CN109916361B - 一种无需角度位置信息的圆度测量信号处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的无需角度位置信息的圆度测量信号处理方法及其系统，该方法包括步骤：获取圆度信号；对所述圆度信号进行预处理；基于预处理后的圆度信号，采用傅里叶变换计算其圆度测量信号的周期Tr。该系统包括获取模块，用于获取圆度信号；预处理模块，与所述获取模块相连，用于对所述圆度信号进行预处理；计算模块，与所述预处理模块相连，用于基于预处理后的圆度信号，采用傅里叶变换计算其圆度测量信号的周期Tr。本发明能够准确获得无需角度位置信息的圆度测量信号处理方法，其可以充分减小圆周闭合性问题引入的误差，从而为现场圆度测量精度的提高奠定基础，有利于广泛地推广应用，具有重大的生产实践意义。

Description

一种无需角度位置信息的圆度测量信号处理方法

技术领域

本发明属于几何量精密测量领域，具体涉及一种无需角度位置信息的圆度测量信号处理方法及其系统。

背景技术

圆度测量技术是现代几何量测量技术的一个重要组成部分，通常以圆度仪精密主轴的回转轮廓线作为评定基准。圆度测量技术在实验室的应用较为成熟，当匀速转动的圆周起止信号已知或者能获取圆度仪的角度位置信号的情况下，都很容易获得准确的信号周期。

但对于实际现场测量而言，受环境和装置限制，如测头漂移、噪声、无角度位置测量手段等，会出现圆周封闭困难的问题，无法实现回转误差的高精度测量。

传统的简易方法采用电感表对径读数并加以运算处理得到回转轴系的径向跳动，但严格讲，仅90°、180°、270°和360°这四个位置的读数并不能完整代表整个轴的信息，也不符合国际标准ISO 12181-1和ISO 12181-2的定义。

因此，目前迫切需要开发出一种技术，其可以准确获得无角度位置信息的圆度测量信号周期，从而为现场圆度测量精度的提高奠定基础。

发明内容

本发明的特征和优点在下文的描述中部分地陈述，或者可从该描述显而易见，或者可通过实践本发明而学习。

本发明提供一种无需角度位置信息的圆度测量信号处理方法，包括：

S10、获取圆度信号；

S20、对所述圆度信号进行预处理；

S30、基于预处理后的圆度信号，采用傅里叶变换计算其圆度测量信号的周期Tr。

根据本发明的一个实施例，所述步骤S30包括：

S31、对预处理后的测量信号，进行快速傅里叶变换(FFT)，得到回转运动的近似周期T；

S32、通过采样总时间和采样点数得出采样间隔Ts，用近似周期T和采样间隔Ts计算出一个近似周期内的数据个数N；

S33、根据数据个数N在预设范围内选取多个待确定数据个数N_i；

S34、通过相关系数在所述多个待确定数据个数N_i中确定周期数据个数；

S35、根据所述周期数据个数及采样间隔Ts获取信号的周期Tr。

根据本发明的一个实施例，所述步骤S34中的预设范围为(3/5)*N到(7/5)*N。

根据本发明的一个实施例，所述步骤S34具体包括：

对预处理后的信号连续截取两段N_i长度的数据，记为x和y，计算x和y的相关系数r，相关系数r最接近1时对应的N_i即为周期数据个数。

根据本发明的一个实施例，所述步骤S30之后，包括：利用最小二乘法或最小区域法来评价圆度。

本发明还提供一种无需角度位置信息的圆度测量信号处理系统，包括：

获取模块，用于获取圆度信号；

预处理模块，与所述获取模块相连，用于对所述圆度信号进行预处理；

计算模块，与所述预处理模块相连，用于基于预处理后的圆度信号，采用傅里叶变换计算其圆度测量信号的周期Tr。

根据本发明的一个实施例，所述计算模块用于：

对预处理后的测量信号，进行快速傅里叶变换(FFT)，得到回转运动的近似周期T；

通过采样总时间和采样点数得出采样间隔Ts，用近似周期T和采样间隔Ts计算出一个近似周期内的数据个数N；

根据数据个数N在预设范围内选取多个待确定数据个数N_i；

通过相关系数在所述多个待确定数据个数N_i中确定周期数据个数；

根据所述周期数据个数及采样间隔Ts获取信号的周期Tr。

根据本发明的一个实施例，所述预设范围为(3/5)*N到(7/5)*N。

根据本发明的一个实施例，所述通过相关系数在所述多个待确定数据个数N_i中确定周期数据个数具体包括：

对预处理后的信号连续截取两段N_i长度的数据，记为x和y，计算x和y的相关系数r，相关系数r最接近1时对应的N_i即为周期数据个数。

根据本发明的一个实施例，还包括评价模块，用于利用最小二乘法或最小区域法来评价圆度。

本发明提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机可执行的至少一个程序，其特征在于，所述至少一个程序被所述计算机执行时使所述计算机执行本发明任一实施例提供的无需角度位置信息的圆度测量信号处理方法中的步骤。

本发明提供的无需角度位置信息的圆度测量信号处理方法及其系统能够准确获得无需角度位置信息的圆度测量信号处理方法，其可以充分减小圆周闭合性问题引入的误差，从而为现场圆度测量精度的提高奠定基础，有利于广泛地推广应用，具有重大的生产实践意义。

附图说明

图1为本发明实施例提供的无需角度位置信息的圆度测量信号处理方法的流程示意图。

图2为本发明实施例提供的无需角度位置信息的圆度测量信号处理系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

请参照图1，本发明提供一种无需角度位置信息的圆度测量信号处理方法，包括步骤：

S10、获取圆度信号；

上述圆度信号可以由测量传感器(简称测头，如电感式、电容式等)和转台测量获得。在具体操作时，可以将球放置于转台中心，调整偏心，使偏心量在一定范围内，本实施例中，为保证现场操作的可行性，该范围控制在5μm以内。调整测量传感器至最佳测量位置，并匀速转动转台，打开串口进行读数并计时，所得数据即为圆度信号，可以将测得的圆度信号传输到计算机；上述最佳位置要使测量传感器的测量方向与球旋转的赤道面法线一致，并且传感器位于其零位附近。

S20、对所述圆度信号进行预处理；

上述预处理包括滤波去除噪声和漂移的影响。去除噪声的滤波方式可采用中值滤波：对一个数字信号序列x_j(-∞<j<∞)进行滤波处理时，首先要定义一个长度为奇数的L长窗口，L＝2M+1，M为正整数。设在某一个时刻，窗口内的信号样本为x(i-M)，…，x(i)，…，x(i+M)，其中x(i)为位于窗口中心的信号样本值。对这L个信号样本值按从小到大的顺序排列后，其中值在i处的样本值，便定义为中值滤波的输出值，即y(i)＝Med(x(i-M)，...，x(i)，...，x(i+M))。去除信号漂移的方式可选取合适的截止频率直接采用高通滤波器滤除。

S30、基于预处理后的圆度信号，采用傅里叶变换计算其圆度测量信号的周期Tr。

在本发明的一个实施例中步骤S30具体包括：

S31、对预处理后的测量信号，进行快速傅里叶变换(FFT)，得到回转运动的近似周期T。

由于当周期信号进行非整数周期截取时会出现频谱泄露，导致计算出的频率、幅度和相位会有所偏差，因此傅里叶变换后所得到的周期与信号实际周期之间会有一定的误差。因此，还可以通过后续步骤消除误差。

S32、通过采样总时间和采样点数得出采样间隔Ts，用近似周期T和采样间隔Ts计算出一个近似周期内的数据个数N，N＝T/Ts；

S33、根据数据个数N在预设范围内选取多个待确定数据个数N_i；

预设范围优选为(3/5)*N到(7/5)*N，待确定数据个数N_i为自然数；例如当N为10时，预设范围则为6至14，待确定数据个数N_i可以为6、7、8、9、10、11、12、13、14。

S34、通过相关系数在所述多个待确定数据个数N_i中确定周期数据个数；

更具体地，对预处理后的信号连续截取两段N_i长度的数据，记为x和y，在截取数据时，截取的起点尽量避开信号数值的最大值或最小值附近。计算x和y的相关系数r，相关系数r最接近1时对应的N_i即为周期数据个数。相关系数r的计算公式如下所示：

其中，

和

是截取数据为N_i长度下的平均值。一般地，每个待确定数据个数N_i，都可以计算其对应的相关系数r；也可以根据经验选择一个待确定数据个数计算其对应的相关系数后，再根据该相关系数确定下一个待确定数据个数，直至相关系数r最接近1。

S35、根据所述周期数据个数及采样间隔Ts获取信号的周期Tr。

更具体地，将周期数据个数N_i乘以采样间隔Ts就可以得到信号的周期Tr。

Tr＝Ts×N_i

在上述任一实施例的基础上，在步骤S30之后，还可以包括：步骤S40：利用最小二乘法或最小区域法来评价圆度。

在具体实施时，可以包括以下步骤：

S41、对步骤S20预处理后的圆度信号，以步骤S30得到的准确周期Tr截取2～3个周期的数据，然后取平均值得到一组周期为Tr的数据以减小随机效应的影响。

S42、按照ISO 12181-2中的定义进行高斯低通滤波，衰减函数为：

式中，

a₀为滤波前的正弦波振幅，a₁为滤波后的正弦波振幅，f_c为低通滤波器截止频率(以UPR为单位)，f为正弦波的频率(以UPR为单位)。

优选地，进行上述高斯低通滤波时可采用FFT变换，同时还可消除偏心。

S43、按照ISO 12181-1中的定义进行圆度误差的评价，最常用的评价方式为最小二乘圆法和最小区域圆法。

最小二乘评定基圆为使各局部圆度偏差平方和为最小的圆。该方法评价圆度误差RON_t为局部圆度最大正偏差与绝对值最大的负偏差的绝对值之和。

最小区域评定基圆为包容圆度轮廓且半径差为最小的两同心圆。该方法评价圆度误差RON_t为两同心圆的半径差。

本发明提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机可执行的至少一个程序，所述至少一个程序被所述计算机执行时使所述计算机执行本发明任一实施例提供的无需角度位置信息的圆度测量信号处理方法中的步骤。

如图2所示，本发明提供一种无需角度位置信息的圆度测量信号处理系统，包括获取模块11、预处理模块12以及计算模块13。其中：

获取模块11用于获取圆度信号；上述圆度信号可以由测量传感器(简称测头，如电感式、电容式等)和转台测量获得。在具体操作时，可以将球放置于转台中心，调整偏心，使偏心量在一定范围内，本实施例中，为保证现场操作的可行性，该范围控制在5μm以内。调整测量传感器至最佳测量位置，并匀速转动转台，打开串口进行读数并计时，所得数据即为圆度信号，可以将测得的圆度信号传输到计算机；上述最佳位置要使测量传感器的测量方向与球旋转的赤道面法线一致，并且传感器位于其零位附近。

预处理模块12用于对所述圆度信号进行预处理；上述预处理包括滤波去除噪声和漂移的影响。去除噪声的滤波方式可采用中值滤波：对一个数字信号序列x_j(-∞<j<∞)进行滤波处理时，首先要定义一个长度为奇数的L长窗口，L＝2M+1，M为正整数。设在某一个时刻，窗口内的信号样本为x(i-M)，…，x(i)，…，x(i+M)，其中x(i)为位于窗口中心的信号样本值。对这L个信号样本值按从小到大的顺序排列后，其中值在i处的样本值，便定义为中值滤波的输出值，即y(i)＝Med(x(i-M)，...，x(i)，...，x(i+M))。去除信号漂移的方式可选取合适的截止频率直接采用高通滤波器滤除。

计算模块13用于基于预处理后的圆度信号，采用傅里叶变换计算其圆度测量信号的周期Tr。

在本发明的一个实施例中计算模块13具体用于实现以下步骤：

S31、对预处理后的测量信号，进行快速傅里叶变换(FFT)，得到回转运动的近似周期T。

由于当周期信号进行非整数周期截取时会出现频谱泄露，导致计算出的频率、幅度和相位会有所偏差，因此傅里叶变换后所得到的周期与信号实际周期之间会有一定的误差。因此，还可以通过后续步骤消除误差。

S32、通过采样总时间和采样点数得出采样间隔Ts，用近似周期T和采样间隔Ts计算出一个近似周期内的数据个数N，N＝T/Ts；

S33、根据数据个数N在预设范围内选取多个待确定数据个数N_i；

预设范围优选为(3/5)*N到(7/5)*N，待确定数据个数N_i为自然数；例如当N为10时，预设范围则为6至14，待确定数据个数N_i可以为6、7、8、9、10、11、12、13、14。

S34、通过相关系数在所述多个待确定数据个数N_i中确定周期数据个数；

更具体地，对预处理后的信号连续截取两段N_i长度的数据，记为x和y，在截取数据时，截取的起点尽量避开信号数值的最大值或最小值附近。计算x和y的相关系数r，相关系数r最接近1时对应的N_i即为周期数据个数。相关系数r的计算公式如下所示：

其中，

和

是截取数据为N_i长度下的平均值。一般地，每个待确定数据个数N_i，都可以计算其对应的相关系数r；也可以根据经验选择一个待确定数据个数计算其对应的相关系数后，再根据该相关系数确定下一个待确定数据个数，直至相关系数r最接近1。

S35、根据所述周期数据个数及采样间隔Ts获取信号的周期Tr。

更具体地，将周期数据个数N_i乘以采样间隔Ts就可以得到信号的周期Tr。

Tr＝Ts×N_i

在上述任一实施例的基础上，还可以包括评价模块，用于利用最小二乘法或最小区域法来评价圆度。

在具体实施时，评价模块可以用于：

S41、对预处理后的圆度信号，以计算得到的周期Tr截取2～3个周期的数据，然后取平均值得到一组周期为Tr的数据以减小随机效应的影响。

S42、按照ISO 12181-2中的定义进行高斯低通滤波，进行上述高斯低通滤波时可采用FFT变换，同时还可消除偏心。衰减函数为：

式中，

a₀为滤波前的正弦波振幅，a₁为滤波后的正弦波振幅，f_c为低通滤波器截止频率(以UPR为单位)，f为正弦波的频率(以UPR为单位)。

S43、按照ISO 12181-1中的定义进行圆度误差的评价，最常用的评价方式为最小二乘圆法和最小区域圆法。

最小二乘评定基圆为使各局部圆度偏差平方和为最小的圆。该方法评价圆度误差RON_t为局部圆度最大正偏差与绝对值最大的负偏差的绝对值之和。

最小区域评定基圆为包容圆度轮廓且半径差为最小的两同心圆。该方法评价圆度误差RON_t为两同心圆的半径差。

本发明提供的无需角度位置信息的圆度测量信号处理方法及其系统解决了在采用单测头法进行圆度测量时，既无角度编码器或圆光栅获得测头信号对应的角度位置，又存在由于测头信号漂移和环境噪声等影响所造成圆周封闭困难的问题。本发明通过对圆度信号按照本方法进行截取，将相邻两段数据进行相关性分析，得出相关性最大时对应的数据长度即为一个圆度信号周期。本发明为现场圆度信号测量提供了极大帮助。

上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。

Claims (6)

1.一种无需角度位置信息的圆度测量信号处理方法，其特征在于，包括：

S10、获取圆度信号；

S20、对所述圆度信号进行预处理；

S30、基于预处理后的圆度信号，采用傅里叶变换计算其圆度测量信号的周期Tr；

所述步骤S30包括：

S31、对预处理后的测量信号，进行快速傅里叶变换(FFT)，得到回转运动的近似周期T；

S32、通过采样总时间和采样点数得出采样间隔Ts，用近似周期T和采样间隔Ts计算出一个近似周期内的数据个数N；

S33、根据数据个数N在预设范围内选取多个待确定数据个数N_i；

S34、通过相关系数在所述多个待确定数据个数N_i中确定周期数据个数：对预处理后的信号连续截取两段N_i长度的数据，记为x和y，计算x和y的相关系数r，相关系数r最接近1时对应的N_i即为周期数据个数；

S35、根据所述周期数据个数及采样间隔Ts获取信号的周期Tr。

2.根据权利要求1所述的无需角度位置信息的圆度测量信号处理方法，其特征在于，所述步骤S33中的预设范围为(3/5)*N到(7/5)*N。

3.根据权利要求1所述的无需角度位置信息的圆度测量信号处理方法，其特征在于，所述步骤S30之后，包括：利用最小二乘法或最小区域法来评价圆度。

4.一种无需角度位置信息的圆度测量信号处理系统，其特征在于，包括：

获取模块，用于获取圆度信号；

预处理模块，与所述获取模块相连，用于对所述圆度信号进行预处理；

计算模块，与所述预处理模块相连，用于基于预处理后的圆度信号，采用傅里叶变换计算其圆度测量信号的周期Tr；

所述计算模块用于：

对预处理后的测量信号，进行快速傅里叶变换(FFT)，得到回转运动的近似周期T；

通过采样总时间和采样点数得出采样间隔Ts，用近似周期T和采样间隔Ts计算出一个近似周期内的数据个数N；

根据数据个数N在预设范围内选取多个待确定数据个数N_i；

通过相关系数在所述多个待确定数据个数N_i中确定周期数据个数；

根据所述周期数据个数及采样间隔Ts获取信号的周期Tr；

所述通过相关系数在所述多个待确定数据个数N_i中确定周期数据个数具体包括：

对预处理后的信号连续截取两段N_i长度的数据，记为x和y，计算x和y的相关系数r，相关系数r最接近1时对应的N_i即为周期数据个数。

5.根据权利要求4所述的无需角度位置信息的圆度测量信号处理系统，其特征在于，所述预设范围为(3/5)*N到(7/5)*N。

6.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机可执行的至少一个程序，其特征在于，所述至少一个程序被所述计算机执行时使所述计算机执行上述权利要求1～3任一项所述的方法中的步骤。

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