CN113804121B

CN113804121B - 一种多工件轮廓实时测量方法及测量系统

Info

Publication number: CN113804121B
Application number: CN202110986879.1A
Authority: CN
Inventors: 王江涛; 邬梓健
Original assignee: East China Normal University
Current assignee: East China Normal University
Priority date: 2021-08-26
Filing date: 2021-08-26
Publication date: 2024-05-17
Anticipated expiration: 2041-08-26
Also published as: CN113804121A

Abstract

本发明公开了一种多工件轮廓实时测量方法，包括以下步骤：(1)首先获得待测物体的母线方程Z＝f(x)；(2)求出母线方程的微分f'(x)；(3)定义直角坐标系中测量点水平移动的步长x；(4)用公式计算当前测量点B/X/Z三轴对应的位置，并将计算结果即B/X/Z三轴位置信息添加到列表中；(5)移动单位步长到下一个测量点，重复步骤4、5直到遍历完所有测量点；(6)包含所有测量点对应的B/X/Z三轴位置信息的列表即该物体的测量轨迹。本发明还公开了一种实时三维回显模块的实现。本发明还公开了一种实现上述测量方法的系统。本发明提供的抽象轨迹规划算法克服了工件测量软件只能测量单一工件的缺点，满足了使用统一软件对多种工件进行测量的需求。

Description

一种多工件轮廓实时测量方法及测量系统

技术领域

本发明属于工业软件开发领域，涉及到运动轨迹规划、数据流传递以及数据实时三维显示技术。

背景技术

孔轴类工件是航空航天、造船、能源和电力等机械制造领域的典型零件，这类工件的孔、轴的匹配精度是影响动态平衡和燃油效率的关键技术指标之一，直接关系到零件性能和耐用性。

高质量、高精度的复杂零部件加工离不开高精度、高效率的检测技术。工件检测测量技术作为生产结果的保障显得越发重要。而高精度的测量技术不仅需要各种硬件设备的支持，比如光谱共焦传感器、激光干涉仪、光栅等光学仪器，还需要有专业集成软件与硬件进行配套工作。

常见的工件测量软件具有连接硬件设备、设置设备基础参数、控制机械臂设备进行移动测量、将测量数据导出到本地文件中等基础功能。然而传统的工件测量软件仍存在以下缺点：大多仅针对单一工件进行测量，比如航空叶片这种特定零部件，无法满足对多种工件的测量的需求，即无法做到对测量工件的灵活扩展。

另外当前工件测量软件大多仅实现了软件后台保存实时数据的功能，无法将当前测量的离散点信息实时地在软件界面中三维显示出来，不能让用户直观地查看当前测量进程；另外大多数工件测量软件还存在用户图形界面设计落后，用户体验较差的缺点。

因此在多工件测量、三维图像实时显示、UI界面等方面，工件测量软件还有较大的提升空间。

发明内容

为了解决当前工件测量软件存在的不足，本发明提供一种抽象的运动轨迹规划方法使得软件可以灵活扩展测量工件和软件界面中的三维实时显示的方法。

本发明的运动轨迹规划方法，即一种多工件轮廓实时测量方法，包括以下步骤：

步骤1：首先获得待测物体的母线方程Z＝f(x)。所述待测物体为形状规则的中心对称物体，包括拱形体和球体。

步骤2：求出母线方程的微分f'(x)。

步骤3：定义直角坐标系中测量点水平移动的步长x。令z＝0可得所述母线方程在X轴的坐标范围。

步骤4：分别使用以下公式计算当前测量点B/X/Z三轴对应的位置，并将计算结果即B/X/Z 三轴位置信息添加到列表中。

B:θ_b＝atan(f(x))，

X:x’＝x-(L+D)sin(θ_b)，

Z:z’＝z+(L+D)cos(θ_b)，

其中，L为光谱共焦传感器的镜头长度；D为光谱共焦传感器的读数，即镜头到工件表面的距离；x'为计算出的控制轴X的坐标信息；z'为计算出的控制轴Z的坐标信息；θ_b为计算出的旋转轴B的坐标信息；x为工件表面测量点的X轴坐标值；z为工件表面测量点的Z轴坐标值；

步骤5：移动单位步长到下一个测量点，重复步骤4、5直到遍历完所有测量点。

步骤6：包含所有测量点对应的B/X/Z三轴位置信息的列表即该物体的测量轨迹。

基于以上方法，本发明还提出了一种多工件轮廓实时测量系统，包括硬件测量设备和上位机。

所述硬件测量设备包括光谱共焦位移传感器、运动轴控制器、激光干涉仪等。

所述上位机包括设备管理模块、测量模块、三维回显模块。

所述设备管理模块管理运动轴控制器、光谱共焦传感器、激光干涉仪。

所述测量模块包括手动测量和多工件自动测量，所述多工件自动测量适用于拱形体与球体。

所述三维回显模块中包括实时三维回显以及历史测量数据的三维回显，并且将数据保存至本地。

本发明的实时三维回显模块的实现包括以下几个步骤：

步骤1：在程序的视图设计代码中声明Echarts控件。

步骤2：在自动测量过程中，各个硬件设备(包括运动轴控制器、光谱共焦传感器、激光干涉仪)产生的实时数据会被传递给集中处理数据的Handler，该Handler将各设备产生的数据代入以下计算公式中，计算出该组数据在柱坐标系中对应离散点的坐标。

θ＝c

Z＝z+z_i+d_z+(L+d)×cos(b)

其中，θ、R、Z分别代表离散点在柱坐标中的角度值、柱坐标中的半径、Z轴坐标值；x,z,b,c 代表X,Z,D,C四个运动轴控制器读数，x_i,d_x,z_i,d_z分别代表X轴干涉仪读数与补偿值和Z干涉仪读数与补偿值，d代表光谱共焦传感器读数，L代表传感器镜头有效回转半径。x_i中的i 没有特殊含义。

步骤3：将计算出的坐标使用Prism的订阅发布机制实时发送给显示层Handler，该Handler 会接收数据并调用相关Web控件的前端代码，该前端代码会初始化Echarts控件，在界面中画出自定义的空间直角坐标系，将离散点实时显示到软件界面上的控件中。并将实时数据保存到本地文件中。

本发明的有益效果在于：

1.本发明提供的抽象轨迹规划算法克服了工件测量软件只能测量单一工件的缺点，只需要动态的添加符合规则的中心对称零件的母线方程，本发明系统会根据运动轨迹规划方法输入母线方程后计算出各控制轴(X，Z，B轴)在该工件表面各测量点的位置坐标数据，系统会根据规划的坐标数据启动自动测量流程，自动移动控制轴完成工件测量。另外在运动轨迹规划方法代码实现中，通过使用设计模式中的策略模式与具体单一工件进行解耦，实现了高度抽象，满足了使用统一软件对多种工件进行测量的需求。

2.三维回显模块对当前测量物体进行实时建模，使得操作用户能更及时直观的了解当前测量的状态以及测量结果，当测量出现差错时，用户可以立即从实时三维图中得到反馈，避免了后续一系列错误的出现，大大提高了工件的测量效率与准确率。

3.对比传统的工件测量软件，本发明全新设计了用户图形界面，简约美观，使得用户操作更简便、流畅。

附图说明

图1是测量工件(拱形体)在z-x坐标系下的母线方程其中，左上角长方形和三角形的组合图形表示光谱共焦传感器，控制轴可以控制它进行三个方向的移动，即X方向、Z方向、以及在当前平面逆时针方向，故轨迹规划就是计算当前测量点对应的X/Z/B 三个控制轴的位置。

图2是本发明实时三维回显模块的实现的数据流示意图。

图3是本发明系统整体示意图，由硬件测量设备和上位机组成。

图4是本发明系统上位机运行的多工件轮廓实时测量系统软件功能示意图。

图5是测量半球体时软件中三维回显模块的截图，即对测量点的实际显示效果。

具体实施方式

结合以下具体实施例和附图，对发明作进一步的详细说明。实施本发明的过程、条件、实验方法等，除以下专门提及的内容之外，均为本领域的普遍知识和公知常识，本发明没有特别限制内容。

本发明适用形状规则的中心对称物体，比如拱形体、球体等。

实施例1

以拱形体为例，测量时使用的拱形体的母线方程为如图1中所示，直角坐标系中，设X轴移动的步长是1mm，令z＝0可得坐标X的范围[-120,120]，以x＝0为例，将x＝0代入本发明运动轨迹规划方法步骤4中的公式中，可以得到三元组(θ,Z,X)的值是(0,0,0)，即轨迹规划的第一个点对应的B、Z、X三轴的具体位置，再移动x单位步长，计算第二个点对应的三轴具体位置，循环该过程，直到x移动到120边界为止，就已经计算出针对该拱形体从上致下每一层对应的三个控制轴X/Z/B的具体位置信息，返回一个包含所有三元组的列表，即完成了对该拱形体的轨迹规划，自动测量时三个控制轴X/Z/B根据测量流程逻辑不断移动到列表中各个三元组代表的位置上即可完成对该物体的自动测量。

实施例2

以球体为例，测量用到的球体的母线方程为令z＝0可以得到x∈ [-44,44]，后续流程包括：以x＝0为例，将x＝0代入本发明运动轨迹规划方法步骤4中的公式中，可以得到三元组(θ,Z,X)的值是(0,0,0)，即轨迹规划的第一个点对应的B、Z、X三轴的具体位置，再移动x单位步长，计算第二个点对应的三轴具体位置，循环该过程，直到x 移动到44边界为止，就已经计算出针对该球体从上致下每一层对应的三个控制轴X/Z/B的具体位置信息，返回一个包含所有三元组的列表，即完成了对该球体的轨迹规划，自动测量时三个控制轴X/Z/B根据测量流程逻辑不断移动到列表中各个三元组代表的位置上即可完成对该物体的自动测量。

实施例3

三维实时显示功能，在自动测量过程中，获取的实时数据不仅会保存到本地文件中，还会被发送到处理数据的Handler中，而其间的数据传输是使用Prism框架发布/订阅模式来传递的，首先发布方和订阅方定义好统一的数据传输格式，比如double[]类型，发布方不断调用发布函数传送实时数据，接收方则使用回调函数触发式接收数据并进行处理，该模式实现了发布方和订阅方的解耦。Handler的逻辑为将接收到的数据进行计算，得出当前测量的离散点在空间直角坐标系下的坐标(x,y,z)，并通过发布订阅模式将坐标传送给维护三维显示UI控件的底部代码中，底部代码再调用前端代码将坐标推送给UI控件的空间直角坐标系中。

实施例4

如图2所示，在进行自动测量过程中，各个硬件部分会实时产生测量数据，如图中的数据1、数据2、数据3，产生的数据会被采集并发送给Handler，该Handler其中一个作用是将三种数据集中处理计算，将计算结果发送给前端代码，在由前端代码初始化三维控件，并将计算结果发送到三维控件中实时显示，另一个作用是将三种数据集中、同步发送给界面进行实时显示，最后一个作用是将实时数据保存到本地文件中。

本发明的保护内容不局限于以上实施例。在不背离发明构思的精神和范围下，本领域技术人员能够想到的变化和优点都被包括在本发明中，并且以所附的权利要求书为保护范围。

Claims

1.一种多工件轮廓实时测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：首先获得待测物体的母线方程Z＝f(x)，所述待测物体为形状规则的中心对称物体，包括：拱形体和球体；

步骤2：求出母线方程的微分f'(x)；

步骤3：定义直角坐标系中测量点水平移动的步长x，令z＝0可得所述母线方程在X轴的坐标范围；

步骤4：分别使用以下公式计算当前测量点B/X/Z三轴对应的位置，并将计算结果即B/X/Z三轴位置信息添加到列表中：

B:θ_b＝atan(f′(x))，

X:x′＝x-(L+D)sin(θ_b)，

Z:z′＝z+(L+D)cos(θ_b)，

步骤5：移动单位步长到下一个测量点，重复步骤4、5直到遍历完所有测量点；

2.一种多工件轮廓实时测量系统，其特征在于，采用如权利要求1所述的多工件轮廓实时测量方法，所述系统包括硬件测量设备和上位机；

所述硬件测量设备包括光谱共焦传感器、运动轴控制器、激光干涉仪；

所述上位机包括设备管理模块、测量模块、三维回显模块。

3.根据权利要求2所述的多工件轮廓实时测量系统，其特征在于，所述设备管理模块管理运动轴控制器、光谱共焦传感器、激光干涉仪；

所述测量模块包括手动测量和多工件自动测量，所述多工件自动测量适用于拱形体与球体；

4.根据权利要求2所述的多工件轮廓实时测量系统，其特征在于，三维回显模块的实现方法包括以下步骤：

步骤1：在程序的视图设计代码中声明Echarts控件；

步骤2：在自动测量过程中，各个硬件设备产生的实时数据会被传递给集中处理数据的Handler，所述Handler将各设备产生的数据代入以下计算公式中：

θ＝c，

Z＝z+z_i+d_z+(L+d)×cos(b)，

其中，θ、R、Z分别代表离散点在柱坐标中的角度值、柱坐标中的半径、Z轴坐标值；x,z,b,c代表X,Z,D,C四个运动轴控制器读数，x_i,d_x,z_i,d_z分别代表X轴干涉仪读数与补偿值、Z轴干涉仪读数与补偿值，d代表光谱共焦传感器读数，L代表传感器镜头有效回转半径；

计算出该组数据在柱坐标系中对应离散点的坐标；所述硬件设备包括运动轴控制器、光谱共焦传感器、激光干涉仪；

步骤3：将计算出的坐标使用Prism的订阅发布机制实时发送给显示层Handler，所述Handler会接收数据并调用相关Web控件的前端代码，该前端代码初始化Echarts控件，在界面中画出自定义的空间直角坐标系，将离散点实时显示到软件界面上的控件中，并将实时数据保存到本地文件中。