CN109782815B - 基于多轴联动系统的复杂型面自适应测量路径规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多轴联动系统的复杂型面自适应测量路径规划方法，该方法基于移动窗样条插值算法，以及定位移恒测力模式的随动控制方法，实现复杂型线型面误差精密测量。在复杂型面连续自动扫描检测过程中，待测的目标点位置由已测点推算获得；在测头由已测点向待测点扫描运动的过程中，软件与硬件控制其与工件保持接触状态，保证测头处于预置变形状态附近，从而使测针球心的运动轨迹尽可能与被测表面变化吻合，实现测头沿工件实际表面的仿形测量。测头的位置采样数据中包含其实际轨迹数据，结合空间几何分析方法即可完成对工件实际模型的提取，进而可基于理论模型完成工件的误差分析，实现复杂型线型面误差精密测量。

Description

基于多轴联动系统的复杂型面自适应测量路径规划方法

技术领域

本发明属于精密测量领域，具体涉及一种基于多轴联动系统的复杂型面自适应测量路径规划方法。

背景技术

目前，空间型线型面测量一般通过电子样板比对方式实现，即多轴运动机构按照理论模型带动传感器相对工件作理想轨迹运动，此时传感器的示值即为工件相对理论模型的偏差。该方法对于不同模型的工件，预先规划的路径都不一样，软件开发实现难度很大。同时为了实现更高精度的测量，测量机构的空间几何精度以及运动控制精度需要不断提高。而工件表面实际被测点的误差是未知的，若其实际误差超出传感器量程，测量过程将中断。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于多轴联动系统的复杂型面自适应测量路径规划方法，为多轴联动机构的复杂轨迹连续仿形扫描提供了解决方案。

为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：

基于多轴联动系统的复杂型面自适应测量路径规划方法，该多轴联动系统是由三悬臂梁和回转主轴组成的四轴测量装置，配备用于空间三维微动测量的精密扫描传感器，构成一套七轴四联动测量系统，该方法包括以下步骤：

步骤1：基本参数输入

被测工件的基本参数包括特征参数、型线或型面的离散数据点以及非球面工件的方程式；

步骤2：测量开始前，设定主动抽、从动轴和随动轴；

步骤3：测量速度和采样间距自动计算

根据输入量计算测量范围，并规划测量速度和采样间距；

步骤4：将测头放置于测量起始位置

依据输入的基本参数，操作软件自动计算测量起始位置，并驱动测头前往该位置；

步骤5：初始测量点路径获取

依据输入的基本参数、软件设定的移动窗口宽度、测量采样检测，获取起始测量段的理论轨迹点坐标，即为P₁、P₂、P₃、…、P_n，其中移动窗口宽度为分析点数量，即窗口插值点数，设为n；

步骤6：初始点测量

在采样点满足插值条件前，起测段的测量路径按照理论轨迹实施规划，即按照电子样板路径规划方法完成初始测量点P₁、P₂、P₃、…、P_n的实际位置坐标的检测；

步骤7：定位移恒测力模式控制测头运动

在测头由已测点向待测点扫描运动的过程中，软件与硬件控制其与工件保持接触状态，并处于预置变形状态，一旦状态偏离，系统根据偏离值的大小实时调整相关轴的位移，保证测头处于预置变形状态附近，从而使测针球心的运动轨迹尽可能与被测表面变化吻合，实现测头沿工件实际表面的仿形测量；

步骤8：移动窗口插值

窗口插值点数设为n，按照电子样板路径规划的初始测量点即为P₁、P₂、P₃、…、P_n，其坐标为(x_i，y_i)，i＝1，2，3，...，n，对这n个点做三次样条插值获得点P_n+1′的坐标及方向，插值间距即为采样间距，P_n+1′点即为规划所得的下一测量点；测球以直线插补的运动控制方式从P_n点到P_n+1′点，测头变形量沿规划路径的法向方向；测头位移一个采样步距后所在位置即为实际的被测点P_n+1的坐标；随后插值窗口向前移动，下一测量点的规划位置由P₂、P₃、…、P_n、P_n+1这n个点插值获得；当测量第i个点时，其规划位置由P_i-n、…、P_i-2、P_i-1插值获得，直至完成测量。

本发明进一步的改进在于，步骤2中，主动轴和从动轴的设定是由测型线或型面的数学特性决定的，随动轴的设定参考下一测量点的法线方向；具体为，利用自适应测量路径规划方法规划出测头下一测量点位置及法线方向后，按照主动轴和从动轴的数学关系，将运动指令换算到测量系统圆柱坐标系的四轴执行机构中去，通过多轴联动实现规划点的运动；随动轴选择作用方向与规划点法线方向一致或最为接近的运动轴。

本发明进一步的改进在于，步骤3中，多轴联动系统根据输入参数计算工件的转动惯量，依据转动惯量和测量位置选择测量速度。

本发明进一步的改进在于，其特征在于，步骤8中，具体实现方法如下：

三次样条插值在每个小区间[x_i-1，x_i]上求函数s_i(x)

其中M_i为x_i处二阶导数值

h_i＝x_i-x_i-1为子区间长度；

s_i(x)是由n个区间上的分段函数构成，共有n+1个参数M_i，i＝0，1，2，3，...，n，这里选用自然三次样条，其边界条件满足

即M₀＝0，M_n＝0；

其求解参数方程组形式如下：

其中

d_i＝6y[x_i-1，x_i，x_i+1]，i＝1，2，3...，n-1；

至此，求出每一插值段三次样条函数，并根据采样间距预测下一采样点的值。

本发明具有如下有益的技术效果：

本发明提供的基于多轴联动系统的复杂型面自适应测量路径规划方法，该方法借助空间几何分析技术，降低了对运动机构硬件绝对精度的要求，通过更为复杂的数学分析方法以获得更为精确的测量结果。运动控制系统依据实时反馈的传感器变形信息调整机床位置，保证传感器一直处于定位移恒测力状态，有效减少传感器全量程范围内标定误差对测量结果的影响。同时该方法实现了测头沿工件实际曲面进行仿形跟踪扫描，可保证测量过程连续可靠。由于该方法对于不同型线型面的测量具有很好的通用性，因此解决了不同连续曲线曲面测量路径规划方法的统一问题。

附图说明

图1为多轴联动系统外观示意图。

图2为多轴联动系统各轴运动全闭环控制流程图。

图3为随动轴的闭环控制流程图。

图4为自适应路径规划实例图。

图5为移动窗样条插值流程图。

图6为定位移恒测力控制模式流程图。

具体实施方式

下面结合附图对发明做详细说明。

本发明提供的基于多轴联动系统的复杂型面自适应测量路径规划方法，是基于多轴联动系统实现的一种新型测量实施及数据处理方法。应用该方法，结合高精度测量系统、数控技术、计算机信息处理技术，可使多轴联动系统实现复杂零件的高精度数控测量。该多轴联动系统是由三悬臂梁和回转主轴组成的四轴测量装置，可配备用于空间三维微动测量的精密扫描传感器，构成一套七轴四联动测量系统。该系统采用CNC控制技术，实现C轴(极角)、X轴(切向)、Y轴(极径)、Z轴(垂直)的驱动控制，并对四轴的位置信息和三维传感器微动数据进行采集。测量时，开发的应用软件可根据设定的工件参数进行多轴联动自动路径规划，同时完成测量规划动作。然后基于采集的各轴位置信息与传感器数据进行数据合成与数学建模，实现数控全自动测量。多轴联动系统外形示意图如图1所示。

图1所述结构中下顶尖回转轴部件(C轴)与上顶尖回转轴同轴安装，用于工件旋转测量安装。G轴带动上顶尖部件上下移动，实现不同高度中心孔工件的快速装夹，故G轴部件简称安装立柱部件，对应的G轴立柱零件简称安装立柱。X轴、Y轴、Z轴构成三轴悬臂梁结构，分别称为切向部件、径向部件与测量立柱部件。

多轴联动系统各轴由伺服电机驱动。为确保测量系统的控制精度，采用全闭环控制模式。三直线轴伺服电机与自身所带编码器形成速度闭环控制，来自于编码器的反馈的值经过“速度运算器”后与速度环输入值进行比较，根据差值对电机速度进行调节。回转轴采用无框力矩电机，由电机所配的、霍尔元件(磁场感应变为电流电压信号)替代编码器，与驱动器形成电流闭环控制，实现稳定转矩的输出。各轴系均配有精密光栅组件，读取精确运动位置。该位置信息以外部脉冲的形式通过运动控制卡的平滑滤波处理和电子齿轮计算后作为“位置环的设定”输入驱动器，形成位置闭环控制，以实现精确的定位。多轴联动系统各轴的运动全闭环控制流程如图2所示。

基于多轴联动系统的复杂型面自适应测量路径规划方法，包括以下步骤：

步骤1：基本参数输入

被测工件的基本参数包括特征参数(例如渐开线圆柱齿轮)、型线或型面的离散数据点(例如摆线齿轮、螺旋转子、比对检测的弧齿锥齿轮)以及方程式(非球面工件)。

步骤2：测量开始前，设定主动抽、从动轴和随动轴。

主动轴和从动轴的设定是由测型线或型面的数学特性决定的，随动轴的设定参考下一测量点的法线方向。具体为，利用自适应测量路径规划方法规划出测头下一测量点位置及法线方向后，按照主动轴和从动轴的数学关系，将运动指令换算到测量系统圆柱坐标系的四轴执行机构中去，通过多轴联动实现规划点的运动；随动轴选择作用方向与规划点法线方向一致或最为接近的运动轴。若采用的测头为一维测头，那么规划点的法线方向、随动轴的运动方向与测头变形方向尽量一致。图3为随动轴的闭环控制流程图。

步骤3：测量速度和采样间距自动计算

根据输入量计算测量范围，并规划测量速度和采样间距。测量速度是影响测量精度的关键因素之一。多轴联动系统根据输入参数计算工件的转动惯量，依据转动惯量和测量位置选择测量速度，以获得更好的测量精度。

步骤4：将测头放置于测量起始位置

依据输入的基本参数，操作软件自动计算测量起始位置，并驱动测头前往该位置。

步骤5：初始测量点路径获取

依据输入的基本参数、软件设定的移动窗口宽度(分析点数量，即窗口插值点数，设为n)、测量采样检测，获取起始测量段的理论轨迹点坐标，即为P₁、P₂、P₃、…、P_n。

步骤6：初始点测量

在采样点满足插值条件前，起测段的测量路径按照理论轨迹实施规划，即按照电子样板路径规划方法完成初始测量点P₁、P₂、P₃、…、P_n的实际位置坐标的检测。

步骤7：定位移恒测力模式控制测头运动

在测头由已测点向待测点扫描运动的过程中，软件与硬件控制其与工件保持接触状态，并处于预置变形状态(一般为量程中间值)，一旦状态偏离，系统根据偏离值的大小实时调整相关轴的位移，保证测头处于预置变形状态附近，从而使测针球心的运动轨迹尽可能与被测表面变化吻合，实现测头沿工件实际表面的仿形测量。图4为定位移恒测力控制模式流程图。

步骤8：移动窗口插值

窗口插值点数设为n，按照电子样板路径规划的初始测量点即为P₁、P₂、P₃、…、P_n，其坐标为(x_i，y_i)，i＝1，2，3，...，n，对这n个点做三次样条插值获得点P_n+1′的坐标及方向，插值间距即为采样间距，P_n+1′点即为规划所得的下一测量点。测球以直线插补的运动控制方式从P_n点到P_n+1′点，测头变形量沿规划路径的法向方向。测头位移一个采样步距后所在位置即为实际的被测点P_n+1的坐标。随后插值窗口向前移动，下一测量点的规划位置由P₂、P₃、…、P_n、P_n+1这n个点插值获得。当测量第i个点时，其规划位置由P_i-n、…、P_i-2、P_i-1插值获得，直至完成测量。轨迹移动窗插值算法中参考插值计算数据点随着采样点的增加而变化，但参与计算的点数不变。移动窗样条插值流程图如图5所示。

三次样条插值在每个小区间[x_i-1，x_i]上求函数s_i(x)

其中M_i为x_i处二阶导数值

h_i＝x_i-x_i-1为子区间长度。

s_i(x)是由n个区间上的分段函数构成，共有n+1个参数M_i，i＝0，1，2，3，...，n需要确定，这里选用自然三次样条，其边界条件满足

即M₀＝0，M_n＝0

其求解参数方程组形式如下：

其中

d_i＝6y[x_i-1，x_i，x_i+1]，i＝1，2，3...，n-1。

至此，可求出每一插值段三次样条函数，并可根据采样间距预测下一采样点的值。

图6为摆线齿轮齿廓按照自适应路径规划方法实现测量的一段检测数据实例。该实例中的插值窗口大小为5个点。如图所示按照理论轨迹测量得到初始规划的5个点P₁、P₂、…、P₅。这5个点进行三次样条插值得到s₅(x)：

根据s₅(x)可预测P₆′点，作为下一测量点的目标点。依照随动控制模式测得实际的被测点P₆的坐标。同样以此由每个点的前5个实测点三次样条插值得到下一测量点的目标点，然后依照随动控制模式测得实际的被测点的坐标，直至完成测量。由图6可知，工件的实际轮廓与理论轮廓存在较大差异，但测量仍顺利完成，这证明自适应路径规划方法可完成复杂型线型面的检测。检测过程中需要进行插值计算的数据点少、计算量小，满足测量效率要求。特殊情况下这有可能造成规划点和实测点存在较大差异，但是借助于随动控制模式，自适应路径规划方法依然可实现待测轨迹的完整扫描。

Claims (4)

1.基于多轴联动系统的复杂型面自适应测量路径规划方法，其特征在于，该多轴联动系统是由三悬臂梁和回转主轴组成的四轴测量装置，配备用于空间三维微动测量的精密扫描传感器，构成一套七轴四联动测量系统，该方法包括以下步骤：

步骤1：基本参数输入

被测工件的基本参数包括特征参数、型线或型面的离散数据点以及非球面工件的方程式；

步骤2：测量开始前，设定主动抽、从动轴和随动轴；

步骤3：测量速度和采样间距自动计算

根据输入量计算测量范围，并规划测量速度和采样间距；

步骤4：将测头放置于测量起始位置

依据输入的基本参数，操作软件自动计算测量起始位置，并驱动测头前往该位置；

步骤5：初始测量点路径获取

依据输入的基本参数、软件设定的移动窗口宽度、测量采样检测，获取起始测量段的理论轨迹点坐标，即为P₁、P₂、P₃、…、P_n，其中移动窗口宽度为分析点数量，即窗口插值点数，设为n；

步骤6：初始点测量

在采样点满足插值条件前，起测段的测量路径按照理论轨迹实施规划，即按照电子样板路径规划方法完成初始测量点P₁、P₂、P₃、…、P_n的实际位置坐标的检测；

步骤7：定位移恒测力模式控制测头运动

在测头由已测点向待测点扫描运动的过程中，软件与硬件控制其与工件保持接触状态，并处于预置变形状态，一旦状态偏离，系统根据偏离值的大小实时调整相关轴的位移，保证测头处于预置变形状态附近，从而使测针球心的运动轨迹尽可能与被测表面变化吻合，实现测头沿工件实际表面的仿形测量；

步骤8：移动窗口插值

窗口插值点数设为n，按照电子样板路径规划的初始测量点即为P₁、P₂、P₃、…、P_n，其坐标为(x_i,y_i),i＝1,2,3,…,n，对这n个点做三次样条插值获得点P_n+1′的坐标及方向，插值间距即为采样间距，P_n+1′点即为规划所得的下一测量点；测球以直线插补的运动控制方式从P_n点到P_n+1′点，测头变形量沿规划路径的法向方向；测头位移一个采样步距后所在位置即为实际的被测点P_n+1的坐标；随后插值窗口向前移动，下一测量点的规划位置由P₂、P₃、…、P_n、P_n+1这n个点插值获得；当测量第i个点时，其规划位置由P_i-n、…、P_i-2、P_i-1插值获得，直至完成测量。

2.根据权利要求1所述的基于多轴联动系统的复杂型面自适应测量路径规划方法，其特征在于，步骤2中，主动轴和从动轴的设定是由测型线或型面的数学特性决定的，随动轴的设定参考下一测量点的法线方向；具体为，利用自适应测量路径规划方法规划出测头下一测量点位置及法线方向后，按照主动轴和从动轴的数学关系，将运动指令换算到测量系统圆柱坐标系的四轴执行机构中去，通过多轴联动实现规划点的运动；随动轴选择作用方向与规划点法线方向一致或最为接近的运动轴。

3.根据权利要求1所述的基于多轴联动系统的复杂型面自适应测量路径规划方法，其特征在于，步骤3中，多轴联动系统根据输入参数计算工件的转动惯量，依据转动惯量和测量位置选择测量速度。

4.根据权利要求1所述的基于多轴联动系统的复杂型面自适应测量路径规划方法，其特征在于，步骤8中，具体实现方法如下：

三次样条插值在每个小区间[x_i-1,x_i]上求函数s_i(x)

x∈[x_i-1,x_i]

其中M_i为x_i处二阶导数值

h_i＝x_i-x_i-1为子区间长度；

s_i(x)是由n个区间上的分段函数构成，共有n+1个参数M_i，i＝0,1,2,3，…,n，这里选用自然三次样条，其边界条件满足

即M₀＝0，M_n＝0；

其求解参数方程组形式如下：

其中

d_i＝6y[x_i-1,x_i,x_i+1]，i＝1,2,3…,n-1；

至此，求出每一插值段三次样条函数，并根据采样间距预测下一采样点的值。

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