CN103433810B - 一种复杂曲面法矢在机检测装置及方法 - Google Patents

一种复杂曲面法矢在机检测装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种复杂曲面法矢在机检测方法,具体为:产生激光束,激光束穿过开孔栅板入射加工点所在的待测曲面,在待测曲面上形成投影;采集待测曲面上的投影图像,对投影图像进行坐标分析确定加工点法矢方向。本发明还提供了实现上述方法的装置,包括激光器、开孔栅板、面阵CCD相机和图像处理系统,激光器用于产生激光束,激光束闯过开孔栅板入射加工点所在的待测曲面,面阵CCD相机用于采集待测曲面上的投影图像,图像处理系统用于对投影图像进行坐标分析确定加工点法矢方向。本发明满足实时检测需求,具有精度高、效率高以及适应性强的特点,特别适用于在自由曲面钻孔过程中对钻孔法矢的实时检测。

Description

一种复杂曲面法矢在机检测装置及方法
技术领域
本发明属于曲面检测、先进测量技术领域,具体涉及一种复杂曲面法矢在机检测装置及方法,特别适用于在自由曲面钻孔过程中对钻孔法矢的实时检测。
背景技术
随着现代制造加工技术的不断发展,对测量精度的要求越来越高,工件的外形尺寸是一个重要的测量内容。在自由曲面类零件中,曲面的法矢是一项重要的测量参数。法失的测量在工业中被广泛应用,例如在高精度的激光曲面扫描中,由于激光的入射角及方位角是影响测量精度的重要因素,测量过程中需要对激光位移传感器相对于测量点法线的位姿进行控制,此时需要确定测量点的法线方向。
在高精度的钻孔加工中,钻孔的工件往往不是绝对的平面,越来越多的自由曲面类工件的钻削加工需要对法线进行实时测量,例如汽车覆盖件,飞机蒙皮及骨架装配等,很多都是在自由曲面类工件上钻孔。为了保证钻孔的精度,需要在钻孔过程中实时检测曲面工件的法矢方向,进而控制钻头沿法向进给。
在曲面建模的过程中,需要对测点的三维坐标进行精确的测量,一般高精度的测量机构为三坐标测量机(CMM),由于三坐标测量机是用一定直径的球形探头去接触工件,测点的法线方向决定了接触式探头的测量路径以及探头半径补偿的方式,因此在曲面建模过程中,需要对测点法线方向进行测量。
传统的法线求解方法首先是利用Bezier、Nurbs等方法对曲面进行建模,然后利用计算机分析模型,求解某个点的法矢方向。然而,在工业实施中,考虑到法矢的实时求解和在机检测的要求,这种从模型中求解法矢的方法具有明显的缺点。其操作矩阵过大,对计算机负荷和处理时间要求比较长,不能满足法矢方向实时求解的要求。
发明内容
基于上述问题和需求,为了满足复杂曲面加工制造以及曲面建模过程中对法矢的实时检测要求,本发明提供了一种复杂曲面法矢在机检测装置及方法,满足实时检测需求,具有精度高、效率高以及适应性强的特点。
一种复杂曲面法矢在机检测方法,具体为:产生激光束,激光束穿过开孔栅板后入射加工点所在的待测曲面,在待测曲面上形成投影;采集待测曲面上的投影图像,对投影图像进行坐标分析确定加工点法矢方向。
进一步地,所述栅板上的开孔为网格点,所述对投影图像进行分析确定加工点法矢方向的具体过程为:待测曲面上形成网格投影图像,确定投影图像中各网格点光斑的中心像素位置,进而找到离加工点最近的网格点光斑中心作为近似点;按照网格划分关系,以近似点为中心,找出其相邻的四个网格点光斑;利用近似点和其相邻的四个网格点光斑拟合成在近似点条交叉的两条曲线,分别求出这两条曲线在交叉点即近似点处的切向量,对两切向量求叉积得到近似点的法向量即为加工点的法向。
进一步地,所述栅板上的开孔为十字点状线,所述对投影图像进行分析确定加工点法向的具体过程为:待测曲面上形成十字交叉的点状线投影图像,经过数字图像处理得到各个点的坐标,对十字交叉线上的点进行曲线拟合,分别求出两条曲线在交叉点处的切向量,对两切向量求叉积得到交叉点的法向量即为加工点的法向。
进一步地,所述栅板上的开孔为圆环状,所述对投影图像进行分析确定加工点法向的具体过程为:预先通过实验标定的方法确定在曲面的激光投影图像轮廓与曲面法矢方向的影射关系;依据采集的投影图像轮廓在预先标定的映射关系中找到其对应的法矢方向。
一种实现上述方法的复杂曲面法矢在机检测装置,包括激光器、开孔栅板、面阵CCD相机和图像处理系统;激光器用于产生激光束,激光束闯过开孔栅板入射加工点所在的待测曲面,面阵CCD相机用于采集待测曲面上的投影图像,图像处理系统用于对投影图像进行坐标分析确定加工点法矢方向。
进一步地,所述栅板上的开孔为网格或十字线状或圆环状。
进一步地,激光发射器与面阵CCD相机对称地安装在加工主轴的两侧。
总体而言,通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比,本发明的技术效果体现在:
本发明采用激光发射器和CCD相机的组合方式来获取待曲面上各点的法矢方向,激光发射器发出的激光经过栅板之后,形成特定形状的投影,栅板开孔的形状根据实际情况来选择,具体是根据不同的平面,不同的材质,不同的表面质量,不同的精度要求,不同的计算效率来选择,特别适用于在自由曲面钻孔过程中对钻孔法矢的实时检测。
开孔形状为网格点时,只需要通过图像分析计算五个点的坐标,处理起来效率很高,而且由于五个点距离很近,采用Bezier、Nurbs等样条理论对曲线进行拟合,能够得到很高的精度,计算过程中是先找出加工点最近的光斑,然后利用该光斑周围四点计算法矢,因此计算结果能够准确的反应加工点处的法矢;开孔形状为十字点状线时,计算的点数较多,在处理效率上稍慢,采用最小二乘法对曲线进行拟合,能够准确的计算出法矢,计算法矢时候是用两条交叉线的交点法矢去代替加工点的法矢,因此计算结果比网格点稍差;开孔形状为圆环线时,是采用轮廓比较法,将实际图像与标定的图像进行对比,算法过程较为简单,因此处理速度很快,效率也高,但是由于该方法是利用投影轮廓中心的法矢去近似的代替实际加工点的法矢,而且算法的精度也不是很高,因此求法矢的精度比网格点和十字点状线计算的精度低,但是效率要高。三种法矢检测方法都是将装置安装在机床主轴上来进行测量,是在加工过程中的实时测量,而且三种方法在精度和效率上都不一样,可以根据实际需要选择,对效率要求高的时候可以选择圆环线状的栅板,对精度要求高的时候可以选择网格点状的栅板。因此与现有技术相比,本发明具有实时性、精度高、效率高和适应性强等特点。
附图说明
图1为本发明钻孔过程中法向检测装置的整体结构图。
图2为本发明曲面法矢检测原理图。
图3为本发明网格点投影的计算图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。此外,下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
参见图1,本发明针对自由曲面法矢测量的在机检测装置,包括激光发射器、激光发射口安装的开孔栅板、面阵CCD相机和图像处理系统。激光发射器发出柱状激光束,柱状激光束直径在2mm之内,激光束经过激光发射器中的线性准直物镜之后发射出来。栅板安装在激光发射器的出口端,栅板开孔,激光束经过栅板投射到被测面上就形成了不同的形状;高精度的CCD相机拍摄激光投射的影像,图像处理系统对影像进行数字分析,得到被测点的法线方向,图像处理系统将被测点法线方向信息反馈给机床数控系统,数控系统调节主轴方向,使其沿着加工点法线进给。
在钻孔加工中,由于钻头轴线与主轴轴线重合,将激光发射器与CCD相机对称的安装在加工主轴的两侧,两轴线的交点在主轴的轴线上。激光束的直径不能太大也不能太小。
栅板开孔可为网格状、梅花状、十字线状、圆环状等,为了保证检测的实时性以及测量的精度,需要减小光束的直径(激光束直径大,投影在曲面上光斑的范围就大,计算出来的法矢就不能准确的反应在加工点处的法矢),因此光束的直径不能过大,优选在2mm内。针对不同的开孔形状,后续的数字分析处理方式不同,下面详细说明。
参见图2所示的装置图,其中1-激光二极管、2-线性准直透镜、3-开孔栅板(网格点状、十字点状线、圆环线)、4-光斑投影、5-待测曲面、6-CCD芯片、7-聚焦透镜。
开孔栅板上的开孔为网格点状时,激光束通过开孔栅板投影到被测面上。在被测面上采集多个高亮光斑,以这多个光斑作为标志点,面阵CCD相机在一侧采集光斑以及钻孔点的图像,通过二值化和去噪等图像分析方法,获取各个光斑中心的像素位置,判断钻孔点与激光光斑的位置关系,找到离钻孔点最近的点,然后按照激光光斑的网格划分关系,以离钻孔点最近的光斑点为中心,找出周围四个光斑。利用这五个点的空间坐标,结合Bezier、Nurbs等样条理论可以拟合成两条交叉曲线,分别求出两条曲线在中心交叉点处的切向量,两个向量求叉积就得到了中心点处的法向量即为待测法向。
开孔栅板上的开孔为离散点状孔形成的十字点状线时,激光束通过栅板上十字点状孔的时候在待测面上投射成十字交叉的点状线,CCD相机获取的图像经过数字图像处理,得到各个点的坐标,利用最小二乘法对十字交叉线上的点进行曲线拟合,分别求出两条曲线在交叉点处的切向量,对两切向量求叉积得到近似点的法向量即为加工点的法向。
开孔栅板上的开孔为圆环时,激光束通过开孔栅板投影到被测面上,形成圆环状的投影。激光束的直径范围在2mm内,通过栅板投影的范围较小,在投影区域内近似的将曲面看成是倾斜一定角度的平面。在事先的试验标定过程中,利用平面对激光投影的形状进行标定,标定时保证激光垂直入射到平面上,记录标定时激光投影在CCD上的形状轮廓。在测量过程中,根据曲面局部的法矢方向的变化,投影形状也会发生变化,面阵CCD相机捕捉到投影,采用轮廓相关法(比较图形在比例形状上的相似度)进行分析,可以得出被测点处曲面的法向方向。
下面给出本发明装置的一个计算实例,激光发射器与CCD相机对称的安装在钻孔主轴的两侧,栅板为网格孔,激光束通过栅板过后在被测曲面上投射为16个高亮的光斑,这16个光斑作为标志点,面阵CCD相机在一侧采集光斑以及钻孔点的图像,通过二值化和去噪等图像分析方法,获取各个光斑中心的像素位置,判断钻孔点与激光光斑的位置关系,找到离钻孔点最近的点,然后按照激光光斑的网格划分关系,以离钻孔点最近的光斑点为中心,找出周围四个光斑。在图3中,CCD相机获取的照片中,离钻孔点最近的为P1点,P1点四周最近的四个点分别为P0、P2、P3、P4。分析这五个光斑点之间的空间位置关系,进一步得到各个光斑的坐标:P0(x0,y0,z0)、P1(x1、y1、z1)、P2(x2、y2、z2)、P3(x3、y3、z3)、P4(x4、y4、z4)。利用这五个点的空间坐标,结合Bezier、Nurbs等样条理论可以拟合成两条曲线P0P1P2曲线和P3P1P4曲线,分别求出两条曲线在P1点处的切向量p和q,两个向量求叉积就得到了P1点处的法向量n。以Bezier样条理论为例:
通过P0、P1、P2的一条二次Bezier曲线可以用如下公式表示:
P(u)=(1-u)2B0+2u(1-u)B1+u2B2           (1)
公式中B0、B1、B2是Bezier曲线的控制点,其中B0=P0,B2=P2,B1=[-(1-u1)2P0+P1-u2 1P2]/[2u1(1-u1)]。在P1点处,u=u1。所以P1点处的切向量Pu可以按(2)式计算为:
P u = P ′ ( u 1 ) = - 2 ( 1 - u 1 ) P 0 + 2 ( 1 - 2 u 1 ) - ( 1 - u 1 ) 2 P 0 + P 1 - u 1 2 P 2 2 u 1 ( 1 - u 1 ) + 2 u 1 P 2 - - - ( 2 )
同样的,另一条曲线上的切向量Pw也可以按照Pw=P'(w1)计算出来,因此,中心点P1处的法向量n就为:
n = P u × P w | P u × P w | - - - ( 3 )
本发明可将栅板设计成活动部件,将激光发射器和CCD相机的安装位置设计成开放式,根据加工测量现场的情况来安装,本发明所采用的方式是将激光发射器与CCD相机放在主轴的两侧,这主要是因为钻孔加工不是一次性完成的,为了避免因为主轴在其他方向上的移动带来加工误差,在测量过程中,主轴只能沿着进给方向移动,所以只能是采用激光斜入射的安装方式。在其他情况下,如果主轴可以转开,那么可以采用激光垂直入射的方式安装。
本领域的技术人员容易理解,以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种复杂曲面法矢在机检测方法,具体为:产生激光束,激光束穿过开孔栅板后入射加工点所在的待测曲面,在待测曲面上形成投影;采集待测曲面上的投影图像,对投影图像进行坐标分析确定加工点法矢方向;
所述栅板上的开孔为网格点;
所述对投影图像进行分析确定加工点法矢方向的具体过程为:
待测曲面上形成网格投影图像,确定投影图像中各网格点光斑的中心像素位置,进而找到离加工点最近的网格点光斑中心作为近似点;
按照网格划分关系,以近似点为中心,找出其相邻的四个网格点光斑;
利用近似点和其相邻的四个网格点光斑拟合成在近似点交叉的两条曲线,分别求出这两条曲线在交叉点即近似点处的切向量,对两切向量求叉积得到近似点的法向量即为加工点的法向。
2.一种复杂曲面法矢在机检测方法,具体为:产生激光束,激光束穿过开孔栅板后入射加工点所在的待测曲面,在待测曲面上形成投影;采集待测曲面上的投影图像,对投影图像进行坐标分析确定加工点法矢方向;
所述栅板上的开孔为十字点状线;
所述对投影图像进行分析确定加工点法向的具体过程为:
待测曲面上形成十字交叉的点状线投影图像,经过数字图像处理得到各个点的坐标,对十字交叉线上的点进行曲线拟合,分别求出两条曲线在交叉点处的切向量,对两切向量求叉积得到交叉点的法向量即为加工点的法向。
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