CN111457926B

CN111457926B - 一种螺纹测量仪器三维导航方法与系统

Info

Publication number: CN111457926B
Application number: CN202010305274.7A
Authority: CN
Inventors: 张和君; 马俊杰
Original assignee: Chotest Technology Inc
Current assignee: Chotest Technology Inc
Priority date: 2020-04-17
Filing date: 2020-04-17
Publication date: 2021-10-19
Anticipated expiration: 2040-04-17
Also published as: CN111457926A

Abstract

本发明提供了一种螺纹测量仪器三维导航方法，建立仪器夹具、探针、螺纹量规的三维模型场景，建立螺纹量规的参数化三维模型和探针的实时运动模型，直接在计算机上操作移动探针从而在三维模型场景中得到夹具、探针、螺纹量规的空间位置状态。本发明还提供了一种螺纹测量仪器三维导航系统。本发明的有益效果是：实现了三维空间下的准确导航，避免人工直接观察导航时容易发生扫描探针与夹具和量规发生碰撞而损坏，达到高效、安全测量的目的。

Description

一种螺纹测量仪器三维导航方法与系统

技术领域

本发明涉及测量仪器，尤其涉及一种螺纹测量仪器三维导航方法与系统。

背景技术

在螺纹测量过程中，移动探针到达指定的位置是整个测量过程的必要环节之一，也是最容易发生探针碰撞的环节。由于扫描探针非常精密，如何保证探针移动过程中的安全性，对测量操作者提出了很高的要求。

目前的螺纹测量仪器主要采用人工导航的方式，由于仪器较大，计算机与仪器的实际位置较远，操作者需要边操作软件移动探针边切换位置到仪器附近进行人工观察，使用起来效率低、并且极容易发生探针与螺纹量规碰撞而损坏的情况。特别是对于小尺寸螺纹量规，以及内表面结构的螺纹环规，探针深入到环规内部，操作者更难以直接观察探针和螺纹量规的位置关系。因此，螺纹测量仪器的人工导航方式，难以达到高效、安全测量的目的。

发明内容

为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种螺纹测量仪器三维导航方法与系统。

本发明提供了一种螺纹测量仪器三维导航方法，建立仪器夹具、探针、螺纹量规的三维模型场景，建立螺纹量规的参数化三维模型和探针的实时运动模型，直接在计算机上操作移动探针从而在三维模型场景中得到夹具、探针、螺纹量规的空间位置状态。

作为本发明的进一步改进，所述方法包括以下步骤：

S1、输入模块接收用户的测量参数输入，包括螺纹量规的种类和基本参数、选择夹具的型号和探针的型号；

S2、建立仪器三维坐标系，仪器在设备定义的三个方向上的光栅传感器组成了仪器坐标系，光栅传感器的数据直接反映探针的位置，仪器坐标系的原点定义为三个光栅传感器的零点；

S3、夹具和探针模型库预先定义和存储仪器配备所有型号的夹具和探针的三维模型数据；

S4、建立螺纹量规的参数化三维模型和探针的实时运动模型；

S5、通过三维场景合成模块动态合成夹具、探针、螺纹量规的三维模型场景；

S6、切换观察视角时，三维视图变换模块对夹具、探针、螺纹量规的三维场景进行模型视图变换，以不同的角度和比例计算探针和夹具、螺纹量规的三维模型；

S7、通过导航预警计算模块实时计算探针和夹具、螺纹量规的距离大小，当探针与夹具或者螺纹量规的距离小于给定阈值时，主动进行预警提示。

作为本发明的进一步改进，在步骤S4中，通过探针实时运动模块获取仪器中的ZL、Z0、X三个方向上的光栅传感器数据，根据仪器设计参数计算出探针的当前位置，实时计算出运动中探针的三维模型。

作为本发明的进一步改进，夹具的三维模型的坐标系原点事先用探针中心进行标定，每个夹具安装到仪器上后，其原点都对应一对仪器光栅数值(X_C、Y_C、Z_C)，当探针移动时，将仪器坐标系向夹具坐标系转换，以此得到探针在夹具坐标系中的实时位置。

作为本发明的进一步改进，在步骤S5中，以夹具模型坐标系为基准坐标系，将仪器探针、螺纹量规的三维坐标系都向夹具模型坐标系转换。

作为本发明的进一步改进，在步骤S7中，探针和夹具、螺纹量规三者的三维模型都由小三角面片组成，计算探针中心当前位置CurPinPos与夹具和螺纹量规的三维模型中每个三角面片Triangle的距离Dist，则探针与量规和夹具的接触距离D_pin即为其中的最小值：

D_pin＝min{Dist(CurPinPos,Triangle[i])},1≤i≤N

其中，N为三维模型中三角形片的数量；

当D_pin小于给定阈值时，主动进行蜂鸣器报警以及主界面提示框预警提示。

本发明还提供了一种螺纹测量仪器三维导航系统，用于实现如上述中任一项所述的方法。

作为本发明的进一步改进，所述系统包括输入模块、操作模块、夹具和探针模型库、螺纹量规参数化建模模块、探针实时运动建模模块、三维场景合成模块、三维视图变换模块、导航预警计算模块、三维渲染显示模块；

其中，

所述输入模块，输入需要测量的螺纹量规类型和参数，相应选择夹具和探针的型号；

所述操作模块，包含移动探针的四个方向的按键，视图切换按键，以及速度调节设置；

所述夹具和探针模型库为预先建立仪器所有夹具和所有探针的三维模型数据库；

所述螺纹量规参数化建模模块用于建立包括圆柱螺纹塞规、圆柱螺纹环规、圆柱光面塞规、圆柱光面环规、圆锥光面塞规、圆锥光面环规的参数化三维模型；

所述探针实时运动建模模块，获取仪器中的ZL、Z0、X三个方向上的光栅传感器数据，根据仪器设计参数计算出探针的当前位置，实时计算出运动中探针的3D模型；

所述三维场景合成模块，建立三维场景坐标系，动态合成夹具、探针、螺纹量规的三维场景模型；

所述三维视图变换模块，切换观察视角时，视角变换模块对夹具、探针、螺纹量规的三维场景进行模型视图变换，以不同的角度和比例计算探针和夹具、螺纹量规的三维模型；

所述导航预警计算模块，实时计算探针和夹具、螺纹量规的距离大小，当探针与螺纹量规和夹具的距离小于给定阈值时，主动进行预警提示。

作为本发明的进一步改进，一种螺纹测量仪器三维导航系统，包括可读存储介质，所述可读存储介质中存储有执行指令，所述执行指令被处理器执行时用于实现如上述中任一项所述的方法。

本发明的有益效果是：通过上述方案，实现了三维空间下的准确导航，避免人工直接观察导航时容易发生扫描探针与夹具和量规发生碰撞而损坏，达到高效、安全测量的目的。

附图说明

图1是本发明一种螺纹测量仪器三维导航系统的示意图。

图2是三角形片的示意图。

图3是探针3D模型的坐标系原点示意图。

图4是塞规夹具3D模型的坐标系原点示意图。

图5是环规夹具3D模型的坐标系原点示意图。

图6是组合夹具3D模型的坐标系原点示意图。

图7是组合夹具3D模型的坐标系原点示意图。

图8是圆柱螺纹塞规牙型示意图。

图9是圆柱螺纹螺棱示意图。

图10是螺牙各个侧面的法线方向示意图。

图11是立体图中的牙侧法线方向示意图。

图12是圆柱光面规建模示意图。

图13是圆锥光面规建模示意图。

图14是螺纹塞规与塞规夹具的位置关系示意图。

图15是螺纹环规与环规夹具的位置关系示意图。

具体实施方式

下面结合附图说明及具体实施方式对本发明作进一步说明。

一种螺纹测量仪器三维导航方法，建立仪器夹具、探针、螺纹量规的3D模型场景，建立螺纹量规的参数化3D模型和探针的运动模型，直接在计算机上操作移动探针就可在3D模型场景中得到夹具、探针、螺纹量规的空间位置状态，从而实现安全、高效的探针导航。

如图1所示，一种螺纹测量仪器三维导航系统，用于实现螺纹测量仪器三维导航方法，包括输入模块1、操作模块7、夹具和探针模型库2、螺纹量规参数化建模模块3、探针实时运动建模模块8、三维场景合成模块4、三维视图变换模块5、导航预警计算模块8、三维渲染显示模块6。

所述输入模块1，输入需要测量的螺纹量规类型和参数，相应选择夹具和探针的型号。

所述操作模块7，包含移动探针的四个方向的按键，视图切换按键，以及速度调节设置。

所述仪器夹具和探针模型库2，预先建立仪器所有夹具和所有探针的3D模型数据库。

所述螺纹量规，包括圆柱螺纹塞规、圆柱螺纹环规、圆柱光面塞规、圆柱光面环规、圆锥光面塞规、圆锥光面环规等，螺纹量规参数化建模模块3用于建立螺纹量规的参数化3D模型。

所述探针实时运动建模模块8，获取仪器中的ZL、Z0、X三个方向上的光栅传感器数据，根据仪器设计参数计算出探针的当前位置，实时计算出运动中探针的3D模型。

所述三维场景合成模块4，建立三维场景坐标系，动态合成夹具、探针、螺纹量规的三维场景模型。

所述三维视图变换模块5，切换观察视角时，视角变换模块对夹具、探针、螺纹量规的三维场景进行模型视图变换，以不同的角度和比例计算探针和夹具、螺纹量规的三维模型。

所述导航预警计算模块9，实时计算探针和夹具、螺纹量规的距离大小，当探针与螺纹量规和夹具的距离小于给定阈值时，主动进行预警提示。

一种螺纹测量仪器三维导航方法，具体包括以下过程：

(1)输入模块1接收用户的测量参数输入，包括螺纹量规的种类和基本参数、选择夹具的型号和探针的型号。

(2)建立仪器三维坐标系，仪器在设备定义的三个方向上的光栅传感器组成了仪器坐标系，光栅传感器的数据直接反映探针的位置，仪器坐标系的原点定义为三个光栅传感器的零点。

(3)夹具和探针模型库2预先定义和存储仪器配备所有型号的夹具和探针的3D模型数据。每个3D模型是若干空间小三角形面片的集合，通过三维模型表面的三角网格化获得，每个三角形面片用三角形的三个顶点和指向模型外部的三角形面片的法向量组成。

在三角形面片格式里，三个顶点(vertex)跟该三角面片的法向量符合右手螺旋定则，如图2所示。

夹具和探针的模型数据使用XML文件进行存储，存储格式如下：

文件中每个model就是一种型号的夹具或者探针，每个triangle包含一个法线三维数据和三个顶点的三维数据。当输入模块给定夹具和探针的名称时，模型库依据名称选出相应的3D模型数据。

定义夹具和探针3D模型的坐标系原点，图3为探针的坐标系原点，定义在探针和测杆相交的中心；图4为环规夹具的坐标系原点，定义在两棱靠面与夹具外侧面交点的中心；图5为塞规夹具的坐标系原点，定义在V形支撑面与夹具外侧面交点的中心；图6、7为塞规和环规组合夹具的原点，存储时按两个原点分别存储。

(4)操作模块7，包含移动探针的四个方向的按键，视图切换按键，以及速度调节设置。

(5)螺纹量规的参数化3D模型

I.圆柱螺纹规

圆柱螺纹规包括圆柱螺纹塞规和圆柱螺纹环规，基本参数的表示方法：大径D、小径D₁、中径D₂、螺距P、牙型角φ。两者基本参数表示方法一致，不同的是塞规的牙型为外表面，环规的牙型为内表面，大径和小径正好相反。图8为圆柱螺纹塞规牙型示意图，螺纹其他的几何参数由基本参数计算得到：

牙顶宽度：

牙底宽度：

牙侧宽度：

图9中，螺纹棱上每一个点都是阿基米德螺旋线上的一点，空间位置表达式：

x＝R cosθ

y＝R sinθ

其中，θ为XY平面上绕Z轴逆时针旋转的角度；R为螺旋线的半径，对于牙顶则是螺纹的大径D/2，对于牙底是小径D₁/2。

建模时，考察左牙侧、牙顶、右牙侧上各个特征点A、B、C、D绕Z轴旋转的情况，当前A、B、C、D所处位置的旋转角度为θ，再逆时针旋转Δθ到A'、B'、C'、D'，每个特征点的Z坐标相应增大

特征点A、B、C、D的坐标：

A_z＝Pθ/2π

B_z＝Pθ/2π+S

C_z＝Pθ/2π+S+U

D_z＝Pθ/2π+S+U+S

特征点A'、B'、C'、D'的坐标：

A'_z＝P(θ+Δθ)/2π

B'_z＝P(θ+Δθ)/2π+S

C'_z＝P(θ+Δθ)/2π+S+U

D'_z＝P(θ+Δθ)/2π+S+U+S

按如下三角面片构建3D模型：

左牙侧：(AA'B'),(AB'B)

牙顶侧：(BB'C'),(BC'C)

右牙侧：(CC'D'),(CD'D)

考虑各个三角面片的法线，沿Z轴界面的法线(normal，简写为norm)方向如图10所示。

为了更便于观察，将牙侧面上的法线方向放在立体图11中。

圆柱螺纹塞规的法线与圆柱螺纹环规的方向正好相反。两者左牙侧法线在各个方向上的投影：

塞规

环规

塞规的牙顶法线垂直于Z轴向外：

塞规

环规

塞规的右牙侧法线n在Z轴的投影与左牙侧法线在Z轴的投影相反：

塞规

环规

II.圆柱光面规

圆柱光面环规和圆柱光面塞规的建模如图12所示，特征点A、B、A'、B'的坐标：

A_z＝0

B_z＝L

A'_z＝0

B'_z＝L

其中，D为光面规的直径，L为光面规的长度，θ为XY平面绕逆时针的旋转角度，Δθ为每次旋转角度的变化量。按两个三角面片构建3D模型：(AA'B'),(AB'B)。

圆柱光面塞规的法线与圆柱光面环规的方向正好相反。两者侧法线在各个方向上的投影：

塞规

环规

III.锥度光面规

锥度光面环规和锥度光面塞规的建模如图13，特征点A、B、A'、B'的坐标：

A_z＝0

B_z＝L

A'_z＝0

B'_z＝L

其中，D₁和D₂分别为锥度光面规的大端直径和小端直径，L为光面规的长度，θ为XY平面绕逆时针的旋转角度，Δθ为每次旋转角度的变化量。按两个三角面片构建3D模型：(AA'B'),(AB'B)。

锥度光面塞规的法线与锥度光面环规的方向正好相反。两者侧法线在各个方向上的投影：

塞规

环规

其中，φ锥度规的锥度。

(6)探针实时运动建模模块8，获取仪器中的ZL、Z0、X三个方向上的光栅传感器数据，根据仪器设计参数计算出探针的当前位置，实时计算出运动中探针的3D模型。

夹具3D模型的坐标系原点事先用探针中心进行标定，每个夹具安装到仪器上后，其原点都对应一对仪器光栅数值(X_C、Y_C、Z_C)。

当探针移动时，将仪器坐标系向夹具坐标系转换，以此得到探针在夹具坐标系中的实时位置，转换矩阵：

(7)三维场景合成模块4动态合成夹具、探针、螺纹量规的三维场景模型。以夹具模型坐标系为基准坐标系，将仪器探针、螺纹量规的3D坐标系都向夹具模型坐标系转换。

螺纹塞规向塞规夹具坐标系转换如图14，塞规放置与夹具的V形支撑面上，相对于夹具原点需要向Z正方向偏移OG距离，转换矩阵：

其中，

D为螺纹塞规大径，α为V形支撑面夹角。螺纹环规向环规夹具坐标系转换如图15，环规挂载在夹具的两棱支撑面上，相对于夹具原点需要向Z负方向偏移OG距离，转换矩阵：

其中，

D为螺纹环规小径，L为两棱支撑面宽度。

(8)所述三维视图变换模块5，切换观察视角时，视角变换模块对夹具、探针、螺纹量规的三维场景进行模型视图变换，以不同的角度和比例计算探针和夹具、螺纹量规的三维模型。

操作者使用鼠标点击3D渲染区域，移动鼠标，鼠标位置在屏幕X和Y方向上产生角度变化量θ_x和θ_y用于切换视角，鼠标滚轮的滚动产生比例因子ds用于缩放模型。

视图变化实现时，先绕屏幕Y轴旋转θ_y角度，再绕屏幕X轴旋转θ_x角度。先将屏幕上的X轴向量(1,0,0)和Y轴向量(0,1,0)分别映射到3D场景视图中的旋转轴：

其中，MV为当前的模型视图矩阵。

绕屏幕X轴(3D场景坐标系中旋转轴A)旋转角度θ的旋转矩阵：

其中，旋转轴A＝[A_x,A_y,A_z]为规范化之后的向量。绕屏幕Y轴(3D场景坐标系中旋转轴B)旋转角度θ的旋转矩阵R_y类似同R_x：

比例缩放矩阵：

观察视角变化后，新模型视图转换矩阵为：

MV＝R_xR_yS

(9)所述导航预警计算模块9，实时计算探针和夹具、螺纹量规的距离大小。三者的3D模型都由小三角面片组成，计算探针中心当前位置CurPinPos与夹具和量规3D模型中每个三角面片Triangle的距离Dist，则探针与量规和夹具的接触距离D_pin即为其中的最小值：

D_pin＝min{Dist(CurPinPos,Triangle[i])},1≤i≤N

其中，N为3D模型中三角形片的数量。

当D_pin小于给定阈值时，主动进行蜂鸣器报警以及主界面提示框等预警提示。

一种螺纹测量仪器三维导航方法与系统，其特点如下：

(1)定义螺纹测量仪器工作时的夹具、探针、螺纹量规的三维立体模型场景，建立仪器的三维场景坐标系。

(2)建立仪器配置的所有夹具和探针的3D模型库，在螺纹测量时，根据输入模块选择的不同夹具和探针从模型库中预先加载相应的3D模型，并预定义夹具和探针的3D模型坐标系原点为支撑面中心和探针中心。

(3)对输入的不同类型和尺寸的螺纹量规，包括圆柱螺纹塞规、圆柱螺纹环规、圆柱光面塞规、圆柱光面环规、圆锥光面塞规、圆锥光面环规等，进行螺纹量规的参数化3D建模，以便反映任意输入的螺纹量规的三维尺寸。

(4)利用仪器中的ZL、Z0、X三个方向上的光栅传感器数据，确定当前探针的坐标。当操作模块操作方向键移动探针时，根据光栅传感器的坐标实时计算运动中的探针3D模型，动态合成夹具、探针、螺纹量规的三维场景模型。在计算机上操作移动探针，就可直接在3D模型场景中得到夹具、探针、螺纹量规的空间位置状态。

(5)操作模块切换观察视角时，视角变换模块对夹具、探针、螺纹量规的三维场景进行模型视图变换，以不同的角度显示探针和夹具、螺纹量规的位置关系。

(6)实时计算探针与螺纹量规和夹具的三维位置关系，当探针与螺纹量规和夹具的距离小于给定阈值时，主动进行预警提示。

一种螺纹测量仪器三维导航方法与系统，与目前螺纹测量仪器的人工导航方式相比，相有以下优点：

(1)不需要在计算机和仪器之间来回切换操作位置和观察位置，直接在计算机上操作移动探针就可在3D模型场景中得到夹具、探针、螺纹量规的空间位置状态，操作效率高。

(2)本发明通过参数化螺纹量规建模，可以实时计算探针和螺纹量规的距离关系，当距离过小时，可以及时发出预警，避免出现探针与螺纹量规碰撞而损坏的情况，可靠性高。

(3)采用3D模型视图变换技术，可以从各个角度观察三维模型场景，安全性高；对于测量内表面结构的的量规时，还可通过剖面视图观察探针在量规内部的位置情况。

本发明提供了一种测量仪器中扫描探针和测量量规的三维显示方法以及相关系统，用于直观、准确、多视角显示扫描探针与仪器夹具、测量量规的空间相对位置关系，实现三维空间下的准确导航，避免人工直接观察导航时容易发生扫描探针与夹具和量规发生碰撞而损坏。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种螺纹测量仪器三维导航方法，其特征在于：建立仪器夹具、探针、螺纹量规的三维模型场景，建立螺纹量规的参数化三维模型和探针的实时运动模型，直接在计算机上操作移动探针从而在三维模型场景中得到夹具、探针、螺纹量规的空间位置状态；

具体包括以下步骤：

S2、建立三维坐标系，仪器在设备定义的三个方向上的光栅传感器组成了仪器坐标系，光栅传感器的数据直接反映探针的位置，仪器坐标系的原点定义为三个光栅传感器的零点；

S6、切换观察视角时，三维视图变换模块对夹具、探针、螺纹量规的三维模型场景进行模型视图变换，以不同的角度和比例计算探针和夹具、螺纹量规的三维模型；

2.根据权利要求1所述的螺纹测量仪器三维导航方法，其特征在于：夹具坐标系原点事先用探针中心进行标定，每个夹具安装到仪器上后，其原点都对应一对仪器光栅数值(X_C、Y_C、Z_C)，当探针移动时，将仪器坐标系向夹具坐标系转换，以此得到探针在夹具坐标系中的实时位置。

3.根据权利要求1所述的螺纹测量仪器三维导航方法，其特征在于：在步骤S5中，以夹具坐标系为基准坐标系，将仪器探针、螺纹量规的三维坐标系都向夹具坐标系转换。

4.根据权利要求1所述的螺纹测量仪器三维导航方法，其特征在于：在步骤S7中，探针和夹具、螺纹量规三者的三维模型都由小三角面片组成，计算探针中心当前位置CurPinPos与夹具和螺纹量规的三维模型中每个三角面片Triangle的距离Dist，则探针与螺纹量规和夹具的接触距离D_pin即为其中的最小值：

D_pin＝min{Dist(CurPinPos,Triangle[i])},1≤i≤N

其中，N为三维模型中三角面片的数量；

5.一种螺纹测量仪器三维导航系统，其特征在于：用于实现如权利要求1至4中任一项所述的方法。

6.根据权利要求5所述的螺纹测量仪器三维导航系统，其特征在于：所述系统包括输入模块、操作模块、夹具和探针模型库、螺纹量规参数化建模模块、探针实时运动建模模块、三维场景合成模块、三维视图变换模块、导航预警计算模块、三维渲染显示模块；其中，

所述探针实时运动建模模块，获取仪器中的ZL、Z0、X三个方向上的光栅传感器数据，根据仪器设计参数计算出探针的当前位置，实时计算出运动中探针的三维模型；

所述三维视图变换模块，切换观察视角时，三维视图变换模块对夹具、探针、螺纹量规的三维场景进行模型视图变换，以不同的角度和比例计算探针和夹具、螺纹量规的三维模型；

7.一种螺纹测量仪器三维导航系统，其特征在于：包括可读存储介质，所述可读存储介质中存储有执行指令，所述执行指令被处理器执行时用于实现如权利要求1至4中任一项所述的方法。