CN101782379B - 一种三坐标复合测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三坐标复合测量方法，包括：1)建立工件坐标系，选择测量元素并为其分配测量方式；2)设定测量点和传感器运动路线；3)按运动路线进行模拟测量，检查运动路线之间有无干涉；4)为传感器建立机器坐标系；对机器坐标系进行统一；5)将机器坐标系与工件坐标系进行统一，将测量点和运动路线映射到机器坐标系下；6)控制传感器按运动路线运动完成测量；本发明的有益技术效果是：可以对同一工件中不同的测量元素用不同的传感器进行自动测量，能够有效减轻校准人员的劳动强度，并且能够提高测量效率。

Description

一种三坐标复合测量方法

技术领域

本发明涉及一种测量技术，尤其涉及一种三坐标复合测量方法。

背景技术

目前常用的三坐标测量方法中，有接触式测量方法和非接触式测量方法，其中非接触式测量方法中又有影像测量方法和激光测量方法。这些方法中，影像测量和激光测量存在精度差，接触式测量存在测量死角多等缺点。而且，一般所提及的复合式测量系统中，接触式测量和非接触式测量是两个独立的测量系统，分别固定在不同的位置进行独立的工作，不是真正的复合。对于一些复杂的测量零件，单一的测量方式往往不能一次性完成对零件的测量，需要在几种测量方式下测量零件，导致测量过程复杂，测量过程不够直观，对测量精度的影响较大，而且也比较耗费测量时间。

发明内容

本发明提出了一种三坐标复合测量方法，其步骤为：

1)根据待测工件模板建立工件坐标系；根据工件的公差特征，选择待测测量元素，根据待测测量元素的测量要求为待测测量元素分配测量方式；

2)在工件坐标系下，为每种传感器设定测量点和传感器运动路线；

3)对工件坐标系下的传感器运动路线进行模拟测量，若三种传感器运动路线互相之间无干涉，则进入下一步；若三种传感器运动路线互相之间有干涉，则返回步骤2)；

4)为测量装置上的三种传感器建立一一对应的三个机器坐标系；对三个机器坐标系进行统一；

5)将统一后的三个机器坐标系与工件坐标系进行统一，同时，将工件坐标系下的测量点和传感器运动路线映射到机器坐标系下；

6)控制传感器按传感器运动路线运动并完成测量；

步骤1)中，为待测测量元素分配测量方式的方法为：一个待测测量元素对应一种或多种测量方式，即某一待测测量元素采用一种、两种或三种传感器进行测量。

步骤2)中设定传感器运动路线的方法为：

(1)为每个测量点确定一个定位点，定位点与零件外表面间隔一定距离；

(2)根据零件尺寸确定一个安全平面，将定位点正投影到安全平面上，得到安全平面点，传感器运动路线即在安全平面内并穿过安全平面点。

所述的三种传感器为：接触式测头、工业CCD和激光位移传感器，每种传感器单独对应一种测量方式。

本发明的有益技术效果是：可以对同一工件中不同的测量元素用不同的传感器进行自动测 量，能够有效减轻校准人员的劳动强度，并且能够提高测量效率。

附图说明

图1、本发明生成测量模板的过程；

图2、三个机器坐标系统一原理示意图；

图3、传感器运动路线生成原理示意图；

图4、本发明所涉及的装置结构图。

具体实施方式

为了阐明本发明的方案，需要先对本发明的硬件组成进行一下介绍，参见图4，本发明所应用的检测装置其结构包括：移动Z轴1、接触式测头4、工业CCD 5和激光位移传感器3；接触式测头4设置在移动Z轴1的端部，移动Z轴1上通过连接梁2固定有支撑板7，且支撑板7所在平面与移动Z轴1移动方向平行；工业CCD 5固定在支撑板7上，激光位移传感器3通过一维平移台6与支撑板7连接；一维平移台6固定在支撑板7上，激光位移传感器3可在一维平移台6上滑动；激光位移传感器3的主轴线、激光位移传感器3在一维平移台6上的滑动方向、移动Z轴1的移动方向，三者平行。工业CCD 5的主轴线与移动Z轴1的移动方向平行。工业CCD 5和激光位移传感器3设置在支撑板7的同侧。支撑板7、激光位移传感器3和工业CCD 5位于接触式测头4的上方。

其中，接触式测头4、工业CCD 5和激光位移传感器3即为本发明方案中所指的三种传感器。

本发明方案的具体步骤为：1)根据待测工件模板建立工件坐标系；根据工件的公差特征，选择待测测量元素，根据待测测量元素的测量要求为待测测量元素分配测量方式；2)在工件坐标系下，为每种传感器设定测量点和传感器运动路线；3)对工件坐标系下的传感器运动路线进行模拟测量，若三种传感器运动路线互相之间无干涉，则进入下一步；若三种传感器运动路线互相之间有干涉，则返回步骤2)；4)为测量装置上的三种传感器建立一一对应的三个机器坐标系；对三个机器坐标系进行统一；5)将统一后的三个机器坐标系与工件坐标系进行统一，同时，将工件坐标系下的测量点和传感器运动路线映射到机器坐标系下；6)控制传感器按传感器运动路线运动并完成测量。下面对本发明的具体步骤进行详细阐述：

关于步骤1)的内容：

工件模板中存在一CAD坐标系，而具体测量时，我们需要的是工件的工件坐标系，那么就需要确定工件坐标系在CAD坐标系中的位置关系，即首先要在CAD坐标系中对工件进行找正。通常采用6点找正法(即“3-2-1”方法)对工件进行找正，具体步骤如下：

1、通过在指定平面上测量三点或三点以上以确定基准面，从而实现决定基准面的主法矢与CAD坐标系的主法矢实现一致；

2、通过测量两点或两点以上的点(即一条直线)来确定校准基准轴，从而建立第二轴矢量；

3、第三轴矢量按照笛卡尔坐标系(右手准则)自动生成；

4、再由三坐标机测一点来计算原点。

这样通过测量一个平面、一条直线、一个点三个特征就可以建立起统一坐标系。需要指出的是，在以上四步操作中检测点位置的确定都是依据工件坐标系位置来选择的，可以实现实际确定的工件坐标系将与测量模板的坐标系(CAD坐标系)一致，也即“统一”。

为待测测量元素分配测量方式，一般地，一个待测测量元素用一种测量方式(也即一个传感器)测量就行了，但某些时候，为了使测量更加精确，需要用两种或三种传感器对其进行多次测量，故，也可为一个待测测量元素分配2种或3种传感器。

关于步骤2)、3)的内容：

发明内容中述及了设定传感器运动路线的两个步骤：参见图3，(1)为每个测量点确定一个定位点，定位点与零件外表面间隔一定距离；(2)根据零件尺寸确定一个安全平面，将定位点正投影到安全平面上，得到安全平面点，传感器运动路线即在安全平面内并穿过安全平面点。

这里需要指出的是测量点、定位点和安全平面点三者之间的关系：首先，测量点是设置在工件外表面的，它的位置决定了工件尺寸是否满足要求；从前面的结构描述我们可以看出，三个传感器都是设置在移动Z轴1上的，跟随移动Z轴一起运动，并且传感器和移动Z轴1之间还可以相对运动，这里所谓的安全平面点实际上就是移动Z轴1的移动轨迹，而定位点是指传感器测量时需要到达的位置；定位点与安全平面点之间的距离(工作距离)，通过调整传感器与移动Z轴1的相对位置来补偿。

前述的设定传感器运动路线和步骤3)中的模拟检测还可以归纳为如下流程：参见图1，(1)导入CAD的STL文件，(2)建立零件(工件)模型，(3)检测项目生成(即选择待测测量元素以及为待测测量元素分配测量方式)，(4)采样规划(也即设定测量点)，(5)测量路径规划(也即设定传感器运动路线)，(6)进行模拟测量，(7)检查传感器路线有无干涉，(8)无干涉则生成测量模板；有干涉则显示干涉路径转下一步处理，(9)修改测量路径并返回步骤(8)。

关于步骤4)中的内容：

对三个机器坐标系进行统一，按如下方法进行：参见图2，设激光位移传感器3对应的机器坐标系为O_m-X_mY_mZ_m，接触式测头4对应的机器坐标系为O_p-X_pY_pZ_p，工业CCD 5对应的机器坐标系为O_i-X_iY_iZ_i；

1、将工业CCD 5(后文简称影像测点)对应的机器坐标系(后文简称影像坐标系)统一到接触式测头4对应的机器坐标系(后文简称接触式坐标系)，其坐标合成公式为：

$\left\{\begin{array}{c}{X}_{\mathrm{Im}}=X_p+X_{\mathrm{Ip}}+X_i*C_x\\ Y_{\mathrm{Im}}=Y_p-Y_{\mathrm{Ip}}+Y_i*C_y\\ Z_{\mathrm{Im}}=Z_p+Z_{\mathrm{Ip}}\end{array}\right.$

其中，X_Im是影像坐标系和接触式坐标系统一后，影像测点在接触式坐标系下的X向坐标值；

X_p是影像测点统一到接触式坐标系下的理论X向坐标值；

X_Ip是影像中心点在接触式坐标下的实际X向坐标值；

X_i是影像测点距影像中心点在X向上的像素个数；

C_x、C_y分别是影像测点在X向、Y向上的像素标定值；

T_Im是影像坐标系和接触式坐标系统一后，影像测点在接触式坐标系下的Y向坐标值；

Y_p是影像测点统一到接触式坐标系下的理论Y向坐标值；

Y_Ip是影像中心点在接触式坐标下的实际Y向坐标值；

Y_i是影像测点距影像中心点在Y向上的像素个数；

Z_Im是影像坐标系和接触式坐标系统一后，影像测点在接触式坐标系下的Z向坐标值；

Z_p是影像测点统一到接触式坐标系下的理论Z向坐标值；

Z_Ip是影像中心点在接触式坐标下的实际Z向坐标值。

2、将激光位移传感器3(后文简称激光测点)对应的机器坐标系(后文简称激光坐标系)统一到接触式测头4对应的机器坐标系(后文简称接触式坐标系)，其坐标合成公式为：

$\left\{\begin{array}{c}{X}_{\mathrm{Lm}}=X_p+X_{\mathrm{Lp}}\\ Y_{\mathrm{Lm}}=Y_p-Y_{\mathrm{Lp}}\\ Z_{\mathrm{Lm}}=Z_p+Z_{\mathrm{Lp}}\end{array}\right.$

其中，X_Lm是激光坐标系和接触式坐标系统一后，激光测点在接触式坐标系下的X向坐标值；

X_p是激光测点统一到接触式坐标系下的理论X向坐标值；

X_Lp是激光测点在接触式坐标系下的实际X向坐标值；

Y_Lm是激光坐标系和接触式坐标系统一后，激光测点在接触式坐标系下的Y向坐标值；

Y_p是激光测点统一到接触式坐标系下的理论Y向坐标值；

Y_Lp是激光测点在接触式坐标系下的实际Y向坐标值；

Z_Lm是激光坐标系和接触式坐标系统一后，激光测点在接触式坐标系下的Z向坐标值；

Z_p是激光测点统一到接触式坐标系下的理论Z向坐标值；

Z_Lp是激光测点在接触式坐标下的实际Z向坐标值。

此时，三个机器坐标系的统一完成。

关于步骤4)的内容：

采用6点找正法，将统一后的三个机器坐标系中的任一机器坐标系与工件坐标系统一，再将工件坐标系下的测量点和传感器运动路线通过换算映射到三个机器坐标系中，测量装置控制传感器按测量点和传感器运动路线运动并完成测量。

当对批量的测量零件进行测量时，可实现本发明方案的软件可以快速完成工件模板建立、测量路线制定以及自动完成整个测量过程，减轻校准人员的劳动的强度，并且提高测量效率。对于同时需要多种传感器测量的复杂测量零件，首先对零件的待测元素分别选好测量方式，然后建立模板之后就可以对被测零件进行自动测量。测量过程中两种测头可按需要随意切换去完成不同测量要素的测量，甚至可以在测量同一个待测测量元素时，同时用两种测头采集数据。

Claims (4)

1.一种三坐标复合测量方法，其特征在于：其步骤为：

1)根据待测工件模板建立工件坐标系；根据工件的公差特征，选择待测测量元素，根据待测测量元素的测量要求为待测测量元素分配测量方式；

2)在工件坐标系下，为每种传感器设定测量点和传感器运动路线；

3)对工件坐标系下的传感器运动路线进行模拟测量，若三种传感器运动路线互相之间无干涉，则进入下一步；若三种传感器运动路线互相之间有干涉，则返回步骤2)；

4)为测量装置上的三种传感器建立一一对应的三个机器坐标系；对三个机器坐标系进行统一；

5)将统一后的三个机器坐标系与工件坐标系进行统一，同时，将工件坐标系下的测量点和传感器运动路线映射到机器坐标系下；

6)控制传感器按传感器运动路线运动并完成测量。

2.根据权利要求1所述的一种三坐标复合测量方法，其特征在于：步骤2)中设定传感器运动路线的方法为：

1)为每个测量点确定一个定位点，定位点与零件外表面间隔一定距离；

2)根据零件尺寸确定一个安全平面，将定位点正投影到安全平面上，得到安全平面点，传感器运动路线即在安全平面内并穿过安全平面点。

3.根据权利要求1所述的一种三坐标复合测量方法，其特征在于：步骤1)中，为待测测量元素分配测量方式的方法为：一个待测测量元素对应一种或多种测量方式，即某一待测测量元素采用一种、两种或三种传感器进行测量。

4.根据权利要求1所述的一种三坐标复合测量方法，其特征在于：所述的三种传感器为：接触式测头、工业CCD和激光位移传感器，每种传感器单独对应一种测量方式。 

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