CN101270977B - 用于测量三维物体轮廓和/或转动惯量的设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种用于测量三维物体轮廓和/或转动惯量的设备和方法，属于机械式测量三维物体物理量技术领域，设备将被测物体4固定到夹持装置33上，将夹持装置33固定到承物平台3上，将承物平台3与转动平台2形成转动副铰接，用光电开关5测量承物平台3与转动平台2的相对位置，用角速度测量仪6测量转动平台2的角速度。本方法根据转动惯量原理，排除外力矩的影响，通过遥控的电机22改变承物平台3与转动平台2的相对位置，由于绕转动平台2转动中心的转动惯量发生变化，转动平台2的角速度也跟随发生变化，测量转动平台2的角速度变化，通过计算得出三维物体的轮廓和转动惯量。

Description

用于测量三维物体轮廓和/或转动惯量的设备和方法

(一)所属技术领域

本发明涉及对现有三维物体测量以确定该三维物体轮廓和/或转动惯量的设备和方法，尤其是所述三维物体可以是包含全封闭内部结构的三维物体。

(二)背景技术

机械、电子、汽车、航天等重要领域都需要对三维物体进行测量。在已知产品的质量检测中三维物体轮廓和三维物体转动惯量是被测量的两个重要物理量，这两个物理量都与物体的形状有直接关系，检验三维物体轮廓是为了判断三维物体的形状和尺寸大小是否符合设计要求，检验三维物体的转动惯量是为了判断三维物体的动力特性和运动特性是否满足设计要求。

目前公知的三维物体轮廓的测量方法有接触式探针测量方法，典型代表是三坐标测量仪，该方法有较高的精度，但易于损伤测头、划伤被测零件、需要人工干预、且成本高、测量速度慢。还有应用光栅、全息、二维图象等手段的光学非接触测量三维物体的方法。其中，投影光栅法测量范围大、速度快、成本低，但测量精度低且不能测量表面变化过陡的物体。激光三角形法测量单一数据速度快、精度高，但测量数据规模大、被测物体的表面不能过于光滑。二维图象法的精度不高，测量数据处理的算法非常复杂。以上方法均还存在致命缺陷：即无法测量物体的内部轮廓，存在光学测量的盲点。目前国际上现有核磁共振成象和CT扫描方法能够测量物体的内部轮廓，但这两种方法的成本很高、对可测零件的材料和尺寸有限制，测量精度低，最小层厚只有1mm，特别是对被测物体的材料有限制，不能测量工程领域常用的金属材料。另一种能够对物体内部轮廓测量的方法是美国的一项专有技术——自动断层扫描，该方法虽然测量精度可达0.02mm，但它测量时要破坏被测零件。上述测量方法在三维物体轮廓被测量出来后可以计算得到三维物体的转动惯量，但它所需的时间比单独测量转动惯量设备所用的时间多几倍到几十倍。

目前公知的转动惯量测量方法主要是两大类，一是利用复摆原理测量，如扭振法、摆振法，这类方法实现复杂，误差较大。二是利用动量矩原理，如落体法，这类方法需要人为施加阻力矩，阻力矩的大小难以精确控制，影响测量精度。两类测量转动惯量的方法不能测量三维物体轮廓。

(三)发明内容

本发明的目的便是针对现有技术的局限性，提供一种测量设备和方法，所述设备可同时测量三维物体的轮廓和转动惯量，也可单独测量三维物体的轮廓或转动惯量，测量所得的转动惯量还包括被测物体的质量中心的位置，而且单独测量三维物体的轮廓或转动惯量的测量数据都比现有方法少，测量时间短，并不破坏被测物体。

根据上述目的，本发明采用了以下技术方案：以刚体的转动惯量随其质量、质量分布及转动轴线不同而改变为基本原理，同一物体绕不同位置轴转动的转动惯量不同、已经绕某轴转动的物体在无外力矩的情况下改变物体位置其转动角速度发生变化，角速度的变化可以反推出三维物体轮廓和转动惯量，利用测量角速度数据计算出被测物体的轮廓和转动惯量。

根据本发明，提供一种用于测量三维物体轮廓和/或转动惯量的设备，测量设备如图1所示：被测物体4被安装在夹持装置33上，夹持装置33上有三个相互垂直的安装平面可以与承物平台3的水平承物面成为结合面，结合面的固定采用可拆卸螺钉。所述被测物体4是能够被夹持并不变形的物体，要求测量三维物体轮廓时必须是均匀材料物体，单独测量转动惯量时可以是不均匀材料物体。为了得到被测物体4不同方向的的测量数据，可选用夹持装置33上的不同的安装平面作为结合面与承物平台3固定。转动平台2通过空气轴承11与机架1形成转动副铰接，采用空气式轴承可使转动平台2转动时的摩擦阻力矩接近于零，便于获得高的测量精度。转动平台2上固定安装有拨轮21，固定在机架1上的空气压缩机10通过输出气体吹动拨轮21转动，拨轮21带动转动平台2转动。在安装夹持装置33时，安装在机架1上的制动装置8利用电磁力使两个夹头向转动平台2的轴心线方向运动，直至实现对转动平台2的制动，使转动平台2与机架1保持静止，以便于安装。承物平台3通过轴承27与转动平台2形成转动副铰接，转动平台2上固定安装有电机22，为电机22提供电源的电池24和控制电池24向电机22是否送电的遥控开关25固定安装在转动平台2上，电机22与机架1没有直接相连的输电线，使转动平台2转动时不受外力矩的影响，便于获得高的测量精度。电机22的输出轴固定安装主动摩擦轮23，当遥控开关25开启时，主动摩擦轮23带动固定在承物平台3上的被动摩擦轮32转动，并带动承物平台3运动，主动摩擦轮23不转动时，主动摩擦轮23与被动摩擦轮32之间有自锁的作用。安装在机架1上的光电开关5用于接收分别安装在转动平台2上的标尺26和承物平台3上的标尺31的遮挡信号，所述信号可以计算确定转动平台2与承物平台3之间的相对位置，安装在机架1上的角速度仪6用于接收转动平台2转动的角速度信号。根据转动惯量原理，已知转动平台2与承物平台3之间的相对位置和角速度仪6的角速度信号可以计算出被测物体4的三维轮廓和转动惯量，角速度仪6和光电开关5的电信号通过电缆71和电缆72传送给计算机7，用计算机7计算被测物体4的三维轮廓和转动惯量。

(四)附图说明

图1是测量设备的工作原理图。图中1为机架、11为空气轴承、2为转动平台、21为拨轮、22为电机、23为主动摩擦轮、24为电池、25为遥控开关、26为标尺、27为轴承、3为承物平台、31为标尺、32为被动摩擦轮、33为夹持装置、4为被测物体、5为光电开关、6为角速度仪、7为计算机、71为电缆、72为电缆、8为制动装置、9为空气压缩机。

图2是计算示意图，1为机架、2为转动平台、3为承物平台、4为被测物体，O₁为转动平台2的转动轴中心，O₂为承物平台3的转动轴中心，A为被测物体4除柱体单元之外质量的质心，B为柱体单元的质心，α为转动平台2与承物平台3初始位置夹角。

(五)具体实施方式

在图1中，设被测物体4为一个材料为钢的机械零件，用电子天平测量得到被测物体的重量M，按照测量要求按一定的方向将被测物体4夹持到夹持装置33上后，按以下步骤和方法测量被测物体的三维轮廓和转动惯量。

(1)制动装置8夹紧转动平台2使其制动，选择夹持装置33的一个安装平面与承物平台3的水平承物面作为结合面，利用紧固螺钉将夹持装置33固定到承物平台3上，制动装置8松开转动平台2，使转动平台2能自由转动。

(2)开启空气压缩机9并输出气体，气体吹动拨轮21使转动平台2转动，角速度测量仪6测量转动平台2的角速度达到预先设定的ω₀时，关闭空气压缩机9，停止驱动拨轮21，让转动平台2在无外力矩的情况下随惯性转动一段预定时间，保持角速度ω₀，将角速度信号送至计算机7，将随转动平台2转动的标尺26和31分别遮挡光电开关5的电信号送至计算机7，用于计算此时转动平台2与承物平台3的相对位置。若已知转动平台2与承物平台3的相对位置，根据公知的技术，转动平台2上除被测物体外所有已知构件由于其质量、形状、尺寸、位置均已知，所以已知构件相对于转动平台2的转动轴中心O₁(如图2所示)的转动惯量可计算得出，计算机7计算上述相对位置的转动惯量J₀。

(3)开启遥控开关25，使电机22转动一段预先设定的时间，主动摩擦轮23转动使承物平台3相对转动平台2转过一个角度⊿_i，关闭遥控开关25，使电机22停止转动，主动摩擦轮23和被动摩擦轮32的自锁作用使转动平台2和承物平台3保持相对静止。将随转动平台2转动的标尺26和31分别遮挡光电开关5的电信号送至计算机7，用于计算转动平台2与承物平台3发生的相对转角⊿_i。转动平台2上所有质量相对转动平台2的转动轴中心O₁的位置发生变化，导致转动平台2的转速发生变化，角速度仪6测量此时转动平台2的转速ω_i，并将转速信号送至计算机7。用计算机计算得到发生相对转角⊿_i后，转动平台2上除被测物体4外所有已知构件相对于转动平台2的转动中心O₁的转动惯量J_0i。

(4)利用三维物体的空间单元表示法，将被测物体4可能存在实体的尺寸范围离散为有限小的正方体单元的集合，小单元沿坐标方向对齐布置，正方体单元沿一个平面的垂直方向叠加形成底面积等于正方体单元底面积的长方柱体，称为柱体单元，如图2所示，转动平台2的转动中心为O₁，承物平台3相对于转动平台2的转动中心为O₂，O₁至O₂的距离已知为L_O1O2，设将被测物体4的质量分为两部分，一部分质量为一个给定位置的被测物体4上垂直于基准面的柱体单元的质量m_j，给定的小单元边长为d，通常d取0.25至1毫米，m_j的质量中心在B点，给定位置是指B点至承物平台3转动轴中心O₂的距离L_O2B和在ω₀时∠O₁O₂B，由这两个参数和测量得到的⊿_i可计算出ω_i时B点至O₁的距离L_i。另一部分质量为被测物体的剩余部分(M-m_j)，设其待求的质量中心在A点，A点至承物平台3转动轴中心O₂的距离为未知数L_O2A，当ω₀时O₁O₂与O₂A所成的夹角为未知数α，A点至转动平台2转动轴中心O₁的距离为未知数L_zi，该部分物体相对于质心A点的转动惯量为未知数J_Z，根据转动惯量原理，在无外力矩作用下，对于均匀材料的物体，可建立1个方程：

(J_Z+(M-m_j)×L_zi ²+m_j×L_i ²+m_j×d²/6+J_0i)×ω_i＝C               (1)

其中L_zi ²＝(L_O1O2 ²+L_O2A ²-2×L_O1O2×L_O2A×COS(α+⊿_i))、C为常数。

将步骤(2)计算和测量的数据ω₀、⊿_i＝0、J₀带入式(1)对应的ω_i、⊿_i、J_0i可列出1个求解方程。

将步骤(3)计算和测量的数据ω_i、⊿_i、J_0i带入式(1)可列出1个求解方程。

重复步骤(3)两次，将获得的计算和测量的数据ω_i、⊿_i、J_0i带入式(1)可列出2个求解方程。

上述共可列出4个求解方程，在方程中令m_j＝0，根据现有解非线性方程组的技术用计算机解这4个方程，可求得被测物体4绕垂直于水平面并通过质心的轴转动的转动惯量J_Z、质心位置参数α和L_O2A、常数C四个未知数，根据解的结果和公知技术，还可进一步计算得到被测物体4绕任一个垂直于水平面轴转动的转动惯量。由于在求转动惯量时，令m_j＝0后，方程中所有参数与被测物体4的材料是否均匀无关，所以单独测量求解转动惯量时，被测物体4可以是非均匀材料。

(5)再重复步骤(3)1次，将计算和测量的数据ω_i、⊿_i、J₀带入式(1)可列出1个求解方程，加上步骤(4)所列的4个求解方程，根据现有解非线性方程组的技术用计算机解这5个方程，可求得一个给定位置柱体单元的质量m_j。

(6)重新选定一个新位置的柱体单元作为被求对象，改变L_O2B和∠_O1O2B，重新计算步骤(5)中所列5个方程中的参数L_i，将5个新L_i带入对应的方程中，重新用计算机解这5个方程，可求得新位置柱体单元的质量m_j，以此类推，直到垂直于安装平面的所有柱体单元的质量被求出。

(7)重复步骤(1)(2)(3)(4)(5)(6)两次，在步骤(1)中，选择夹持装置33的新的一个安装平面与承物平台3的水平承物面作为结合面，并将夹持装置33固定到承物平台3上，可获得另两个垂直于第一次安装平面的所有柱体单元的质量m_j。

(8)根据被测物体的总质量等于被离散的所有小单元质量之和列出1个线性方程。根据空间单元表示法每一个小单元的质量或为0或为1，则每一个小单元的质量W_i有方程：W_i×(W_i-1)＝0，可列出等于离散小单元总数的方程。根据求得的每一个柱体单元的质量m_j等于该柱体单元可能存在实体的尺寸范围内的所有小单元质量之和，可列出等于柱体单元总数的线性方程。用上述可列出的所有方程联立成方程组，方程组中未知数的个数等于所有小单元个数，所列方程总数比未知数个数多出柱体单元数加1，根据现有大规模方程组优化求解技术，用计算机可解出所有小单元的质量W_i，将质量等于1的小单元转换成实体，计算机用现有图形处理软件可构造出被测物体的三维数字化轮廓。特别是所建立的求解三维物体轮廓的数学模型中，所能求解出的所有小单元质量与被测物体是否包含全封闭内部结构无关，所以被测物体可以是包含全封闭内部结构的物体。

本发明采用的测量方法是一种非接触自动测量，设备结构简单。与现有技术相比，本发明具有下列优点：(1)可同时测量三维物体的轮廓和转动惯量，并不破坏被测物体。(2)由于测量方法与三维实体是否包含内部轮廓无关，本方法可测量包含全封闭内部轮廓的三维物体。(3)可测量各种能够被夹持不变形的所有均匀材料的三维物体的轮廓和转动惯量，还可测量非均匀材料物体的转动惯量。(4)测量方法简单，测量数据少，对被测物体的尺寸无限制。(5)测量精度可根据划分的正方形小单元的边长调整，当小单元的边长为0.25毫米时，测量精度可达到同类国际先进水平。(6)无论是测量三维物体轮廓还是测量转动惯量所需时间均与现有测量转动惯量技术的时间相近。(7)本方法的测量设备成本低，总成本可以控制在5万元人民币之内，现有三维测量设备一般在20万元人民币以上。

Claims (5)

1.一种测量三维物体轮廓和/或转动惯量的设备，其特征在于，所述设备包括：机架(1)与转动平台(2)通过空气轴承(11)形成转动副绞接，所述转动平台(2)上固定安装有由气动驱动的拨轮(21)，用于控制转动平台(2)静止和自由转动的制动装置(8)，用于固定被测物体(4)的夹持装置(33)，所述被测物体(4)是能够被夹持并不变形的三维物体，用于固定夹持装置(33)的承物平台(3)，所述承物平台(3)与转动平台(2)通过轴承(27)形成转动副绞接，用于驱动承物平台(3)与转动平台(2)实现相对位置变化的电机(22)，所述电机(22)的转动或停止由电池(24)和遥控开关(25)控制，用于测量承物平台(3)与转动平台(2)相对位置的光电开关(5)，用于气动驱动拨轮(21)的空气压缩机(9)，用于测量转动平台(2)角速度的角速度测量仪(6)，用于计算三维物体的轮廓和转动惯量的计算机(7)，用于将角速度测量仪(6)的电信号传送给计算机(7)的第一电缆(71)，用于将光电开关(5)的电信号传送给计算机(7)的第二电缆(72)。

2.根据权利要求1所述的测量三维物体轮廓和/或转动惯量的设备，其特征是，转动平台(2)与机架(1)可以作相对转动，转动平台(2)与承物平台(3)可以作相对转动，且所述两个相对转动的轴心线都垂直于水平面。

3.根据权利要求1所述的测量三维物体轮廓和/或转动惯量的设备，其特征是，夹持装置(33)上有三个相互垂直的安装平面，安装平面用于与承物平台(3)上的水平承物面成为结合面，结合面之间用可拆卸的方式固定。

4.根据权利要求1所述的测量三维物体轮廓和/或转动惯量的设备，其特征是，在拆卸安装夹持装置(33)时期，制动装置(8)处于制动夹紧状态使转动平台(2)与机架(1)保持静止，在不拆卸安装夹持装置(33)时期，制动装置(8)处于松开状态使转动平台(2)相对于机架(1)可作自由转动。

5.根据权利要求1所述的测量三维物体轮廓和/或转动惯量的设备，其特征是，为电机(22)供电的电池(24)是固定在转动平台(2)上的。