CN102554704A - 非连续平面平面度在线测量系统和方法 - Google Patents

Abstract

非连续平面平面度在线测量系统，包括传感器列阵、数据采集和模数转换模块、数据处理与显示模块，传感器列阵由四个传感器和四个前置器组成，四个传感器分别与对应的一个前置器连接；四个前置器分别与数据采集和模数转换模块的对应接口连接；前置器将对应的传感器测得的距离数值转化为-10V-+10V的电信号传给数据采集和模数转换模块；数据采集和模数转换模块是一个基于DSP的嵌入系统，包括16位A/D转换器和采集电路及DSP处理器，具有数据采集控制，模数转换和被测平面形状识别功能；数据处理与显示模块由一台平板计算机和人机界面组成。本发明能用于基座和其它非连续大平面的高速、高精度平面度在线检测。

Description

非连续平面平面度在线测量系统和方法

技术领域

本发明涉及平面加工的精密测量，特别是船体基座表面的精密测量。

背景技术

在船舶制造过程中，随着对加工精度和测量精度要求的不断提高，对平面几何形状误差的测量已经成为重要的研究内容，测量水平的高低将直接影响产品的质量和性能的好坏。船体基座的平面度是影响建造质量的重要因素之一，基座由多个分离的大小不等的平面构成，平面的几何尺寸大。基座需要通过专用机床进行精密加工，在对基座进行加工过程中进行平面度的测量可及时获得有关加工效果的反馈，以确定加工结果是否满足要求，意义十分重大。

平面度测量技术分为在线测量技术和离线测量技术。

现有的离线平面度测量方法和技术，主要有拉钢丝法、平板测微仪法、间隙法、液面法、水平仪法、自准直仪测量法和激光准直扫描法等六种。前三种方法仅适用于测量小平面的平面度且存在精度较低的问题，后三种方法测量周期长、速度慢且不适用于构成在线测量系统。以上几种方法均存在测量速度慢、自动化程度低的问题，无法满足加工现场高速测量要求，特别是大平面的平面度高速测量。

现有的在线平面度测量技术只能对简单的连续平面进行测量，其测量方法无法测量不规则平面、非连续平面，难以满足现场加工测量的要求。

由于上述现有在线测量技术中所存在的问题，研究并设计一种新型的用于测量非连续平面平面度的在线测量系统和方法，以克服现有平面度测量技术中所存在的问题是十分必要的。

发明内容

鉴于上述现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种用于基座和其它非连续大平面的高速、高精度的平面度在线测量系统和方法，以解决现有平面度测量系统中存在的速度慢、精度低、无法在线测量非连续平面等问题，实现在机床对船体基座的加工过程中，对基座平面度的高精度在线测量。

本发明所述的用于非连续平面的在线平面度测量系统和方法，基于改进型最小二乘逐次两点法平面度误差分离算法。该方法运用了误差分离矩阵自适应矩阵构造技术，滤除非连续平面上并不存在于基座上的点对轨道和传感器误差的不良影响，再运用最小二乘法求出被测面各点的平面度误差值，之后根据平面度误差的评定准则和方法进行平面度误差的评定，获得整个平面的平面度误差值。从而实现非连续平面的平面度的快速测量与评定。

本发明所属的用于非连续平面的在线平面度测量系统和方法是由：传感器阵列、数据采集和模数转换模块、数据处理与显示模块、改进型最小二乘逐次两点法平面度误差分离算法所组成。

所述传感器阵列是由四个传感器及对应前置器所组成，这四个传感器呈正方形配置（附图1）。这四个电涡流传感器连接到前置器，前置器连接到数据采集和模数转换模块上，向其发送电压信号（附图4）。

传感器可选用电涡流传感器或其它适用于不同表面的距离传感器。

所述数据采集和模数转换模块为基于DSP的嵌入式系统，该模块具有采集控制、模数转换、粗差剔除及数据上传功能，该模块与数据采集处理模块通过RS-232接口相连，将经过处理的数据上传到数据采集和处理模块（附图4）。

所述的数据处理与显示模块是由测控计算机、人机界面组成。测控计算机接收来自数据采集和模数转换模块的数据，进行误差分离和平面度的评定，并在屏幕上显示（附图4）。

本发明所述的测量方法步骤如下：

第一步：扫描被测表面

记传感器间距为L，这样以L长度为间隔可将被测平面分成（M-1）行（N-1）列网格，处于网格上的点是被测点。如附图2所示测量路线图为蛇形，其中实心小圆圈表示电涡流传感器，（i,j）表示测量的当前行和列,箭头表示走线方向。

传感器测量值由测量基准（即导轨运动）误差和工件形状误差等因素构成， 

若传感器分别标为(k,l)(k,l=1,2)。对应第i行j列网格上的测量点标记为(i,j);以传感器（1,1）的零点作为基准点，对于四个传感器布置，传感器（1,2）、（2,1）、（2,2）的初始位置偏差分别记为                                               

、

、

（附图3）。记传感器(k,l)(k,l=1,2)在当前测量位置i行j列时的采样值为

，则可知：

             （1）

这里：

；；

是被测基座平面形状误差，

为机床导轨运动副形状误差，

为传感器初始位置偏差（附图3），

是随机噪声。

第二步：自适应误差分离矩阵的构造及最小二乘法求近似解

递推逐次两点法具有处理过程简单、速度快的特点。

对于最小二乘逐次两点法，式（1）可用矩阵表示，则：

                             

                           （2）

上式中：

S为四传感器采样数据构成的4(M-1)(N-1)列向量，S的形式为：

U为包含被测平面形状误差、导轨运动副误差和电涡流传感器初始位置偏差的变量构成的MN+(M-1)(N-1)+3元的列向量，其形式为

B为行数为4(M-1)(N-1)，列数为MN+(M-1)(N-1)+3的矩阵。根据式（2），矩阵B的形式由Z、U的形式决定。

e为传感器随机噪声列向量，其形式为：

这样式（2）左端为采样数据，右端列向量U为包含被测基座的平面形状误差、导轨运动误差和电涡流传感器初始位置偏差的向量。随机误差最小二乘解存在的条件是矩阵B列满秩，但实际上B的秩比列数少三阶。由于没有给出确定的分离基准平面，故在U中存在3个自由度没有确定：沿Z轴的平动，绕X轴的旋转和绕Y轴的旋转，此时可指定任意不在一条直线上的三远点坐标值所在的平面作为分离的基准平面来确定之，从而可确定这3个自由度，即令：

，此时U变换为以下形式：

（

为MN+(M-1)(N-1)元的列向量）。

自适应误差分离矩阵的构造

首先将矩阵

初始化为全零矩阵，然后建立的各采样值与基座表面形状误差、导轨误差及传感器安装初始位置误差的关系填充矩阵

。

填充矩阵B前(M+1)*(N+1)列,这些列对应于基座表面测量点的实际形状误差。填充矩阵B中间M*N列对应于导轨误差。填充矩阵B最后3列对应于传感器安装初始位置误差

、

、。

被测平面是非连续平面，故网格（附图2）上部分采样点（如附图2的镂空处）不存在于被测面上，这些采样点的测量值

，

在S中为无穷大，这些点将在预处理步骤中被赋予一个事先约定的代表无限大的值，算法将识别这些采样点，并找出中对应的没有意义的

，同样将其赋值为一个事先约定的代表无限大的值，再根据以下公式：

将这些数据对应的填充矩阵B中的代表轨道误差和传感器安装误差点置零，以消除这部分数据对误差分离的影响。由于令

，故去掉填充B中对应的三行，得到构造矩阵

。

最小二乘法求近似解

这样得到的新的矩阵

就是一列满秩矩阵，通过方程式可以求解e的最小二乘解，

的表达式为：

                         （3）

这样在

中一次得到了平面形状误差和导轨运动副误差及传感器初始位置偏差，这种方法完全利用了4个传感器的信息，方法本身具有减小随机误差影响的性质。

第三步：平面度的评定和显示。

最小二乘平面是指各个采样点到该平面的距离的平方之和达到最小的平面。最小二乘法将最小二乘平面作为评定基准平面的一种评定方法，此方法简便易行，一直以来在学术界十分流行。

在被测平面上取一点，坐标值为

，设平面方程为z=Ax+By+C，此时，根据最小二乘平面的定义有：

                （4）

为使S取极小值，则必有：

                  

                    （5）

化简得三元线性方程组：

                    

                 （6）

用矩阵法求解A，B，C。

令矩阵                    （7）

再令                  

                  （8）

根据（5）~（8）式得:

                  

               （9）

即PM=Q。

当0时，即P矩阵可逆，因

，

，其中

为P矩阵的伴随矩阵，将（9）式两边左乘

，得

化简得                     

当

时，即P矩阵不可逆，此时

不存在，可将上述P矩阵中的数据在小数点后面几位填上适当的数，即在微小范围改变数值（作为一种运算手段，不会影响最终结果），使得以下运算继续进行。

利用上式可求三维线性方程组的解：

其中

为

元素的代数余子式，如：

，于是

  

                  （10）

不规则平面的处理:被测平面是非连续平面，故网格（附图2）上部分点（例如附图2的镂空处）不存在于被测面上，故这些值对应的

将不被用于计算最小二乘平面。如前文所述，误差分离算法会识别不存在于被测平面上的采样点，并被赋值为一个事先约定的代表无限大的值，评定算法将会识别这些点并将其剔除，不会将其带入最小二乘平面的计算中。由于最小二乘平面是若干空间上的点到这一平面的距离的平方和最小的平面，求该平面对空间上点的分布没有特殊要求，故由此衍生出的最小二乘法可以直接应用于不规则表面的平面度评定。

简化方法：由于求解P矩阵比较繁琐复杂，对于网格布点方式，若使得X和U两个方向布点跨距相等，同时将空间直角坐标系O-XYZ的原点移至测量网格的对称中心上。

在测量时，X方向的布点是等距对称的，Y方向的布点也是等距对称的，因此：

此时 

  

  

  

求解出作为基准平面的最小二乘平面系数A，B，C。

通过公式

求出每个点处于基准平面上方或下方。

再根据点到直线距离公式

分别求出各点到基准平面的距离,就可以求解该平面的平面度。在线测量速度快，精度高。

附图说明

图1是传感器布置方式图。

图2是探头扫描被测表面方式，途中方框为被测面上的非连续区间示图。

图3是传感器系统误差示意图。

图4是测量系统的系统框图。

具体实施方式

本发明的具体实施方式如附图4所示。

电涡流位移传感器阵列通过夹具固定在机床上，每个电涡流传感器均与一台前置器相连，前置器负责驱动电涡流传感器并将其对应的电涡流传感器测得的距离值转化为-10V~+10V的电压信号。前置器连接在数据采集和模数转换模块上，该模块是基于DSP的嵌入式系统，该系统包含数据采集控制、模数转换、被测面形状识别等功能。前置器输出的四路电压信号通过模数转换后分别输入DSP处理器，该处理器会分别对这四路信号进行粗差剔除、错误数据过滤、被测表面的形状识别，标记非连续点，并将处理好的数据通过RS-232接口送入数据采集和处理模块。该模块是一台商用工业平板计算机，它将对这些数据进行误差分离并进行平面度评定，并且提供人机接口。数据保存等功能。数据采集和模数转换模块和数据处理模块及前置器均安装在一共控制箱里，该控制箱里还包含了为系统供电的电源模块。

本发明所述的测量方法的测量步骤如下：

第一步：将系统安装在机床上，传感器阵列固定在机床工作台上并启动电源，设定被测平面的大小；

第二步：移动机床，将传感器列阵停在起始位置，按控制箱上的“复位”按钮，同时令机床按如附图2所示的方式移动。其中，每次传感器列阵到达一行的尽头时，都应将其移动到下一行的起始位置并停止机床，之后令其开始扫描本行并在机床开始移动的那一刻按下复位。

第三步：当整个被测表面均被扫描完毕后，系统会自动对采集到的数据进行误差分离和评定，得出被测平面上各被测点的高度差和被测平面的平面度，并会将这些数据进行显示和保存。

Claims (3)

1.非连续平面平面度在线测量系统，包括传感器列阵、数据采集和模数转换模块、数据处理与显示模块及为系统供电的电源模块；数据采集和模数转换模块、数据处理与显示模块及为系统供电的电源模块装设在一个控制箱的箱体内；

    其特征在于：

    传感器列阵由四个传感器和四个前置器组成，四个传感器分别与对应的一个前置器连接；四个前置器分别与数据采集和模数转换模块的对应接口连接；    

    前置器将对应的传感器测得的距离数值转化为-10V-+10V的电信号传给数据采集和模数转换模块；

    数据采集和模数转换模块是一个基于DSP的嵌入系统，包括16位A/D转换器和采集电路及DSP处理器，具有数据采集控制，模数转换和被测平面形状识别功能；

    数据处理与显示模块由一台平板计算机和人机界面组成。

2.根据权利要求1所述的非连续平面平面度在线测量系统，其特征在于所述传感器为电涡流传感器或适用于不同表面的距离传感器。

3.非连续平面平面度在线测量系统，其特征在于采用包括如权利要求1所述的非连续平面平面度在线测量系统和改进最小二乘逐次两点法平面度误差分离算法进行测量，具体包括下述步骤：

第一步：将装有数据采集和模数转换模块、数据处理与显示模块、四个前置器和为系统供电的电源模块的控制箱装设在机床上，四个传感器呈正方形布设，并通过对应的传感器夹具分别固定在机床的工作台上，且位于被检测基座平面的上方，启动电源，设定平面的大小；

第二步：扫描被测平面，移动机床工作台，将传感器列阵停在起始位置，按控制箱上的复位按钮，令机床工作台按设定线路移动，每次传感器列阵到达一行的尽头时，都应将机床工作台移动到下一行的起始位置并停止机床，然后再启动机床，令传感器列阵开始扫描该行，并在机床工作台开始移动的那一刻按下复位按钮，依此类推进行扫描被测平面；

第三步：当整个被测平面被扫描完毕后，如权利要求1所述的非连续平面平面度在线测量系统能自动对采集的数据进行误差分离和评定；

误差分离和评定采用的是基于改进型最小二乘逐次两点法作平面度误差分离，该方法运用了误差分离矩阵自适应矩阵构造，滤除非连续平面上并不存在于被测平面上点对轨道和传感器误差的不良影响，用最小二乘法求出被测面各点的平面度误差值，再根据平面度误差的评定准则和方法进行平面度误差的评定，得出被测平面各被测点的高度差，获得整个不连续平面的平面度误差，即完成非连续平面平面度的测量，并能进行数据保存和显示。

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