CN102322793B

CN102322793B - 应用于便携式坐标测量机的实时半径补偿方法及测头装置

Info

Publication number: CN102322793B
Application number: CN 201110122568
Authority: CN
Inventors: 吴尧锋; 卢科青; 王文; 陈子辰
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2011-05-12
Filing date: 2011-05-12
Publication date: 2013-06-05
Anticipated expiration: 2031-05-12
Also published as: CN102322793A

Abstract

本发明公开了一种应用于便携式坐标测量机的实时半径补偿方法及测头装置。该测头装置包括一个接触式测头、三个不同波长的点激光测头及其它附件。测量开始前，先旋转具有螺纹的调节环，调节三个点激光测头的开合方向，使它们发出的激光束聚集在测球附近，然后标定各激光束的空间方向。测量过程中，测球获得待补偿测点，同时，三个点激光测头获得测球附近被测表面上的三个测点，然后将这三个测点连接成一个三角形，求取其法矢方向。最后将该法矢方向作为待补偿点的半径补偿方向，完成对被测点的半径补偿。该方法算法简单，可以实现接触式测量数据的实时半径补偿；装置结构简单，易于实现，适用于缓变自由曲面的逆向测量。

Description

应用于便携式坐标测量机的实时半径补偿方法及测头装置

技术领域

本发明涉及一种实时半径补偿方法及测头装置，尤其是涉及一种应用于便携式坐标测量机的实时半径补偿方法及测头装置。

背景技术

便携式坐标测量机如图1所示，通常采用接触式测头，例如红宝石测头，它具有质硬，球度好，半径一致性好，与被测面总接触一点，测量精度比非接触式测量方式高，广泛应用于坐标测量领域。如图2所示，当便携式坐标测量机沿着被测自由曲面3上的标记线4进行测量时，系统需要获得的是测球2球心的坐标值，而不是测球2与曲面接触点的坐标值，因此需要在测量过程中或测量完成后，对获得的测量数据进行半径补偿。半径补偿的关键技术是确定被测自由曲面上接触点的法矢方向。在逆向工程中，被测自由曲面的数学模型未知，所以无法用计算偏导数的方式确定测点的法矢方向，只能根据测点与邻域测点的拓扑关系，构成曲线或微平面，计算法矢方向，近似作为测点的半径补偿方向。

目前半径补偿通常有两种方式：事后补偿和实时补偿。事后补偿根据测头半径、曲面的性质等计算每个点的补偿量，并对曲面进行偏置实现半径补偿，然而对于形状复杂的自由曲面，通过等距偏置得到等距曲面的难度大。

对于实时补偿，由于测量人员手持便携式坐标测量机进行测量，测点分布较散乱，没有明显的扫描线特征，因而无法直接采用二维补偿方法。三维补偿方法一般采用微平面法，测量时测头在测点P的一个小邻域内，分别采集三个辅助参考点，将这三点组成小平面，其法矢方向近似作为测点P的半径补偿方向。这种方法每测一点，需要测三个辅助点，大大增加了测量工作量和时间，并且半径补偿的精度与所选的辅助参考点有关，同时也受到测量人员工作经验的影响。

发明内容

本发明的目的是提供一种应用于便携式坐标测量机的实时半径补偿方法及测头装置。利用此装测头置测量自由曲面时，可以实时补偿测头半径，从而直接获得自由曲面上测点的三维坐标数据。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一、一种应用于便携式坐标测量机的实时半径补偿方法：

通过等分分布的三个点激光测头获得接触式测头附近被测自由曲面上的三个测点，构成一个三角形，然后计算三角形的法向量，利用该法向量，对接触式测头获得数据进行实时半径补偿。

所述的对接触式测头获得数据进行实时半径补偿的方法：

当接触式测头接触被测自由曲面后，获得一个测点，记为P_Ti，i＝1，2，3，…，n，该测点值为接触式测头球心坐标值；同时，三个点激光测头测得P_Ti附近的三个测点P_L1i、P_L2i和P_L3i，i＝1，2，3，…，n；

P_L1i、P_L2i和P_L3i构成一个三角形，根据式(1)，计算得到三角形的单位法矢n_i，取其外法线方向；

根据式(2)，结合求得的n_i对接触式测头获得的数据点P_Ti进半径补偿，得到补偿后的数据点P_actual i；

n_{i} = \frac{\overset{&OverBar;}{P_{L 1 i} P_{L 2 i}} \times \overset{&OverBar;}{P_{L 1 i} P_{L 3 i}}}{| \overset{&OverBar;}{P_{L 1 i} P_{L 2 i}} \times \overset{&OverBar;}{P_{L 1 i} P_{L 3 i}} |}

i=1,2,3,...,n (1)

P_actual i＝P_Ti-n_i·r i＝1，2，3，…，n (2)

式中：r为接触式测头的测球半径。

二、一种应用于便携式坐标测量机的实时半径补偿的测头装置：

测座的下端与测针同轴连接，测座的上端与测座杆同轴连接，保护套筒安装在测座与测座杆相连接的台肩面上，测座杆伸出保护套筒外，保护套筒与测座杆用紧定螺钉固定；调节环与保护套筒上端螺纹连接，调节环中间槽内套有连接环；连接环上设有三个等分布置的铰链，每个铰链分别通过连杆与各自的点激光测头固定基座的一端铰接，每个点激光测头固定基座的另一端分别与保护套筒底端相铰接；每个点激光测头固定基座上分别固定一个点激光测头，三个点激光测头是具有不同波长的点激光测头。

所述的三个点激光测头分别安装在各自的滑环-摇杆机构上，每个滑环-摇杆机构均由连接环、连杆、点激光测头固定基座和销钉构成。

本发明具有的有益效果是：

本发明解决便携式坐标测量机接触式测头的实时半径补偿问题，操作简单，无需手动增加辅助点，精度较高，此方法应用于缓变自由曲面的逆向测量，具有较高的测量精度。本发明可实现便携式坐标测量机测量过程中的测量数据实时半径补偿，处理后的数据可直接导入CAD/CAM系统，完成后续的模型重建和数字化加工。

附图说明

图1是便携式坐标测量机示意图。

图2是接触式测头测量曲面示意图。

图3是多测头集成装置结构原理示意图。

图4是半径补偿示意图。

图中：1、接触式测头，2、接触式测头的球头，3、被测自由曲面，4、标记线，5、测座杆，6、保护套筒，7、连接环，8、调节环，9、测座，10、测针，11、销钉，12、连杆，13、点激光测头固定基座，14、紧定螺钉，15、点激光测头，16、螺钉，17、点激光光束。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明

如图3所示，本发明的测座9的下端与测针10同轴连接，测座9的上端与测座杆5同轴连接，保护套筒6安装在测座9与测座5相连接的台肩面上，测座杆5伸出保护套筒6外，保护套筒6与测座杆2用紧定螺钉固定；调节环8与保护套筒6上端螺纹连接，调节环8中间槽内套有连接环7；连接环7上设有三个等分布置的铰链，每个铰链分别通过连杆与各自的点激光测头固定基座的一端铰接，每个点激光测头固定基座的另一端分别与保护套筒6底端相铰接；每个点激光测头固定基座13上分别固定一个点激光测头，三个点激光测头是具有不同波长的点激光测头。

所述的三个点激光测头分别安装在各自的滑环-摇杆机构上，每个滑环-摇杆机构均由连接环7、连杆12、点激光测头固定基座13和销钉11构成。

测量开始前，先旋转具有螺纹的调节环8调节三个点激光测头15的开合方向，使它们发出的激光束聚集在测球附近，然后标定各激光束空间方向。测量过程中，接触式测头获得待补偿测点坐标，同时，三个点激光测头获得测球附近被测表面微平面上的三个测点坐标，然后将三个测点连接成一个三角形，求取三角形的法矢方向，最后将该法矢方向作为待补偿点的半径补偿方向。

测量设备为便携式坐标测量机，如图1所示。测头采用多测头集成装置，如图3所示，操作步骤如下：

(1)在被测自由曲面上喷射一层显隐剂，使被测自由曲面具有良好的漫反射特征，有利点激光测头测量；

(2)对被测表面进行测量路径规划，标记特征点、测量路径；

(3)建立空间测量坐标系，使测量设备的测量范围能全部覆盖被测自由曲面；

(4)将多测头装置装在便携式坐标测量机上，并对接触式测头的红宝石球头半径进行标定，测得半径值为r；

(5)如图3所示，保护套筒6上有螺纹，旋转调节环8，调节环8带动连接环7沿保护套筒6上下滑动，使点激光测头固定基座13倾斜角度发生变化，从而改变三个点激光测头15的开合方向，使激光光束17聚拢在接触式测头的测球附近；

(6)采用标定块，标定激光束17的空间方向，并与测量坐标系统一，使点激光测头能够精确测量自由曲面；

(7)手持便携式坐标测量机，沿着标记好的测量路径进行测量。测量过程中，计算点激光测头获得的数据，对接触式测头进行半径实时补偿。

(8)测量结束后，将经过补偿的测量数据保存到DAT、IGES等数据文件中。

具体半径补偿方法如下：

当接触式测头接触被测自由曲面后，获得一个测点，记P_Ti(i＝1，2，3，…，n)，如图4所示。该测点值为测头球心坐标值。同时，三个点激光测得P_Ti附近的三个测点P_L1i、P_L2i、P_L3i(i＝1，2，3，…，n)的坐标值。

P_L1i、P_L2i、P_L3i构成一个三角形，根据式(1)，计算得到三角形的单位法矢n_i，取其外法线方向。

根据式(2)，结合求得的n_i对接触式测头获得的数据点P_Ti进半径补偿，得到补偿后的数据点P_actual i。

n_{i} = \frac{\overset{&OverBar;}{P_{L 1 i} P_{L 2 i}} \times \overset{&OverBar;}{P_{L 1 i} P_{L 3 i}}}{| \overset{&OverBar;}{P_{L 1 i} P_{L 2 i}} \times \overset{&OverBar;}{P_{L 1 i} P_{L 3 i}} |}

(i=1,2,3,...,n) (1)

P_actual i＝P_Ti-n_i·r (i＝1，2，3，…，n)(2)

Claims

1.一种应用于便携式坐标测量机实时半径补偿的测头装置，其特征在于：测座(9)的下端与测针(10)同轴连接，测座(9)的上端与测座杆(5)同轴连接，保护套筒(6)安装在测座(9)与测座杆(5)相连接的台肩面上，测座杆(5)伸出保护套筒(6)外，保护套筒(6)与测座杆(2)用紧定螺钉固定；调节环(8)与保护套筒(6)上端螺纹连接，调节环(8)中间槽内套有连接环(7)；连接环(7)上设有三个等分布置的铰链，每个铰链分别通过连杆与各自的点激光测头固定基座的一端铰接，每个点激光测头固定基座的另一端分别与保护套筒(6)底端相铰接；每个点激光测头固定基座(13)上分别固定一个点激光测头，三个点激光测头是具有不同波长的点激光测头；

2.根据权利要求1所述的一种应用于便携式坐标测量机实时半径补偿的测头装置，其特征在于：所述的三个点激光测头分别安装在各自的滑环-摇杆机构上，每个滑环-摇杆机构均由连接环(7)、连杆(12)、点激光测头固定基座(13)和销钉(11)构成。