CN110285773B - 工件轮廓检测的恒线速度控制方法 - Google Patents

工件轮廓检测的恒线速度控制方法 Download PDF

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Abstract

一种工件轮廓检测的恒线速度控制方法，激光位移传感器位置固定，通过控制工作台的平移和旋转运动，工件和激光位移传感器焦点产生相对运动，在运动过程中，保证传感器的焦点始终在工件轮廓的表面，且激光传感器焦点相对于工件运动的线速度保持恒定。本发明解决了传统轮廓检测中采用旋转方向中等角度但轮廓上不等距的问题，具有工件轮廓恒线速运动的优点，保证了工件轮廓上检测点的均匀选取。

Description

工件轮廓检测的恒线速度控制方法
技术领域
本发明属于机械制造的检测技术领域，更具体地，涉及一种工件轮廓检测时的恒线速度控制方法。
背景技术
传统的工件轮廓的检测方法是工件和传感器保持一定的距离并垂直，工件做等角度转动，逐点读取传感器信号。这种检测方法，对于非圆工件，在轮廓上的取样是不等间距的，影响轮廓的拟合精度。
发明内容
本发明公开一种工件轮廓检测时的恒线速度控制方法。
本发明的工件和激光位移传感器的布局是激光位移传感器位置固定，为了满足传感器固定采样频率下等距采样的需求，通过建立扫描点位姿和轴运动的运动学模型，规划恒线速扫描点，实时计算每周期扫描点位姿对应的XYC轴的运动量，并驱动控制工作台的平移和旋转运动(X/Y/C三个方向)，保证传感器的焦点始终在工件轮廓的表面，并使工件和激光位移传感器焦点的相对运动保持恒速。
所述具体步骤如下：
S1、构建测控平台，该平台具有XY平移轴和C旋转轴，以及激光位移传感器；待测工件设在平台上，由轴驱动进行平移和旋转，通过正确的移动，可以保证工件表面和激光传感器保持垂直等距的关系；
S2、工件轮廓描述，待测工件的轮廓为XY平面轮廓，轮廓由直线和圆弧2类几何元素构成，轮廓内相邻元素的连接关系需满足G1连续，即连接点处的法矢相同、切线夹角为零；待测工件的轮廓可由绘图软件生成，并保存成DXF格式；
S3、待测工件轮廓导入和预处理，读入和解析包含轮廓的DXF文件，获取待测工件的轮廓几何信息，对待测工件的轮廓元素检查和排序，构造首尾相接的有序的轮廓；
S4:恒线速度扫描点规划，根据激光位移传感器采样频率、采样间隔以及插补周期，计算每周期的扫描速度；由于采样频率、采样间隔和插补周期在一次测量中保持固定，因此规划的扫描速度恒定；依次取待测工件轮廓的几何元素，根据计算的扫描速度，计算每周期扫描的步长，并用步长对几何元素离散，计算每周期对应的扫描点位置和法矢；
S5、恒线速度扫描控制，在每个插补周期，根据运动学逆变换公式，实时计算扫描点位姿对应的XYC轴的运动量，并驱动平台进行平移和旋转运动，保证传感器焦点相对于待测工件轮廓扫描点的运动保持恒线速度。
本发明由于采用了激光位移传感器位置固定，通过控制工作台的平移和旋转运动(X/Y/C三个方向)，工件和激光位移传感器焦点产生相对运动，在已知待测工件轮廓模型的前提下，根据采样参数将轮廓按恒线速度要求划分为等距的小线段，进行测量扫描点的规划和计算，在每个插补周期，通过建立的运动学模型计算每个扫描点对应的轴运动位移量，同时驱动和控制平台运动。由于该计算过程在每个插补控制周期内进行，因此可以获得很好的恒线速度控制效果。
附图说明
图1是一种测控平台装置结构示意图；
图2是一种待测工件轮廓的恒线速度控制流程图；
图3是直线元素扫描点坐标计算示意图；
图4是直线轮廓扫描点法矢计算示意图；
图5是本发明的运动变换模型示意图；
图6是图5的运动变换过程示意图；
图7是本发明的运动参数计算原理图。
具体实施方式
为使本发明目的、技术方案及优点更加清楚明确，以下参照附图3～7及对应公式，对本发明的恒线速度控制的结构和原理进行进一步的详细说明。
本发明提供一种工件轮廓检测时的恒线速度控制方法，具体步骤如下：
S1、构建测控平台
该平台具有XY平移轴和C旋转轴，以及激光位移传感器；待测工件设在平台上，由轴驱动进行平移和旋转，通过正确的移动，可以保证检测过程中，工件表面法矢和激光传感器同向、同时保持激光传感器焦点始终在工件表面轮廓。
S2、工件轮廓描述
为了满足检测条件、待测工件轮廓需要满足：
待测工件的轮廓为XY平面轮廓，轮廓由直线和圆弧2类几何元素构成；轮廓内相邻元素的连接关系需满足G1连续，即连接点处的法矢相同，连接点处的切向夹角为零；轮廓必须是封闭的；
待测工件的轮廓可由绘图软件生成，并保存成DXF格式。
S3、待测工件轮廓导入和预处理
待测工件轮廓导入和预处理。由于在进行绘制和编辑轮廓时，几何元素的顺序不一定是有序的，因此读入轮廓元素后，需要对待测工件的轮廓元素进行有序化和封闭性检查。
S4、恒线速度扫描点规划
根据激光位移传感器采样频率、采样间隔以及插补周期，计算每周期的扫描速度；由于采样频率、采样间隔和插补周期在一次测量中保持固定，因此规划的扫描速度恒定；依次取待测工件轮廓的几何元素，根据计算的扫描速度，计算每周期扫描的步长，并用步长对几何元素离散，计算每周期对应的扫描点位置和法矢。具体计算步骤如下：
1)恒线速度计算
扫描点4的位置和法矢由轮廓的几何特性以及测量的采样频率及采样间隔等决定。假设测头采样频率f(HZ)，采样间隔l(mm)，可计算激光位移传感器1相对与待测工件2的轮廓的相对运动速度v(mm/s)为：
v＝l·f (1)
在测量过程中，采样频率采样间隔为固定数值，因此保证扫描速度v为恒速。以此恒速，获取固定移动步长，将轮廓按周期拆分成等距的扫描点4，实现恒线速度扫描点4规划。
2)扫描点计算
已知扫描速度v、待测工件2的几何轮廓及插补周期，可计算出扫描点4的位置和法矢；由于待测工件2的轮廓包括直线和圆弧类型，因此需要根据不同的类型进行计算；本实施方案中，以直线类型为例进行说明。
对于直线类型，其递推计算如图3所示意，为:
Figure GDA0002449623450000051
其中v为扫描速度，T为插补周期，
Figure GDA0002449623450000052
为待测工件2的轮廓的切线；扫描时待测工件2的轮廓的起点
Figure GDA0002449623450000053
已知，因此，后续点可通过递推公式计算出来，直线的切线
Figure GDA0002449623450000054
可通过直线起终点的信息计算出来。
3)扫描点法矢计算
扫描点4法矢总是垂直于待测工件2的轮廓的切线方向，计算出待测工件2的轮廓切线后，对切线实施一个旋转90度的变换ROT(90)，就可获得扫描点的法矢。对于直线轮廓，如图4所示意。
S5、恒线速度扫描控制
在每个插补周期，根据建立的变换模型计算实时计算扫描点4位姿对应的XYC轴的运动量，并驱动平台进行平移和旋转运动，保证激光位移传感器1的焦点相对于待测工件2的轮廓扫描点4的运动保持恒线速度；具体步骤如下：
1)建立变换模型
如图5，该测量设备具有平移轴XY轴和旋转轴C。将工件安放于平台，通过调整保证待测工件坐标系和机床坐标系M重合(图5中坐标系M为机床坐标系原点，同时也为旋转中心)，激光位移传感器1安装到固定位置，激光焦点3在机床坐标系M下的矢量为
Figure GDA0002449623450000061
激光光束方向为
Figure GDA0002449623450000062
在进行待测工件2的轮廓上任意一点位置的扫描测量时，如图6所示，可通过C轴的旋转和XY平移运动，将扫描点
Figure GDA0002449623450000063
进行坐标变换，并和激光焦点
Figure GDA0002449623450000064
重合，同时保证扫描点法矢
Figure GDA0002449623450000065
和激光光束方向
Figure GDA0002449623450000066
平行。
由此建立的变换模型如下：
如果扫描点4位置为
Figure GDA0002449623450000067
,法矢为
Figure GDA0002449623450000068
激光焦点位置为
Figure GDA0002449623450000069
方向为
Figure GDA00024496234500000610
通过Mr旋转变换矩阵和Mt平移变换矩阵分别对
Figure GDA00024496234500000611
和
Figure GDA00024496234500000612
施加变换，使变换后的和
Figure GDA00024496234500000614
同向，
Figure GDA00024496234500000615
和
Figure GDA00024496234500000616
重合，则变换公式如下：
Figure GDA00024496234500000617
Figure GDA00024496234500000618
其中
Figure GDA00024496234500000619
Figure GDA00024496234500000620
矩阵中C,X,Y为变换参数，分别为旋转和平移量。
2)XYC运动量计算
如图7所示，由式3和式4建立的关系，当
Figure GDA00024496234500000621
和
Figure GDA00024496234500000622
已知时，通过解式3、4构成的方程组，便可获得变换参数C和X、Y；由于变换是由轴的运动产生的，因此X、Y和C分别为XYC三轴的运动量；具体计算时，先计算旋转角度C，再计算平移量，具体过程如下：
由式3得：
Figure GDA0002449623450000071
由于
Figure GDA0002449623450000072
固定，总是为[1 0 0]，因此解得旋转量C为：
C＝a cos(nx) (6)
由式4得：
Figure GDA0002449623450000073
解得平移量XY为：
X＝qx-cos(C)·px-sin(C)·py (8)
Y＝qy+sin(C)·px-cos(C)·py (9)。

Claims (4)

1.一种工件轮廓检测时的恒线速度控制方法，包括如下步骤：
S1、构建测控平台，该平台具有XY平移轴和C旋转轴，以及激光位移传感器；待测工件设在平台上，由轴驱动进行平移和旋转，保证工件表面和激光传感器保持垂直等距的关系；
S2、工件轮廓描述，待测工件的轮廓为XY平面轮廓，轮廓由直线和圆弧两类几何元素构成，轮廓内相邻元素的连接关系需满足G1连续，待测工件的轮廓由绘图软件生成，并保存成DXF格式；
S3、待测工件轮廓导入和预处理，读入和解析包含轮廓的DXF文件，获取待测工件的轮廓几何信息，对待测工件的轮廓元素检查和排序，构造首尾相接的有序的轮廓；
S4:恒线速度扫描点规划，根据激光位移传感器采样频率、采样间隔以及插补周期，计算每周期的扫描速度；依次取待测工件轮廓的几何元素，根据计算的扫描速度，计算每周期扫描的步长，并用步长对几何元素离散，计算每周期对应的扫描点位置和法矢；
S5、恒线速度扫描控制，在每个插补周期，根据运动学逆变换公式，实时计算扫描点位姿对应的XYC轴的运动量，并驱动平台进行平移和旋转运动，保证传感器焦点相对于待测工件轮廓扫描点的运动保持恒线速度；
所述恒线速度扫描点规划的具体计算步骤如下：
1)恒线速度计算，
扫描点的位置和法矢由轮廓的几何特性以及测量的采样频率及采样间隔等决定，假设测头采样频率f(HZ)，采样间隔l(mm)，可计算激光位移传感器(1)相对于待测工件的轮廓的相对运动速度v(mm/s)为：
v＝l·f 式1
在测量过程中，采样频率和采样间隔为固定数值，因此保证扫描速度v为恒速；以此恒速，获取固定移动步长，将轮廓按周期拆分成等距的扫描点，实现恒线速度扫描点规划；
2)扫描点计算，
已知扫描速度v、待测工件的几何轮廓及插补周期，可计算出扫描点(4)的位置和法矢；由于待测工件的轮廓包括直线和圆弧类型，因此需要根据不同的类型进行计算；
对于直线类型，其递推计算为:
Figure FDA0002449623440000021
其中v为扫描速度，T为插补周期，
Figure FDA0002449623440000022
为待测工件(2)的轮廓的切线；扫描时待测工件的轮廓的起点
Figure FDA0002449623440000023
已知，因此后续点可通过递推公式计算出来，直线的切线
Figure FDA0002449623440000024
可通过直线起终点的信息计算出来；
3)扫描点法矢计算，
扫描点法矢总是垂直于待测工件的轮廓的切线方向，计算出待测工件的轮廓切线后，对切线实施一个旋转90度的变换ROT(90)，就可获得扫描点的法矢。
2.根据权利要求1所述的工件轮廓检测时的恒线速度控制方法，其特征在于：所述构建测控平台包括，将工件安放于平台，通过调整保证待测工件坐标系和机床坐标系M重合，激光位移传感器安装到固定位置，激光焦点在机床坐标系M下的矢量为
Figure FDA0002449623440000031
激光光束方向为
Figure FDA0002449623440000032
在进行待测工件的轮廓上任意一点位置的扫描测量时，通过C轴的旋转和XY平移运动，将扫描点
Figure FDA0002449623440000033
进行坐标变换，并和激光焦点
Figure FDA0002449623440000034
重合，同时保证扫描点法矢
Figure FDA0002449623440000035
和激光光束方向
Figure FDA0002449623440000036
平行。
3.根据权利要求2所述的工件轮廓检测时的恒线速度控制方法，其特征在于：由此建立的变换模型如下：
如果扫描点位置为
Figure FDA0002449623440000037
法矢为
Figure FDA0002449623440000038
激光焦点位置为
Figure FDA0002449623440000039
方向为
Figure FDA00024496234400000310
通过Mr旋转变换矩阵和Mt平移变换矩阵分别对
Figure FDA00024496234400000311
和
Figure FDA00024496234400000312
施加变换，使变换后的
Figure FDA00024496234400000313
和
Figure FDA00024496234400000314
同向，
Figure FDA00024496234400000315
和
Figure FDA00024496234400000316
重合，则变换公式如下：
Figure FDA00024496234400000317
Figure FDA00024496234400000318
其中
Figure FDA00024496234400000319
Figure FDA00024496234400000320
矩阵中C,X,Y为变换参数，分别为旋转和平移量。
4.根据权利要求3所述的工件轮廓检测时的恒线速度控制方法，其特征在于：所述实时计算扫描点位姿对应的XYC轴的运动量包括，
由式3和式4建立的关系，当
Figure FDA00024496234400000321
和
Figure FDA00024496234400000322
已知时，通过解式3、4构成的方程组，便可获得变换参数C和X、Y；由于变换是由轴的运动产生的，因此X、Y和C分别为XYC三轴的运动量；具体计算时，先计算旋转角度C，再计算平移量，具体过程如下：
由式3得：
Figure FDA0002449623440000041
由于
Figure FDA0002449623440000042
固定，总是为[1 0 0]，因此解得旋转量C为：
C＝acos(nx) (6)
由式4得：
Figure FDA0002449623440000043
解得平移量XY为：
X＝qx-cos(C)·px-sin(C)·py (8)
Y＝qy+sin(C)·px-cos(C)·py (9)。
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