CN109084722B - 一种自适应采样的复杂曲面接触式测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于复杂曲面接触式测量的领域，并公开了一种自适应采样的复杂曲面接触式测量方法。该方法包括：(a)设定测针与待测工件表面接触的期望接触力和扫描速度，开始扫描并获得多个采样点；(b)分别测量每个采样点沿测针方向和垂直于测针方向实际接触力的大小，计算二者的合力大小和方向，以及合力方向与测针方向的夹角；(c)计算相邻采样点之间夹角的差值，判断差值是否满足预设角度变化阈值，满足的采样点为测量点；(d)保存每个测量点扫描获得的坐标，补偿测针球头的半径后获得实际接触点的坐标，所有测量点的实际接触点的坐标集合即为所需的测量结果。通过本发明，避免工件表面划伤，增加曲率大处的测量点，提高测量精度和效率。

Description

一种自适应采样的复杂曲面接触式测量方法

技术领域

本发明属于复杂曲面接触式测量的领域，更具体地，涉及一种自适应采样的复杂曲面接触式测量方法。

背景技术

随着工业水平的不断提高，复杂曲面在航空航天发动机叶片、风电叶片、高铁白车身等方面应用越来越广泛。复杂曲面类零件加工制造难度大，很难利用传统数控加工技术直接成型。为了保证其表面质量和精度要求，常规的方法是按照“加工-测量-再加工”的模式进行多次修调，直到工件满足设计要求为止。复杂曲面测量作为生产过程中的重要环节，对工件的加工精度和生产效率有重要影响。

目前工业生产用采用的测量方式主要分为非接触式测量和接触式测量两种。非接触式测量没有接触应力，测量效率高，在复杂曲面测量方面应用较多，但是其精密的光学系统价格昂贵，测量精度也没有接触式三坐标测量机精度高，在精度要求较高的场合并不适用。传统的接触式三坐标测量机采用点到点的测量模式效率低下，且少量的采样点并不能有效的反应复杂曲面的型面特征，可能会造成高曲率特征局部信息丢失。接触式扫描测量具有较好的测量精度和测量效率，在复杂曲面类零件测量方面应用最广泛。然而，在实际应用中扫描式测量还存在以下问题：(1)扫描式测量一般以1～1000Hz的频率采集数据，这种方式采集到的大量数据点会导致后期数据处理、3D比较以及逆向工程等工作变得复杂；(2)测针的扫描速度不能适应复杂曲面曲率的变化，在曲率不同的轨迹上以相同的速度扫描，会导致曲率较大的部分采集不到足够多的点，丢失高曲率信息。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种自适应采样的复杂曲面接触式测量方法，通过设定恒定的期望接触力和扫描速度，使测针在接触式扫描测量过程中始终与工件保持恒力接触，避免因接触力过大造成的工件划伤和测针损坏，以及避免扫描速度不定时曲率过大处的采样点少，此外，通过自适应选择并保存测量点数据，使得曲率大处的测量点更多，以此提高复杂曲面测量的精度和效率。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种自适应采样的复杂曲面接触式测量方法，其特征在于，该测量方法包括下列步骤：

(a)设定测针在测量过程中与待测工件表面接触的期望接触力f_r，设定所述测针扫描待测工件表面的期望扫描速度v，所述测针以所述期望扫描速度和恒定期望接触力沿待测工件表面扫描，并获得多个采样点；

(b)对于每个采样点，分别测量每个采样点对应的所述测针与测量工件接触沿测针方向和垂直于所述测针方向的实际接触力f_x和f_y的大小，根据该测针方向和垂直于测针方向的实际接触力计算二者的实际接触合力f_e大小和方向，然后计算该实际接触合力方向与所述测针方向的夹角θ_i；

(c)计算相邻采样点之间夹角的差值，判断该差值是否满足预设角度变化阈值，满足所述预设角度变化阈值的采样点为测量点；

(d)保存每个测量点扫描获得的坐标，该坐标为所述测针球头球心的坐标，将该坐标补偿所述测针球头的半径后获得每个测量点对应的所述测针与待测工件表面实际接触点的坐标，所有测量点对应的实际接触点的坐标的集合即为所需的测量结果，由此完成待测工件表面的测量。

进一步优选地，在步骤(a)中，所述测针以所述期望扫描速度和恒定期望接触力沿待测工件表面扫描的过程中，还需实时测量每个采样点的实际接触力，通过PID控制使得每个采样点对应的实际接触力与所述期望接触力相等。

进一步优选地，在步骤(a)中，所述测针以所述期望扫描速度和恒定期望接触力沿待测工件表面扫描的过程中，还需实时测量每个采样点的实际扫描速度，并使得每个采样点对应的实际扫描速度与所述期望扫描速度相等。

进一步优选地，在步骤(b)中，获得所述实际接触合力f_e和夹角θ_i后，采用PID控制使得所述实际接触合力f_e等于所述期望接触力f_r，由此使得所述测针在测量过程保持恒定的力扫描测量，同时，利用所述夹角θ_i和期望扫描速度v，分别计算并获得沿测针方向和垂直于所述测针方向的实际扫描速度，所述测针按照所述实际扫描速度扫描以此实现恒定的速度扫描测量。

进一步优选地，优选按照下列表达式计算所述测针方向和垂直于测针方向的实际扫描速度，以此保持所述测针按照期望扫描速度进行扫描，

其中，v_x是采样点沿所述测针方向的实际扫描速度，v_y是采样点沿所述垂直于测针方向的实际扫描速度，f_x是采样点沿所述测针方向的实际接触力，f_y是采样点沿所述垂直于测针方向的实际接触力，v是采样点的期望扫描速度。

进一步优选地，在步骤(d)中，所述将该坐标补偿所述测针球头的半径后获得每个测量点对应的所述测针与待测工件表面实际接触点的坐标，优选按照下列表达式进行，

x_c＝x₀+R sinθ_i

y_c＝y₀+R cosθ_i

其中，x₀和y₀分别为所述测针球头球心在X轴和Y轴方向的坐标，R为所述测针球头的有效半径，x_c和y_c分别为实际接触点在X轴和Y轴方向的坐标。

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，能够取得下列有益效果：

1、本发明测量沿测针和垂直与测针方向的实际接触力，二者的合力即为实际接触力，通过控制两个方向的分力控制实际接触力，并使得实际接触力等于期望接触力，此外，还利用两个方向的分力控制两个方向对应的扫描速度，进而控制实际扫描等于期望扫描速度，该过程中，只通过测量两个方向的实际接触力，就实现扫描力和扫描速度的控制，简化测量方法和测量装置，提高测量效率；

2、本发明通过根据前后采样点的角度变化自适应选择采样点，从而使得待测工件表面曲率大处选择的采样点反而多，曲率小处选取的采样点相对少，有效减少数据量，提高测量效率和测量精度；

3、本发明通过实时监测并控制测针与待测工件表面接触的实际接触力，使得实际接触力始终等于期望接触力，有效避免在接触式测量中接触力过大导致的工件表面划伤和测针的损坏；

4、本发明通过实时监测并控制测针与待测工件表面接触的实际扫描速度，使得实际扫描速度始终等于期望扫描速度，和现有技术相比，避免在曲率高的地方，由于扫描速度快而造成的数据点缺失，提高测量精度。

附图说明

图1是按照本发明的优选实施例所构建的复杂曲面接触式测量流程图；

图2是按照本发明的优选实施例所构建的复杂曲面接触式测量的力控制模型示意图；

图3是按照本发明的优选实施例所构建的扫描速度调整示意图；

图4是按照本发明的优选实施例所构建的自适应选取采样点的示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-工件表面 2-测针 3-测针球心轨迹

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。

图1是按照本发明的优选实施例所构建的复杂曲面接触式测量流程图，如图1所示，本发明提出了一种复杂曲面接触式测量的方法，按照本发明的一个实施例，包括如下步骤：

S1设定测针与待测工件表面的期望接触力，采用PID控制的方式使测针在预定的轨迹上恒力扫描测量，具体如下：

图2是按照本发明的优选实施例所构建的复杂曲面接触式测量的力控制模型示意图，如图2所示，将工件表面等效为线弹性模型，根据胡克定律有

e＝f_r-f_e＝k_e(x_r-x_e)

其中，e为期望力f_r与实际接触力f_e的差值，k_e为环境的刚度，x_r和x_e分别表示测针的参考位置和实际位置。

由上式可知，测针与工件的接触力与测针的位置满足函数关系，因此可以通过控制测针的位移使得实际接触力等于期望力。期望力f_r由用户设定，实际接触力f_e通过安装在测头上的力传感器获得，本实施例中通过采用PID控制使得差值e尽可能的小，该PID控制中，差值e作为输入，输出为测针沿x轴方向的位移量，通过该位移量调节补偿测针的实际位置与参考位置之间的差距，使得实际位置尽可能接近参考位置，最终使其在扫描测量的过程中始终与工件保持恒力接触，其中，x轴方向即沿测针的方向，垂直于测针的方向为y轴方向。由于工件的刚度较大，接触力较小，因此工件表面的微小变形远小于测量精度，可以忽略其对测量精度的影响。

S2设定期望扫描速度，使得测针在扫描测量的过程中保持匀速测量，其中，根据力传感器采集的x轴和y轴方向的接触力的大小对扫描速度进行调节，具体包括：

图3是按照本发明的优选实施例所构建的扫描速度调整示意图，如图3所示，扫描过程中，采样频率比较高，接触点P_i到P_i+1之间的距离|P_iP_i+1|很短，因此可以用点P_i到P_i+1的直线速度v来代替测针在曲线上的扫描速度，直线速度v在XY方向上的投影为v_x和v_y，v_x和v_y分别表示X和Y轴的运动速度。当|P_iP_i+1|较小的时候，速度v_x和v_y的正切角α_i近似于θ_i，θ_i为测针与工件的实际接触力f_e与X轴的夹角，也是f_e在XY方向上的分力f_x和f_y的正切角，f_x和f_y可以通过力传感器获得，则有

v_x＝v sinθ_i

v_y＝v cosθ_i

其中因此，该方法可以根据力传感器采集的力的大小，实时计算出沿x轴方向和y轴方向的期望扫描速度，由此调整测针在工件表面的实际扫描速度，使其在曲率不同的地方速度尽量均匀，提高测量精度。

S3图4是按照本发明的优选实施例所构建的自适应选取采样点的示意图，如图4所示，根据扫描过程中实时采集的力信号，计算测量力与X轴的夹角θ_i，通过设置角度变化阈值，自适应选择测量点并记录。应注意，本发明所述采样点为以1～1000Hz的频率采集的数据，但并不是所有的采样点都保存；测量点是通过自适应方法选择出的具有特征信息的点，测量点及该位置接触力大小和方向会被存储并用于后续处理。具体方法如下：

S301计算扫描过程中测量力的方向变化

Δθ＝|θ_i-θ_i+j|(j＝1,2,…)

其中Δθ表示第i个测量点与其后第j个采样点之间的角度变化值，i表示已选择的测量点，j表示当前测量点之后的采样点数量。

S302设置阈值ε，当角度变化值Δθ小于阈值ε时，令

j＝j+1

重新计算Δθ，判断下一个采样点是否匹配。

S303当满足Δθ≥ε的采样点被找到时，记该采样点为测量点，令

i＝i+1；j＝0；

重新执行上述步骤，寻找下一个测量点，直到测量结束。

S4所记录的测量点为测针球心的坐标，需要在测量点的接触力方向上补偿测针球头的有效半径，才能得到工件表面实际接触点的位置，补偿后的点云数据即为测量结果。具体方法为：

测针与工件的实际接触力f_e与X轴的夹角为θ_i，记测针球心坐标为(x₀，y₀)，则测针与工件表面的实际接触点坐标为

x_c＝x₀+R sinθ_i

y_c＝y₀+R cosθ_i

其中，R为测针球头的有效半径，x_c和y_c分别为实际接触点在X轴和Y轴方向的坐标。

本发明提出一种复杂曲面接触式测量的速度调节及自适应采样方法，在测头上设置有力传感器，采用力控制的方式，使测针在接触式扫描测量过程中始终与工件保持恒力接触，避免因接触力过大造成的工件划伤和测针损坏；根据力传感器采集的接触力信息，自适应调节测针的扫描速度，同时自适应选择并记录测量点数据，能有效提高复杂曲面测量的精度和效率。

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 (6)

1.一种自适应采样的复杂曲面接触式测量方法，其特征在于，该测量方法包括下列步骤：

(a)设定测针在测量过程中与待测工件表面接触的期望接触力f_r，设定所述测针扫描待测工件表面的期望扫描速度v，所述测针以所述期望扫描速度和恒定期望接触力沿待测工件表面扫描，并获得多个采样点；

(b)对于每个采样点，分别测量每个采样点对应的所述测针与测量工件接触沿测针方向和垂直于所述测针方向的实际接触力f_x和f_y的大小，根据该测针方向和垂直于测针方向的实际接触力计算二者的实际接触合力f_e大小和方向，然后计算该实际接触合力方向与所述测针方向的夹角θ_i；

(c)计算相邻采样点之间夹角的差值，判断该差值是否满足预设角度变化阈值，满足所述预设角度变化阈值的采样点为测量点；

(d)保存每个测量点扫描获得的坐标，该坐标为所述测针球头球心的坐标，将该坐标补偿所述测针球头的半径后获得每个测量点对应的所述测针与待测工件表面实际接触点的坐标，所有测量点对应的实际接触点的坐标的集合即为所需的测量结果，由此完成待测工件表面的测量。

2.如权利要求1所述的一种自适应采样的复杂曲面接触式测量方法，其特征在于，在步骤(a)中，所述测针以所述期望扫描速度和恒定期望接触力沿待测工件表面扫描的过程中，还需实时测量每个采样点的实际接触力，通过PID控制使得每个采样点对应的实际接触力与所述期望接触力相等。

3.如权利要求1或2所述的一种自适应采样的复杂曲面接触式测量方法，其特征在于，在步骤(a)中，所述测针以所述期望扫描速度和恒定期望接触力沿待测工件表面扫描的过程中，还需实时测量每个采样点的实际扫描速度，并使得每个采样点对应的实际扫描速度与所述期望扫描速度相等。

4.如权利要求1所述的一种自适应采样的复杂曲面接触式测量方法，其特征在于，在步骤(b)中，获得所述实际接触合力f_e和夹角θ_i后，采用PID控制使得所述实际接触合力f_e等于所述期望接触力f_r，由此使得所述测针在测量过程保持恒定的力扫描测量，同时，利用所述夹角θ_i和期望扫描速度v，分别计算并获得沿测针方向和垂直于所述测针方向的实际扫描速度，所述测针按照所述实际扫描速度扫描以此实现恒定的速度扫描测量。

5.如权利要求4所述的一种自适应采样的复杂曲面接触式测量方法，其特征在于，优选按照下列表达式计算所述测针方向和垂直于测针方向的实际扫描速度，以此保持所述测针按照期望扫描速度进行扫描，

其中，v_x是采样点沿所述测针方向的实际扫描速度，v_y是采样点沿所述垂直于测针方向的实际扫描速度，f_x是采样点沿所述测针方向的实际接触力，f_y是采样点沿所述垂直于测针方向的实际接触力，v是采样点的期望扫描速度。

6.如权利要求1所述的一种自适应采样的复杂曲面接触式测量方法，其特征在于，在步骤(d)中，所述将该坐标补偿所述测针球头的半径后获得每个测量点对应的所述测针与待测工件表面实际接触点的坐标，优选按照下列表达式进行，

x_c＝x₀+Rsinθ_i

y_c＝y₀+Rcosθ_i

其中，x₀和y₀分别为所述测针球头球心在X轴和Y轴方向的坐标，R为所述测针球头的有效半径，x_c和y_c分别为实际接触点在X轴和Y轴方向的坐标。