪器1在竖直方向上的第一旋转角度θ相关。在一些示例中,第一旋转角度θ可
以是空间坐标测量仪器1测量第一坐标值和第二坐标值时,第二旋转轴121从第一端部31到
第二端部32的过程中旋转的角度。在一些示例中,第一旋转角度θ可以是空间坐标测量仪器
1测量第一坐标值和第二坐标值时,第二旋转轴121从第一端部31到标准杆3的中点位置33
的过程中旋转的角度。
预设常数可以为‑3、‑2、‑1、0、1、2或3等。如上所述,则第一预设倍数可以包括‑3sinθ、‑2sin
θ、‑sinθ、sinθ、2sinθ、3sinθ、‑3cosθ、‑2cosθ、‑cosθ、cosθ、2cosθ、3cosθ、‑3θ、‑2θ、‑θ、θ、2θ
或3θ等。在一些示例中,可以根据测量的方法选择第一预设倍数。如图4B所示,在一些示例
中,第一旋转角度θ可以为空间坐标测量仪器1在测量过程中旋转的半角。在一些示例中,第
一旋转角度θ可以为空间坐标测量仪器1在测量过程中旋转的完整的角度。
(1)表示:
有一定的错位量。如上所述,实际中可以令经过第二轴线1211并平行于承载面的虚拟面Z与
第一轴线1111的交点为空间坐标测量仪器1的中心位置B。
δ。在一些示例中,可以令第一旋转轴111和第二旋转轴121的线间距δ为异面误差值。
L3的测量精度。在一些示例中,基距误差值与异面误差值之和越大,第三测长值L3的测量误
差越大。因此,在空间坐标测量仪器1对目标点进行测量之前,标定出异面误差值的具体量
值是具有重要意义的,通过标定的异面误差值进而能够提高空间坐标测量仪器1的综合测
量精度。
测量精度。以下将详细说明如何获得异面误差值。
度,若第一误差值大于第二预设值或第二误差值大于第三预设值,则需要标定异面误差值。
在这种情况下,通过设定一定的误差范围判断空间坐标测量仪器1是否达到测量精度要求,
若达不到则可以及时标定异面误差值进而提高测量仪器的测量精度。
米、27微米、28微米、29微米或30微米等。若第一误差值不大于第二预设值或第二误差值不
大于第三预设值,则说明空间坐标测量仪器1的测量精度在允许的误差范围内,此时可以不
标定基距误差值对空间坐标测量仪器1进行实时补偿。
对空间坐标测量仪器1进行实时补偿。由此,能够提高空间坐标测量仪器1的综合测量精度。
值和异面误差值的和为一次线性关系。
误差值与异面误差值之和乘以第二预设倍数。
的三角函数相关。例如第二预设倍数可以包括sinΦ或Φ等。在一些示例中,第二预设倍数
还可以包括预设常数,例如预设常数可以为‑3、‑2、‑1、0、1、2或3等。如上所述,则第二预设
倍数可以包括‑3sinΦ、‑2sinΦ、‑sinΦ、sinΦ、2sinΦ、3sinΦ、‑3Φ、‑2Φ、‑Φ、Φ、2Φ或
3Φ等。在一些示例中,可以根据测量的方法选择第二预设倍数。如图5B所示,在一些示例
中,第二旋转角度Φ可以为空间坐标测量仪器1在测量过程中旋转的半角。在一些示例中,
第二旋转角度Φ可以为空间坐标测量仪器1在测量过程中旋转的完整的角度。在一些示例
中,第二旋转角度Φ可以与第一旋转角度θ相同。
和异面误差值的关系可以由数学公式(2)表示:
值的具体量值。
得第三测长值L3(步骤S400)、获得基距误差值(步骤S500)、并且获得异面误差值(步骤
S600)。
点位置33的连线可以垂直于标准杆3;然后将辅助测量装置2设置在第一端部31上,空间坐
标测量仪器1基于辅助测量装置2获得第一端部31的坐标值(即第一坐标值);移动辅助测量
装置2将其设置于第二端部32上,空间坐标测量仪器1基于辅助测量装置2获得第二端部32
的坐标值(即第二坐标值)。基于第一坐标值和第二坐标值获得空间坐标测量仪器1的第二
测长值L2(即纵向测长值)。
等高且和标准杆3的中点位置33的连线可以垂直于标准杆3;然后将辅助测量装置2设置在
第一端部31上,空间坐标测量仪器1基于辅助测量装置2获得第一端部31的坐标值(即第三
坐标值);移动辅助测量装置2将其设置于第二端部32上,空间坐标测量仪器1基于辅助测量
装置2获得第二端部32的坐标值(即第四坐标值)。基于第三坐标值和第四坐标值获得空间
坐标测量仪器1的第三测长值L3(即横向测长值)。
位置A之间的距离为基准距离L。在一些示例中,可以基于步骤S100中获得的第一测长值L1
和步骤S300中获得的第二测长值L2的获得第一误差值,然后可以基于数学公式(1)获得基
距误差值。
的第三测长值L3获得第二误差值。在一些示例中,可以基于数学公式(2)获得基距误差值和
异面误差值之和,然后基于步骤S500中获得的基距误差值获得异面误差值。
误差值,通过系统补偿模型对空间坐标测量仪器1的坐标测量系统进行修正以提高空间坐
标测量仪器1的综合测量精度。
根据需要对本发明进行变形和变化,这些变形和变化均落入本发明的范围内。