关节臂三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。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。

关节臂三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。张礼松用最小二乘法对圆光栅偏心进行修正;黄宗升提出了一种用激光陀螺对圆光栅进行标校的方法;郭阳宽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。