Revo测头的自适应测量算法及位置反解

 赵 磊，刘书桂

(天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室，天津 300072)

摘 要：为解决关节臂式三坐标测量机测量精度低的致命弊端，在三坐标测量系统中采用 Revo 测头．经分析系统的结构特点，确定了转动关节与测杆姿态的几何关系并构造测量时的接近矢量，实现测杆姿态的控制．在此基础上，提出一种基于初始姿态的自适应测量算法，根据数据点的坐标，求得测杆姿态最小变化量，结合位置方程求得该姿态下的位置反解．实验表明：该算法可实现测头姿态的精确控制和位置反解的计算，为具有 Revo 测头高自由度关节臂式三坐标测量系统的发展和运动学问题的深入研究奠定了理论基础．

目前，用于复杂曲面或自由曲面测量的数字化测量装置主要包括三坐标测量机(coordinate measuring machine，CMM)、激光快速扫描仪、断层扫描仪等[1]．关节臂式三坐标测量机是一种新型的非笛卡尔式测量机．与传统的笛卡尔式正交三坐标测量机相比，它具有机械结构简单、体积小，便于携带及测量范围大、环境适应性好等优点，但是测量精度低是该类三坐标测量机的致命弊端．传统的三坐标测量机使用固定或旋转测头来测量曲面，存在着动态性能的限制，不但影响测量精度，而且限制了测量效率[2-4]．在大多数情况下，若保证测量精确度，其扫描速度要限制在 10,mm/s 左右．由于传统测头大都根据力学原理进行定位，很大程度上受到力传感器精度和震动误差等因素的影响，而旋转关节的转角误差会逐级放大，导致测量精度较低．Revo 测头是 Renishaw 公司推出的一款高精密扫描测头．采用 Renscan5,TM技术将测头转动时因结构重量所产生的动态误差降至最小，轴承内装有连接着 0.08 弧秒编码器的高标准无刷电机，该编码器能够读出 250,mm 长测头的探针端部在 0.1,μm 以内的位置读数，其表面扫描速度可高达 500,mm/s[5]．本次研究的具有 Revo 测头 5 自由度新型关节臂式三坐标测量系统是由天津大学自主设计的，用以弥补该类测量机检测精度低的弊端．采用 Revo 测头实现曲面的测量，其碰撞检测和位置反解是关键．解决碰撞问题要实现对测杆姿态的准确控制，在此基础上进行运动学求逆计算．

1 系统结构

1.1 Revo测头

如图 1 所示，Revo 回转体内部包括 2 个转动轴即 A 轴和 B 轴，其测头使用激光来精确检测探针端部的确切位置．

测头定位原理如图 2 所示．激光束从安装在Revo 回转体内部光源处射出，向下穿过一个中空的探针直射到探针端部的反射镜上．当探头与被测物体表面接触产生微小力偏移时，反射至 PSD 传感器的路径产生变化并被转换成测量值输出，产生一个触发信号表明探头探测到采样点，由于通过激光返回路径偏移进行定位，其精度远远高于传统探针．