專利名稱：一種平面形狀誤差在線測量系統(tǒng)和方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種平面形狀誤差在線測量技術，特別是一種平面形狀誤差在線測量系統(tǒng)和方法。
背景技術：
精密加工能力是最為重要的現(xiàn)代工業(yè)能力之一，而高精度測量能力又是精密加工能力不可或缺的重要組成部分，高精度測量能力能夠提高加工精度、簡化流程控制、提高生產效率。其中，平面形狀誤差的測量與評定對于生產有平面形狀誤差要求的工件有著重要的意義，在船舶和機床等大型機械制造等領域，一套簡單高效的平面形狀誤差測量系統(tǒng)和方法可以顯著地提高產品性能、生產效率、良品率和可靠性。平面形狀誤差測量技術分為在線測量技術和離線測量技術。 現(xiàn)有的離線平面形狀誤差測量方法，主要有拉鋼絲法、平板測微儀法、間隙法、液面法、水平儀法和激光準直掃描法六種。前三種方法僅適用于測量小平面的平面形狀且存在精度較低的問題，后三種方法測量周期長、速度慢，因此效率低下，以上幾種方法均存在對測量人員依賴程度高、測量速度慢、自動化程度低的問題，無法滿足加工現(xiàn)場高速測量的要求，特別是大平面的平面形狀誤差的高速測量。現(xiàn)有平面形狀誤差在線測量方法通?；谡`差分離技術，這類方法只能在采樣點數(shù)較小的情況下對簡單的連續(xù)平面進行測量。當測量面積較大或采樣點分布密集這類采樣點較多的平面時，其運算量會增加到不切實際的程度，同時測量方法無法測量不規(guī)則平面和非連續(xù)平面。

發(fā)明內容
為解決現(xiàn)有技術存在的上述問題，本發(fā)明要設計一種既能夠有效地提高采樣點的分布密度、增加測量系統(tǒng)反映被測面平面形狀誤差的能力，又能夠適用于非連續(xù)、不規(guī)則、超大型平面形狀誤差測量的平面形狀誤差在線測量系統(tǒng)和方法。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術方案如下一種平面形狀誤差在線測量系統(tǒng)，包括傳感器陣列、數(shù)據采集和模數(shù)轉換模塊、數(shù)據處理與顯示模塊，所述的傳感器陣列通過導線與數(shù)據采集和模數(shù)轉換模塊連接，所述的數(shù)據采集和模數(shù)轉換模塊通過無線網絡連接數(shù)據處理與顯示模塊；所述的數(shù)據處理與顯示模塊的處理軟件使用改進型最小二乘逐次兩點法平面形狀誤差分離算法，并引入數(shù)據拼接擬合技術；所述的傳感器陣列由四個電渦流距離傳感器、傳感器前置器及位置傳感器組成，其中四個電渦流距離傳感器呈正方形配置，電渦流距離傳感器位于正方形的頂點，四個電渦流距離傳感器分別連接到各自的傳感器前置器，傳感器前置器連接到數(shù)據采集和模數(shù)轉換模塊的16位A/D采集電路上，向數(shù)據采集和模數(shù)轉換模塊發(fā)送電壓信號；位置傳感器直接連接數(shù)據采集和模數(shù)轉換模塊的DSP處理器，向數(shù)據采集和模數(shù)轉換模塊發(fā)送傳感器陣列當前位置數(shù)據；
所述數(shù)據采集和模數(shù)轉換模塊基于DSP處理器的嵌入式系統(tǒng)，具有采集控制、模數(shù)轉換、粗差剔除及數(shù)據上傳功能，并通過無線局域網向數(shù)據處理與顯示模塊發(fā)送經過初步處理的采樣數(shù)據；所述的數(shù)據處理與顯示模塊使用智能手機或平板電腦，數(shù)據處理與顯示模塊接收來自數(shù)據采集和模數(shù)轉換模塊的采樣數(shù)據，并對采樣數(shù)據進行誤差分離和平面度的評定，并在屏眷上顯不。一種平面形狀誤差在線測量系統(tǒng)的測量方法，包括以下步驟A、對被測面進行分割操作人員在數(shù)據處理與顯示模塊上對被測面進行分割并對子平面編號，相 鄰的子平面應有公共部分以便于拼接，數(shù)據處理與顯示模塊將自動保存各個非連續(xù)子平面的位置信息，以便將從數(shù)據采集和模數(shù)轉換模塊接收到的采樣數(shù)據分別輸入不同的非連續(xù)子平面并對這些非連續(xù)子平面分別進行誤差分離；分割時，每個非連續(xù)子平面的大小和形狀應遵循如下原則非連續(xù)子平面應為矩形或者能夠被矩形網格完全覆蓋；分割出的非連續(xù)子平面之間應有足夠的公共區(qū)域用于拼接擬合；采樣點數(shù)量不應對運算速度產生明顯影響；子平面間的公共區(qū)域應盡量避開被測面上的鏤空部分；非連續(xù)子平面的形狀應保證滿足改進型最小二乘逐次兩點法平面形狀誤差分離算法的要求，即保證每個非連續(xù)子平面上的三個基準點都存在于被測面上；根據經驗法則，兩個子平面間的公共區(qū)域的寬度應至少包含三行采樣點；當非連續(xù)子平面之間的公共區(qū)域中存在鏤空部分時，三行采樣點難以達到最佳拼接擬合效果，這時應當適當增加公共區(qū)域的面積以提高拼接擬合效果，實驗顯示當公共區(qū)域中的采樣點達到需要拼接的子平面的采樣點數(shù)的30%時可以很好的實現(xiàn)子平面拼接擬合；B、掃描覆蓋子平面的被測網格記電渦流距離傳感器所構成的正方形邊長為A，以A長度為間隔構造分成(M-I)行(N-I)列的矩形網格，所述的矩形網格覆蓋一個被測子平面，記矩形網格左上角的頂點為Z11,以Z11為原點形成坐標系，處于矩形網格其它頂點上的點記為Zxy，這些點是子平面上的采樣點；當被測面被劃分為兩個或兩個以上的子平面時，兩個相鄰子平面的公共區(qū)域中的采樣點應重合，所有子平面上的矩形網格的總和稱為被測網格；所述的四個電渦流距離傳感器呈正方形配置，四個電渦流距離傳感器位于正方形的四個頂點。測量時，傳感器陣列位于網格的一個正方形格上，四個電渦流距離傳感器分別位于這一正方形格的四個頂點即四個采樣點上，這時傳感器陣列所處的位置稱為采樣位置。傳感器陣列在單個子平面運動方式為電渦流距離傳感器始終位于每行采樣點的連線上，傳感器陣列自左向右依次掃描當前子平面上的網格的第一行，然后回到最左端，掃描網格的下一行，依此類推掃描當前子平面上的整個網格；傳感器陣列的位置由位置傳感器確定，每當傳感器陣列到達采樣位置時由電渦流距離傳感器進行采樣；在大型不規(guī)則平面上時，傳感器陣列自上而下依次掃描被測網格的每一行；電渦流距離傳感器測量值由導軌運動誤差、被測面的形狀誤差、電渦流距離傳感器的初始位置偏差和隨機誤差這四種因素構成，用式(I)表示；將四個電渦流距離傳感器分別標為(k，I) (k, 1=1，2);位于一個子平面上的第i行j列網格上的采樣位置標記為(i，j);以電渦流距離傳感器(1，I)的作為基準點，對于四個電渦流距離傳感器布置，電渦流距離傳感器(1，2)、(2，I)、(2，2)的初始位置偏差分別記為A12, A21, A24 ;記電渦流距離傳感器(k，I) (k, 1=1，2)在一個子平面的矩形網格上的第i行j列時的采樣數(shù)據為Sijkl，則Sijkl — Z(J^1)(J+1_1)-dij+ 8 kl Akl+ e iJkl(I)這里i = 1,2— (M-I) ;j=l，2…(N-I)；
5(f+E_D表示被測面的形狀誤差，是每個采樣點Zxy經過誤差分離得到的相對于由Zn、Z1N, Zm三點確定的基準面的距離，dif為導軌運動誤差，Akl為電渦流距離傳感器的初始位置偏差，eijkl是隨機誤差，Skl是電渦流距離傳感器(1，I)作為基準點的參數(shù)；由于電渦流距離傳感器掃描到被測面上的鏤空區(qū)域時會得到超出量程，故當一個采樣點的測量值高于一定門限值時，該采樣點會被賦予一個代表采樣點不存在的值。C、對各非連續(xù)子平面分別進行誤差分離在一個非連續(xù)子平面中，式(I)用矩陣的形式表示，則S=BU+e(2)上式中S為四個傳感器采樣數(shù)據構成的4 (M-I) (N-I)列向量，S的形式為S- (S1111, S1112, S1121, S1122…S(H) (H)11, Sm (H)12, S(J^1) (H)21, Sm (H)22)U中包含以下三個部分導軌運動誤差、被測面的形狀誤差、電渦流距離傳感器的初始位置偏差；以上三個部分構成了 MN+(M-I) (N-I)+3元的列向量，其形式為U-(Z11, Z12... Z1N, Z21... Z麗，dn, d12... (!(n) m，A 12, A21, A22)填充矩陣B是一個矩陣，其行數(shù)為4 (M-I) (N-I)，列數(shù)為MN+(M-I) (N-I)+3 ;根據式
(2)，填充矩陣B的由S、U的形式決定；e為隨機誤差。由于填充矩陣B列滿秩是矩陣最小二乘解存在的條件，故必須保證填充矩陣B列滿秩，但實際上填充矩陣B的秩數(shù)比列數(shù)少三，為保證矩陣最小二乘解存在，并確定基準平面，指定任意不在一條直線上的Zn、Z1N、ZM1三點所在的平面作為分離的基準平面，由此確定這三個自由度；令Z11 = Zin = Zml = 0, U變換為以下形式
U — (Z12 ■ . -^K1V-D 5 ^21 -^(M-V)N ■> hlN,dn 為 2^21 . , 1X.V—1” Au , A21, A22 )f為MN+(M-I) (N-I)元的列向量，作為基準點Zn、Z1N、ZM1的三點必須存在于被測平面上被測面上，故選擇網格時應注意這一點；建立的各采樣數(shù)據與被測面形狀誤差、導軌運動誤差及電渦流距離傳感器安裝初始位置誤差的關系填充矩陣B。填充矩陣B前(M+1)*(N+1)列對應于被測面測量點的實際形狀誤差；填充矩陣B中間M*N列對應于導軌運動誤差；填充矩陣B最后3列對應于電渦流距離傳感器的初始位置偏差 a12、a21、A22 ；當有一個子平面是非連續(xù)平面時，在其鏤空處的部分采樣點Zxy不存在于被測面上，這些采樣點的測量值會接近電渦流距離傳感器的最大測量值，這些采樣點會在數(shù)據采集和數(shù)模轉換模塊中被識別，并被賦予一個代表采樣點不存在的值，誤差分離算法將識別這些采樣點，并找出中對應位于鏤空區(qū)域的Zxy，在p,S中去掉對應的元素，得到U5 ,S'；—個采樣點Zxy位于被測面上的鏤空處，則需要刪去填充矩陣B中的以下四行4[(x-2)N+(y-2)]+4、4[(x_l)N+(y-2)]+3、4[(x_2)N+(y-1)]+2、4[(x_l)N+ (y-1)]+1，當上述行數(shù)大于MN+(M-I) (N-I)+3或小于O時該行原本就不存在，故不予考慮，同時去掉如下一列xN+y ;當鏤空處的Zxy采樣點中有四點相鄰且組成一個正方形時，這個正方形所在的軌道誤差對應的列應該從填充矩陣B中去掉。又由于Z11-Zin-Zmi-O,故去掉填充矩陣B中對應的三行，這樣就將填充矩陣B變化為填充矩陣f 1，填充矩陣吞 >去掉了位于鏤空區(qū)域的 采樣點，并且列滿秩，使用最小二乘法求近似解，這時式(I)變化為S，=旮 ir+e利用矩陣的最小二乘法求解上式，IJZ的表達式為W' =「互^T1 J'T S 'O)解出即一次性得到非連續(xù)子平面的平面形狀誤差、導軌運動誤差及電渦流距離傳感器安裝初始位置偏差；重復步驟C對每個非連續(xù)子平面進行誤差分離。D、非連續(xù)子平面的數(shù)據拼接通過誤差分離過程分離出各個子平面的平面形狀誤差后，為了進行整體平面的平面度評定需要對所有子平面數(shù)據進行拼接；公共區(qū)域中的采樣點在兩個相鄰子平面坐標系中的X、Y坐標值在對被測面進行分割時就已經確定，同時由于分離出的被測面的平面形狀誤差值即為Z值，故依此得相鄰兩個子平面間的坐標系變換公式；假設公共區(qū)域中P點，在子平面C1、子平面C2的坐標系C1與C2中的坐標值分別為(X1, Y1, Z1)、(X1, Y1, Z1),則令C1與C2間旋轉矩陣為正交矩陣R
、 auR= 2i aH aH
Va31 fl32 “33 /(4)平移向量為t = (t” t2, t3)T(5)則有C1=R(C^t)(6)引入輔助矩陣旋轉正交矩陣
權利要求
1.ー種平面形狀誤差在線測量系統(tǒng)，其特征在于包括傳感器陣列(4)、數(shù)據采集和模數(shù)轉換模塊(7)和數(shù)據處理與顯示模塊(10)，所述的傳感器陣列(4)通過數(shù)據線與數(shù)據采集和模數(shù)轉換模塊(7 )連接，所述的數(shù)據采集和模數(shù)轉換模塊(7 )通過無線網絡(9 )連接數(shù)據處理與顯示模塊(10);所述的數(shù)據處理與顯示模塊(10)的處理軟件使用改進型最小ニ乘逐次兩點法平面形狀誤差分離算法，并引入數(shù)據拼接擬合技木； 所述的傳感器陣列(4)由四個電渦流距離傳感器(I)、傳感器前置器(5)及位置傳感器(12)組成，其中四個電渦流距離傳感器(I)呈正方形配置，電渦流距離傳感器(I)位于正方形的頂點，四個電渦流距離傳感器(I)分別連接到各自的傳感器前置器(5)，傳感器前置器(5)連接到數(shù)據采集和模數(shù)轉換模塊(7)的16位A/D采集電路(6)上，向數(shù)據采集和模數(shù)轉換模塊(7)發(fā)送電壓信號；位置傳感器(12)直接連接數(shù)據采集和模數(shù)轉換模塊(7)的DSP處理器(8)，向采集系統(tǒng)發(fā)送傳感器陣列(4)當前位置數(shù)據； 所述數(shù)據采集和模數(shù)轉換模塊(7)為基于DSP處理器(8)的嵌入式系統(tǒng)，具有采集控 制、模數(shù)轉換、粗差剔除及數(shù)據上傳功能，并通過無線局域網向數(shù)據處理與顯示模塊(10)發(fā)送經過初步處理的采樣數(shù)據； 所述的數(shù)據處理與顯示模塊(10)使用平板電腦或智能手機(11)，數(shù)據處理與顯示模塊(10)接收來自數(shù)據采集和模數(shù)轉換模塊(7)的采樣數(shù)據，并對采樣數(shù)據進行誤差分離和平面度的評定，并在屏幕上顯示。
2.ー種平面形狀誤差在線測量系統(tǒng)的測量方法，其特征在于包括以下步驟 A、對被測面(13)進行分割 操作人員在數(shù)據處理與顯示模塊(10)上對被測面(13)進行分割并對子平面編號，相鄰的子平面應有公共部分以便于拼接，數(shù)據處理與顯示模塊(10)將自動保存各個非連續(xù)子平面的位置信息，以便將從數(shù)據采集和模數(shù)轉換模塊(7)接收到的采樣數(shù)據分別輸入不同的非連續(xù)子平面并對這些非連續(xù)子平面分別進行誤差分離； 分割吋，每個非連續(xù)子平面的大小和形狀應遵循如下原則非連續(xù)子平面應為矩形或者能夠被矩形網格完全覆蓋；分割出的非連續(xù)子平面之間應有足夠的公共區(qū)域用于拼接擬合；采樣點數(shù)量不應對運算速度產生明顯影響；子平面間的公共區(qū)域應盡量避開被測面(13)上的鏤空部分；非連續(xù)子平面的形狀應保證滿足改進型最小ニ乘逐次兩點法平面形狀誤差分離算法的要求，即保證每個非連續(xù)子平面上的三個基準點都存在于被測面(13)上；根據經驗法則，兩個子平面的公共區(qū)域應的寬度應至少包含三行采樣點； 當非連續(xù)子平面之間的公共區(qū)域中存在鏤空部分時，三行采樣點難以達到最佳拼接擬合效果，這時應當適當増加公共區(qū)域的面積以提高拼接擬合效果，實驗顯示當公共區(qū)域中的采樣點達到需要拼接的子平面的采樣點數(shù)的30%時可以很好的實現(xiàn)子平面拼接擬合； B、掃描覆蓋子平面的被測網格 記電渦流距離傳感器(I)所構成的正方形邊長為A，這樣以A長度為間隔構造分成(M-I)行(N-I)列的矩形網格，所述的矩形網格覆蓋ー個被測子平面，記矩形網格左上角的頂點為Z11,以Z11為原點形成坐標系，處于矩形網格其它頂點上的點記為Zxy，這些點是子平面上的采樣點；當被測面(13)被劃分為兩個或兩個以上的子平面時，兩個相鄰子平面的公共區(qū)域中的采樣點應重合，所有子平面上的矩形網格的總和稱為被測網格； 所述的四個電渦流距離傳感器(I)呈正方形配置，四個電渦流距離傳感器(I)位于正方形的四個頂點；測量時，傳感器陣列(4)位于網格的ー個正方形格上，四個電渦流距離傳感器(I)分別位于這一正方形格的四個頂點即四個采樣點上，這時傳感器陣列(4)所處的位置稱為采樣位置； 傳感器陣列(4)在單個子平面運動方式為電渦流距離傳感器(I)始終位于每行采樣點的連線上，傳感器陣列(4)自左向右依次掃描當前子平面上的網格的第一行，然后回到最左端，掃描網格的下一行，以此類推掃描當前子平面上的整個網格； 傳感器陣列(4)的位置由位置傳感器(12)確定，每當傳感器陣列(4)到達采樣位置時由電渦流距離傳感器(I)進行采樣；在大型非規(guī)則平面上時傳感器陣列(4)自上而下依次掃描被測網格的姆一行； 電渦流距離傳感器(I)測量值由導軌運動誤差、被測面(13)的形狀誤差、電渦流距離傳感器(I)的初始位置偏差和隨機誤差這四種因素構成，用式(I)表示； 若電渦流距離傳感器(I)分別標為(k，I) (k, 1=1，2);位于ー個子平面上的第i行j列網格上的采樣位置標記為(i，j);以電渦流距離傳感器(I) (1，I)的作為基準點，對于四個電渦流距離傳感器(I)布置，電渦流距離傳感器(I) (1,2),(2, 1),(2,2)的初始位置偏差分別記為Λ12、Λ21、Λ22;記電渦流距離傳感器(I) (k, I) (k, 1=1,2)在ー個子平面的矩形網格上的第i行j列時的采樣值為Sukl，則Sijki — Z(i+k-D (J^1-D-Clij+ δ kl · Δ kl+ ε iJkl(I) 這里i = 1,2- (M-I) ;j=l，2... (N-I)；δ O (k = l = l)k! 一 |l Z(i+k-1) (j+E-1)表示被測面(13)的形狀誤差，是每個采樣點Zxy經過誤差分離得到的相對于由Zn、Z1N, Zm三點確定的基準面的距離，Clij為導軌運動誤差，Akl為電渦流距離傳感器(1)的初始位置偏差，しポ是隨機誤差，Skl用于令電渦流距離傳感器(I)(1，I)作為基準點的參數(shù)； 由于電渦流距離傳感器(I)掃描到被測面(13)上的鏤空區(qū)域時會得到超出量程，故當一個采樣點的測量值高于一定門限值吋，該采樣點會被賦予ー個代表采樣點不存在的值； C、對各非連續(xù)子平面分別進行誤差分離 在ー個非連續(xù)子平面中，式(I)用矩陣的形式表示，則 S = BU+e(2) 上式中S為四個傳感器采樣數(shù)據構成的4 (M-I) (N-I)列向量，S的形式為 S-(S1111, S1112, S1121, S1122*** S(M_!) (N_J) n, (M-I) (N-I) 12，S(M-I) (N-l)21，0 (Μ_1) (Ν_1) 22) U中包含以下三個部分導軌運動誤差、被測面(13)的形狀誤差、電渦流距離傳感器(O的初始位置偏差；以上三個部分構成了 MN+(M-I) (N-I)+3元的列向量，其形式為 U-、厶η，Z12.../i1N，/21...厶麗，(I11, d12... (!(M—i) (N—i)，Δ 12, Δ 21, Δ 22) 填充矩陣B是ー個矩陣，其行數(shù)為4(M-1) (N-I)，列數(shù)為MN+(M-I) (N-I)+3 ;根據式(2)，填充矩陣B的由S、U的形式決定；e為隨機誤差； 由于填充矩陣B列滿秩是矩陣最小ニ乘解存在的條件，故必須保證填充矩陣B列滿秩，但實際上填充矩陣B的秩數(shù)比列數(shù)少三，為保證矩陣最小ニ乘解存在，并確定基準平面，指定任意不在一條直線上的三遠點zn、Z1N, Zmi的坐標值所在的平面作為分離的基準平面，由此確定這3個自由度； 令Z11 = Zin = Zmi = O, U變換為以下形式
全文摘要
本發(fā)明公開了一種平面形狀誤差在線測量系統(tǒng)和方法，所述的系統(tǒng)包括傳感器陣列、數(shù)據采集和模數(shù)轉換模塊和數(shù)據處理與顯示模塊，所述的數(shù)據處理與顯示模塊的處理軟件使用改進型最小二乘逐次兩點法平面形狀誤差分離算法，并引入數(shù)據拼接擬合技術。本發(fā)明基于改進型最小二乘逐次兩點法平面形狀誤差分離算法，通過被測面的整體采樣數(shù)據進行分區(qū)處理，利用在線分區(qū)算法來實現(xiàn)數(shù)據矩陣的降維處理以達到提高數(shù)據處理速度、增加采樣點容量的目的，主要包括數(shù)據的誤差分離、擬合等過程。由于本發(fā)明采用了數(shù)據拼接擬合技術，能夠有效地提高采樣點的分布密度、增加測量系統(tǒng)反映被測面平面形狀誤差的能力。
文檔編號G01B7/28GK102853757SQ201210359669
公開日2013年1月2日 申請日期2012年9月24日 優(yōu)先權日2012年9月24日
發(fā)明者熊木地, 陳東岳, 王文超 申請人:大連海事大學