專利名稱：基于探路法的未知自由曲面自適應測量方法與測頭裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及不規(guī)則的表面或輪廓的測量，尤其是涉及一種基于探路法的未知自由曲面自適應測量方法與測頭裝置。

背景技術(shù)：
在機械制造領(lǐng)域，涉及大量含自由曲面的零部件，如汽車車體覆蓋件、發(fā)動機氣道、汽輪機葉片、飛機機翼等。這些零部件的設(shè)計、制造與檢測問題直接關(guān)系到自由曲面的數(shù)字化測量，即是用一系列離散的采樣點提取曲面原始形狀信息。三坐標測量機以其高精度、智能化等特點在自由曲面數(shù)字化測量方面的應用最為廣泛。
用三坐標測量機對自由曲面進行數(shù)字化采樣時，關(guān)鍵之一是確定合理的采樣方法。為了實現(xiàn)對自由曲面高效、高精度的測量，要求采樣方法具有自適應特性，即采樣點的布置隨曲面曲率的變化而變化，曲率越大，采樣點越密，反之采樣點越疏。目前，被廣泛使用的未知自由曲面數(shù)字化采樣方法主要有四種 (1)等間距掃描法按程序事先設(shè)定的采樣步長及避障點生成方法，對自由曲面的各個截面進行等間距掃描測量，是目前常用的數(shù)字化采樣方法。它可以通過縮小采樣間距來改善采樣精度，但會顯著降低數(shù)字化測量的效率，而且由于測點的顯著增加，大大增加了后續(xù)處理的難度。
(2)自適應預測法先將已測得的若干點擬合成某一種曲線，再根據(jù)預定采樣精度，調(diào)整曲線參數(shù)，自適應地外插，獲取下一個探測點和避障點，實現(xiàn)自適應測量。
(3)粗-精二步法在多種測量傳感器集成的環(huán)境下，先對測量對象進行粗測量(如CCD測量)，再利用粗測量重構(gòu)的模型信息，指導精測量(如接觸式測量)，實現(xiàn)自適應采樣。
(4)細分迭代法先對被測曲面進行等間距均勻粗測，并形成網(wǎng)格。然后對不符合精度要求的網(wǎng)格進行細分測量，如此循環(huán)迭代，直到所有的網(wǎng)格都符合預定精度要求。目前該方法有三角細分迭代和矩形細分迭代兩種。
以上方法中，等間距掃描法簡單易行，但沒有體現(xiàn)自適應特性。自適應預測法以“預測算法”為基礎(chǔ)，可以實現(xiàn)自適應采樣，但預測算法往往非常復雜，且不能精確的預測到每一種情況。粗-精二步法是一種理論上比較理想的方法，但需要集成快速粗測傳感器(如CCD傳感器)，且快速重構(gòu)粗模型有一定的難度。此外，粗測和精測是一個串行過程，會影響測量效率。該方法還處在進一步的探索中。細分迭代法中，初始網(wǎng)格大小的確定對測量過程有很大的影響，但由于曲面模型未知，所以對初始網(wǎng)絡(luò)大小的確定沒有合理的依據(jù)可循，一般憑經(jīng)驗設(shè)定初始網(wǎng)格。該方法在實際中運用較少。同時，以上四種方法本身均沒有邊界識別能力，都要求在測量前人工設(shè)定自由曲面的測量邊界。


發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有未知自由曲面數(shù)字化采樣方法的不足，本發(fā)明的目的是提供一種一種基于探路法的未知自由曲面自適應測量方法與測頭裝置。將接觸式測頭和點激光測頭并行安裝在三坐標測量機的Z軸上，其中激光測頭的信號進行探路，接觸式測頭用于測量。測量過程中，以激光測頭的探測數(shù)據(jù)指導接觸式測量，從而實現(xiàn)自適應測量。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是 一、一種基于探路法的未知自由曲面自適應測量方法 將接觸式測頭安裝在兩個激光測頭中間，整個裝置安裝在三坐標測量機的Z軸上，其中利用兩個激光測頭的信號進行探路，接觸式測頭用于測量；測量時，當接觸式測頭從當前測量點運動到下一個待測點的過程中，激光測頭以0.5～2mm的采樣步長，對前面的測量路徑進行探路，并將獲得的測量數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后，擬合成三次均勻B樣條曲線；然后將擬合后的曲線按曲率大小，離散成自適應的采樣點，同時生成與采樣點對應避障點；再以這些采樣點、避障點指導接觸式測量，實現(xiàn)對未知自由曲面的自適應測量。
所述的激光測頭是采用點激光測頭進行探路，接觸式測頭采用觸發(fā)式測頭進行測量。
所述的從激光測頭獲得數(shù)據(jù)在擬合成曲線前，經(jīng)過去噪音點處理。
所述的擬合后的三次均勻B樣條曲線，以弧長與對應弦長的差值作為預值進行自適應離散。
根據(jù)激光測頭的信號從有到無或從無到有的突變，識別曲面的邊界。
二、一種基于探路法的未知自由曲面自適應測量裝置 右激光測頭固定在基板上；基板安裝在“∏”形測頭基座的右內(nèi)側(cè)；左激光測頭以同樣的形式安裝在測頭基座的左內(nèi)側(cè)；接觸式測頭上的連接棒穿過連接孔放置在測頭基座的中間；左、右激光測頭以在測頭基座上相對接觸式測頭呈對稱分布；整個測頭裝置安裝在三坐標測量機的Z軸上；三坐標測量機Z軸上有四個連接孔及一個夾緊裝置與測頭基座上的四個連接孔連接，夾緊裝置夾緊接觸式測頭的連接棒。
所述的左右激光測頭發(fā)射的激光束與接觸式測頭的測桿所在直線，處在同一平面內(nèi)，且該平面與測量機機器坐標系的XOZ平面平行。
所述的四個基座安裝孔、接觸式測頭連接孔和基板安裝孔均為鍵槽孔。
所述的左、右激光測頭的下底面到接觸式測頭的測球的垂直距離h，等于激光測頭的測量凈空。
本發(fā)明具有的有益效果是 1)以點激光測頭的測量數(shù)據(jù)為指導，生成采樣點和避障點，實現(xiàn)自適應測量。
2)在測量過程中，點激光測頭和接觸式測頭并行工作，點激光測頭的探路測量不影響接觸式測量的效率。
3)點激光測頭除探路測量外，可以實現(xiàn)曲面邊界的自動識別。
4)裝置結(jié)構(gòu)簡易，路徑規(guī)劃算法簡單，易于實現(xiàn)。



圖1是探路法的自由曲面自適應測量裝置結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是測頭基座結(jié)構(gòu)的三視圖； 圖3是自適應測量過程示意圖； 圖4是三個相鄰測點的位置關(guān)系圖； 圖5是去噪音點前后激光測量數(shù)據(jù)對照圖； 圖6是擬合成的均勻三次B樣條曲線圖； 圖7是B樣條曲線自適應離散后的采樣點分布示意圖； 圖8是與自適應采樣點對應的避障點示意圖。
圖中1、測頭基座，2、接觸式測頭，3、左激光測頭，4、右激光測頭，5、基板，6、固定螺釘，7、內(nèi)六角螺釘，8、激光束，9、測桿，10、測球，11、基座安裝孔，12、連接孔，13基板安裝孔，14、連接棒。

具體實施例方式 如圖1、圖2所示，本發(fā)明中的右激光測頭4通過內(nèi)六角螺釘7固定在基板5上；基板5通過固定螺釘6和基板安裝孔13，安裝在“∏”形測頭基座1的右側(cè)。左激光測頭3以同樣的形式安裝在測頭基座1的左內(nèi)側(cè)；接觸式測頭2上的連接棒14穿過連接孔12放置在測頭基座1的中間；左、右激光測頭3、4以在測頭基座1上相對接觸式測頭呈對稱分布；整個測頭裝置安裝在三坐標測量機的Z軸上；三坐標測量機Z軸上有四個連接孔及一個夾緊裝置與測頭基座1上的四個連接孔11連接，夾緊裝置夾緊接觸式測頭2的連接棒14。
所述的左右激光測頭3、4發(fā)射的激光束8與接觸式測頭2的測桿9所在直線，處在同一平面內(nèi)，且該平面與測量機機器坐標系的XOZ平面平行。
所述的四個基座安裝孔11、接觸式測頭連接孔12和基板安裝孔13均為鍵槽孔。
所述的左、右激光測頭3、4的下底面到接觸式測頭2測球10的垂直距離h，等于激光測頭3、4的測量凈空。
如圖2(a)、圖2(b)所示，“∏”形測頭基座1上的基板安裝孔13設(shè)計成鍵槽孔。這樣激光測頭3、4的位置可以作上下調(diào)整，以便使激光測頭3、4的下底面到測球10的距離h，等于激光測頭的測量凈空(激光測頭下底面到激光束匯聚焦點的距離)，以達到最好的測量效果。
測量開始前，整個裝置將安裝在三坐標測量機的Z軸上。三坐標測量機Z軸的連接座上有四個連接孔及一個夾緊裝置，其中四個連接孔分別與測頭基座1上的四個安裝孔11對應，用于固定測頭基座1。夾緊裝置用于夾緊接觸式測頭2的連接棒14，以固定接觸式測頭2。
如圖2(c)所示，測頭基座1上的四個安裝孔11也設(shè)計成鍵槽形孔。這樣激光測頭3、4與接觸式測頭2的前后位置可以調(diào)整，以便使左右激光測頭3、4發(fā)射的激光束8與測桿9所在直線在同一平面內(nèi)。同時，該平面應與測量機機器坐標系的XOZ平面平行。
本發(fā)明中所使用的激光測頭為點激光測頭，所使用接觸式測頭為觸發(fā)式測頭。
測量裝置安裝完畢后，需對接觸式測頭2和兩個激光測頭3、4的空間位置進行標定，以便將它們統(tǒng)一到同一個測量坐標系下。具體方法如下測量開始前，在測量機的工作臺上放置一個標準球，以標準球的球心為原點，三軸分別與機器坐標系的X、Y、Z軸平行且方向一致，建立測量坐標系oxyz。然后用接觸式測頭2，在標準球球面的不同位置取若干點(不少于7點)，記錄各點在機器坐標系下的坐標值(實際上是測量機上光柵尺的位置值)。接著用最小二乘法，將所得到的機器坐標值擬合成一個球，并求得該擬合球的球心坐標(Xco，Yco，Zco)。設(shè)在以后的測量過程中，接觸式測點所對應機器坐標值為(Xc，Yc，Zc)，那么，它在oxyz中的坐標值可以描述為(Xc-Xco，Yc-Yco，Zc-Zco)。用同樣的方法可以求得左、右激光測頭3、4所對應的擬合球心坐標(Xlo，Ylco，Zlo)、(Xro，Yro，Zro)，若在以后的測量過程中，左、右激光測頭3、4的測點，所對應的機器坐標值分別為(Xl，Yl，Zl)、 (Xr，Yr，Zr)， 那么它們在oxyz中的坐標值可以描述為(Xl-Xlo，Yl-Ylo，Zl-Zlo)、(Xr-Xro，Yr-Yro，Zr-Zro)。經(jīng)過這樣處理，系統(tǒng)就把三個測頭統(tǒng)一到了同一個測量坐標系oxyz下。在標定過程中，還可以獲得兩激光束8所在直線與測桿9所在直線之間的距離D1、D2，其中
自適應測量過程如圖3所示，完成對一個截面的測量，包括七個階段。
一、激光測頭探邊界 如圖3(a)所示，移動測頭至起始點，開啟右激光測頭4，而左激光測頭3暫不工作。固定某一坐標值(如Y軸)，讓測頭沿+X軸方向移動。當右激光測頭4入曲面邊界E時，其輸出信號會發(fā)生突變(本發(fā)明只考慮突變邊界，且假設(shè)曲面中沒有突變特征)，這時測量軟件立即對該突變坐標值(x0，y0，z0)進行記錄，并保存為邊界點A0。
二、激光測頭探路測量，接觸式測頭探邊界 如圖3(b)所示，當右激光測頭4進入邊界E后，測量系統(tǒng)立即開啟三個線程，各線程的工作如下 線程I激光測量控制線程，用于控制右激光測頭4以等步長(根據(jù)測量經(jīng)驗，當步長取0.5～2mm較合理)對曲面的截面輪廓l1進行測量。
線程II邊界判斷線程，用于判斷接觸式測頭2是否進入曲面邊界E?？梢酝ㄟ^比較測球10的中心與邊界點A0之間的坐標值進行判斷。
線程III激光數(shù)據(jù)處理線程，是最主要的線程，它實時地對右激光測頭4獲得測量數(shù)據(jù)進行處理，包括測量數(shù)據(jù)預處理、三次均勻B樣條曲線擬合、變曲率自適應離散和避障點生成四個部分。
(1)測量數(shù)據(jù)預處理，包括去除噪音點和重復點兩個部分。
測量過程中，由于機械振動、系統(tǒng)噪聲、光照和待測曲面表面粗糙度等因素的影響，使激光測量數(shù)據(jù)中不可避免地混有噪聲點(毛刺或偏離點)，在測量點擬合成B樣條曲線前，應該先去除噪音點。方法如下考察某點與相鄰兩點連線之間的夾角θ，若θ小于某一預定值，則剔除該點，否則視該點為合理的測量點。如圖4所示，設(shè)Vi-1(xi-1，yi-1，zi-1)、Vi(xi，yi，zi)、Vi+1(xi+1，yi+1，zi+1)為最新測得的相鄰三點， 則Vi(xi，yi，zi)是否為噪音點的判斷過程為 ①計算相應的單位向量T1(a，b，c)和T2(m，n，k) ②計算它們之間的夾角θ ③判斷θi是否大于某個預先指定的角度δ(本發(fā)明根據(jù)測量經(jīng)驗，取δ＝70°)，如果小于δ，則該點可能是噪音點，可以剔除，否則應該保留。
得到下一個測量點Vi+2后，同樣通過考察Vi+1與Vi、Vi+2連線之間的夾角，判斷Vi+1的合理性，如此循環(huán)，直至激光測頭結(jié)束探路測量。激光測量數(shù)據(jù)去除噪音點前后的對照關(guān)系，如圖5所示。
(2)B樣條曲線擬合。在當前的CAD/CAM系統(tǒng)中，B樣條曲線、曲面已成為幾何造型的核心?？紤]到實際沖壓模具的自由曲面，其階次介于2～4之間，及測量系統(tǒng)對實時性的要求，本發(fā)明采用三次均勻B樣條曲線來逼近激光測量點。設(shè)Vi、Vi+1、Vi+2和Vi+3為四個最新獲得的、合理的測量點，則以Vi、Vi+1、Vi+2和Vi+3為控制點的三次均勻B樣條曲線段可以表示為 寫成和式為 式中u為參數(shù)，u∈
；Vi、Vi+1、Vi+2、和Vi+3為特征多邊形頂點。
Bj，3(u)，j＝0，1，2，3為三次B樣條的基函數(shù)，其表達式分別為 得到下一個合理的測量點Vi+4后，系統(tǒng)將以Vi+1、Vi+2、Vi+3和Vi+4為新的控制點，來擬合下一段曲線。如此循環(huán)，直至激光測頭結(jié)束探路測量。擬合后的B樣條曲線如圖6所示。
(3)變曲率自適應離散。
對擬合后B樣條曲線進行自適應離散的目的是為接觸式測量提供合理的采樣點。自適應離散要求采樣點的疏密隨曲線曲率的變化而變化，曲率越大則采樣點越密，反之亦然。本發(fā)明以弧長和對應弦長的差值為預值，進行自適應離散。以第i曲線段P(u)為例，離散過程如下 ①取Δu＝0.001(可以取激光測量步長的千分之一)，將P(u)離散成點P(0)、P(Δu)、P(2Δu)、…、P(1)，并先設(shè)起始點P(s)為P(0)，即s＝0。
②按順序計算起點P(s)到其后各點P[(s+1)Δu]、P[(s+2)Δu]、…P[s+k)Δu]的弧長S與對應弦長L (弧長用累加弦長近似表示弧長) 循環(huán)過程②，直到S-L＞＝η(η為預先設(shè)定的預值，本發(fā)明中取為0.0008mm)，進入過程③。
③設(shè)S-L＞＝η時，對應的終點為P(nΔu)，則把P(nΔu)保存為自適應采樣點，然后以P(nΔu)為新起點，即s＝n，繼續(xù)過程②，如此循環(huán)，直至曲線段邊界。離散后的自適應采樣點分布情況如圖7所示。
(4)避障點生成。
避障點是測量路徑的三大要素(名義測量點、名義測量點法矢、避障點)之一，避障點的布置是否合理，對測量時間、測量精度、安全性都有很大的影響。本發(fā)明中，避障點的生成方法如下設(shè)P(ui)為一自適應采樣點，則其避障點P′(ui)可表示為 P′(ui)＝P(ui)+Δp 其中ΔP為避障矢量，ΔP＝dn，d為避障矢量的長度，根據(jù)實際經(jīng)驗，可以設(shè)為0.5～2mm，n為曲線P(u)在P(ui)處的單位法矢，n的求解過程為 設(shè)曲線P(u)在點P(ui)處的單位切矢為t，則
式中 Bj，3′，j＝0，1，2，3的表達式分別為 因為，Y軸固定，所以y′(u)＝0，即 又因為t⊥n，所以 避障點和自適應采樣點的位置關(guān)系如圖8所示。
三、接觸式測量，非接觸式探路并行工作 如圖3(c)所示，當接觸式測頭2進入曲面邊界E后，線程II(邊界判斷線程)終止，新線程IV開啟。線程IV是接觸式測量控制線程，它的工作是以線程III(激光數(shù)據(jù)處理線程)提供的自適應采樣點及對應的避障點為依據(jù)，控制接觸式測頭2對曲面進行自適應測量。在接觸式測量過程，線程I和III(激光測量控制線程和激光數(shù)據(jù)處理線程)仍正常工作。
四、右激光測頭4離開曲面邊界E，接觸式測量繼續(xù) 如圖3(d)所示，當右激光測頭4離開曲面邊界E時，其輸出信號會發(fā)生突變，這時測量軟件立即對該突變坐標值(x1，y1，z1)進行記錄，并保存為邊界點A1，然后右激光測頭4停止工作。此時各線程的工作狀況是 線程I和III(激光測量控制線程和激光數(shù)據(jù)處理線程)終止。
線程II(邊界判斷線程)重新啟動，通過比較測球10的中心與邊界點A1之間的坐標值，判斷接觸式測頭2是否離開曲面邊界E。
線程IV(接觸式測量控制線程)正常工作。
五、接觸式測頭2離開曲面邊界E 如圖3(e)所示，當接觸式測頭2離開曲面邊界E后，線程II、IV(邊界判斷線程和接觸式測量控制線程)均終止。同時，左激光測頭3被開啟，系統(tǒng)繼續(xù)控制測頭裝置向+X軸方向移動。
六、測頭系統(tǒng)離開曲面邊界E 如圖3(f)所示，當左激光測頭3的輸出信號會發(fā)生突變時，表明測頭系統(tǒng)已經(jīng)離開曲面邊界E。為了防止與曲面邊界發(fā)生碰撞，軟件將繼續(xù)控制測頭裝置向+X軸方向移動一個寬放距離DA。寬放距離DA的大小與Δy(Y軸方向的進給量)有關(guān)，可以取DA＝3Δy，Δy的值可以取1～5mm，也可以根據(jù)具體情況，通過人機交互調(diào)整。
七、開始下一個截面測量 如圖3(g)所示，系統(tǒng)控制測頭裝置，在+Y軸方向上進給一個增量Δy，接著測頭系統(tǒng)將沿-X軸方向移動，在新的測量截面l2上，繼續(xù)上述的自適應測量。
七個階段循環(huán)工作，直至完成對整個曲面的自適應測量。獲得的測量數(shù)據(jù)將導入后序處理軟件，重建自由曲面的幾何模型。
權(quán)利要求
1.一種基于探路法的未知自由曲面自適應測量方法，其特征在于將接觸式測頭安裝在兩個激光測頭中間，整個裝置安裝在三坐標測量機的Z軸上，其中利用兩個激光測頭的信號進行探路，接觸式測頭用于測量。測量時，當接觸式測頭從當前測量點運動到下一個待測點的過程中，激光測頭以0.5～2mm的采樣步長，對前面的測量路徑進行探路，并將獲得的測量數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后，擬合成三次均勻B樣條曲線；然后將擬合后的曲線按曲率大小，離散成自適應的采樣點，同時生成與采樣點對應避障點。再以這些采樣點、避障點指導接觸式測量，實現(xiàn)對未知自由曲面的自適應測量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于探路法的未知自由曲面自適應測量方法，其特征在于所述的激光測頭是采用點激光測頭進行探路，接觸式測頭采用觸發(fā)式測頭進行測量。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于探路法的未知自由曲面自適應測量方法，其特征在于所述的從激光測頭獲得數(shù)據(jù)在擬合成曲線前，經(jīng)過去噪音點處理。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于探路法的未知自由曲面自適應測量方法，其特征在于所述的擬合后的三次均勻B樣條曲線，以弧長與對應弦長的差值作為預值進行自適應離散。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于探路法的未知自由曲面自適應測量方法，其特征在于根據(jù)激光測頭的信號從有到無或從無到有的突變，識別曲面的邊界。
6.一種用于自適應測量的測頭裝置，其特征在于右激光測頭(4)固定在基板(5)上；基板(5)安裝在“∏”形測頭基座(1)的右內(nèi)側(cè)；左激光測頭(3)以同樣的形式安裝在測頭基座(1)的左內(nèi)側(cè)；接觸式測頭(2)上的連接棒(14)穿過連接孔(12)放置在測頭基座(1)的中間；左、右激光測頭(3、4)以在測頭基座(1)上相對接觸式測頭呈對稱分布；整個測頭裝置安裝在三坐標測量機的Z軸上；三坐標測量機Z軸上有四個連接孔及一個夾緊裝置與測頭基座(1)上的四個連接孔(11)連接，夾緊裝置夾緊接觸式測頭(2)的連接棒(14)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種用于自適應測量的測頭裝置，其特征在于所述的左右激光測頭(3、4)發(fā)射的激光束(8)與接觸式測頭(2)的測桿(9)所在直線，處在同一平面內(nèi)，且該平面與測量機機器坐標系的XOZ平面平行。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種用于自適應測量的測頭裝置，其特征在于所述的四個基座安裝孔(11)、接觸式測頭連接孔(12)和基板安裝孔(13)均為鍵槽孔。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種用于自適應測量的測頭裝置，其特征在于所述的左、右激光測頭(3、4)的下底面到接觸式測頭(2)的測球(10)的垂直距離h，等于激光測頭(3、4)的測量凈空。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于探路法的未知自由曲面自適應測量方法與測頭裝置。將接觸式測頭安裝在兩個激光測頭中間，整個裝置安裝在三坐標測量機的Z軸上，利用兩個激光測頭的信號進行探路，接觸式測頭用于測量；當接觸式測頭從當前測量點運動到下一個待測點的過程中，激光測頭以0.5～2mm的采樣步長，對前面的測量路徑進行探路，并將獲得的測量數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后，擬合成三次均勻B樣條曲線；然后將擬合后的曲線按曲率大小，離散成自適應的采樣點，同時生成與采樣點對應避障點；再以這些采樣點、避障點指導接觸式測量，實現(xiàn)對未知自由曲面的自適應測量。該方法算法簡便，裝置結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)。
文檔編號G01B11/00GK101149253SQ200710156129
公開日2008年3月26日 申請日期2007年10月16日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月16日
發(fā)明者盧科青, 文 王, 陳子辰 申請人:浙江大學