CN114485468A - 多轴联动复合测量系统及微零件全轮廓自动化测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多轴联动复合测量系统及微零件全轮廓自动化测量方法，所述方法包括：S1、对初步测量子系统和精细测量子系统进行耦合标定，生成坐标变换矩阵；S2、利用初步测量子系统对待测微零件进行测量，生成第一测量结果；S3、根据第一测量结果解算待测微零件初始位姿，通过坐标变换矩阵将待测微零件初始位姿标定至精细测量子系统；S4、获取待测微零件表面的若干采样点坐标，精细测量子系统以初始位姿为基准，对采样点坐标进行排序生成测量路径。本发明采用低精度大视场测量子系统对待测微零件位姿进行预认知，并依此生成高精度测量路径，提高了在全轮廓中，精确测量路径获取的效率。

Description

多轴联动复合测量系统及微零件全轮廓自动化测量方法

技术领域

本发明涉及轮廓测量技术领域，具体为一种多轴联动复合测量系统及微零件全轮廓自动化测量方法。

背景技术

随着产品及仪器设备的小型化、精密化，近年来在先进制造、医疗器械、航空航天、逆向工程、国防科研等领域，总体尺寸在厘米级或毫米级的微零件已经得到广泛的应用。微零件除了尺寸较小外，其表面往往还具有复杂狭小的结构、大曲率表面、法向量突变区域等特征。这些特征甚至微零件全轮廓面形将直接影响到其应用性能及长期使用的稳定性，所以对微零件全轮廓的高精度测量是其制造及应用中不可或缺的质量把控环节。

然而，由于微零件特征的多样性及复杂程度，使得其全轮廓测量存在众多困难，目前能够对微零件特征进行测量的方法及仪器较少。目前对于微零件全轮廓测量主要采用大测量视场的测量方法在多个角度下获取微小零件表面局部三维形貌，然后根据重叠区域或某些特征结构实现数据拼接，从而恢复全表面的轮廓。首先，微零件结构复杂这种方式很难实现自动化，在测量过程需要大量的人工操作，耗时且受人为因素影响；其次，大测量视场的测量传感器往往具有一定的测量盲区，且在保证大视场的基础上一定程度降低了测量精度；最后，该方式需要拼接的参与，同样会降低面型恢复的精度。

为了避免大视场测量所面临的上述问题，国内外企业及学者采用灵活性较高的接触式或非接触式点测量方法并提出了相应的两类路径规划方式：一是被动路径规划方式，该方式更常见于光学非球面测量领域，根据所测量的微小零件模型生成相应的测量路径，采用高精度的工装夹具以保证微小零件位姿尽量符合路径要求，然后根据对其的多次探测并通过电动机构自动调整零件位姿，以适应生成的测量路径。该方式需要配备相应的电动机构以调整位姿，通过反复调整才能够使实际位姿符合路径的要求，繁琐耗时且在探测过程中具有一定的盲目性。二是主动路径规划方式，该方式仅需对待测微小零件进行一次探测，识别其位姿，然后根据实际位姿调整所设计的测量路径。例如常见的三坐标测量机在对待测件进行扫描测量前，需要先手动在零件表面选取若干特殊结构打点，并与路径设计所使用的模型对应点相关联，但是本质上仍然是判断待测件位姿后调整路径以适应实际情况。然而上述两种仪器的位姿探测过程容易受人为因素影响，并且在所测量零件特征结构不明显时难以实现，并且接触式测针的尺寸将直接限制了其可测量的结构类型、尺寸和材质。

综上所示，现有的轮廓测量方法在精度、流程、适用性等方面均存在一定的缺陷和不足，亟需一种多轴联动复合测量系统及微零件全轮廓自动化测量方法。

发明内容

本发明的目的在于，一方面，提供了一种应用于多轴联动复合测量系统的微零件全轮廓自动化测量方法，该方法首先采用低精度大视场测量子系统对待测微零件位姿进行预认知，并依此生成高精度测量路径，提高了在全轮廓中，精确测量路径获取的效率。

另一方面，本发明提供了一种多轴联动复合测量系统，通过设置逆投影测量结构和光谱共聚焦点测量结构，可以实现对待测微零件全轮廓的高效测量。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种应用于多轴联动复合测量系统的微零件全轮廓自动化测量方法，其中，所述多轴联动复合测量系统包括初步测量子系统和精细测量子系统，所述初步测量子系统用于实现低精度大视场测量，所述精细测量子系统用于实现高精度点测量，所述方法包括：

S1、对初步测量子系统和精细测量子系统进行耦合标定，生成坐标变换矩阵；

S2、利用初步测量子系统对待测微零件进行测量，生成第一测量结果；

S3、根据第一测量结果解算待测微零件初始位姿，通过坐标变换矩阵将待测微零件初始位姿标定至精细测量子系统；

S4、获取待测微零件表面的若干采样点坐标，精细测量子系统以初始位姿为基准，对采样点坐标进行排序生成测量路径。

优选的，所述S1中进行耦合标定包括：

分别利用初步测量子系统和精细测量子系统对标准球阵列进行测量；

对测量结果进行处理并分别提取球心坐标；

通过点云配准算法生成坐标变换矩阵。

优选的，所述S4中获取待测微零件表面的若干采样点坐标包括：

以初始位姿为基准，以待测微零件的理论三维模型为参考，对第一测量结果中的表面采样点坐标进行提取和处理生成采样点云。

优选的，所述S4中获取待测微零件表面的若干采样点坐标包括：

以初始位姿为基准，对第一测量结果中的表面采样点坐标进行插值或降采样处理生成采样点云。

优选的，所述S4中对采样点坐标进行排序生成测量路径包括：

迭代计算每个采样点沿法向量的测量坐标，生成相应的测量路径。

优选的，所述方法还包括：

S5、精细测量子系统依据测量路径对待测微零件进行全轮廓扫描。

优选的，所述初步测量子系统采用逆投影测量结构，所述精细测量子系统采用光谱共聚焦点测量结构。

一种多轴联动复合测量系统，包括：

逆投影测量结构，用于采集待测微零件的轮廓信息，实现低精度大视场测量；

光谱共聚焦点测量结构，用于获取待测微零件上相应测量位置的距离信息，实现高精度点测量。

优选的，所述逆投影测量结构包括相对设置的投影光源和相机，所述待测微零件设置在投影光源和相机之间，所述光谱共聚焦点测量结构包括设置在所述待测微零件上方的光谱共聚焦传感器。

优选的，还包括多轴驱动结构，所述待测微零件固定安装在载物台上，所述多轴驱动结构用于驱动载物台沿多个方向进行移动。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明一方面，提供了一种应用于多轴联动复合测量系统的微零件全轮廓自动化测量方法，该方法首先采用低精度大视场测量子系统对待测微零件位姿进行预认知，并依此生成高精度测量路径，提高了在全轮廓测量中精确测量路径获取的效率。

另一方面，本发明提供了一种多轴联动复合测量系统，通过设置逆投影测量结构和光谱共聚焦点测量结构，可以实现对待测微零件全轮廓的高效测量。

附图说明

图1为本发明一种应用于多轴联动复合测量系统的微零件全轮廓自动化测量方法的流程框图；

图2为本发明一种多轴联动复合测量系统的系统构成示意图；

图3为本发明一种多轴联动复合测量系统的工作流程图；

图4为本发明一种多轴联动复合测量系统的五轴测量系统结构示意图；

图5为本发明一种应用于多轴联动复合测量系统的微零件全轮廓自动化测量方法中标准球的结构示意图；

图6为本发明一种应用于多轴联动复合测量系统的微零件全轮廓自动化测量方法中待测微零件的结构示意图；

图7为本发明一种应用于多轴联动复合测量系统的微零件全轮廓自动化测量方法测量微十字交叉圆柱零件的测量流程图。

图中：1、大理石平台；2、立式大理石柱；3、X轴驱动结构；4、Y轴驱动结构；5、Z轴驱动结构；6、转动组件；7、C轴电动转轴及三爪卡盘；8、光谱共聚焦传感器；9、投影光源；10、相机；11、相机支架。

具体实施方式

下面将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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明提供的一种实施例，一种应用于多轴联动复合测量系统的微零件全轮廓自动化测量方法，其中，所述多轴联动复合测量系统包括初步测量子系统和精细测量子系统，所述初步测量子系统用于实现低精度大视场测量，所述精细测量子系统用于实现高精度点测量，所述方法包括：

S1、对初步测量子系统和精细测量子系统进行耦合标定，生成坐标变换矩阵；

S2、利用初步测量子系统对待测微零件进行测量，生成第一测量结果；

S3、根据第一测量结果解算待测微零件初始位姿，通过坐标变换矩阵将待测微零件初始位姿标定至精细测量子系统；

S4、获取待测微零件表面的若干采样点坐标，精细测量子系统以初始位姿为基准，对采样点坐标进行排序生成测量路径。

该方法首先采用低精度大视场测量子系统对待测微零件位姿进行预认知，并依此生成高精度测量路径，提高了在全轮廓测量中精确测量路径获取的效率。

如图2所示，本发明提供了一种多轴联动复合测量系统，所述测量系统包括逆投影测量结构，用于采集待测微零件的轮廓信息，实现低精度大视场测量；还包括光谱共聚焦点测量结构，用于获取待测微零件上相应测量位置的距离信息，实现高精度点测量。测量系统通过设置逆投影测量结构和光谱共聚焦点测量结构，可以实现对待测微零件全轮廓的高效测量。逆投影测量结构采用大视场传感器(可以为相机)，光谱共聚焦点测量结构采用高精度传感器，其中，高精度传感器和大视场传感器均与上位机控制软件电连接，上位机软件能够控制测量系统的运动、数据采集并分析收集的数据并完成解算、评价等功能。

构建该多轴联动复合测量系统时，按需求选择合适的运动轴数量及结构分布，对测量系统进行机械结构设计以实现最大程度的结构共用。

如图4所示，给出了多轴联动复合测量系统的五轴测量的具体实施例，其中，所述逆投影测量结构包括相对设置的投影光源和相机，所述待测微零件设置在投影光源和相机之间，所述光谱共聚焦点测量结构包括设置在所述待测微零件上方的光谱共聚焦传感器。所述待测微零件固定安装在载物台上，多轴驱动结构用于驱动载物台沿多个方向进行移动。

上述逆投影测量结构和光谱共聚焦点测量结构均设置在大理石平台上，大理石平台上一侧设置有立式大理石柱，光谱共聚焦传感器设置在立式大理石柱上，在该实施例下，多轴驱动结构包括设置在大理石平台上的X轴驱动结构和Y轴驱动结构，并且X轴驱动结构上设有转动组件用于驱动载物台及其上方的待测微零件沿X轴进行旋转，立式大理石柱上还设有用于驱动光谱共聚焦传感器沿竖直方向进行运动的Z轴驱动结构。投影光源安装在立式大理石柱上，与相机相对设置，投影光源用于投射白色高亮背景光，以凸显待测量零件的阴影轮廓，相机用于基于小孔成像模型原理拍摄待测量零件的阴影轮廓，相机安装在相机支架上，相机支架设置在大理石平台上上与立式大理石柱相对的一侧。

如图3所示，微零件全轮廓自动化测量方法的完整流程包括：

1、多轴联动复合测量系统的构建：按需求选择合适的运动轴数量及分布，集成低精度大视场测量方法如逆投影测量方法(但不限于逆投影测量方法)，与高精度点测量方法如光谱共聚焦点测量方法(但不限于光谱共聚焦点测量方法)的传感器，对测量系统进行机械结构设计以实现最大程度的结构共用。

2、测量系统耦合的标定：分别用复合测量系统中的两个子系统对标准球阵列进行测量，分别对两个子系统测量结果进行处理并提取球心坐标。通过点云配准计算低精度大视场系统的测量坐标系转化到高精度点测量系统的坐标系过程中的齐次变换矩阵，确定两个测量坐标系之间的转化关系。

3、微小零件位姿的预认知：采用低精度大视场测量方法对微小零件进行快速测量，解算得到三维轮廓并通过齐次变换矩阵计算该零件在高精度点测量系统中的位置和姿态，作为接下来高精度点测量系统的测量路径设计的参考位姿。

4、高精度点测量系统路径规划：若待测零件的理论三维模型(通常为STL、STEP格式)已知，则以参考位姿为基准，将模型通过Matlab等数值分析软件提取表面采样点坐标，然后进行插值或降采样，与参考位姿进行配准以调整采样点位姿，作为采样点云；若待测零件的理论三维模型未知，则直接以低精度大视场测量方法的测量数据进行插值或降采样，作为采样点云。对采样点云在柱坐标系下沿Z方向以高度分割为多个子集，在同一子集中计算极角以从小到大顺序排序。最终将不同子集下的点云依次排列形成排序后的采样点云，迭代计算在沿法向量测量每个采样点时各轴需要运动的绝对坐标，生成相应的测量路径。

5、微零件的高精度扫描测量：基于路径规划结果，以高精度点测量系统对微零件全轮廓进行扫描，获取高度信息及各轴运动信息，解算测量点云以恢复表面三维轮廓。

6、微零件加工质量的评价：将三维轮廓点云与理论模型进行匹配，计算各采样点处实际面型与理论值之间的偏差，在高采样密度下对结果进行频谱分解，获取微小零件表面区域的轮廓误差、波纹度等加工误差，实现对加工质量的综合评价。

如图7所示，给出了以十字交叉圆柱零件为待测微零件的情形下，微零件全轮廓自动化测量方法的测量流程图。

首先，分别利用初步测量子系统和精细测量子系统对如图5所示标准球阵列进行测量，该标准件为四个标准球在不同高度处排列形成，通过两个测量系统点云数据的配准算法对两系统测量的球心序列进行点云配准，求取两个子系统之间的齐次变换矩阵。

如图6所示，为待测微零件的结构示意图，在该实施例下待测微零件采用微十字交叉圆柱，用三爪卡盘将其固定在载物台上，用逆投影测量子系统对其进行粗测量并解算三维轮廓数据，借助齐次变换矩阵标定待测零件在光谱共聚焦点测量子系统下的位姿坐标。

然后根据该十字交叉圆柱的设计模型(通常为STL、STEP格式)生成表面的采样点数据(将模型通过Matlab等数值分析软件提取表面采样点坐标，然后进行插值或降采样)，将采样点数据与实际位姿点云进行点云匹配以修正采样点云的位姿，然后根据局部法向量及五轴联动理论计算光谱共聚焦点传感器沿法向量测量时的运动路径及各运动轴坐标，生成测量路径(采样点云在柱坐标系下沿Z方向以高度分割为多个子集，在同一子集中计算极角以从小到大顺序排序。最终将不同子集下的点云依次排列形成排序后的采样点云，迭代计算在沿法向量测量每个采样点时各轴需要运动的绝对坐标，生成相应的测量路径)。

驱动光谱共聚焦点测量子系统依据上述测量路径在待测零件表面进行高精度扫描测量，根据采集的高度信息及各轴运动信息解算三维轮廓。

将实际测量的三维轮廓点云与设计模型进行匹配，计算轮廓点云各点与模型之间的轮廓偏差，在模型表面以色彩深度图来表示偏差的程度，可对测量数据进行法向量拟合、插值或频域分析处理，从而实现法向量偏差提取、三维曲面化、波纹度及粗糙度提取等功能，能够对该微十字交叉圆柱零件的制备过程提供指导和反馈。

综上，本实例通过投影测量系统对微十字交叉圆柱的空间位姿预认知，并以测量结果为基础设计了适用于光谱共聚焦点测量系统的测量路径，能够实现微十字交叉圆柱零件全轮廓的完整测量。最后，将解算的三维轮廓数据与理论模型进行匹配，并对匹配结果进行分频处理，能够获取所测零件轮廓偏差、局部波纹度和局部粗糙度等加工误差信息，实现对制备结果的高精度测量与评价。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (10)

1.一种应用于多轴联动复合测量系统的微零件全轮廓自动化测量方法，其特征在于，其中，所述多轴联动复合测量系统包括初步测量子系统和精细测量子系统，所述初步测量子系统用于实现低精度大视场测量，所述精细测量子系统用于实现高精度点测量，所述方法包括：

S1、对初步测量子系统和精细测量子系统进行耦合标定，生成坐标变换矩阵；

S2、利用初步测量子系统对待测微零件进行测量，生成第一测量结果；

S3、根据第一测量结果解算待测微零件初始位姿，通过坐标变换矩阵将待测微零件初始位姿标定至精细测量子系统；

S4、获取待测微零件表面的若干采样点坐标，精细测量子系统以初始位姿为基准，对采样点坐标进行排序生成测量路径。

2.根据权利要求1所述的微零件全轮廓自动化测量方法，其特征在于，所述S1中进行耦合标定包括：

分别利用初步测量子系统和精细测量子系统对标准球阵列进行测量；

对测量结果进行处理并分别提取球心坐标；

通过点云配准算法生成坐标变换矩阵。

3.根据权利要求1所述的微零件全轮廓自动化测量方法，其特征在于，所述S4中获取待测微零件表面的若干采样点坐标包括：

以初始位姿为基准，以待测微零件的理论三维模型为参考，对第一测量结果中的表面采样点坐标进行提取和处理生成采样点云。

4.根据权利要求1所述的微零件全轮廓自动化测量方法，其特征在于，所述S4中获取待测微零件表面的若干采样点坐标包括：

以初始位姿为基准，对第一测量结果中的表面采样点坐标进行插值或降采样处理生成采样点云。

5.根据权利要求1所述的微零件全轮廓自动化测量方法，其特征在于，所述S4中对采样点坐标进行排序生成测量路径包括：

迭代计算每个采样点沿法向量的测量坐标，生成相应的测量路径。

6.根据权利要求1-5中任一项权利要求所述的微零件全轮廓自动化测量方法，其特征在于，所述方法还包括：

S5、精细测量子系统依据测量路径对待测微零件进行全轮廓扫描。

7.根据权利要求6所述的微零件全轮廓自动化测量方法，其特征在于，所述初步测量子系统采用逆投影测量结构，所述精细测量子系统采用光谱共聚焦点测量结构。

8.一种多轴联动复合测量系统，其特征在于，包括：

逆投影测量结构，用于采集待测微零件的轮廓信息，实现低精度大视场测量；

光谱共聚焦点测量结构，用于获取待测微零件上相应测量位置的距离信息，实现高精度点测量。

9.根据权利要求8所述的多轴联动复合测量系统，其特征在于，所述逆投影测量结构包括相对设置的投影光源和相机，所述待测微零件设置在投影光源和相机之间，所述光谱共聚焦点测量结构包括设置在所述待测微零件上方的光谱共聚焦传感器。

10.根据权利要求9所述的多轴联动复合测量系统，其特征在于，还包括多轴驱动结构，所述待测微零件固定安装在载物台上，所述多轴驱动结构用于驱动载物台沿多个方向进行移动。

Images