CN110487210A - 蜂窝芯表面轮廓测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种蜂窝芯表面轮廓测量方法，包括如下步骤：进行规定路径扫描蜂窝芯；利用扫描后的轮廓数据，分别计算出线激光测头绕Z轴的安装误差角α_Z、绕Y轴的安装误差角α_y和绕X轴的安装误差角α_x；由数控机床带动传感器按照一定路径扫描待测蜂窝芯表面；根据线激光测头的安装误差角和测头的运行坐标，将测量的在线激光坐标系下的测量数据经坐标变换统一到全局坐标系；将各个路径下测量的蜂窝芯数据进行拼接，获得整个待测蜂窝芯的表面数据。该方法有效解决了线激光安装误差角难以确定的问题，方法操作方便、精度高、适用性强、成本低，能够满足实际加工后的蜂窝芯表面的测量要求。

Description

蜂窝芯表面轮廓测量方法

技术领域

本发明涉及线激光测量技术领域，尤其涉及一种蜂窝芯表面轮廓测量方法。

背景技术

蜂窝芯是一种低密度蜂窝状材料，因其较高的比强度、比刚度等优质特性而广泛应用于航空航天、高速列车等领域。但由于其薄壁、弱刚度的特性，其加工面形精度的高精度测量缺乏有效的手段。

申请号为201610585321.1、201610585419.7的发明专利公开了一种用于蜂窝芯面形测量方法，在待测工件表面覆上一层薄膜，以一定的真空度将薄膜吸附压在蜂窝芯表面，通过激光位移传感器测量薄膜表面，再进一步提取出蜂窝芯面形。申请号为201711002057.5，名称为“蜂窝芯面形测量数据毛刺去除方法”、申请号为201711002057.5，名称为“蜂窝芯面形测量数据毛刺去除方法”和201810379213.8，名称为“蜂窝芯面形测量数据毛刺去除方法”的发明专利中均公开了基于激光位移传感器的测量数据的处理方法。而对于实际的蜂窝芯需要测量的尺寸通常较大，如何能够利用激光位移传感器高效精确地测量出蜂窝芯的表面同样是亟待解决的问题。

线激光位移传感器在机器视觉、逆向工程、工业检测、生物医学等领域被广泛应用，其基于激光三角法并能单次测量一条线的轮廓，具有测量精度高、效率高的优点。线激光直接测量的数据是两个维度的，其通过沿另外一个维度的扫描运动补充第三维度信息，实现三维测量。

为了实现大尺寸物体的测量，只需将传感器安装在机床上，由机床的运动带动其实现对物体的扫描。但由于安装误差的存在，传感器坐标系的方向与全局坐标系不能完全平行，线激光直接测量的数据结果与理想结果有一定误差。要想最终获得被测对象的整体面形数据，需要准确获得每次传感器测量数据的全局坐标，才能最终拼接成被测对象的整体面形。测量数据由传感器坐标系变换到全局坐标系，需要确定两个坐标系之间变换所需的平移矩阵和旋转矩阵。平移矩阵能够可以由传感器的运动位置确定，根据机床反馈的坐标很容易获得。而旋转矩阵反应的是传感器坐标系三个轴的方向相对于全局坐标系不平行的偏角误差，根据三个轴的偏角即可确定该旋转矩阵。

申请号为201810269833.6，名称为“采用二维线激光扫描仪获取三维精确数据的方法”的发明专利公开了一种用于根据线激光绕x、y和z轴与理想位置的角度偏差，对线激光测量的数据进行校准的方法。其虽然给出了由这三个误差角确定坐标变换中旋转矩阵的方法，但其并未给出这三个误差角的确定方式。而如何高效高精度地确定出这三个偏角的具体值才是制约线激光实现大尺寸扫描的关键所在。在实际应用时，尤其在一些在线测量的场合，由于现场有切削液或者切屑等会对线激光造成污染，在加工时往往需要拆下测头，在测量时再重新安装。每次线激光重新安装后，其三个误差角需要重新确定。因此，一种易于操作的、高精度的、快速的线激光安装误差角的确定非常关键，是线激光能否通过数控机床实现便携高精度测量、甚至在位测量蜂窝芯面形的关键。

发明内容

本发明针对以上问题的提出，而公开了一种蜂窝芯表面轮廓测量方法。

本发明基于对蜂窝芯本身的测量，确定出线激光绕三个坐标轴的旋转误差角，再通过机械调节或者坐标补偿的方式对测量结果进行校准，获得线激光在三维测量中准确的三维数据。并经过合适的扫描路径对整个蜂窝芯表面进行扫描，经过到全局坐标变换后能实现最终蜂窝芯面形高精度的数据拼接

为达到上述目的，本发明所采取的方法包括如下步骤：

一种蜂窝芯表面轮廓测量方法，包括如下步骤：

步骤1：测量平台搭建

在三轴数控机床的工作台上搭建蜂窝芯的测量平台，其中O-XYZ坐标系为机床运动坐标系；

将蜂窝芯固定于工作台，根据待测蜂窝芯表面对面的面形形状，设计对应支撑结构，使三个方向的蜂窝壁都沿着Z方向；

线激光传感器安装在三轴数控机床，使线激光的入射方向沿着Z方向；线激光沿Y轴或X轴做直线扫描运动，做固定步距扫描测量；线激光测量时记录每条激光线对应的测头运动坐标；

步骤2：确定线激光测头的安装误差角

将线激光测头安装的倾斜误差依次分解为绕Z轴旋转α_Z角度，绕Y轴旋转α_y角度，绕X轴旋转α_x角度；线激光测量后的数据坐标系与机床坐标系存在错位，另建立线激光测量数据坐标系为o_l-x_ly_lz_l，其中x_l轴和z_l轴为线激光测量数据本身的坐标，x_l轴为激光线方向，z_l轴为测量高度值，y_l轴为沿机床运动方向为线激光补充的坐标轴；

为确定线激光测头绕Z轴的安装误差角α_Z，绕Y轴的安装误差角α_y和绕X轴的安装误差角α_x，进行规定路径扫描蜂窝芯；

利用扫描后的数据计算出线激光测头绕Z轴的安装误差角α_Z、绕Y轴的安装误差角α_y和绕X轴的安装误差角α_x；

步骤3：扫描待测蜂窝芯

线激光测头校准后，由数控机床带动传感器按照一定路径扫描，确保整个蜂窝芯都被扫描到；

步骤4：被测蜂窝芯表面重建

根据线激光测头的安装误差角和所记录的机床的运行坐标，确定出坐标变换矩阵，将测量的在线激光坐标系下的测量数据经坐标变换统一到全局坐标系；坐标变换关系为：

P＝R_l×P_l+T (9)

其中P(X,Y,Z)为测量后的数据在全局坐标系下对应的坐标，P_l(x_l,0,z_l)为线激光测量的数据，旋转变换矩阵R_l为：

R_l＝R_x(α_x)×R_y(α_y)×R_z(α_Z) (10)

R_x，R_y，R_z分别为α_x，α_y，α_Z三个误差角所对应的旋转变换矩阵；T＝[x₀,y₀,z₀]^T为测量数据对应的传感器测头在机床中的坐标；

对全局坐标系下的测量数据进行蜂窝芯表面的重建。

进一步地，所述线激光沿Y轴做直线运动，做固定步距扫描测量的实现方法为：

利用Y轴电机的编码器脉冲信号或光栅尺反馈信号作为线激光测量的触发信号，编码器脉冲的间隔即为线激光测量的步距Δ_y；

将机床的三个轴的编码器脉冲信号或者是光栅尺反馈信号，接入脉冲计数处理系统，在Y轴电机的编码器脉冲信号或光栅尺反馈信号触发线激光测量时，同时触发该脉冲计数处理系统记录下三个轴的脉冲数，根据脉冲数与实际运动的距离的关系，能够确定测头运动坐标[x₀,y₀,z₀]。

进一步地，所述为确定线激光测头的3个安装误差角，进行扫描蜂窝芯的规定路径为：

线激光三次扫描蜂窝芯：

线激光第一次扫描蜂窝芯，线激光沿Y轴运动，测量蜂窝芯的轮廓数据；

线激光第二次扫描蜂窝芯，线激光沿X轴正向平移距离w，以与第一次扫描时相同的Y向路径再次扫描蜂窝芯，测量蜂窝芯的轮廓数据，其中，w小于线激光的扫描宽度w₀；

线激光第三次扫描蜂窝芯，线激光沿Z轴正向抬高距离h，以与第二次扫描时相同的Y向路径再次扫描蜂窝芯，测量蜂窝芯的轮廓数据，其中，h小于线激光的量程；

所述蜂窝芯的形状包括如相互连接的六边形，圆形，多边形的规则形状或非规则形状。

进一步地，所述线激光三次扫描蜂窝芯时：

第二次相对第一次扫描测头沿X轴正向平移距离w，沿Y向扫描路径相同其中，平移距离w满足：

w＝β×w₀ (1)

β取值为0.5～0.75；

两次测量的数据中沿X轴方向各有(1-β)w₀宽度范围内的测量数据，对应相同的蜂窝芯轮廓；

扫描前，调节线激光到蜂窝芯的距离，使三次扫描时蜂窝芯都在线激光测量量程范围内。

进一步地，所述计算线激光测头绕Z轴的安装误差角α_Z的具体过程为：

在x_lo_ly_l平面内比较第一次和第二次测量的相同蜂窝芯轮廓数据，第二次测量相对于第一次测量，蜂窝芯轮廓沿y_l轴方向的偏移量为l_z，线激光测头绕Z轴的安装误差角满足：

tanα_Z＝l_z/w (2)

则

α_Z＝arctan(l_z/w) (3)

其中l_z确定的具体过程为：

将第二次测量的数据沿y_l轴正方向和负方向依次平移i行(i＝-n_max，-n_max+1，…,-1,0,1,…n_max-1,n_max)，其中n_max对应移动的数据行数范围，取值应大于预估的偏移量；计算平移后两次测量重合区域测量数据的重合数据量(或重合的面积)，找到最大重合数据量(或重合的面积)对应的平移行数n₁；

偏移量为l_z为：

l_z＝n₁×Δ_y (4)。

进一步地，所述计算线激光测头绕Y轴的安装误差角α_y的具体过程为：

在x_lo_lz_l平面内比较第一次和第二次测量的相同蜂窝芯轮廓数据，第二次测量相对于第一次测量，蜂窝芯轮廓沿z_l轴方向的偏移量l_y，线激光测头绕Y轴的安装误差角满足：

tanα_y＝l_y/w (5)

则

α_y＝arctan(l_y/w) (6)

其中l_y确定的具体过程为：

将第二次测量的数据平移w个距离后，重复测量部分蜂窝芯的轮廓重合，计算重合的数据第二次测量相对于第一次测量的差值，l_y取为所有差值的平均值。

进一步地，所述计算线激光测头绕X轴的安装误差角α_x的具体过程为：

比较第二次和第三次测量的相同蜂窝芯轮廓数据，第三次测量相对于第二次测量，蜂窝芯轮廓沿z_l轴方向的偏移量h'，线激光测头绕Z轴的安装误差角α_x满足：

cosα_x＝h/h' (7)

则

α_x＝arccos(h/h') (8)

其中h'确定的具体过程为：

第三次相对于第二次测量的在x_lo_ly_l平面内蜂窝芯的轮廓基本重合，计算重合的数据第三次测量相对于第二次测量的差值，h'取为所有差值的平均值。

进一步地，所述扫描待测蜂窝芯的具体过程为：

由数控机床带动传感器在YOZ平面内做扫描运动，其在Y方向分量用于补充线激光缺失的维度，同时传感器在Z方向根据蜂窝芯高度的变化做相应的运动，使待测面在线激光的量程范围内；每完成一次扫描后，向X轴正方向或负方向运动距离w_x，w_x小于线激光扫描宽度w₀，传感器继续在YOZ平面内做扫描运动，以此类推进行往复多次扫描，直到完成整个蜂窝芯的测量。

进一步地，所述被测蜂窝芯表面重建时，线激光测头的误差角α_Z、α_y和α_x，可以跟据各个角度对测量数据造成的误差，直接补偿到测量数据，其所对应的旋转矩阵分别为：

则其所对应的旋转矩阵R_l为：

进一步地，所述被测蜂窝芯表面重建时，线激光测头的误差角α_Z、α_y和α_x，可以跟据各个角度的具体值，通过机械结构进行精确调节。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.测量精度高。本发明通过精确的计算，所得到的误差角精度高，进而精确地测量出蜂窝芯的表面。

2.操作方便。本发明所需要的测量步骤简单容易实现，使用方便。

3.适用性强。本发明能够适用于传感器需要不断安装拆卸的场合，可以实现在位测量。

4.成本低。不需要额外的标准件，只对待测的蜂窝芯进行测量，即可实现对线激光安装误差角的校准。

附图说明

为了更清楚的说明本发明的实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的蜂窝芯表面轮廓测量方法流程图。

图2是本发明实施例中的线激光测量示意图。

图3是本发明实施例中的待测量蜂窝芯表面示意图。

图4是本发明实施例中线激光测头绕Z轴的安装误差角α_Z的计算示意图。

图5是本发明实施例中线激光测头绕Y轴的安装误差角α_y的计算示意图。

图6是本发明实施例中线激光测头绕X轴的安装误差角α_x的计算示意图。

图7是本发明实施例一中线激光测量的蜂窝芯样件。

图8是本发明实施例一中线激光测量蜂窝芯样件的扫描路径。

图9是本发明实施例一中线激光测量蜂窝芯样件的测量数据结果。

图10是本发明实施例一中蜂窝芯样件的测量数据的其中一个拼接位置的俯视图，其中图中标注的直线为不同扫描位置的分界线。

图11是本发明实施例一中蜂窝芯样件的测量数据的其中一个拼接位置的侧视图，其中图中标注的直线为不同扫描位置的分界线。

具体实施方式

为使本发明的实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：

如图1所示：本发明采用的技术方案具体实现步骤为：

1.测量平台搭建

在三轴数控机床的工作台上搭建蜂窝芯的测量平台，其中O-XYZ坐标系为机床运动坐标系；将蜂窝芯固定于工作台，根据待测蜂窝芯表面对面的面形形状，设计对应支撑结构，使三个方向的蜂窝壁都沿着Z方向；

线激光传感器安装在三轴数控机床，使线激光的入射方向沿着Z方向；线激光沿Y轴做直线扫描运动，做固定步距扫描测量，本实施例中线激光沿Y轴做直线运动，沿X轴或其他可行的实施方案中，与沿Y轴同理，；利用Y轴电机的编码器脉冲信号或光栅尺反馈信号作为线激光测量的触发信号，编码器脉冲的间隔即为线激光测量的步距Δ_y；扫描时的状态如图2所示。

线激光测量时记录每条激光线对应的测头运动坐标；将机床的三个轴的编码器脉冲信号或者是光栅尺反馈信号，接入脉冲计数处理系统，在Y轴电机的编码器脉冲信号或光栅尺反馈信号触发线激光测量时，同时触发该脉冲计数处理系统记录下三个轴的脉冲数，根据脉冲数与实际运动的距离的关系，能够确定测头运动坐标[x₀,y₀,z₀]；

所述的蜂窝芯的形状不受限于某个具体的蜂窝芯形状；如相互连接的六边形，圆形，多边形，等规则与非规则的蜂窝芯均适用；示例如图3所示。

2.线激光测头的安装误差校准

线激光测头安装的倾斜误差可以依次分解为绕Z轴旋转α_Z角度，绕Y轴旋转α_y角度，绕X轴旋转α_x角度；线激光测量后的数据坐标系与机床坐标系存在错位，另建立线激光测量数据坐标系为o_l-x_ly_lz_l，其中x_l轴和z_l轴线激光测量数据本身的坐标，x_l轴为激光线方向，z_l轴为测量高度值，y_l轴为通过机床运动为线激光补充的坐标轴，如图2所示。

1)蜂窝芯扫描

线激光三次扫描蜂窝芯：

线激光第一次扫描蜂窝芯，线激光沿Y轴运动，测量蜂窝芯的轮廓数据；

线激光第二次扫描蜂窝芯，线激光沿X轴正向平移距离w(w小于线激光的扫描宽度w₀)，以与第一次扫描时相同的Y向路径再次扫描蜂窝芯，测量蜂窝芯的轮廓数据；

第二次相对第一次扫描测头沿X轴正向平移距离w，沿Y向扫描路径相同其中，平移距离w满足：

w＝β×w₀ (1)

β取值为0～1；

两次测量的数据中沿X轴方向各有(1-β)w₀宽度范围内的测量数据，对应相同的蜂窝芯轮廓；

线激光第三次扫描蜂窝芯，线激光沿Z轴正向抬高距离h(h小于线激光的量程)，以与第二次扫描时相同的Y向路径再次扫描蜂窝芯，测量蜂窝芯的轮廓数据；h小于线激光的量程；

扫描前，调节线激光到蜂窝芯的距离，使三次扫描时蜂窝芯都在线激光测量量程范围内。

2)线激光测头绕Z轴的安装误差角α_Z的计算与校准

如图4所示，在x_lo_ly_l平面内比较第一次和第二次测量的相同蜂窝芯轮廓数据，第二次测量相对于第一次测量，蜂窝芯轮廓沿y_l轴方向的偏移量为l_z，线激光测头绕Z轴的安装误差角满足：

tanα_Z＝l_z/w (2)

则

α_Z＝arctan(l_z/w) (3)

计算第一次和第二次测量蜂窝芯轮廓沿Y轴方向的偏移量为l_z的具体过程为：

将第二次测量的数据沿y_l轴正方向和负方向依次平移i行(i＝-n_max，-n_max+1，…,-1,0,1,…n_max-1,n_max)，其中n_max对应移动的数据行数范围，取值应大于预估的偏移量；计算平移后两次测量重合区域测量数据的重合数据量(或重合的面积)，找到最大重合数据量(或重合的面积)对应的平移行数n₁；

偏移量为l_z为：

l_z＝n₁×Δ_y (4)

3)线激光测头绕Y轴的安装误差角α_y的计算与校准

如图5所示，在x_lo_lz_l平面内比较第一次和第二次测量的相同蜂窝芯轮廓数据，第二次测量相对于第一次测量，蜂窝芯轮廓沿z_l轴方向的偏移量l_y，线激光测头绕Y轴的安装误差角满足：

tanα_y＝l_y/w (5)

则

α_y＝arctan(l_y/w) (6)

计算第一次和第二次测量蜂窝芯轮廓沿Z坐标方向的偏移量为l_y的具体过程为：

将第二次测量的数据平移w个距离后，重复测量部分蜂窝芯的轮廓重合，计算重合的数据第二次测量相对于第一次测量的差值，l_y取为所有差值的平均值。

4)线激光测头绕X轴的安装误差角α_x的计算与校准

如图6所示，比较第二次和第三次测量的相同蜂窝芯轮廓数据，第三次测量相对于第二次测量，蜂窝芯轮廓沿z_l轴方向的偏移量h'，线激光测头绕Z轴的安装误差角α_x满足：

cosα_x＝h/h' (7)

则

α_x＝arccos(h/h') (8)

第二次和第三次测量蜂窝芯轮廓沿Z轴方向的偏移量为h'的具体过程为：

第三次相对于第二次测量的在x_lo_ly_l平面内蜂窝芯的轮廓基本重合，计算重合的数据第三次测量相对于第二次测量的差值，h'取为所有差值的平均值。

3.扫描待测蜂窝芯

线激光测头校准后，由数控机床带动传感器按照一定路径扫描，确保整个蜂窝芯都被扫描到；

由数控机床带动传感器在YOZ平面内做扫描运动，其在Y方向分量用于补充线激光缺失的维度，同时传感器在Z方向根据蜂窝芯高度的变化做相应的运动，使待测面在线激光的量程范围内；每完成一次扫描后，向X轴正方向(或负方向)运动距离w_x，w_x小于线激光扫描宽度w₀，传感器继续在YOZ平面内做扫描运动，以此类推进行往复多次扫描，直到完成整个蜂窝芯的测量。

4.被测蜂窝芯表面重建

根据线激光测头的安装误差角和所记录的机床的运行坐标，确定出坐标变换矩阵，将测量的在线激光坐标系下的测量数据经坐标变换统一到全局坐标系；坐标变换关系为：

P＝R_l×P_l+T (9)

其中P(X,Y,Z)为测量后的数据在全局坐标系下对应的坐标，P_l(x_l,0,z_l)为线激光测量的数据，旋转变换矩阵R_l为：

R_l＝R_x(α_x)×R_y(α_y)×R_z(α_Z) (10)

R_x，R_y，R_z分别为α_x，α_y，α_Z三个误差角所对应的旋转变换矩阵；T＝[x₀,y₀,z₀]^T为测量数据对应的传感器测头在机床中的坐标；

对全局坐标系下的测量数据进行蜂窝芯表面的重建，由于传感器沿X轴方向的进给小于激光线的宽度，相邻的两次扫描的数据有重叠的部分，对于重叠区域的数据，以重叠中心为界，分别选取两侧数据。

其特征还在于所述被测蜂窝芯表面重建时，线激光测头的误差角α_Z、α_y和α_x，可以跟据各个角度对测量数据造成的误差，直接补偿到测量数据，其所对应的旋转矩阵分别为：

则其所对应的旋转矩阵R_l为：

另外，所述被测蜂窝芯表面重建时，线激光测头的误差角α_Z、α_y和α_x，可以跟据各个角度的具体值，通过机械结构进行精确调节。

实施例1

1.测量平台搭建

本实施例所选用的激光位移传感器为基恩士公司的超高速轮廓测量仪(LJ-V7060)。该测量仪，采用蓝色半导体激光，可以实现稳定和超高速测量，采样间隔可达16μs，其Z轴方向重复测量精度可达0.4μm，测量轮廓数据间隔20μm，测量的激光线长度为15mm。测量时，将轮廓测量仪测头安装在三轴数控机床上，测量的标准件固定在机床工作台，由机床控制轮廓测量仪测头的运动，对标准件的表面进行扫描。

测量的蜂窝芯为具有六边形结构单元的蜂窝芯。

2.线激光测头的安装误差校准

1)蜂窝芯扫描

线激光三次扫描蜂窝芯：

线激光第一次扫描蜂窝芯，线激光沿Y轴运动，测量蜂窝芯的轮廓数据；

线激光第二次扫描蜂窝芯，线激光沿X轴正向平移距离10mm(线激光的扫描宽度15mm)，以与第一次扫描时相同的Y向路径再次扫描蜂窝芯，测量蜂窝芯的轮廓数据；

线激光第三次扫描蜂窝芯，线激光沿Z轴正向抬高距离5mm(线激光的量程16mm)，以与第二次扫描时相同的Y向路径再次扫描蜂窝芯，测量蜂窝芯的轮廓数据；

扫描前，调节线激光到蜂窝芯的距离，使三次扫描时蜂窝芯都在线激光测量量程范围内。

2)线激光测头绕Z轴的安装误差角α_Z的计算与校准

如图4所示，在x_lo_ly_l平面内比较第一次和第二次测量的相同蜂窝芯轮廓数据，第二次测量相对于第一次测量，蜂窝芯轮廓沿y_l轴方向的偏移量为l_z，线激光测头绕Z轴的安装误差角满足：

tanα_Z＝l_z/w(2)

则

α_Z＝arctan(l_z/w) (3)

计算第一次和第二次测量蜂窝芯轮廓沿Y轴方向的偏移量为l_z的具体过程为：

将第二次测量的数据沿y_l轴正方向和负方向依次平移i行(i＝-n_max，-n_max+1，…,-1,0,1,…n_max-1,n_max)，其中n_max对应移动的数据行数范围，取值应大于预估的偏移量；计算平移后两次测量重合区域测量数据的重合数据量(或重合的面积)，找到最大重合数据量(或重合的面积)对应的平移行数n₁；

偏移量为l_z为：

l_z＝n₁×Δ_y (4)

3)线激光测头绕Y轴的安装误差角α_y的计算与校准

如图5所示，在x_lo_lz_l平面内比较第一次和第二次测量的相同蜂窝芯轮廓数据，第二次测量相对于第一次测量，蜂窝芯轮廓沿z_l轴方向的偏移量l_y，线激光测头绕Y轴的安装误差角满足：

tanα_y＝l_y/w (5)

则

α_y＝arctan(l_y/w) (6)

计算第一次和第二次测量蜂窝芯轮廓沿Z坐标方向的偏移量为l_y的具体过程为：

将第二次测量的数据平移w个距离后，重复测量部分蜂窝芯的轮廓重合，计算重合的数据第二次测量相对于第一次测量的差值，l_y取为所有差值的平均值。

4)线激光测头绕X轴的安装误差角α_x的计算与校准

如图6所示，比较第二次和第三次测量的相同蜂窝芯轮廓数据，第三次测量相对于第二次测量，蜂窝芯轮廓沿z_l轴方向的偏移量h'，线激光测头绕Z轴的安装误差角α_x满足：

cosα_x＝h/h' (7)

则

α_x＝arccos(h/h') (8)

第二次和第三次测量蜂窝芯轮廓沿Z轴方向的偏移量为h'的具体过程为：

第三次相对于第二次测量的在x_lo_ly_l平面内蜂窝芯的轮廓基本重合，计算重合的数据第三次测量相对于第二次测量的差值，h'取为所有差值的平均值。

3.扫描待测蜂窝芯

线激光测头校准后，由数控机床带动传感器按照一定路径扫描，确保整个蜂窝芯都被扫描到；

由数控机床带动传感器在YOZ平面内做扫描运动，其在Y方向分量用于补充线激光缺失的维度，同时传感器在Z方向根据蜂窝芯高度的变化做相应的运动，使待测面在线激光的量程范围内；每完成一次扫描后，向X轴正方向(或负方向)运动距离14mm，传感器继续在YOZ平面内做扫描运动，以此类推进行往复多次扫描，直到完成整个蜂窝芯的测量。

4.被测蜂窝芯表面重建

本实施例中，通过Matlab软件对被测蜂窝芯表面重建，根据线激光测头的安装误差角和所记录的机床的运行坐标，确定出坐标变换矩阵，将测量的在线激光坐标系下的测量数据经坐标变换统一到全局坐标系；坐标变换关系为：

P＝R_l×P_l+T (9)

其中P(X,Y,Z)为测量后的数据在全局坐标系下对应的坐标，P_l(x_l,0,z_l)为线激光测量的数据，旋转变换矩阵R_l为：

R_l＝R_x(α_x)×R_y(α_y)×R_z(α_Z) (10)

其中，R_x，R_y，R_z分别为α_x，α_y，α_Z三个误差角所对应的旋转变换矩阵；T＝[x₀,y₀,z₀]^T为测量数据对应的传感器测头在机床中的坐标；

对全局坐标系下的测量数据进行蜂窝芯表面的重建，由于传感器沿X轴方向的进给小于激光线的宽度，相邻的两次扫描的数据有重叠的部分，对于重叠区域的数据，以重叠中心为界，分别选取两侧数据。

其特征还在于所述被测蜂窝芯表面重建时，线激光测头的误差角α_Z、α_y和α_x，可以跟据各个角度对测量数据造成的误差，直接补偿到测量数据，其所对应的旋转矩阵分别为：

则其所对应的旋转矩阵R_l为：

5.被测蜂窝芯结果观测

所扫描的蜂窝芯如图7所示，扫描时的路径如图8所示。利用本发明所提出的方法所构建的蜂窝芯表面轮廓整体图如图9所示，其中图10是所测量蜂窝芯样件的测量数据的其中一个拼接位置的俯视图，其中图中标注的直线为不同扫描位置的分界线。图11是所测量蜂窝芯样件的测量数据的其中一个拼接位置的侧视图，其中图中标注的直线为不同扫描位置的分界线。从分界线可以看出在拼接位置无明显错位情况，验证了本发明所提出的测量方法的可靠性。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种蜂窝芯表面轮廓测量方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1：测量平台搭建

在三轴数控机床的工作台上搭建蜂窝芯的测量平台，其中O-XYZ坐标系为机床运动坐标系；

将蜂窝芯固定于工作台，根据待测蜂窝芯表面对面的面形形状，设计对应支撑结构，使三个方向的蜂窝壁都沿着Z方向；

线激光传感器安装在三轴数控机床，使线激光的入射方向沿着Z方向；线激光沿Y轴或X轴做直线扫描运动，做固定步距扫描测量；线激光测量时记录每条激光线对应的测头运动坐标；

步骤2：确定线激光测头的安装误差角

将线激光测头安装的倾斜误差依次分解为绕Z轴旋转α_Z角度，绕Y轴旋转α_y角度，绕X轴旋转α_x角度；线激光测量后的数据坐标系与机床坐标系存在错位，另建立线激光测量数据坐标系为o_l-x_ly_lz_l，其中x_l轴和z_l轴为线激光测量数据本身的坐标，x_l轴为激光线方向，z_l轴为测量高度值，y_l轴为沿机床运动方向为线激光补充的坐标轴；

为确定线激光测头绕Z轴的安装误差角α_Z，绕Y轴的安装误差角α_y和绕X轴的安装误差角α_x，进行规定路径扫描蜂窝芯；

利用扫描后的数据计算出线激光测头绕Z轴的安装误差角α_Z、绕Y轴的安装误差角α_y和绕X轴的安装误差角α_x；

步骤3：扫描待测蜂窝芯

线激光测头校准后，由数控机床带动传感器按照一定路径扫描，确保整个蜂窝芯都被扫描到；

步骤4：被测蜂窝芯表面重建

根据线激光测头的安装误差角和所记录的机床的运行坐标，确定出坐标变换矩阵，将测量的在线激光坐标系下的测量数据经坐标变换统一到全局坐标系；坐标变换关系为：

P＝R_l×P_l+T (9)

其中P(X,Y,Z)为测量后的数据在全局坐标系下对应的坐标，P_l(x_l,0,z_l)为线激光测量的数据，旋转变换矩阵R_l为：

R_l＝R_x(α_x)×R_y(α_y)×R_z(α_Z) (10)

R_x，R_y，R_z分别为α_x，α_y，α_Z三个误差角所对应的旋转变换矩阵；T＝[x₀,y₀,z₀]^T为测量数据对应的传感器测头在机床中的坐标；

对全局坐标系下的测量数据进行蜂窝芯表面的重建。

2.根据权利要求1所述的蜂窝芯表面轮廓测量方法，其特征还在于所述线激光沿Y轴做直线运动，做固定步距扫描测量的实现方法为：

利用Y轴电机的编码器脉冲信号或光栅尺反馈信号作为线激光测量的触发信号，编码器脉冲的间隔即为线激光测量的步距Δ_y；

将机床的三个轴的编码器脉冲信号或者是光栅尺反馈信号，接入脉冲计数处理系统，在Y轴电机的编码器脉冲信号或光栅尺反馈信号触发线激光测量时，同时触发该脉冲计数处理系统记录下三个轴的脉冲数，根据脉冲数与实际运动的距离的关系，能够确定测头运动坐标[x₀,y₀,z₀]。

3.根据权利要求1所述的蜂窝芯表面轮廓测量方法，其特征还在于所述为确定线激光测头的3个安装误差角，进行扫描蜂窝芯的规定路径为：

线激光三次扫描蜂窝芯：

线激光第一次扫描蜂窝芯，线激光沿Y轴运动，测量蜂窝芯的轮廓数据；

线激光第二次扫描蜂窝芯，线激光沿X轴正向平移距离w，以与第一次扫描时相同的Y向路径再次扫描蜂窝芯，测量蜂窝芯的轮廓数据，其中，w小于线激光的扫描宽度w₀；

线激光第三次扫描蜂窝芯，线激光沿Z轴正向抬高距离h，以与第二次扫描时相同的Y向路径再次扫描蜂窝芯，测量蜂窝芯的轮廓数据，其中，h小于线激光的量程；

所述蜂窝芯的形状包括如相互连接的六边形，圆形，多边形的规则形状或非规则形状。

4.根据权利要求3所述的蜂窝芯表面轮廓测量方法，其特征还在于所述线激光三次扫描蜂窝芯时：

第二次相对第一次扫描测头沿X轴正向平移距离w，沿Y向扫描路径相同其中，平移距离w满足：

w＝β×w₀ (1)

β取值为0.5～0.75；

两次测量的数据中沿X轴方向各有(1-β)w₀宽度范围内的测量数据，对应相同的蜂窝芯轮廓；

扫描前，调节线激光到蜂窝芯的距离，使三次扫描时蜂窝芯都在线激光测量量程范围内。

5.根据权利要求1～4任一项所述的蜂窝芯表面轮廓测量方法，其特征还在于所述计算线激光测头绕Z轴的安装误差角α_Z的具体过程为：

在x_lo_ly_l平面内比较第一次和第二次测量的相同蜂窝芯轮廓数据，第二次测量相对于第一次测量，蜂窝芯轮廓沿y_l轴方向的偏移量为l_z，线激光测头绕Z轴的安装误差角满足：

tanα_Z＝l_z/w (2)

则

α_Z＝arctan(l_z/w) (3)

其中l_z确定的具体过程为：

将第二次测量的数据沿y_l轴正方向和负方向依次平移i行(i＝-n_max，-n_max+1，…,-1,0,1,…n_max-1,n_max)，其中n_max对应移动的数据行数范围，取值应大于预估的偏移量；计算平移后两次测量重合区域测量数据的重合数据量或重合的面积，找到最大重合数据量或重合的面积对应的平移行数n₁；

偏移量为l_z为：

l_z＝n₁×Δ_y (4)。

6.根据权利要求1～4任一项所述的蜂窝芯表面轮廓测量方法，其特征还在于所述计算线激光测头绕Y轴的安装误差角α_y的具体过程为：

在x_lo_lz_l平面内比较第一次和第二次测量的相同蜂窝芯轮廓数据，第二次测量相对于第一次测量，蜂窝芯轮廓沿z_l轴方向的偏移量l_y，线激光测头绕Y轴的安装误差角满足：

tanα_y＝l_y/w (5)

则

α_y＝arctan(l_y/w) (6)

其中l_y确定的具体过程为：

将第二次测量的数据平移w个距离后，重复测量部分蜂窝芯的轮廓重合，计算重合的数据第二次测量相对于第一次测量的差值，l_y取为所有差值的平均值。

7.根据权利要求1～4任一项所述的蜂窝芯表面轮廓测量方法，其特征还在于所述计算线激光测头绕X轴的安装误差角α_x的具体过程为：

比较第二次和第三次测量的相同蜂窝芯轮廓数据，第三次测量相对于第二次测量，蜂窝芯轮廓沿z_l轴方向的偏移量h'，线激光测头绕Z轴的安装误差角α_x满足：

cosα_x＝h/h' (7)

则

α_x＝arccos(h/h') (8)

其中h'确定的具体过程为：

第三次相对于第二次测量的在x_lo_ly_l平面内蜂窝芯的轮廓基本重合，计算重合的数据第三次测量相对于第二次测量的差值，h'取为所有差值的平均值。

8.根据权利要求1所述的蜂窝芯表面轮廓测量方法，其特征还在于所述扫描待测蜂窝芯的具体过程为：

由数控机床带动传感器在YOZ平面内做扫描运动，其在Y方向分量用于补充线激光缺失的维度，同时传感器在Z方向根据蜂窝芯高度的变化做相应的运动，使待测面在线激光的量程范围内；每完成一次扫描后，向X轴正方向或负方向运动距离w_x，w_x小于线激光扫描宽度w₀，传感器继续在YOZ平面内做扫描运动，以此类推进行往复多次扫描，直到完成整个蜂窝芯的测量。

9.根据权利要求1所述的蜂窝芯表面轮廓测量方法，其特征还在于所述被测蜂窝芯表面重建时，线激光测头的误差角α_Z、α_y和α_x，可以跟据各个角度对测量数据造成的误差，直接补偿到测量数据，其所对应的旋转矩阵分别为：

则其所对应的旋转矩阵R_l为：

10.根据权利要求1所述的蜂窝芯表面轮廓测量方法，其特征还在于所述被测蜂窝芯表面重建时，线激光测头的误差角α_Z、α_y和α_x，可以跟据各个角度的具体值，通过机械结构进行精确调节。