CN114279301A - 基于深矢高工件的内壁测量系统以及测量方法 - Google Patents

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CN114279301A CN202111619678.4A CN202111619678A CN114279301A CN 114279301 A CN114279301 A CN 114279301A CN 202111619678 A CN202111619678 A CN 202111619678A CN 114279301 A CN114279301 A CN 114279301A
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陈远流
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Zhejiang University ZJU
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Abstract

本发明属于涉及一种深矢高工件内壁全面形测量方法，具体涉及一种使用双传感器对内壁不同区域分别测量进而进行面形拼接的深矢高工件内壁全面形测量方案与测量系统，包括：水平底座，其上设有XY定位平台，XY定位平台包括X方向移动的X向运动平台以及Y方向移动的Y向运动平台；转台，设置在XY定位平台上，用于绕Z向旋转；工件座，设置在所述转台上，用于放置深矢高工件；竖直底座，其上设有Z方向移动的Z向运动平台；侧向计，设置在所述Z向运动平台上，用于对深矢高工件的内壁侧壁进行测量；以及轴向计，设置在所述Z向运动平台上用于对深矢高工件的内壁底壁进行测量。本专利结合侧向计与轴向计对深矢高工件进行内壁壁形的测量，该测量结构以及测量方式不受光纤影响，且针对各种尺寸不同的深矢高工件均可以达到测量目的。

Description

基于深矢高工件的内壁测量系统以及测量方法
技术领域
本发明属于涉及一种深矢高工件内壁全面形测量方法，具体涉及一种使用双传感器对内壁不同区域分别测量进而进行面形拼接的深矢高工件内壁全面形测量方案与测量系统。
背景技术
深矢高工件广泛应用于航空航天、核物理等领域的精密装备中。由于其独特的几何形状和特定功能，其发挥着其他单独或组装件难以替代的作用。同时，由于其关键位置，在这些超精密装备的装配过程中，其几何和轮廓误差会导致更大的装配误差，进而降低设备精度与可靠性。因而，随着我们对这些超精密设备的性能要求越来越严格，我们对于对深矢高工件的要求也越来越高，尤其是对于其内壁几何尺寸精度和内部轮廓质量。
目前，这些深矢高工件主要通过高精度机床加工，如快速刀具伺服(FTS)。在加工过程中，由于复杂的控制过程与加工工艺和严苛的环境要求，加工过程容易被环境、材料等异常因素影响，进而导致深矢高工件的缺陷的产生，降低深矢高工件的加工质量。因此，为保证深矢高工件的几何尺寸精度和轮廓质量及其一致性，进一步通过二次加工提高工件的质量，需要准确评估深矢高工件的内壁几何尺寸和内壁轮廓质量。
然而，目前测量方法主要针对深矢高工件的外壁测量，现有的测量方案如三坐标测量机，由于其探头太大不能测量内壁底部且测量效率低下、光学测量手段存在光路干涉或测量角度太大等不能达到内壁全面形测量的要求。对此，需要一种可以对深矢高工件的内壁全面形测量的检测方案。
发明内容
本发明的目的是提供一种针对现有测量方法不能实现对与深矢高工件内壁进行完整测量的需求，所设计的一种使用双传感器对内壁不同区域分别测量进而进行面形拼接的深矢高工件内壁全面形测量方案与测量系统。
本发明的目的是这样实现的：
基于深矢高工件的内壁测量系统，包括：
水平底座，其上设有XY定位平台，XY定位平台包括X方向移动的X向运动平台以及Y方向移动的Y向运动平台；
转台，设置在XY定位平台上，用于绕Z向旋转；
工件座，设置在所述转台上，用于放置深矢高工件；
竖直底座，其上设有Z方向移动的Z向运动平台；
侧向计，设置在所述Z向运动平台上，用于对深矢高工件的内壁侧壁进行测量；以及
轴向计，设置在所述Z向运动平台上用于对深矢高工件的内壁底壁进行测量。
进一步地，还包括第一构件空间姿态调整装置，设置在所述转台与所述工件座之间，用于驱动所述工件座绕X向旋转或/和绕Y向旋转。
进一步地，所述第一构件空间姿态调整装置包括两个分别绕所述X向旋转与绕所述Y向旋转的第一角位台。
进一步地，还包括两个第二空间姿态调整装置，其设置在所述Z向运动平台上；所述侧向计和轴向计分别设置在对应的所述第二空间姿态调整装置上；第二空间姿态调整装置用于驱动所述侧向计和轴向计绕X向旋转或/和Z向旋转。
进一步地，所述第二构件空间姿态调整装置包括两个分别绕所述X向旋转与绕所述Z向旋转的第二角位台。
进一步地，所述侧向计与轴向计均包括测量杆，以及设置在测量杆末端上的测量球。
基于深矢高工件的内壁测量方法，用于上述的基于深矢高工件的内壁测量系统中，包括：
步骤(1)矫正侧向计与轴向计至竖直状态；
步骤(2)矫正工件座使所述深矢高工件处于水平状态；
步骤(3)通过使侧向计沿深矢高工件的母线抵靠在深矢高工件内壁侧壁上移动，来测量深矢高工件内壁侧壁的面形；通过使轴向计沿深矢高工件的母线底座在深矢高工件轴内壁底壁上移动，来计测量深矢高工件内壁底壁的面形；
步骤(4)拼接内壁侧壁的面形与内壁底壁的面形得到完整的深矢高工件面形。
进一步地，所述侧向计与轴向计具有测量球，通过测量球抵靠在深矢高工件的内壁上；在步骤(3)的过程中，存在测量球轨迹，并在测量球轨迹上存在点坐标PAi(x0，yAi，zAi)，该点相对坐标系存在斜率kAi与对应倾角θAi；根据斜率kAi与对应倾角θAi计算得到测量球在θAi角度下的半径；根据一一映射关系，可以得到对应点坐标PAi(x0，yAi，zAi)的内壁侧壁点坐标PAi′(x0′，yAi′，zAi′)；通过计算多个点坐标PAi(x0，yAi，zAi)相对应的内壁侧壁点坐标PAi′(x0′，yAi′，zAi′)，来得到连续的内壁侧壁的面形；
在步骤(3)的过程中，在步骤(3)的过程中，存在测量球轨迹，并在测量球轨迹上存在点坐标PBi(x0，yBi，zBi)，该点相对坐标系存在斜率kBi与对应倾角θBi；根据斜率kBi与对应倾角θBi计算得到测量球在θBi角度下的半径；根据一一映射关系，可以得到对应点坐标PBi(x0，yBi，zBi)的内壁侧壁点坐标PBi′(x0′，yBi′，zBi′)；通过计算多个点坐标PBi(x0，yBi，zBBi)相对应的内壁侧壁点坐标PBi′(x0′，yBi′，zBi′)，来得到连续的内壁侧壁的面形。
进一步地，所述步骤(1)包括基于标准球进行侧向计或轴向计空间倾角的校正，其包括步骤：
步骤(1.1)在工件座上设置标准球；
步骤(1.2)寻找第一基准面；第一基准面为标准球上的中心面，且所述第一基准面与三维坐标系中某一平面相平行；
步骤(1.3)驱动侧向计或轴向计抵靠在所述第一基准面的外轮廓上，并沿所述第一基准面的外轮廓直线运动；记录侧向计或轴向计移动过程中测量值最小的第一位置，和距离第一位置一定距离的第二位置，并分别记录最小测量值与测量值；
步骤(1.4)根据最小测量值与测量值计算侧向计或轴向计与第一基准轴的空间倾角αA；所述第一基准轴与所述第一基准面垂直设置；
步骤(1.5)根据所述空间倾角αA数值驱动第二构件空间姿态调整装置校正所述侧向计或轴向计与第一基准轴的角度差。
进一步地，步骤(1.4)中的计算方法包括：
在侧向计或轴向计运动过程中存在第一位置测量边ZA0OA0、第二位置测量边ZAnOAn、直角三角形OAQAOAn与直角三角形OAnTAPA，所述空间倾角αA为∠PAOAnTA；其中，所述第一位置测量边ZA0OA0的数值为SA0，第二位置测量边ZAnOAn的数值为SAn；
在直角三角形OAQAOAn中，点OA为标准球圆心，点OAn为第二位置ZAn上侧向计或轴向计的测量球的圆心，点QA为点OA横向延伸边与点OAn竖向延伸边的交点；
在直角三角形OAnTAPA中，点PA为第一位置ZAn上侧向计或轴向计的测量球圆心竖向延伸边与第二位置测量边ZAnOAn的交点，点TA为点OAn在边TAOA0上的垂点；
根据公式(1)-(5)计算∠PAOAnTA；其中，所述R为标准球半径，rA为测量球半径。
O<sub>An</sub>P<sub>A</sub>＝S<sub>An</sub>-S<sub>A0</sub> (1)
O<sub>A</sub>O<sub>An</sub>＝R+r<sub>A</sub>O<sub>A</sub>O<sub>An</sub>＝R+r<sub>A</sub> (2)
O<sub>A</sub>Q<sub>A</sub>＝O<sub>A</sub>O<sub>A0</sub>-Q<sub>A</sub>O<sub>A0</sub>＝O<sub>A</sub>O<sub>A0</sub>-O<sub>An</sub>T<sub>A</sub>＝R+r<sub>A</sub>-(S<sub>An</sub>-S<sub>A0</sub>)×cosα<sub>A</sub> (3)
Q<sub>A</sub>O<sub>An</sub>＝T<sub>A</sub>O<sub>A0</sub>＝P<sub>A</sub>O<sub>A0</sub>-P<sub>A</sub>T<sub>A</sub>＝Z<sub>An</sub>-Z<sub>A0</sub>-(S<sub>An</sub>-S<sub>A0</sub>)×sinα<sub>A</sub> (4)
|O<sub>A</sub>O<sub>An</sub>|<sup>2</sup>＝|O<sub>A</sub>Q<sub>A</sub>|<sup>2</sup>+|Q<sub>A</sub>O<sub>An</sub>|<sup>2</sup> (5)
进一步地，所述步骤(1)还包括，基于标准球测量侧向计或轴向计中测量球的圆度，其包括步骤
步骤(1.6)在工件座上设置标准球；
步骤(1.7)寻找第二基准面；第二基准面为标准球上的中心面，且所述第二基准面与三维坐标系中某一平面相平行；
步骤(1.8)驱动侧向计或轴向计抵靠在所述第二基准面的外轮廓上，并沿所述第二基准面的外轮廓直线运动；记录侧向计或轴向计移动过程中测量值最小的第一位置，和若干距离第一位置一定距离的第二位置，并分别记录最小测量值与测量值；
步骤(1.9)根据最小测量值与若干测量值计算不同位置下测量球的半径rAi，并整合测量球的半径rAi得到测量球的圆度。
进一步地，其特征在于，步骤(1.9)中的计算方法包括：
在侧向计或轴向计运动过程中存在直角三角形OAQAiOAi，在点直角三角形OAQAiOAi，点OA为测量球的圆心，点OAi为第二位置ZAi处测量球的圆心，经过点OA存在直线OAZA0，所述QAi为点OAi在直线OAZA0上的垂点；。
根据公式(6)-(10)计算测量球半径rAi；其中，所述θAi为∠OAiOAQAi。
Figure BDA0003437484080000061
Figure BDA0003437484080000071
进一步地，所述步骤(2)包括，基于校正后的侧向计或轴同计进行工件座空间倾角的校正，其包括：
步骤(2.1)在工件座上放置深矢高工件；
步骤(2.2)驱动轴向计在深矢高工件内的z1′高度朝X方向运动，寻找测量值最大的点P1′，并记录其坐标值(x1′，y1′，z1′)；驱动轴向计在深矢高工件内的z2′高度朝X方向运动，寻找测量值最大的点P2′，并记录其坐标值(x2′，y2′，z2′)；
驱动轴向计在深矢高工件内的z3′高度朝Y方向运动，寻找测量值最大的点P3′，并记录其坐标值(x3′，y3′，z3′)；驱动轴向计在深矢高工件内的z2′高度朝Y方向运动，寻找测量值最大的点P4′，并记录其坐标值(x4′，y4′，z4′)。
步骤(2.3)根据公式(11)、(12)计算工件座绕X向的倾角θα和绕Y向的倾角θb；
Figure BDA0003437484080000072
进一步地，所述步骤(4)包括：根据内壁侧壁面形与内壁底壁面形的坐标关系，确定两个面形之间的重叠区域，到两个测量面形的坐标变化矩阵；而后对整个测量面形进行坐标变化，来得到深矢高工件内壁的完整面形。
本发明相比现有技术突出且有益的技术效果是：
本专利结合侧向计与轴向计对深矢高工件进行内壁壁形的测量，该测量结构以及测量方式不受光纤影响，且针对各种尺寸不同的深矢高工件均可以达到测量目的。此外，本专利驱动六自由度运动平台进行工件座、侧向计以及轴向计的前一步矫正，有效增加对深矢高工件检测的准确性。
附图说明
图1是内壁测量系统的结构示意图。
图2(a)是侧向计空间倾角的校正的示意图。
图2(b)是轴向计空间倾角的校正的示意图。
图3(a)是测量侧向计测量球圆度的示意图。
图3(b)是测量轴向计中测量球圆度的示意图。
图4是测量球圆度测量结果的示意图。
图5(a)是侧向计进行工件座空间倾角校正时的顶部示意图。
图5(b)是侧向计进行工件座空间倾角校正时的立体示意图。
图6是深矢高工件的内壁检测过程的示意图。
图7(a)是侧向计检测深矢高工件内壁面时的示意图。
图7(b)是轴向计检测深矢高工件内壁面时的示意图。
图中标号所表示的含义：
101、竖直底座；102、Z向运动平台；103、水平底座；104、Y向运动平台；105、X向运动平台；106、转台；107、第一构件空间姿态调整装置；108、工件座；109、深矢高工件；110、第二构件空间姿态调整装置；111、侧向计；112、轴向计；201、标准球；202、测量球。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步描述：
本发明的实施例涉及一种使用双传感器对内壁不同区域分别测量进而进行面形拼接的深矢高工件内壁全面形测量方案与测量系统，适用于信息电子、航空航天、新能源、生物医疗等以超精密加工与测量产品作为关键部件的领域。
本实施例中的基于深矢高工件的内壁测量系统包括：
工件座108，用于放置深矢高工件109；
侧向计111，用于对深矢高工件109的内壁侧壁进行测量
轴向计112，用于对深矢高工件109的内壁底壁进行测量；
六自由度运动平台，六自由度运动平台上安装有所述工件座108、侧向计111以及轴向计112，用于驱动工件座108相对侧向计111或轴向计112进行六自由度运动。
本专利中的所述六自由度运动平台包括有水平底座103和竖直底座101，水平底座103用于安装工件座108，所述竖直底座101用于安装侧向计111和轴向计112。
具体如图1所示，所述水平底座103上包括有水平底板，底板上由下至上依次按有X向运动平台105、Y向运动平台104、转台106、第一构件空间姿态调整装置107以及所述工件座108，具体来说，X向运动平台105为X向滑轨装置，Y向运动平台104为Y向滑轨装置，用来所述转台106设置在Y形滑轨装置的上方，其分别用来驱动工件座108朝X向移动，朝Y向移动，绕Z向转动；所述第一构件空间姿态调整装置107可以为两个叠设在一起的第一角位台，于该第一角位台上设有工件座108，两个第一角位台分别用来带动工件座108绕X向与Y向方向转动。
所述竖直底座101置于所述水平底座103的一侧，包括与水平底板垂直设置的竖直底板，竖直底板设有Z向运动平台102以及两个第二构件空间姿态调整装置110，两个第二构件空间姿态调整装置110分别安装有所述侧向计111与轴向计112。所述Z向运动平台102具体为一Z向滑轨装置，由于两个第二构件空间姿态调整装置110安装在Z向滑轨装置上方，在Z向滑轨装置工作时会同时带动侧向计111与轴向计112升降，通过改变侧向计111与轴向计112的高度位置，相对改变工件座108与侧向计111或轴向计112之间的相对位置，也就实现了工件座108Z向调整。所述第二构件空间姿态调整装置110设有两个，两个第二构件空间姿态调整装置110分别用于驱动所述侧向计111和轴向计112绕Z向、X向转动，并通过侧向计111或轴向计112的绕Z向转动来使工件相对其转动；所述第二构件空间姿态调整装置110具体包括两个分别绕所述X向旋转与绕所述Z向旋转的第二角位台。结合上述竖直底座101、水平底座103以及竖直底座101、水平底座103上的部件，实现对工件座108六自由度的调整。
本专利中的侧向计111通过抵接在深矢高工件109内壁侧壁进行读数，其末端设有接触深矢高工件109内壁的抵杆，抵杆会随着被深矢高工件109内壁侧壁的形状变化而摆动或是伸缩，侧向计111会记载不同情况下抵杆摆动后或伸缩后的读数，以此体现深矢高工件109内壁侧壁的形状。同理，本专利中的轴向计112抵接在深矢高工件109内壁底壁进行读数，其末端设有接触深矢高工件109内壁底壁的抵杆会随着被抵接物表面的形状变化而伸缩，侧向计111会记载不同情况下抵杆伸缩后的读数，以此体现深矢高工件109内壁底壁的形状。此外，在抵杆的末端都会设有测量球202，测量球202用于保证侧向计111与深矢高工件109内壁顺滑抵接；相应地，设置测量球202会倒置侧向计111与轴向计112的读数是从测量球202圆心开始到抵杆的另一端上。
本专利中的深矢高工件109在进行测量前，为保证测量的准确性，需要进行六自由度运动平台的校正，以求工件座108、侧向计111以及轴向计112局处于竖直水平状态。在所有矫正都完成后，再进行深矢高工件109109的内壁测量，其方法包括通过使侧向计111沿深矢高工件109的母线抵靠在深矢高工件109内壁侧壁上移动，来测量深矢高工件109内壁侧壁的面形；通过使轴向计112沿深矢高工件109的母线底座在深矢高工件109轴内壁底壁上移动，来计测量深矢高工件109内壁底壁的面形；拼接内壁侧壁的面形与内壁底壁的面形得到完整的深矢高工件109面形。其拼接方法可以采用点云拼接算法拼接两个测量到的面形。
因此，本专利还包括一基于深矢高工件109内壁测量的矫正方法，其包括：
步骤(1)矫正侧向计111与轴向计112至竖直状态；
步骤(2)矫正工件座108使所述深矢高工件109处于水平状态。
其中，所述步骤(1)包括基于标准球201进行侧向计111或轴向计112空间倾角的校正，其包括；
步骤(1.1)在工件座108上设置标准球201；
步骤(1.2)寻找第一基准面；第一基准面为标准球201上的中心面，且所述第一基准面与三维坐标系中某一平面相平行；
步骤(1.3)驱动侧向计111或轴向计112抵靠在所述第一基准面的外轮廓上，并沿所述第一基准面的外轮廓直线运动；记录侧向计111或轴向计112移动过程中测量值最小的第一位置ZA0，和距离第一位置ZA0一定距离的第二位置ZAn，并分别记录最小测量值SA0与测量值SAn；
步骤(1.4)根据最小测量值SA0与测量值SAn计算侧向计111或轴向计112与第一基准轴的空间倾角αA；所述第一基准轴与所述第一基准面垂直设置；
步骤(1.5)根据空间倾角αA数值驱动第二构件空间姿态调整装置110校正所述侧向计111或轴向计112与第一基准轴的角度差。
如图2(a)所示，以侧向计111校正为例，在工件座108上设置标准球201后，与测量计运动方向相对应的平面为YZ平面，此时所述第一基准面为标准球201中与所述YZ平面平行的中心面；通过使所述侧向计111于其右边抵接并朝Z方向运动，来找移动过程中测量值最小的第一位置ZA0并记载其最小值SA0；而后使侧向计111继续朝Z方向移动，直到侧向计111测量值接近其量程最大值后停止，并记载第二位置ZAn以及相对应的测量值SAn；将侧向计111测量值接近其量程最大值的位置设置为第二位置ZAn度的好处在于增加测量范围，有助于提高读数的稳定性。
在得到最小测量值SA0与测量值SAn以及相对应的第一位置ZA0与第二位置ZAn后，可以通过勾股定律计算侧向计111与X轴的空间倾角αA。如图2(a)所示，在侧向计111或轴向计112运动过程中存在第一位置测量边ZA0OA0、第二位置测量边ZAnOAn、直角三角形OAQAOAn与直角三角形OAnTAPA，此时所述空间倾角αA为∠PAOAnTA；其中，所述第一位置测量边ZA0OA0的数值为SA0，第二位置测量边ZAnOAn为的数值为SAn；
在直角三角形OAQAOAn中，点OA为标准球201圆心，点OAn为第二位置ZAn上侧向计111或轴向计112的测量球202某一中心面的圆心，点QA为点OA横向延伸边与点OAn竖向延伸边的交点；
在直角三角形OAnTAPA中，点PA为第一位置ZAn上侧向计111或轴向计112的测量球202圆心竖向延伸边与第二位置测量边ZAnOAn的交点，点TA为点OAn在边TAOA0上的垂点；
而后，根据公式(1)-(5)，通过解方程组的方式计算∠PAOAnTA；其中，所述R为标准球201半径，rA为测量球202半径，均为已知量。
O<sub>An</sub>P<sub>A</sub>＝S<sub>An</sub>-S<sub>A0</sub> (1)
O<sub>A</sub>O<sub>An</sub>＝R+r<sub>A</sub> (2)
O<sub>A</sub>Q<sub>A</sub>＝O<sub>A</sub>O<sub>A0</sub>-Q<sub>A</sub>O<sub>A0</sub>＝O<sub>A</sub>O<sub>A0</sub>-O<sub>An</sub>T<sub>A</sub>＝R+r<sub>A</sub>-(S<sub>An</sub>-S<sub>A0</sub>)×cosα<sub>A</sub> (3)
Q<sub>A</sub>D<sub>An</sub>＝T<sub>A</sub>O<sub>A0</sub>＝P<sub>A</sub>O<sub>A0</sub>-P<sub>A</sub>T<sub>A</sub>＝Z<sub>An</sub>-Z<sub>A0</sub>-(S<sub>An</sub>-S<sub>A0</sub>)×sinα<sub>A</sub> (4)
|O<sub>A</sub>O<sub>An</sub>|<sup>2</sup>＝|O<sub>A</sub>Q<sub>A</sub>|<sup>2</sup>+|Q<sub>A</sub>O<sub>An</sub>|<sup>2</sup> (5)
在得到空间倾角αA后，通过调整侧向计111上的第二空间姿态调整装置消除空间倾角αA，最终使侧向计111的拨杆在标准球201的YZ面上与X轴平行，参考图3中的侧向计111状态。消除空间倾角αA后，可使得侧向计111的读数保持一致，以此提高准确性。
在侧向计111以YZ面为第一基准面调整侧向计111与X轴的空间倾角αA后，还应当以XY为第一基准面调整侧向计111与Z轴的的空间倾角αA，这是因为侧向计111在实际工作过程中，其竖直动作来进行测量，因此在侧向计111校正时，只需要调整侧向计111与X轴与Z轴的空间倾角αA即可。以XY面进行调整的方式与以YZ面一致，本专利不在做赘述。
如图2(b)所示，当矫正轴向计112时，同样采用标准球201的YZ面为第一基准面，通过使轴向计112在标准球201的上方朝Y方向运动，来找移动过程中测量值最小的第一位置YB0并记载其最小值SB0；而后使轴向计112继续朝Y方向移动，直到轴向计112测量值接近其量程最大值后停止，并记载第二位置YBn以及相对应的测量值SBn；
结合图2(b)所示，根据公式(6)-(9)计算轴向计112与X轴的空间倾角αB。此外，轴向计112以YZ面为第一基准面调整空间倾角αB后，还应当以XZ面为第一基准面调整轴向计112与Y轴的空间倾角αB，这是因为轴向计112在实际工作过程中，其水平移动来进行深矢高工件的测量，因此在轴向计112校正时，只需要调整轴向计112与X轴与Y轴的空间倾角αA即可。以XZ面进行调整的方式与以YZ面一致，本专利不在做赘述。
O<sub>B</sub>O<sub>Bn</sub>＝R+r<sub>B</sub> (6)
O<sub>B</sub>Q<sub>B</sub>＝O<sub>B</sub>O<sub>B0</sub>-Q<sub>B</sub>O<sub>B0</sub>＝O<sub>B</sub>O<sub>B0</sub>-O<sub>Bn</sub>T<sub>B</sub>＝R+r<sub>B</sub>-(S<sub>Bn</sub>-S<sub>B0</sub>)×cosα<sub>B</sub> (7)
Q<sub>B</sub>O<sub>Bn</sub>＝T<sub>B</sub>O<sub>B0</sub>＝P<sub>B</sub>O<sub>B0</sub>-P<sub>B</sub>T<sub>B</sub>＝Y<sub>Bn</sub>-Y<sub>B0</sub>-(S<sub>Bn</sub>-S<sub>B0</sub>)×sinα<sub>B</sub> (8)
|O<sub>B</sub>O<sub>Bn</sub>|<sup>2</sup>＝|O<sub>B</sub>Q<sub>B</sub>|<sup>2</sup>+|Q<sub>B</sub>O<sub>Bn</sub>|<sup>2</sup> (9)
本实施例中，侧向计111与轴向计112的空间倾角可通过多次重复计算，使其收敛至一个较小的阈值，如0.1度，此时侧向计111与轴向计112的空间倾角调整完毕。
进一步地，所述步骤(1)还包括，基于标准球201测量侧向计111或轴向计112中测量球202的圆度，其包括步骤：
(1.6)工件座108上设置标准球201；
(1.7)寻找第二基准面；第二基准面为标准球201上的中心面，且所述第二基准面与三维坐标系中某一平面相平行；
(1.8)驱动侧向计111或轴向计112抵靠在所述第二基准面的外轮廓上，并沿所述第二基准面的外轮廓直线运动；记录侧向计111或轴向计112移动过程中测量值最小的第一位置ZA0，和若干距离第一位置ZA0一定距离的第二位置ZAi，并分别记录最小测量值SA0与测量值SAi；
(1.9)根据最小测量值SA0与若干测量值SAi计算不同位置下测量球202的半径rAi，并整合测量球202的半径rAi得到测量球202的圆度。
如图3(a)所示，以侧向计111为例，同样与侧向计111运动方向相对应的平面为YZ平面，此时标准球201上与YZ面平行的中线面为第二基准面，通过使所述侧向计111于其右边抵接并朝Z方向运动，来找移动过程中测量值最小的第一位置ZA0并记载其最小值SA0；而后使侧向计111继续朝Z方向移动，直到侧向计111测量值接近其量程最大值后停止，并记载第二位置ZAi，以及相对应的测量值SAi。
此时，在侧向计111或轴向计112运动过程中存在直角三角形OAQAiOAi，在点直角三角形OAQAiOAi，点OA为测量球202某一中心面的圆心，点OAi为第二位置ZAi处测量球202的圆心，经过点OA存在直线OAZA0，所述QAi为点OAi在直线OAZA0上的垂点；
根据公式(10)-(14)计算测量球202半径rAi；其中，所述θAi为∠OAiOAQAi，R为标准球201半径，rAi为侧向计111测量球202接触点处半径，θAi为测量球202接触点相比最初点的角度，通过方程求解可饿到侧向计111在角度为θAi处的半径rAi，通过整合多个第二位置ZAi，来得到完整、连续的测量球202圆度轮廓。
Figure BDA0003437484080000161
由于本专利中的侧向计111上设有测量球202，会导致侧向计111检测深矢高工件109时，其检测出的轮廓是测量球202轨圆心的轨迹，而并非深矢高工件109的轮廓；为此需要检测测量球202圆度轮廓用于在侧向计111检测深矢高工件109时，根据测量球202的圆度轮廓来映射出深矢高工件109的内壁轮廓。如图4所示，正常情况下，侧向计111在测量过程中仅用到约一百二十度测量面，因此在检测测量球202的圆度轮廓时，只需要确定约一百二十度测量球202表面轮廓，即可满足工作需要。
如图3(b)所示，与侧向计111同理，当检测轴向计112的圆度轮廓时，同样与轴向计112运动方向相对应的平面为YZ平面，通过使轴向计112朝Y方向运动，来找移动过程中测量值最小的第一位置YB0并记载其最小值SB0；而后使轴向计112继续朝Y方向移动，直到轴向计112测量值接近其量程最大值后停止，并记载第二位置YBi，以及相对应的测量值SBi。如图3(b)所示的轴向计112在校正过程中，存在直角三角形OBQBiOBi中，通过公式(15)-(19)得到轴向计112测量球202的圆度轮廓。
Figure BDA0003437484080000162
Figure BDA0003437484080000171
进一步地，所述步骤(2)包括基于校正后的侧向计111或轴向计112进行工件座108空间倾角的校正，其包括：
步骤(2.1)在工件座108上放置深矢高工件109，深矢高工件109直接放置在工件座108中；
步骤(2.2)驱动轴向计112在深矢高工件109内的z1′高度朝X方向运动，寻找测量值最大的点P1′，并记录其坐标值(x1′，y1′，z1′)；驱动轴向计112在深矢高工件109内的z2′高度朝X方向运动，寻找测量值最大的点P2′，并记录其坐标值(x2′，y2′，z2′)；
驱动轴向计112在深矢高工件109内的z3高度朝Y方向运动，寻找测量值最大的点P3′，并记录其坐标值(x3′，y3′，z3′)；驱动轴向计112在深矢高工件109内的z2′高度朝Y方向运动，寻找测量值最大的点P4′，并记录其坐标值(x4′，y4′，z4′)
步骤(2.3)根据公式(20)、(21)计算工件座108绕X向的倾角θα和绕X向的倾角θb；
Figure BDA0003437484080000172
Figure BDA0003437484080000181
如图5所示，以轴向计112为例，点P1′与P2′对应深矢高工件109X向母线上的两个点，根据点坐标取反三角函数即可得到倾角θα读数，根据该倾角θα数值来调整第一构件空间姿态调整装置107实现进行消除。同理使轴向计112朝Y方向运动，来寻找工件座108绕Y向的倾角θb进行消除。该矫正方法可以通过多次测量来使倾角θα和倾角θb收敛到一个较小的阈值，如0.05度。
在所有矫正都完成后，进行深矢高工件109的内壁测量。
具体如图6所示，所述侧向计111的测量方向为从边缘到中心，测量终点到深矢高工件109轴线距离为dA，轴向计112测量方向为深矢高工件109中心到边缘，测量终点到深矢高工件109轴线距离为dB，并且，一般情况下dB＞dA。
如图7所示，在所述在侧向计111测量内壁侧壁的过程中，存在测量球202轨迹，并在测量球轨迹上存在点坐标PAi(x0，yAi，zAi)，该点相对坐标系存在斜率kAi与对应倾角θAi；根据斜率kAi与对应倾角θAi计算得到测量球在θAi角度下的半径；根据一一映射关系，结合公式(22)-(24)，可以得到对应点坐标PAi(x0，yAi，zAi)的内壁侧壁点坐标PAi′(x0′，yAi′，zAi′)；通过计算多个点坐标PAi(x0，yAi，zAi)相对应的内壁侧壁点坐标PAi′(x0′，yAi′，zAi′)，来得到连续的内壁侧壁的母线轨迹。
y<sub>Ai</sub>′＝y<sub>Ai</sub>-r<sub>Ai</sub> cos(θ<sub>Ai</sub>) (22)
z<sub>Ai</sub>′＝z<sub>Ai</sub>-r<sub>Ai</sub> sin(θ<sub>Ai</sub>) (23)
θ<sub>Ai</sub>＝arctan(k<sub>Ai</sub>) (24)
同理在在所述在轴向计112测量内壁底壁的过程中，存在测量球轨迹，并在测量球轨迹上存在点坐标PBi(x0，yBi，zBi)，该点相对坐标系存在斜率kBi与对应倾角θBi；根据斜率kBi与对应倾角θBi计算得到测量球在θBi角度下的半径；根据一一映射关系，可以得到对应点坐标PBi(x0，yBi，zBi)的内壁侧壁点坐标PBi′(x0′，yBi′，zBi′)；通过计算多个点坐标PBi(x0，yBi，zBBi)相对应的内壁侧壁点坐标PBi′(x0′，yBi′，zBi′)，来得到连续的内壁底壁的母线轨迹。
y<sub>Bi</sub>′＝y<sub>Bi</sub>-r<sub>Bi</sub> cos(θ<sub>Bi</sub>) (25)
z<sub>Bi</sub>′＝z<sub>Bi</sub>-r<sub>Bi</sub> sin(θ<sub>Bi</sub>) (26)
θ<sub>Bi</sub>＝arctan(k<sub>Bi</sub>) (27)
在得到连续的内壁侧壁的母线轨迹以及续的内壁底壁的母线轨迹后，旋转工件座108继续测量，来得到连续的内壁侧壁的面形以及内壁底壁的面形，并根据内壁侧壁的面形以及内壁底壁的面形进行拼接。
在拼接内壁侧壁的面形与内壁底壁的面形过程中，由于dB＞dA，因此在内壁侧壁与内壁底壁之间必然存在重叠区域。具体地，根据测量得到的面形坐标轴，来确定两个面形之间的重叠区域，而后通过点云匹配来对重叠区域进行拼接，即根据这两个面形的坐标进行变化矩阵确认坐标后，在重合重叠区域后，再对深矢高工件109的整个面形进行坐标变化，得到深矢高工件109内壁的完整面形。
本专利结合侧向计111与轴向计112对深矢高工件109进行内壁壁形的测量，该测量结构以及测量方式不受光纤影响，且针对各种尺寸不同的深矢高工件109均可以达到测量目的。此外，本专利驱动六自由度运动平台进行工件座108、侧向计111以及轴向计112的前一步矫正，有效增加对深矢高工件109检测的准确性。
上述实施例仅为本发明的较佳实施例，并非依此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.基于深矢高工件的内壁测量系统，其特征在于，包括：
水平底座，其上设有XY定位平台，XY定位平台包括X方向移动的X向运动平台以及Y方向移动的Y向运动平台；
转台，设置在XY定位平台上，用于绕Z向旋转；
工件座，设置在所述转台上，用于放置深矢高工件；
竖直底座，其上设有Z方向移动的Z向运动平台；
侧向计，设置在所述Z向运动平台上，用于对深矢高工件的内壁侧壁进行测量；以及
轴向计，设置在所述Z向运动平台上用于对深矢高工件的内壁底壁进行测量。
2.根据权利要求1所述的一种基于深矢高工件的内壁测量系统，其特征在于：还包括第一构件空间姿态调整装置，设置在所述转台与所述工件座之间，用于驱动所述工件座绕X向旋转或/和绕Y向旋转；
还包括两个第二空间姿态调整装置，其设置在所述Z向运动平台上；所述侧向计和轴向计分别设置在对应的所述第二空间姿态调整装置上；第二空间姿态调整装置用于驱动所述侧向计和轴向计绕X向旋转或/和Z向旋转。
3.基于深矢高工件的内壁测量方法，用于如权利要求1-2中任意一项所述的基于深矢高工件的内壁测量系统中，其特征在于，包括：
步骤(1)矫正侧向计与轴向计至竖直状态；
步骤(2)矫正工件座使所述深矢高工件处于水平状态；
步骤(3)通过使侧向计沿深矢高工件的母线抵靠在深矢高工件内壁侧壁上移动，来测量深矢高工件内壁侧壁的面形；通过使轴向计沿深矢高工件的母线底座在深矢高工件轴内壁底壁上移动，来计测量深矢高工件内壁底壁的面形；
步骤(4)拼接内壁侧壁的面形与内壁底壁的面形得到完整的深矢高工件面形。
4.根据权利要求3所述的基于深矢高工件的内壁测量方法，其特征在于：所述侧向计与轴向计具有测量球，通过测量球抵靠在深矢高工件的内壁上；在步骤(3)的过程中，存在测量球轨迹，并在测量球轨迹上存在点坐标PAi(x0,yAi,zAi)，该点相对坐标系存在斜率kAi与对应倾角θAi；根据斜率kAi与对应倾角θAi计算得到测量球在θAi角度下的半径；根据一一映射关系，可以得到对应点坐标PAi(x0,yAi,zAi)的内壁侧壁点坐标PAi′(x0′,yAi′,zAi′)；通过计算多个点坐标PAi(x0,yAi,zAi)相对应的内壁侧壁点坐标PAi′(x0′,yAi′,zAi′)；；
在步骤(3)的过程中，存在测量球轨迹，并在测量球轨迹上存在点坐标PBi(x0,yBi,zBi)，该点相对坐标系存在斜率kBi与对应倾角θBi；根据斜率kBi与对应倾角θBi计算得到测量球在θBi角度下的半径；根据一一映射关系，可以得到对应点坐标PBi(x0,yBi,zBi)的内壁侧壁点坐标PBi′(x0′,yBi′,zBi′)；通过计算多个点坐标PBi(x0,yBi,zBBi)相对应的内壁侧壁点坐标PBi′(x0′,yBi′,zBi′)。
5.根据权利要求3所述的基于深矢高工件的内壁测量方法，其特征在于，包括：所述步骤(1)包括基于标准球进行侧向计或轴向计空间倾角的校正，其包括步骤：
步骤(1.1)在工件座上设置标准球；
步骤(1.2)寻找第一基准面；第一基准面为标准球上的中心面，且所述第一基准面与三维坐标系中某一平面相平行；
步骤(1.3)驱动侧向计或轴向计抵靠在所述第一基准面的外轮廓上，并沿所述第一基准面的外轮廓直线运动；记录侧向计或轴向计移动过程中测量值最小的第一位置，和距离第一位置一定距离的第二位置，并分别记录最小测量值与测量值；
步骤(1.4)根据最小测量值与测量值计算侧向计或轴向计与第一基准轴的空间倾角αA；所述第一基准轴与所述第一基准面垂直设置；
步骤(1.5)根据所述空间倾角αA数值驱动第二构件空间姿态调整装置校正所述侧向计或轴向计与第一基准轴的角度差。
6.根据权利要求5所述的基于深矢高工件的内壁测量方法，其特征在于，步骤(1.4)中的计算方法包括：
在侧向计或轴向计运动过程中存在第一位置测量边ZA0OA0、第二位置测量边ZAnOAn、直角三角形OAQAOAn与直角三角形OAnTAPA，所述空间倾角αA为∠PAOAnTA；其中，所述第一位置测量边ZA0OA0的数值为SA0，第二位置测量边ZAnOAn的数值为SAn；
在直角三角形OAQAOAn中，点OA为标准球圆心，点OAn为第二位置ZAn上侧向计或轴向计的测量球的圆心，点QA为点OA横向延伸边与点OAn竖向延伸边的交点；
在直角三角形OAnTAPA中，点PA为第一位置ZAn上侧向计或轴向计的测量球圆心竖向延伸边与第二位置测量边ZAnOAn的交点，点TA为点OAn在边TAOA0上的垂点；
根据公式(1)-(5)计算∠PAOAnTA；其中，所述R为标准球半径，rA为测量球半径。
Figure FDA0003437484070000031
Figure FDA0003437484070000041
。
7.根据权利要求3所述的基于深矢高工件的内壁测量方法，其特征在于，所述步骤(1)还包括，基于标准球测量侧向计或轴向计中测量球的圆度，其包括步骤
步骤(1.6)在工件座上设置标准球；
步骤(1.7)寻找第二基准面；第二基准面为标准球上的中心面，且所述第二基准面与三维坐标系中某一平面相平行；
步骤(1.8)驱动侧向计或轴向计抵靠在所述第二基准面的外轮廓上，并沿所述第二基准面的外轮廓直线运动；记录侧向计或轴向计移动过程中测量值最小的第一位置，和若干距离第一位置一定距离的第二位置，并分别记录最小测量值与测量值；
步骤(1.9)根据最小测量值与若干测量值计算不同位置下测量球的半径rAi，并整合测量球的半径rAi得到测量球的圆度。
8.根据权利要求7所述的基于深矢高工件的内壁测量方法，其特征在于：步骤(1.9)中的计算方法包括：
在侧向计或轴向计运动过程中存在直角三角形OAQAiOAi，在点直角三角形OAQAiOAi，点OA为测量球的圆心，点OAi为第二位置ZAi处测量球的圆心，经过点OA存在直线OAZA0，所述QAi为点OAi在直线OAZA0上的垂点；
根据公式(6)-(10)计算测量球半径rAi；其中，所述θAi为∠OAiOAQAi。
Figure FDA0003437484070000042
Figure FDA0003437484070000051
。
9.根据权利要求3所述的基于深矢高工件的内壁测量方法，其特征在于，所述步骤(2)包括，基于校正后的侧向计或轴向计进行工件座空间倾角的校正，其包括：
步骤(2.1)在工件座上放置深矢高工件；
步骤(2.2)驱动轴向计在深矢高工件内的z1′高度朝X方向运动，寻找测量值最大的点P1′，并记录其坐标值(x1′,y1′,z1′)；驱动轴向计在深矢高工件内的z2′高度朝X方向运动，寻找测量值最大的点P2′，并记录其坐标值(x2′,y2′,z2′)；
驱动轴向计在深矢高工件内的z3′高度朝Y方向运动，寻找测量值最大的点P3′，并记录其坐标值(x3′,y3′,z3′)；驱动轴向计在深矢高工件内的z2′高度朝Y方向运动，寻找测量值最大的点P4′，并记录其坐标值(x4′,y4′,z4′)；
步骤(2.3)根据公式(11)、(12)计算工件座绕X向的倾角θα和绕Y向的倾角θb。
Figure FDA0003437484070000052
。
10.根据权利要求3所述的基于深矢高工件的内壁测量方法，其特征在于，所述步骤(4)包括：根据内壁侧壁面形与内壁底壁面形的坐标关系，确定两个面形之间的重叠区域，到两个测量面形的坐标变化矩阵；而后对整个测量面形进行坐标变化，来得到深矢高工件内壁的完整面形。
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