CN105115455A - 一种三轴坐标测量设备的不同测头测量数据的对齐方法 - Google Patents

一种三轴坐标测量设备的不同测头测量数据的对齐方法 Download PDF

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Abstract

本发明是一种三轴坐标测量设备的不同测头测量数据的对齐方法，该方法在机床上放置标准球，并用接触式测头与非接触式测头对其采集12个点，用这些数据可以计算出L1、矢量n和矢量p。L1与非接触测头安装位置有关，矢量n与非接触测头安装方向有关，矢量p与接触式测头相对于非接触式测头的位置有关。对被测工件进行测量时，对上述参数和非接触测头的测量数据进行计算，可以实现将非接触式测头的测量数据直接对齐到接触式测头的测量坐标系下，具有方便和高效的优势。

Description

一种三轴坐标测量设备的不同测头测量数据的对齐方法
技术领域
本发明是一种三轴坐标测量设备的不同测头测量数据的对齐方法，属于测量技术领域。
背景技术
三轴坐标测量设备上安装的测头类型一般分为接触式和非接触式两种，接触式测头和非接触式测头各有优缺点，有些场合下需要同时使用接触式测头和非接触式测头进行复合测量。然而现有的三轴坐标测量设备上，用接触式测头和非接触式测头得到的测量数据不是同一个坐标系下的值，不能直接合并使用。为了解决这个问题，目前使用的测量数据的对齐方法需要在工件上有两种测头都可测量的几个公共元素，然后通过这些公共元素建立工件坐标系。然而，有些非接触测头，如光谱共焦测头，存在测量角度问题，有时无法在工件上找到两种测头都可测量的用于建立工件坐标系的公共元素。
发明内容
本发明正是针对上述现有技术中存在的问题而设计提供了一种三轴坐标测量设备的不同测头测量数据的对齐方法，其目的是无需对工件有特殊要求就可以方便的将三轴坐标测量设备上安装的接触式和非接触式两种不同类型测头的测量数据直接转换到同一个坐标系下，方便了测量数据的使用。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
该种三轴坐标测量设备的不同测头测量数据的对齐方法，所述对齐方法是将三轴坐标测量设备中不同测头的测量数据转换到同一个空间坐标系下的方法，所述三轴坐标测量设备上既安装了接触式测头(1)，也安装了非接触式测头(2)，其特征在于：该方法的步骤如下：
步骤一、在测量设备台体(3)上固定标准球(5)，标准球(5)的半径为R；
步骤二、用接触式测头(1)对标准球(5)的表面进行触发采点，采点数为4个，记录该4个点对应的机床示值坐标，分别为(x1,y1,z1)、(x2,y2,z2)、(x3,y3,z3)、(x4,y4,z4)；
步骤三、用(x1,y1,z1)、(x2,y2,z2)、(x3,y3,z3)、(x4,y4,z4)计算得到球心坐标a(x0,y0,z0)，计算方法如下：
3.1根据球面方程得到四个联立方程：
(x1－x0)2+(y1－y0)2+(z1－z0)2＝R2式1
(x2－x0)2+(y2－y0)2+(z2－z0)2＝R2式2
(x3－x0)2+(y3－y0)2+(z3－z0)2＝R2式3
(x4－x0)2+(y4－y0)2+(z4－z0)2＝R2式4
3.2通过对式1～式4的转换，得到以下3个方程：
(x1－x0)2+(y1－y0)2+(z1－z0)2＝(x2－x0)2+(y2－y0)2+(z2－z0)2式5
(x3－x0)2+(y3－y0)2+(z3－z0)2＝(x4－x0)2+(y4－y0)2+(z4－z0)2式6
(x1－x0)2+(y1－y0)2+(z1－z0)2＝(x3－x0)2+(y3－y0)2+(z3－z0)2式7
3.3将式5～式7展开整理后得到下列3个方程：
(x1 2–2x1x0+y1 2–2y1y0+z1 2–2z1z0)＝(x2 2–2x2x0+y2 2–2y2y0+z2 2–2z2z0)式8
(x3 2–2x3x0+y3 2–2y3y0+z3 2–2z3z0)＝(x4 2–2x4x0+y4 2–2y4y0+z4 2–2z4z0)式9
(x1 2–2x1x0+y1 2–2y1y0+z1 2–2z1z0)＝(x3 2–2x3x0+y3 2–2y3y0+z3 2–2z3z0)式10
3.4通过求解式8～式10联立的三元一次方程组，得到x0、y0、z0的数值；
步骤四、用非接触式测头(2)对标准球(5)的表面进行采点测量，采点数为8个，记录该8个点对应的机床示值坐标和测头输出值，所述8个点的选择应满足以下要求：
4.1采前4个点时，保持测头输出值相等为L1，记录前4个点的机床示值坐标为：(x5,y5,z5)、(x6,y6,z6)、(x7,y7,z7)、(x8,y8,z8)；
4.2采后4个点时，保持测头输出值相等为L2，并且L2大于L1，记录后4个点的机床示值坐标为：(x9,y9,z9)、(x10,y10,z10)、(x11,y11,z11)、(x12,y12,z12)；
4.3采用步骤三中的计算方法，用(x5,y5,z5)、(x6,y6,z6)、(x7,y7,z7)、(x8,y8,z8)计算得到球心坐标b(x13,y13,z13)；
4.3采用步骤三中的计算方法，用(x9,y9,z9)、(x10,y10,z10)、(x11,y11,z11)、(x12,y12,z12)计算得到球心坐标c(x14,y14,z14)；
步骤五、球心坐标c到球心坐标b的矢量m表示为(x13－x14,y13－y14,z13－z14)，矢量m归一化后的矢量n表示为(i,j,k)，球心坐标b到球心坐标a的矢量p表示为(x0－x13,y0－y13,z0－z13)；
步骤六、在测量设备台体(3)上固定被测工件(4)，用接触式测头(1)采集被测工件(4)表面上一个点pt1，记录机床示值坐标(x15,y15,z15)；用非接触式测头(2)采集被测工件(4)表面上另一个点pt2，记录机床示值坐标(x16,y16,z16)和非接触式测头(2)的测头输出值L3；
步骤七、机床示值坐标(x15,y15,z15)进行测头半径补偿后作为点pt1的空间坐标e；
步骤八、将L3、L1、矢量n(i,j,k)、坐标(x16,y16,z16)和矢量p(x0－x13,y0－y13,z0－z13)采用如下公式进行计算，获取点pt2的空间坐标f，计算公式如下：
f＝((L3－L1)i+x16+x0－x13，(L3－L1)j+y16+y0－y13,(L3－L1)k+z16+z0－z13)式11；
所述空间坐标e、空间坐标f即为接触式测头(1)和非接触式测头(2)的测量数据在同一个坐标系下的对齐的测量结果。
本发明在机床上放置标准球，并用接触式测头与非接触式测头对其采集12个点，用这些数据可以计算出L1、矢量n和矢量p。L1与非接触测头安装位置有关，矢量n与非接触测头安装方向有关，矢量p与接触式测头相对于非接触式测头的位置有关。对被测工件进行测量时，将上述参数和非接触测头的测量数据代入式11，可以实现将非接触式测头的测量数据和接触式测头的测量数据对齐到同一个坐标系下，具有方便和高效的优势。
附图说明
图1为实现本发明方法的三轴坐标测量设备的结构示意图
具体实施方式
以下将结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步地详述，步骤中未标明的数值单位为mm：
参见附图1所示，实现本发明方法的三轴坐标测量设备上既安装了接触式测头(1)，也安装了非接触式测头(2)，接触式测头(1)采用测头顶端半径1mm的雷尼绍公司触发式测头，非接触式测头(2)采用米铱公司光谱共焦测头，2个测头之间的相对位置在安装后保持固定，对两个不同测头测量的数据转换到同一个空间坐标系下的对齐方法采用如下步骤完成：
步骤一、在测量设备台体(3)上固定标准球(5)，标准球(5)的半径为20mm；
步骤二、用接触式测头(1)对标准球(5)的表面进行触发采点，采点数为4个，记录该4个点对应的机床示值坐标，分别为(x1,y1,z1)＝(400,200,321)、(x2,y2,z2)＝(379,200,300)、(x3,y3,z3)＝(421,200,300)、(x4,y4,z4)＝(400,221,300)；
步骤三、用(x1,y1,z1)、(x2,y2,z2)、(x3,y3,z3)、(x4,y4,z4)计算得到球心坐标a(x0,y0,z0)，计算方法如下：
3.1根据球面方程得到四个联立方程：
(x1－x0)2+(y1－y0)2+(z1－z0)2＝R2式1
(x2－x0)2+(y2－y0)2+(z2－z0)2＝R2式2
(x3－x0)2+(y3－y0)2+(z3－z0)2＝R2式3
(x4－x0)2+(y4－y0)2+(z4－z0)2＝R2式4
3.2通过对式1～式4的转换，得到以下3个方程：
(x1－x0)2+(y1－y0)2+(z1－z0)2＝(x2－x0)2+(y2－y0)2+(z2－z0)2式5
(x3－x0)2+(y3－y0)2+(z3－z0)2＝(x4－x0)2+(y4－y0)2+(z4－z0)2式6
(x1－x0)2+(y1－y0)2+(z1－z0)2＝(x3－x0)2+(y3－y0)2+(z3－z0)2式7
3.3将式5～式7展开整理后得到下列3个方程：
(x1 2–2x1x0+y1 2–2y1y0+z1 2–2z1z0)＝(x2 2–2x2x0+y2 2–2y2y0+z2 2–2z2z0)式8
(x3 2–2x3x0+y3 2–2y3y0+z3 2–2z3z0)＝(x4 2–2x4x0+y4 2–2y4y0+z4 2–2z4z0)式9
(x1 2–2x1x0+y1 2–2y1y0+z1 2–2z1z0)＝(x3 2–2x3x0+y3 2–2y3y0+z3 2–2z3z0)式10
3.4：把(x1,y1,z1)、(x2,y2,z2)、(x3,y3,z3)、(x4,y4,z4)的数值代入式8～式10联立的三元一次方程组，求解x0、y0、z0的数值，得到球心坐标a(x0,y0,z0)。
代入并化简后得到的方程组为
21x0+21z0＝14700
21x0－21y0＝4200
－21x0+21z0＝－2100
求解得到(x0,y0,z0)＝(400,200,300)。
步骤四、用非接触式测头(2)对标准球(5)的表面进行采点测量，采点数为8个，记录该8个点对应的机床示值坐标和测头输出值：
4.1采前4个点时，保持测头输出值相等为L1＝16，记录前4个点的机床示值坐标为：(x5,y5,z5)＝(100,200,310)、(x6,y6,z6)＝(90,200,307.3205)、(x7,y7,z7)＝(110,200,307.3205)、(x8,y8,z8)＝(100,190,307.3205)；
4.2采后4个点时，保持测头输出值相等为L2＝26，记录后4个点的机床示值坐标为：(x9,y9,z9)＝(100,200,320)、(x10,y10,z10)＝(100,210,317.3205)、(x11,y11,z11)＝(100,190,317.3205)、(x12,y12,z12)＝(110,200,317.3205)；
4.3采用步骤三中的计算方法，根据(x5,y5,z5)、(x6,y6,z6)、(x7,y7,z7)、(x8,y8,z8)的数值，计算得到球心坐标b(x13,y13,z13)＝(100,200,290)；
4.3采用步骤三中的计算方法，根据(x9,y9,z9)、(x10,y10,z10)、(x11,y11,z11)、(x12,y12,z12)的数值，计算得到球心坐标c(x14,y14,z14)＝(100,200,300)；
步骤五、球心坐标c到球心坐标b的矢量m表示为(x13－x14,y13－y14,z13－z14)＝(0,0,－10)，矢量m归一化后的矢量n表示为(i,j,k)＝(0,0,－1)，球心坐标b到球心坐标a的矢量p表示为(x0－x13,y0－y13,z0－z13)＝(300,0,10)；
步骤六、在测量设备台体(3)上固定被测工件(4)，用接触式测头(1)采集被测工件(4)表面上一个点pt1，该点测头补偿方向为z轴负向，记录机床示值坐标(x15,y15,z15)＝(520,430,480)；用非接触式测头(2)采集被测工件(4)表面上另一个点pt2，记录机床示值坐标(x16,y16,z16)＝(180,470,505)和非接触式测头(2)的测头输出值L3＝19.5；
步骤七、机床示值坐标(x15,y15,z15)进行测头半径补偿后作为点pt1的空间坐标e＝(520,430,479)；
步骤八、将L3、L1、矢量n(i,j,k)、坐标(x16,y16,z16)和矢量p(x0－x13,y0－y13,z0－z13)中各项数值代入式11进行计算，获取点pt2的空间坐标f。
f＝((L3－L1)i+x16+x0－x13，(L3－L1)j+y16+y0－y13,(L3－L1)k+z16+z0－z13)式11
计算得到f＝(480,470,511.5)；
所述空间坐标e(520,430,479)、空间坐标f(480,470,511.5)即为接触式测头(1)和非接触式测头(2)的测量点pt1、pt2在同一个坐标系下的对齐的坐标值。
通过上述测量点pt1、pt2的对齐的坐标值，可以反映点pt1和点pt2的相对空间位置关系。
与现有技术相比，本发明方法在使用复合坐标测量设备上的不同测头测量同一个工件上的不同点时，可以直接将各个点的坐标对齐到同一个坐标系下，给坐标测量数据的使用带来方便。

Claims (1)

1.一种三轴坐标测量设备的不同测头测量数据的对齐方法，所述对齐方法是将三轴坐标测量设备中不同测头的测量数据转换到同一个空间坐标系下的方法，所述三轴坐标测量设备上既安装了接触式测头(1)，也安装了非接触式测头(2)，其特征在于：该方法的步骤如下：
步骤一、在测量设备台体(3)上固定标准球(5)，标准球(5)的半径为R；
步骤二、用接触式测头(1)对标准球(5)的表面进行触发采点，采点数为4个，记录该4个点对应的机床示值坐标，分别为(x1,y1,z1)、(x2,y2,z2)、(x3,y3,z3)、(x4,y4,z4)；
步骤三、用(x1,y1,z1)、(x2,y2,z2)、(x3,y3,z3)、(x4,y4,z4)计算得到球心坐标a（x0,y0,z0），计算方法如下：
3.1根据球面方程得到四个联立方程：
(x1－x0)2+(y1－y0)2+(z1－z0)2=R2式1
(x2－x0)2+(y2－y0)2+(z2－z0)2=R2式2
(x3－x0)2+(y3－y0)2+(z3－z0)2=R2式3
(x4－x0)2+(y4－y0)2+(z4－z0)2=R2式4
3.2通过对式1～式4的转换，得到以下3个方程：
(x1－x0)2+(y1－y0)2+(z1－z0)2=(x2－x0)2+(y2－y0)2+(z2－z0)2式5
(x3－x0)2+(y3－y0)2+(z3－z0)2=(x4－x0)2+(y4－y0)2+(z4－z0)2式6
(x1－x0)2+(y1－y0)2+(z1－z0)2=(x3－x0)2+(y3－y0)2+(z3－z0)2式7
3.3将式5～式7展开整理后得到下列3个方程：
(x1 2–2x1x0+y1 2–2y1y0+z1 2–2z1z0)=(x2 2–2x2x0+y2 2–2y2y0+z2 2–2z2z0)式8
(x3 2–2x3x0+y3 2–2y3y0+z3 2–2z3z0)=(x4 2–2x4x0+y4 2–2y4y0+z4 2–2z4z0)式9
(x1 2–2x1x0+y1 2–2y1y0+z1 2–2z1z0)=(x3 2–2x3x0+y3 2–2y3y0+z3 2–2z3z0)式10
3.4通过求解式8～式10联立的三元一次方程组，得到x0、y0、z0的数值；
步骤四、用非接触式测头(2)对标准球(5)的表面进行采点测量，采点数为8个，记录该8个点对应的机床示值坐标和测头输出值，所述8个点的选择应满足以下要求：
4.1采前4个点时，保持测头输出值相等为L1，记录前4个点的机床示值坐标为：(x5,y5,z5)、(x6,y6,z6)、(x7,y7,z7)、(x8,y8,z8)；
4.2采后4个点时，保持测头输出值相等为L2，并且L2大于L1，记录后4个点的机床示值坐标为：(x9,y9,z9)、(x10,y10,z10)、(x11,y11,z11)、(x12,y12,z12)；
4.3采用步骤三中的计算方法，用(x5,y5,z5)、(x6,y6,z6)、(x7,y7,z7)、(x8,y8,z8)计算得到球心坐标b（x13,y13,z13）；
4.3采用步骤三中的计算方法，用(x9,y9,z9)、(x10,y10,z10)、(x11,y11,z11)、(x12,y12,z12)计算得到球心坐标c（x14,y14,z14）；
步骤五、球心坐标c到球心坐标b的矢量m表示为(x13－x14,y13－y14,z13－z14)，矢量m归一化后的矢量n表示为(i,j,k)，球心坐标b到球心坐标a的矢量p表示为(x0－x13,y0－y13,z0－z13)；
步骤六、在测量设备台体(3)上固定被测工件(4)，用接触式测头(1)采集被测工件(4)表面上一个点pt1，记录机床示值坐标(x15,y15,z15)；用非接触式测头(2)采集被测工件(4)表面上另一个点pt2，记录机床示值坐标(x16,y16,z16)和非接触式测头(2)的测头输出值L3；
步骤七、机床示值坐标(x15,y15,z15)进行测头半径补偿后作为点pt1的空间坐标e；
步骤八、将L3、L1、矢量n(i,j,k)、坐标(x16,y16,z16)和矢量p(x0－x13,y0－y13,z0－z13)采用如下公式进行计算，获取点pt2的空间坐标f，计算公式如下：
f=((L3－L1)i+x16+x0－x13，(L3－L1)j+y16+y0－y13,(L3－L1)k+z16+z0－z13)式11；
所述空间坐标e、空间坐标f即为接触式测头(1)和非接触式测头(2)的测量数据在同一个坐标系下的对齐的测量结果。
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