微型五坐標(biāo)測量機(jī)激光測頭 安裝誤差的標(biāo)定_第1頁
微型五坐標(biāo)測量機(jī)激光測頭 安裝誤差的標(biāo)定_第2頁
微型五坐標(biāo)測量機(jī)激光測頭 安裝誤差的標(biāo)定_第3頁
微型五坐標(biāo)測量機(jī)激光測頭 安裝誤差的標(biāo)定_第4頁
微型五坐標(biāo)測量機(jī)激光測頭 安裝誤差的標(biāo)定_第5頁
已閱讀5頁,還剩12頁未讀 繼續(xù)免費(fèi)閱讀

下載本文檔

版權(quán)說明:本文檔由用戶提供并上傳,收益歸屬內(nèi)容提供方,若內(nèi)容存在侵權(quán),請進(jìn)行舉報或認(rèn)領(lǐng)

文檔簡介

1、第45 卷 第5期 西 安 交 通 大 學(xué) 學(xué) 報 Vol.45 No.5 2011 年5 月 JOURNAL OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY Mar. 2011DOI:微型五坐標(biāo)測量機(jī)激光測頭安裝誤差的標(biāo)定費(fèi)致根1,2, 郭俊杰1, 馬小軍3, 高黨忠3(1.西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室,710049,西安;2. 鄭州輕工業(yè)學(xué)院機(jī)電學(xué)院測控教研室, 450002,鄭州;3.中國工程物理研究院激光聚變研究中心, 621900,四川綿陽摘要:針對所研發(fā)的非接觸式五坐標(biāo)測量機(jī)激光測頭安裝位置誤差較大且不易調(diào)整的缺點,建立了該五坐標(biāo)測量機(jī)激光測頭安裝誤差的數(shù)學(xué)模

2、型。選取激光測頭在幾個不同的姿態(tài)下,通過測量實物基準(zhǔn)的空間位置,給出了誤差模型待標(biāo)定參數(shù)的無約束最優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)的外點法懲罰函數(shù)形式。提出了一種改進(jìn)的遺傳算法,通過計算個體之間的歐氏距離,剔除掉那些相似的個體,從而有效避免了遺傳算法易早熟的問題,完成了對誤差模型的求解。實驗結(jié)果表明,所建立的激光測頭安裝誤差模型,不但適用于掃描測頭,對觸發(fā)測頭也同樣適用,把該機(jī)的空間測量精度從(11.82/1000L m +提高到了(1.96/1000L m +。關(guān)鍵詞:五坐標(biāo)測量機(jī);激光測頭標(biāo)定;誤差模型;改進(jìn)遺傳算法中圖分類號:TH72 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號:0253-987X (201105-0000-

3、00The Installation Error Calibration of Laser Probe for MiniatureFive-Coordinate Measuring MachineFEI Zhigen 1,2,GUO Junjie 1,MA Xiaojun 3,GAO Dangzhong 3(1. State Key Laboratory for Manufacturing Systems Engineering, Xian Jiaotong University, Xian 710049, China; 2. Mechanical & Electrical Engineeri

4、ng Department Zhengzhou University of Light Industry, Zhengzhou 45002, China; 3. Research Center of LaserFusion, CAEP, Mianyang ,Sichuan 621900, ChinaAbstract: According to the practical measuring requirement, a non-contact five-coordinate measuring machine is exploited and built. Aiming at the fact

5、 that the installation error of laser probe is large and difficult to be adjusted, the installation error model of this machine is established. Meanwhile, the unconstrained optimization objective function of error model is derived by measuring the spatial location of physical standard under several

6、specific postures of laser probe. An improved genetic algorithm is introduced to solve the unknown optimal parameters. The calculation of euclidean distance is used to evaluate the similarity between each individual. Those individuals between which similarity is greater than a given threshold will b

7、e eliminated from the population, therefore avoiding the occurrence of prematurity for genetic algorithm. The experiments illustrate that the established error model is applicable for the scanning probe, as well as the touch-trigger probe. Meanwhile, the spatial measuring precision of this machine i

8、s enhanced from (11.82/1000L m +to (1.96/1000L m +.Keywords: five-coordinate measuring machine; calibration of laser probe; error model; improvedgenetic algorithm近幾十年,坐標(biāo)測量機(jī)取得了快速的發(fā)展。目前,坐標(biāo)測量機(jī)已廣泛應(yīng)用于機(jī)械加工、汽車工業(yè)、電子行業(yè)、航空工業(yè)以及國防工業(yè)等各個行業(yè)。傳統(tǒng)的接觸式坐標(biāo)測量機(jī)由于受自身限制,無法滿足那些質(zhì)軟、易變形工件的測量要求,因此,目前坐標(biāo)測量機(jī)正朝著智能化、非接觸式、非正交化、高精度的方向發(fā)展

9、1。當(dāng)通用的一維激光測頭用于坐標(biāo)測量機(jī)時,通常采用專用夾具定位,但很難精確地安裝、調(diào)整測頭位置。文獻(xiàn)2提出了一種利用位置敏感探測器(PSD來調(diào)整激光測頭的光軸位置,通過標(biāo)定激光光斑位置與PSD 輸出電壓的關(guān)系,反復(fù)調(diào)整夾具上的調(diào)整螺釘來實現(xiàn)測頭安裝位置的調(diào)整。但該方法存在調(diào)整精度不高、且無法精確分離出測頭的安裝偏心量與傾斜量等不足。文獻(xiàn)3提出了安裝在PH10回轉(zhuǎn)體上的一維激光測頭的安裝誤差數(shù)學(xué)模型,但保證該模型求解精度的前提是需要保證PH10回轉(zhuǎn)體的回轉(zhuǎn)精度。 求解激光測頭安裝誤差模型中的未知參數(shù),可以轉(zhuǎn)化為求解含有多個未知參量的非線性最優(yōu)化問y2 西 安 交 通 大 學(xué) 學(xué) 報 第45 卷題

10、。遺傳算法模仿生物界的進(jìn)化機(jī)制以及適者生存的原則,能夠在搜索過程中自動獲取和積累有關(guān)搜索空間的知識,通過對搜索空間中的個體解進(jìn)行選擇、交叉、變異操作,并自適應(yīng)的控制搜索過程以得到全局的最優(yōu)解。相比起其它的優(yōu)化算法有其自身獨特的優(yōu)越性,是目前處理優(yōu)化問題的一種有效方法4-6。針對其易出現(xiàn)早熟現(xiàn)象的不足,本文給出了一種改進(jìn)遺傳算法,引入了個體之間歐氏距離的計算,在每一代的群體中以適應(yīng)度最高的個體為模板,剔除與其的歐氏距離小于給定閾值的個體,這樣可以保證群體的多樣性,有效避免了早熟現(xiàn)象的出現(xiàn)。1 非接觸式五坐標(biāo)測量機(jī)介紹根據(jù)實際工程的測量需要,研發(fā)了一臺非接觸五坐標(biāo)測量機(jī)。結(jié)構(gòu)如圖1所示。X 、Y

11、、Z 軸的行程為20016060mm mm mm ,A 軸行程為105 ,B 軸的為90。系統(tǒng)主體采用基座、立柱、懸臂梁結(jié)構(gòu),激光測頭位于橫梁末端,可沿立柱導(dǎo)軌做z 方向的上下運(yùn)動,同時可以繞A 、B 軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。工件位于工作臺上,可沿x 、y 方向?qū)к壴谒椒较蜻\(yùn)動。 各軸均采用帶有細(xì)分功能的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動。控制系統(tǒng)采用分布式的閉環(huán)控制模式?;⒘⒅捎眯阅芊€(wěn)定的大理石材料。2 激光測頭安裝誤差建模精度,配合A 軸105、B 軸90的測量行程,可以實現(xiàn)從空間不同方向?qū)ぜ嵤y量,極大地增加了探測的柔性。該五坐標(biāo)測量機(jī)的設(shè)計測量零位要求激光測頭的光軸與Z 軸平行。激光測頭通過專用夾具實現(xiàn)

12、裝夾、定位。由于安裝、裝配誤差的存在,很難保證激光測頭光軸與Z 軸的平行,從而將會產(chǎn)生較大的測量誤差。因此,本文建立了一個誤差模型來標(biāo)定激光測頭安裝的實際空間位置,通過求解該誤差模型參數(shù),實現(xiàn)了該五坐標(biāo)測量機(jī)真正意義上的高精度測量。 為了建立激光測頭安裝的誤差模型,首先需要建立四個坐標(biāo)系,如圖2所示。1 測量機(jī)基準(zhǔn)坐標(biāo)系0000O X Y Z 。坐標(biāo)原點坐標(biāo)測量機(jī)的原點,測量過程中不隨各軸的運(yùn)動而發(fā)生改變,坐標(biāo)軸方向與坐標(biāo)測量機(jī)的x 、y 、z 軸方向保持一致,且符合右手定則。2 測量機(jī)移動坐標(biāo)系1111O X Y Z 。坐標(biāo)原點1O 為B 軸中心線與A 軸中心線所在水平面的交點,且不隨各個軸

13、的運(yùn)動而發(fā)生改變,坐標(biāo)軸11Y Z X 1、的方向與坐標(biāo)測量機(jī)的X Y Z 、軸保持一致。3 基于回轉(zhuǎn)軸B 軸的坐標(biāo)系2222O X Y Z 。坐標(biāo)原點2O 同坐標(biāo)原點1O ,坐標(biāo)軸2Z 的方向與坐標(biāo)測量機(jī)的Z 軸方向一致,坐標(biāo)軸2X 的方向始終平行于A 軸電機(jī)的中心線,且在B 軸旋轉(zhuǎn)的過程中2x 的正向始終與坐標(biāo)測量機(jī)x 軸正向保持小于等于90的夾角,坐標(biāo)軸2y 的方向由右手定則給出。4 基于回轉(zhuǎn)軸A 軸的坐標(biāo)系3333O X Y Z 。坐標(biāo)軸3Z 的方向為測量機(jī)的Z 軸繞A 軸旋轉(zhuǎn)一定角度后的方向,坐標(biāo)軸3X 的方向同2x ,坐標(biāo)原點3O 為坐標(biāo)軸3X 與3Z 的交點,坐標(biāo)軸3Y 的方向由

14、右手定則給出。分析這四個坐標(biāo)系之間的關(guān)系可知,測量機(jī)移動坐標(biāo)系1111O X Y Z 與基準(zhǔn)坐標(biāo)系0000O X Y Z 之間只存在一種平移關(guān)系。平移矩陣為: 1010T Q = (1 式中,10101010,TQ x y z =為坐標(biāo)測量機(jī)X 、Y 、Z 軸光柵尺讀數(shù)。坐標(biāo)系2222O X Y Z 與1111O X Y Z 之間只是一種繞Z 軸的旋轉(zhuǎn)關(guān)系,旋轉(zhuǎn)矩陣為: 2121T R =(2式中,21cos(sin(0sin(cos(0001B B B B B B B B R +=+,B 為B 軸相對于安裝測量零位轉(zhuǎn)過的角度。B 為A 軸電機(jī)中心線偏離設(shè)計測量零位的角度,這個角圖1 五坐標(biāo)測

15、量機(jī)整體結(jié)構(gòu)圖2 誤差模型各坐標(biāo)系位置關(guān)系第5期 費(fèi)致根,等微型五坐標(biāo)測量機(jī)激光測頭安裝誤差的標(biāo)定 y3度是一個很小的定值。坐標(biāo)系3333O X Y Z 與2222O X Y Z 之間存在平移、旋轉(zhuǎn)關(guān)系。由于裝配誤差,原點3O 與2O 之間在坐標(biāo)軸2Y 方向存在一個平移量,則這兩個坐標(biāo)系之間的關(guān)系矩陣為: 323232T R Q =+(3式中,321000cos sin 0sin cos AA AA R =,32320,0TQ y =。激光測頭在完成一次裝夾后,它與夾具的相對位置保持不變。在坐標(biāo)系3333O X Y Z 中,測頭光軸的直線方程就是確定的。設(shè)被測點坐標(biāo)q (,x y z ,測頭零

16、位坐標(biāo)(434343,x y z ,測頭光軸方向矢量為(,l m n ,若測頭讀數(shù)為t ,則測頭光軸直線方程為: 434343x x y y z z t l m n= (4 則被測點q 在坐標(biāo)系3333O X Y Z 的坐標(biāo)為:4343434343q q q x tl x y tm y t R Q tn z z +=+=+i(5其中,43TR l m n =,43434343TQ x y z =。因此,通過各個坐標(biāo)系之間的變換關(guān)系,就可以將激光測頭的讀數(shù)轉(zhuǎn)換到基準(zhǔn)坐標(biāo)系0000O X Y Z 中。設(shè)當(dāng)測頭讀數(shù)為t 時,在基準(zhǔn)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為000(,T q q q x y z ,將式(1-(5

17、代入下式(6:i i i (7 式(7就是激光測頭安裝誤差的數(shù)學(xué)模型。3 誤差模型的標(biāo)定式(7中,對于未知量32Q 、43R 、43Q 的求解,通常采用測量空間某一定點,實際上是通過測量標(biāo)準(zhǔn)球的球心來完成未知參數(shù)求解的。標(biāo)定時,當(dāng)測頭調(diào)整到某個姿態(tài)位置后,A 與B 都為定值,如果保持測頭讀數(shù)t 不變,式(7中2132324343(R R Q t R Q +i i i 即為定值,可記作(,T x y z ,則:010010100q q q x x x y y y z z z =+(8 可見此時對任一被測點,測頭在當(dāng)前姿態(tài)下,該點光柵尺的讀數(shù)與該點變換后在基準(zhǔn)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)只是一種平移關(guān)系,平移量

18、為(,Tx y z 。所以,在標(biāo)準(zhǔn)球表面均布的取n 個點(n=4,采用最小二乘法擬合光柵讀數(shù)得到球心坐標(biāo)1S ,則有:01(,T S S x y z =+ (9其中,0S 表示在基準(zhǔn)坐標(biāo)系下標(biāo)準(zhǔn)球球心的坐標(biāo)000(,x y z 。這樣,測頭在一個姿態(tài)下測量一次標(biāo)準(zhǔn)球球心就建立起了3個方程。包括0S 的3個球心坐標(biāo),加上8個待標(biāo)定參數(shù)一共11個未知量,因為43R 是單位矢量,增加了1個約束方程。這樣只需要在4個不同的姿態(tài)下測量標(biāo)準(zhǔn)球,就建立起來了一個含有12個非線性方程的冗余方程組,即可完成11個未知參量的求解。構(gòu)造目標(biāo)函數(shù):2(001222(min10n i i F X S S h l m n

19、 =+= (10利用外點法懲罰函數(shù)將約束最優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)轉(zhuǎn)化為無約束最優(yōu)化目標(biāo)函數(shù):2(2001(ni i G X S S M h =+i(11n 為對標(biāo)準(zhǔn)球的標(biāo)定次數(shù),M 為懲罰因子。4 改進(jìn)的遺傳算法遺傳算法在求解多元多極值點目標(biāo)函數(shù)時,一個突出的問題就是易早熟,即收斂到局部最優(yōu)解而非全局最優(yōu)解。避免早熟的關(guān)鍵是要使群體呈多樣化發(fā)展,為此,本文提出了一種改進(jìn)的遺傳算法,引入了個體之間歐氏距離的計算。(1 編碼。實數(shù)編碼這有表達(dá)直觀、精度高、搜索范圍大等優(yōu)點,而且還可以消除采用二進(jìn)制編碼存在的“海明懸崖”現(xiàn)象7-8。設(shè)定求解精度610,對于誤差模型中的11個未知參數(shù),只需用11個精度高于610

20、的實數(shù)組成個體串即可。32434343000(,B X y l m n x y z x y z =(2 生成初始群體。隨機(jī)生成含有N 個體的初始群體。(3設(shè)計適應(yīng)度評價函數(shù)。求解目標(biāo)函數(shù)最小化的問題,對于個體而言,其目標(biāo)函數(shù)值越小,表示其適應(yīng)度越高。因此,設(shè)計如下適應(yīng)度函數(shù)y4 西 安 交 通 大 學(xué) 學(xué) 報 第45 卷1(1(G F X F X =+ (12由目標(biāo)函數(shù)的定義可知(0F X ,保證了適應(yīng)度函數(shù)的非負(fù)性。利用該適應(yīng)度函數(shù)計算每個個體的適應(yīng)度。為了避免算法出現(xiàn)早熟現(xiàn)象,對傳統(tǒng)的遺傳算法做了如下改進(jìn):1 對每個個體按照適應(yīng)度值大小排序;2 計算平均適應(yīng)度值,選擇那些適應(yīng)度值大于平均適

21、應(yīng)度值的個體;3 計算個體之間的歐氏距離;設(shè)群體中任意兩個個體串為1211(,i i i i X x x x = 與 (,X x x x = ,計算其歐氏距離 概率0.5,變異概率0.05,懲罰因子410M =。坐標(biāo)測量機(jī)在4個姿態(tài)下對標(biāo)準(zhǔn)球進(jìn)行了測量,擬合得到的球心坐標(biāo)見表2。表2 測頭在不同姿態(tài)下光柵坐標(biāo)擬合球心結(jié)果/t mm(,/A B 1/S mm0 (0, 0 (0.001743,0.002189,-4.725415 0.2 (90, 0 (0.088509,-30.046754 ,4.432010 0.4 (-90, 0 (-0.012881, 9.609871, 25.13210

22、4 0.6 (90, 90 (-139.878714,-130.717940,4.430974改進(jìn)的遺傳算法與傳統(tǒng)的遺傳算法性能對比見圖3。11個未知參數(shù)的標(biāo)定結(jié)果為: 0.722465B =,320.782104y =(434343,119.982704,9.864540,20.204917x y z =(,119.961064,9.877542,15.479502x y z =激光測頭安裝3。表3 激光測頭安裝誤差標(biāo)定前后的測球半徑測量次數(shù) 1 2 3 4 5 標(biāo)定前/mm 6.0128 6.0122 6.0119 6.0114 6.0122標(biāo)定后/mm5.99976.0009 6.000

23、6 5.9993 6.0003由表3的測量結(jié)果可見,對激光測頭安裝位置誤差標(biāo)定后,標(biāo)準(zhǔn)球測量的絕對精度提高了約12m 。整機(jī)的空間測量精度由原來的(11.82+圖5 測球路徑第5期 費(fèi)致根,等微型五坐標(biāo)測量機(jī)激光測頭安裝誤差的標(biāo)定 y5/1000Lm提高到了(1.96/1000L+m。6 結(jié) 論針對所研發(fā)的非接觸式五坐標(biāo)測量機(jī)結(jié)構(gòu)形式,建立了該測量機(jī)激光測頭安裝誤差的數(shù)學(xué)模型。采用改進(jìn)的遺傳算法,通過設(shè)定合適的算法參數(shù),完成了對誤差模型的自動標(biāo)定。實驗結(jié)果表明了該誤差模型的正確性以及所提出的改進(jìn)遺傳算法的可行性。并且,所建立的誤差模型,不但適用于掃描測頭,對觸發(fā)測頭也同樣適用,具有很強(qiáng)的工程實

24、用價值。參考文獻(xiàn):1 張國雄. 坐標(biāo)測量技術(shù)發(fā)展方向J. 紅外與激光工程,2008, 37(4: 2-5.ZHANG Guoxiong. Development orientations of coordinate measuring techniquesJ. Infrared and LaserEngineering, 2008, 37(4: 2-5.2 房佳威, 張國雄, 裘祖榮. 非接觸激光測頭測量軸線標(biāo)定系統(tǒng)J. 電子測量技術(shù), 2006, 29(3: 160-161.FANG Jiawei, ZHANG Guoxiong, QIU Zurong.Calibration system for surveying axis of non-contact laserprobeJ. Electronic Measurement Technology, 2006, 29(3: 160-161.3 宋開臣. 三坐標(biāo)測量機(jī)激光掃描測量系統(tǒng)的研究D.天津: 天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院, 1997.4

溫馨提示

  • 1. 本站所有資源如無特殊說明,都需要本地電腦安裝OFFICE2007和PDF閱讀器。圖紙軟件為CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.壓縮文件請下載最新的WinRAR軟件解壓。
  • 2. 本站的文檔不包含任何第三方提供的附件圖紙等,如果需要附件,請聯(lián)系上傳者。文件的所有權(quán)益歸上傳用戶所有。
  • 3. 本站RAR壓縮包中若帶圖紙,網(wǎng)頁內(nèi)容里面會有圖紙預(yù)覽,若沒有圖紙預(yù)覽就沒有圖紙。
  • 4. 未經(jīng)權(quán)益所有人同意不得將文件中的內(nèi)容挪作商業(yè)或盈利用途。
  • 5. 人人文庫網(wǎng)僅提供信息存儲空間,僅對用戶上傳內(nèi)容的表現(xiàn)方式做保護(hù)處理,對用戶上傳分享的文檔內(nèi)容本身不做任何修改或編輯,并不能對任何下載內(nèi)容負(fù)責(zé)。
  • 6. 下載文件中如有侵權(quán)或不適當(dāng)內(nèi)容,請與我們聯(lián)系,我們立即糾正。
  • 7. 本站不保證下載資源的準(zhǔn)確性、安全性和完整性, 同時也不承擔(dān)用戶因使用這些下載資源對自己和他人造成任何形式的傷害或損失。

評論

0/150

提交評論