[发明专利]一种六自由度小位移非接触检测方法

权利要求书

1.一种六自由度小位移非接触检测方法，其特征在于按照以下步骤进行

步骤1：首先对被测对象定义三维坐标系OXYZ，原点O和坐标轴X、Y在被测面上，按右手定则，坐标轴X、Y、Z两两相互垂直；定义沿3根坐标轴方向的3个平移自由度上的位移为Tx、Ty和Tz；定义绕3根坐标轴按右手定则转动的3个转动自由度上的转动位移为Rx、Ry和Rz；

步骤2：以O点为圆心、R为半径，在XY轴构成的平面上画一个圆，圆与X、Y轴的四个相交点分别设置4个准直光源：准直光源u、准直光源d、准直光源L和准直光源r；

步骤3：沿Z轴方向对应4个准直光源设置4只光接收器：光接收器u、光接收器d、光接收器L和光接收器r，各准直光源到对应光接收器敏感面的距离均为L；记各准直光源出射光与Z轴夹角均为θ；4只光接收器的分布圆半径为H，有H＝L*sinθ+R；定义4个光接收器坐标的Zi轴正向均沿对应准直光出射方向，i＝u,d,L,r，同时使XiYi面设置在光敏面内，并使Xi轴均平行于OXYZ坐标系的ZX面，且均与X轴夹锐角；Yi轴均平行于YZ面，并均与Y轴夹锐角；

步骤4：当被测对象发生6自由度位移变化时，将引起与其相固连的准直光源的位置和方向的变化，引起各光斑在对应光接收器光敏面上发生位移，从而根据测得的光斑在对应光接收器光敏面上发生位移，得到被测对象的六自由度上的位移。

2.按照权利要求1所述一种六自由度小位移非接触检测方法，其特征在于：所述根据测得的光斑在对应光接收器光敏面上发生位移，得到被测对象的六自由度上的位移方法如下：各光斑在对应光接收器光敏面上发生位移列向量：S’＝(Δxu，Δyu，Δxd，Δyd，ΔxL，ΔyL，Δxr，Δyr)’，设被测对象六自由度小位移列向量D＝(Tx，Ty，Tz，Rx，Ry，Rz)’；

1.令D＝(Tx，0，0，0，0，0)’，即被测对象仅发生沿X轴的小平移Tx，有：

Δxu＝Tx，Δyu＝0；Δxd＝Tx，Δyd＝0，

ΔxL＝Tx*cosθ，ΔyL＝0；Δxr＝Tx*cosθ，Δyr＝0

即S＝(Tx，0，Tx，0，Tx*cosθ，0，Tx*cosθ，0)’；

2.令D＝(0，Ty，0，0，0，0)’，即被测对象仅发生沿Y轴的小平移Ty，有：

Δxu＝0，Δyu＝Ty*cosθ；Δxd＝0，Δyd＝Ty*cosθ，

ΔxL＝0，ΔyL＝Ty；Δxr＝0，Δyr＝Ty

即S＝(0，Ty*cosθ，0，Ty*cosθ，0，Ty，0，Ty)’；

3.令D＝(0，0，Tz，0，0，0)’，即被测对象仅发生沿Z轴的小平移Tz，有：

Δxu＝0，Δyu＝-Tz*sinθ；Δxd＝0，Δyd＝Tz*sinθ，

ΔxL＝Tz*sinθ，ΔyL＝0；Δxr＝-Tz*sinθ，Δyr＝0

即S＝(0，-Tz*sinθ，0，Tz*sinθ，Tz*sinθ，0，-Tz*sinθ，0)’；

4.令D＝(0，0，0，Rx，0，0)’，即被测对象仅发生绕X轴的小转动位移Rx，有：

Δxu＝0，Δyu＝-(R*Sinθ+L)*Rx；Δxd＝0，Δyd＝-(R*Sinθ+L)*Rx，

ΔxL＝0，ΔyL＝-L*cosθ*Rx；Δxr＝0，Δyr＝-L*cosθ*Rx

即S＝(0，-(R*Sinθ+L)*Rx，0，-(R*Sinθ+L)*Rx，0，-L*cosθ*Rx，0，-L*cosθ*Rx)’；

5.令D＝(0，0，0，0，Ry，0)’，即被测对象仅发生绕Y轴的小转动位移Ry，有：

Δxu＝L*cosθ*Ry，Δyu＝0；Δxd＝L*cosθ*Ry，Δyd＝0，

ΔxL＝(R*Sinθ+L)*Ry，ΔyL＝0；Δxr＝(R*Sinθ+L)*Ry，Δyr＝0

即S＝(L*cosθ*Ry，0，L*cosθ*Ry，0，(R*Sinθ+L)*Ry，0，(R*Sinθ+L)*Ry，0)’；

6.令D＝(0，0，0，0，0，Rz)’，即被测对象仅发生绕Z轴的小转动位移Rz，有：

Δxu＝-H*Rz，Δyu＝0；Δxd＝H*Rz，Δyd＝0，

ΔxL＝0，ΔyL＝H*Rz；Δxr＝0，Δyr＝-H*Rz

即S＝(-H*Rz，0，H*Rz，0，0，H*Rz，0，-H*Rz)’；

当被测对象发生任意小位移D＝(Tx，Ty，Tz，Rx，Ry，Rz)’时，四只光接收器光敏面上光斑位移向量S则为以上各位移分量各自作用的叠加，写成矩阵形式，有：

ΔxuΔyuΔxdΔydΔxLΔyLΔxrΔyr=1000LCosθ-H0Cosθ-Sinθ-(RSinθ+L)001000LCosθH0CosθSinθ-(RSinθ+L)00Cosθ0Sinθ0Rsinθ+L0010-LCosθ0HCosθ0-Sinθ0Rsinθ+L0010-LCosθ0-H·TxTyTzRxRyRz]]>

简记为:

S＝C*D

求解该矛盾方程组：

D＝(C'C)^-1C'S

得到被测对象的六自由度上的位移D＝(Tx，Ty，Tz，Rx，Ry，Rz)’。