CN103377300A - 探针校准路径模拟系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种探针校准路径模拟系统及方法，应用于计算机中，该计算机包括存储设备和显示设备。该方法包括步骤：根据标准球和探针的曲面结点数据和控制点数据绘制出标准球和探针的三维模型；在标准球的每层圆上选取测量点并计算每一测量点的坐标，将每一测量点的坐标放入一个自定义数组中；计算探针在球面上移动的移动点坐标，并将移动点插入到两个相邻测量点之间；根据测量点与移动点模拟出探针的移动路径，并在移动路径上的每一个点处进行探针碰撞检测；当探针与标准球不发生碰撞时将探针的移动路径转化成探针校准程序。本发明通过模拟探针在标准球面上的动态移动路径，能够及时准确的反应探针的运行情况，避免探针与标准球发生碰撞的可能性。

Description

探针校准路径模拟系统及方法

技术领域

本发明涉及一种三次元测量系统及方法，特别是关于一种探针校准路径模拟系统及方法。

背景技术

通常，在三次元测量之前需要用通过对探针进行校准的步骤来计算三次元量测机器的精度。所谓对探针进行校准的步骤就是在标准球上选取一些点，用选取的点来计算出标准球的直径。如果计算出的标准球的直径和实际直径在允许的误差(例如0.007mm)内，则表示量测机器的当前配置符合标准。然而，在探针校准过程中，由于探针无法模拟出测量路径，因此不能及时反应探针的运行情况，只有当探针碰撞到标准球表面之后才被发现。然而，探针碰撞到标准球则会导致计算出标准球的直径产生误差，从而影响后续三次元测量结果的准确性。

发明内容

鉴于以上内容，有必要提供一种探针校准路径模拟系统及方法，通过模拟探针在标准球面上的动态移动路径，能够及时准确的反应探针的运行情况，避免了探针与标准球发生碰撞的可能性。

所述的探针校准路径模拟系统，该系统运行于计算机中，该计算机包括存储设备以及显示设备。所述的系统包括：模型绘制模块，用于从存储设备中导入标准球的三维模型文件和探针的三维模型文件，从标准球的三维模型文件解析出标准球的曲面结点数据和控制点数据，从标探针的三维模型文件解析出探针的曲面结点数据和控制点数据，将标准球的曲面结点数据和控制点数据进行曲面三角网格化处理得到标准球三维模型，以及将探针的曲面结点数据和控制点数据进行曲面三角网格化处理得到探针三维模型；点集计算模块，用于根据用户输入的取点个数在标准球的每层圆上选取测量点，根据标准球的半径及探针的法向量计算每一测量点的坐标，并将每一测量点的坐标放入一个自定义数组中，根据数组中相邻两个测量点的坐标及其法向量和探针的回弹距离计算出探针在球面上移动的移动点坐标，将计算出的移动点插入到两个相邻测量点之间，以及输出数组中所有测量点与移动点；路径模拟模块，用于根据输出的测量点与移动点模拟出探针的动态移动路径，并在该动态移动路径上的每一个点处进行探针碰撞检测，根据碰撞检测结果判断探针是否与标准球产生碰撞；程序产生模块，用于当探针与标准球不发生碰撞时将探针的移动路径转化成探针校准程序，并将探针校准程序输出并保存至存储设备中，以供三次元量测机器在测量待测工件时控制探针的移动路径。

所述的探针校准路径模拟方法应用于计算机中，该计算机包括存储设备以及显示设备。该方法包括步骤：从存储设备中导入标准球的三维模型文件和探针的三维模型文件，从标准球的三维模型文件解析出标准球的曲面结点数据和控制点数据，从标探针的三维模型文件解析出探针的曲面结点数据和控制点数据；将标准球的曲面结点数据和控制点数据进行曲面三角网格化处理得到标准球三维模型，将探针的曲面结点数据和控制点数据进行曲面三角网格化处理得到探针三维模型；根据用户输入的取点个数在标准球的每层圆上选取测量点，并根据标准球的半径及探针的法向量计算每一测量点的坐标，将每一测量点的坐标放入一个自定义数组中；根据数组中相邻两个测量点的坐标及其法向量和探针的回弹距离计算出探针在球面上移动的移动点坐标，将计算出的移动点插入到两个相邻测量点之间，以及输出数组中所有测量点与移动点；根据输出的测量点与移动点模拟出探针的动态移动路径，并在该动态移动路径上的每一个点处进行探针碰撞检测；根据碰撞检测结果判断探针是否与标准球产生碰撞；当探针与标准球不发生碰撞时将探针的移动路径转化成探针校准程序，并将探针校准程序输出并保存至存储设备中，以供三次元量测机器在测量待测工件时控制探针的移动路径。

相较于现有技术，本发明所述的探针校准路径模拟系统及方法通过模拟探针在标准球面上的动态移动路径，能够及时准确的反应探针的运行情况，避免了探针与标准球发生碰撞的可能性，同时产生将探针校准程序以供三次元量测机器在测量待测工件时控制探针的移动路径。

附图说明

图1是本发明探针校准路径模拟系统较佳实施例的架构图。

图2是本发明探针校准路径模拟方法较佳实施例的流程图。

图3是图2的步骤S22中的细化流程图。

图4是利用曲面三角网格化处理标准球的曲面结点数据和控制点数据的示意图。

图5是探针在标准球球面上的部分移动点的示意图。

图6是探针在标准球的球面上动态移动路径的模拟示意图。

主要元件符号说明

计算机                    1

探针校准路径模拟系统      10

模型绘制模块              101

点集计算模块              102

路径模拟模块              103

程序产生模块              104

存储设备                  11

处理器                    12

显示设备         13

标准球           2

探针             3

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

如图1所示，是本发明探针校准路径模拟系统10较佳实施例的架构图。在本实施例中，所述的探针校准路径模拟系统10安装并运行于计算机1中，该计算机1可以为一种具有图形资料处理能力的桌上型计算机或者服务器等。所述的计算机1还包括存储设备11、处理器12以及显示设备13。所述的存储设备11是一种硬盘、Flash存储器、或者为一种外部存储介质，其用于存储标准球2和探针3的三维模型文件，该三维模型文件包括结点队列以及控制点队列。该结点队列存储有标准球2及探针3的曲面结点数据，该控制点队列存储有控制标准球2及探针3曲面形状的曲面控制点数据。所述的曲面结点数据和曲面控制点数据均用于描述标准球2及探针3的球面形状。

在本实施例中，所述的探针校准路径模拟系统10包括模型绘制模块101、点集计算模块102、路径模拟模块103，以及程序产生模块104。本发明所称的模块是指一种能够被处理器12所执行并且能够完成固定功能的一系列计算机程序段，其存储在存储设备11中。在本实施例中，关于各模块的功能将在图2的流程图中具体描述。

如图2所示，是本发明探针校准路径模拟方法较佳实施例的流程图。在本实施例中，本发明所述的方法能够根据标准球和探针的三维模型文件模拟出探针3在标准球2上的移动路径，并检测探针3在该移动路径上移动时是否与标准球2发生碰撞，从而达到及时准确的反应探针3在标准球2上的运行情况以及校正探针3之目的。

步骤S21，模型绘制模块101从存储设备11中导入标准球2和探针3的三维模型文件，对该三维模型文件进行解析得到标准球2和探针3的结点队列以及控制点队列。在本实施例中，该结点队列存储有标准球2和探针3的曲面结点数据，该控制点队列存储有控制标准球2及探针3曲面形状的曲面控制点数据。

步骤S22，模型绘制模块101将所述结点队列中的曲面结点数据和控制点队列中的曲面控制点数据进行曲面三角网格化处理得到标准球三维模型以及探针三维模型。在本实施例中，所述的三角形网格化通常用于计算机辅助设计(computer aided design，CAD)系统或计算机辅助制造(computer aided manufacturing，CAM)系统中进行图形曲面绘制。参考图6所示，模型绘制模块101绘制出的标准球三维模型为标准球2，以及绘制出的探针三维模型为标探针3。

步骤S23，点集计算模块102根据用户输入的取点个数在标准球2的每层圆上选取测量点。在本实施例中，所述点集计算模块102将标准球2的每一层圆上的球面顶点Pt作为第一个测量点。

步骤S24，点集计算模块102根据标准球2的半径及探针3的法向量计算出每一测量点的坐标，并将每一测量点的坐标放入一个自定义数组中。在本实施例中，点集计算模块102根据每层圆的第一个测量点Pt和标准球2的半径R计算出标准球2的球心p，在根据球面层数计算相邻两层的夹角A＝90度/层数，一般标准球2的球面层数为5层。点集计算模块102根据夹角A求出每层圆的圆心p1，假如球心p(x1，y1，z1)，每层圆心p1的求法为：P1.x＝x1+nor.x*sinA*R，P1.y＝y1+nor.x*sinA*R，P1.z＝z1+nor.x*sinA*R，其中nor为探针3的法向。点集计算模块102在每层圆上选取测量点包括步骤：(a)以法向量nor(0，0，1)和每层圆心分别构造一个圆，在构造的圆上取一测量点pt2(x2，y2，z2)，其中x2＝p1.x+r，y2＝p1.y，z2＝p1.z，其中r为每层圆的半径r＝R*cosA；(b)将测量点pt2旋转到法向量nor(0，0，1)上，以每层圆心及半径r画一个圆，并在该圆上得到测量点pt3；(c)在每一层圆上确定一个不会撞针的安全角度A1，根据该安全角度A1和每层圆的圆心求出旋转矩阵，再将测量点p3乘以旋转矩阵得下一个测量点pt4，依次可求出标准球2的球面上的每一个测量点的坐标。

步骤S25，点集计算模块102根据数组中相邻测量点的坐标及其法向量和探针3的回弹距离计算出探针3在球面上移动的移动点坐标，并将计算出的移动点插入到两个相邻测量点之间，输出数组中所有测量点与移动点。如图5所示，是探针3在标准球2球面上的部分移动点的示意图，其包括移动点P1、P2、P3等。在本实施例中，点集计算模块102计算移动点坐标包括如下步骤：(a)根据移动点p1的坐标和法向量nor(0，0，1)乘以回弹距离d得到移动点P2点；(b)计算弧L的长度＝R1*夹角A1，其中，R1为球的半径R加上d，A1为相邻移动点间的夹角；(c)计算相邻移动点间的夹角A1：用L除以半径R/10得到N，再用A除以N就得到夹角A1；(d)计算旋转矩阵M：以球心为旋转点，以球上两点及球心构成面的法向量为旋转轴，得到夹角A1为旋转角度的矩阵，用P2乘以旋转矩阵M得到下个移动点，依次可求出所有移动点Pn。

步骤S26，路径模拟模块103根据输出的测量点与移动点模拟出探针3的动态移动路径(如图6所示的探针3的移动路径)，并在该动态移动路径上的每一个点处进行探针碰撞检测。在本实施例中，所述的碰撞检测就是判断探针3的球心到标准球2的球心的距离是否小于标准球2的半径加探针3的半径。

步骤S27，路径模拟模块103根据碰撞检测结果判断探针3是否与标准球2产生碰撞。若探针3与标准球2不会产生碰撞，则执行步骤S28；若探针3与标准球2产生碰撞，则执行步骤S29。

步骤S28，程序产生模块104将探针的移动路径转化成校准程序(又称I++程序)，并将该校准程序输出并保存至存储设备11中，以便供三次元量测机器在测量待测工件时使用。在本实施例中，程序产生模块104生成I++程序的具体做法如下：取出数组中的每一个点，例如PtMeas(C0001，...，C0025)，若取出的点坐标值ijk不为(0，0，0)，则用PtMeas(IJK(x，y，z)，X(value)，Y(value)，Z(value))来生成I++程序，IJK中的x，y，z的值用移动点的法向量来替换，value分别用移动点的x，y，z值来替换；若若取出的点坐标值ijk为(0，0，0)，则用number PtMeas(X(value)，Y(value)，Z(value))替换，其中每行的number值为在数组中的位置，若是第一个点则为C0001。

步骤S29，程序产生模块104产生探针3与标准球2发生碰撞的提示信息，并将该碰撞提示信息显示在显示设备13上，以提示使用者需要重新配置三次元量测机器的量测参数。

如图3所示，是图2的步骤S22中的细化流程图。步骤S221，模型绘制模块101从所述的结点队列中读取标准球2的曲面结点数据以及从控制点队列中读取标准球2的曲面控制点数据，并将读取的曲面结点数据和曲面控制点数据转换为B样条曲面。如图4所示，是标准球2的一个B样条曲面。

步骤S222，模型绘制模块101在UV参数平面获取B样条曲面的边界线，并在U方向和V方向上做等距切分线得到多个边界线的交点及UV小方格。参考图4所示，所述的UV参数平面包括多个小方格，每个小方格包括四个顶点。

步骤S223，对于没有交点的UV小方格，模型绘制模块101将四个方格点按照逆时针原则直接连接成两个三角形。步骤S224，对于有交点的UV小方格，模型绘制模块101将每个方格通过的边界点、交点及方格点加入二维点队列Q中。

步骤S225，模型绘制模块101在二维点队列Q中查找的第一点q1与点q1最近的点q2，由q1、q2组成三角形的一条边，找出与该边形成对角最大的点q3，依据点q1、q2及q3构成三角形的连接。其中，第三点q3的查找原则是边q1q2对应的内角在三角形A的内角中最大，且三角形的外接圆内没有队列Q中的点，并使得三角形接近于等边三角形。

步骤S226，模型绘制模块101根据上述查找原则在队列Q中依次查找其它点组成的三角形得到一个三角形队列T。

步骤S227，模型绘制模块101根据三角形队列T绘制出标准球三维模型，并将标准球三维模型显示在显示设备13上，如图6所示的标准球2。

在本实施例中，模型绘制模块101创建探针三维模型的流程方法和创建标准球三维模型的流程方法相同，仅将步骤S221中标准球2的曲面结点数据和控制点数据代替为探针3的曲面结点数据和控制点数据。亦即，模型绘制模块101将探针3的曲面结点数据和控制点数据转换为B样条曲面，依据该B样条曲面创建探针三维模型，将标准球三维模型显示在显示设备13上，如图6所示的探针3。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照以上较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换都不应脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种探针校准路径模拟系统，该系统运行于计算机中，该计算机包括存储设备和显示设备，其特征在于，该系统包括：

模型绘制模块，用于从存储设备中导入标准球的三维模型文件和探针的三维模型文件，从标准球的三维模型文件解析出标准球的曲面结点数据和控制点数据，从探针的三维模型文件解析出探针的曲面结点数据和控制点数据，将标准球的曲面结点数据和控制点数据进行曲面三角网格化处理得到标准球三维模型，以及将探针的曲面结点数据和控制点数据进行曲面三角网格化处理得到探针三维模型；

点集计算模块，用于根据用户输入的取点个数在标准球的每层圆上选取测量点，根据标准球的半径及探针的法向量计算每一测量点的坐标，并将每一测量点的坐标放入一个自定义数组中，根据数组中相邻两个测量点的坐标及其法向量和探针的回弹距离计算出探针在球面上移动的移动点坐标，将计算出的移动点插入到两个相邻测量点之间，以及输出数组中所有测量点与移动点；

路径模拟模块，用于根据输出的测量点与移动点模拟出探针的动态移动路径，并在该动态移动路径上的每一个点处进行探针碰撞检测，以及根据碰撞检测结果判断探针是否与标准球产生碰撞；以及

程序产生模块，用于当探针与标准球不发生碰撞时将探针的移动路径转化成探针校准程序，并将探针校准程序输出并保存至存储设备中，以供三次元量测机器在测量待测工件时控制探针的移动路径。

2.如权利要求1所述的探针校准路径模拟系统，其特征在于，所述的程序产生模块还用于当探针与标准球发生碰撞时产生探针与标准球发生碰撞的提示信息，并将该碰撞提示信息显示在显示设备上，以提示使用者重新配置三次元量测机器的量测参数。

3.如权利要求1所述的探针校准路径模拟系统，其特征在于，所述的模型绘制模块将标准球的曲面结点数据和控制点数据进行曲面三角网格化处理得到标准球三维模型包括步骤：

将标准球的曲面结点数据和控制点数据转换为B样条曲面得到该B样条曲面在一个UV参数平面内的封闭边界线，并对该封闭边界线以U直线和V直线进行等距切分线得到多个边界线的交点及UV小方格；

对于没有交点的UV小方格，将四个方格点按照逆时针原则直接连接成两个三角形；

对于有交点的UV小方格，将每个方格通过的边界点、交点及方格点加入二维点队列中。

读取二维点队列中的第一点及与第一点最近的点来组成三角形的一条边，并在二维点队列中查找该三角形的第三点；

根据上述查找原则在二维点队列中依次查找其它点组成的三角形得到一个三角形队列；以及

根据所述三角形队列绘制出标准球三维模型，并将绘制出的标准球三维模型在显示设备上。

4.如权利要求1所述的探针校准路径模拟系统，其特征在于，所述的点集计算模块计算每一测量点的坐标包括步骤：

将每层圆的顶点的作为第一个量测点，根据第一个量测点和标准球的半径计算出标准球的球心；

根据球面层数计算相邻两层圆的夹角，根据夹角求出每层圆的圆心；

以探针的法向量和每层圆心构造一个圆，在构造的圆上选取第二个测量点；

将第二个测量点旋转到探针的法向量上，以每层圆心及其半径画一个圆，并在该圆上选取第三个测量点；

在每一层圆上确定一个不会撞针的安全角度，根据该安全角度和每层圆的圆心求出旋转矩阵；以及

将第三个测量点乘以旋转矩阵得到下一个测量点的坐标，依次求出标准球的球面上每一个测量点的坐标。

5.如权利要求1所述的探针校准路径模拟系统，其特征在于，其特征在于，所述的点集计算模块计算移动点的坐标包括步骤：

根据第一个移动点的坐标和探针法向量乘以探针的回弹距离得到第二个移动点的坐标；

计算第一个移动点与第二个移动点之间的夹角，根据该夹角计算第一个移动点与第二个移动点之间形成的弧长；

以标准球的球心为旋转点，以第一个移动点与第二个移动点及球心构成面的法向量为旋转轴，根据夹角及其弧长计算出一个旋转矩阵；

用第二个移动点的坐标乘以旋转矩阵得到下个移动点，依次求出所有移动点的坐标。

6.一种探针校准路径模拟方法，应用于计算机中，该计算机包括存储设备和显示设备，其特征在于，该方法包括步骤：

从存储设备中导入标准球的三维模型文件和探针的三维模型文件，从标准球的三维模型文件解析出标准球的曲面结点数据和控制点数据，以及从探针的三维模型文件解析出探针的曲面结点数据和控制点数据；

将标准球的曲面结点数据和控制点数据进行曲面三角网格化处理得到标准球三维模型，以及将探针的曲面结点数据和控制点数据进行曲面三角网格化处理得到探针三维模型；

根据用户输入的取点个数在标准球的每层圆上选取测量点，并根据标准球的半径及探针的法向量计算每一测量点的坐标，将每一测量点的坐标放入一个自定义数组中；

根据数组中相邻两个测量点的坐标及其法向量和探针的回弹距离计算出探针在球面上移动的移动点坐标，将计算出的移动点插入到两个相邻测量点之间，以及输出数组中所有测量点与移动点；

根据输出的测量点与移动点模拟出探针的动态移动路径，并在该动态移动路径上的每一个点处进行探针碰撞检测；

根据碰撞检测结果判断探针是否与标准球产生碰撞；

若探针与标准球不发生碰撞，则将探针的移动路径转化成探针校准程序，并将探针校准程序输出并保存至存储设备中，以供三次元量测机器在测量待测工件时控制探针的移动路径。

7.如权利要求6所述的探针校准路径模拟方法，其特征在于，还包括步骤：

若探针与标准球发生碰撞，则产生探针与标准球发生碰撞的提示信息，并将该碰撞提示信息显示在显示设备上，以提示使用者重新配置三次元量测机器的量测参数。

8.如权利要求6所述的探针校准路径模拟方法，其特征在于，所述的将标准球的曲面结点数据和控制点数据进行曲面三角网格化处理得到标准球三维模型包括步骤：

将标准球的曲面结点数据和控制点数据转换为B样条曲面得到该B样条曲面在一个UV参数平面内的封闭边界线，并对该封闭边界线以U直线和V直线进行等距切分线得到多个边界线的交点及UV小方格；

对于没有交点的UV小方格，将四个方格点按照逆时针原则直接连接成两个三角形；

对于有交点的UV小方格，将每个方格通过的边界点、交点及方格点加入二维点队列中。

读取二维点队列中的第一点及与第一点最近的点来组成三角形的一条边，并在二维点队列中查找该三角形的第三点；

根据上述查找原则在二维点队列中依次查找其它点组成的三角形得到一个三角形队列；以及

根据所述三角形队列绘制出标准球三维模型，并将绘制出的标准球三维模型在显示设备上。

9.如权利要求6所述的探针校准路径模拟方法，其特征在于，所述的计算每一测量点的坐标包括步骤：

将每层圆的顶点的作为第一个量测点，根据第一个量测点和标准球的半径计算出标准球的球心；

根据球面层数计算相邻两层圆的夹角，根据夹角求出每层圆的圆心；

以探针的法向量和每层圆心构造一个圆，在构造的圆上选取第二个测量点；

将第二个测量点旋转到探针的法向量上，以每层圆心及其半径画一个圆，并在该圆上选取第三个测量点；

在每一层圆上确定一个不会撞针的安全角度，根据该安全角度和每层圆的圆心求出旋转矩阵；以及

将第三个测量点乘以旋转矩阵得到下一个测量点的坐标，依次求出标准球的球面上每一个测量点的坐标。

10.如权利要求6所述的探针校准路径模拟方法，其特征在于，其特征在于，所述的计算移动点的坐标包括步骤：

根据第一个移动点的坐标和探针法向量乘以探针的回弹距离得到第二个移动点的坐标；

计算第一个移动点与第二个移动点之间的夹角，根据该夹角计算第一个移动点与第二个移动点之间形成的弧长；

以标准球的球心为旋转点，以第一个移动点与第二个移动点及球心构成面的法向量为旋转轴，根据夹角及其弧长计算出一个旋转矩阵；

用第二个移动点的坐标乘以旋转矩阵得到下个移动点，依次求出所有移动点的坐标。

Images