CN114659482B - 一种基于非均匀离散数据的高精度圆形轮廓尺寸测量算法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于非均匀离散数据的高精度圆形轮廓尺寸测量算法，实现部分圆形轮廓的圆心定位，提高圆形轮廓的尺寸测量精度。包括如下步骤：步骤1：计算被检工件圆形区域在周向相位角上占比的理论值rat；步骤2：对常规测量系统的旋转半径rr进行标定；步骤3、定位被检工件的圆心位置CCE；步骤4、计算任意相位角上的轮廓尺寸半径R。本发明的显著效果在于：不改变原有测量系统的前提下，实现部分圆形轮廓的圆心定位，提高圆形轮廓的尺寸测量精度。

Description

一种基于非均匀离散数据的高精度圆形轮廓尺寸测量算法
技术领域
本发明属于信号处理领域，具体涉及一种基于非均匀离散数据的高精度圆形轮廓尺寸测量算法。
背景技术
在现代工业中，常采用距离传感器高速采集的方式采集圆形被检工件的轮廓尺寸。其原理是使用周向运动设备驱动距离传感器或者圆形被检工件，使两者产生相对的周向运动，其运动路径的半径为R；在此过程中，传感器匀速采集两者之间的间距d，当周向运动路径的圆心与被检工件的圆心重合时，可以获得被检工件的轮廓，以此计算轮廓的直径，如图1所示。对于工件内径测量，则其测量结果为D＝2*(R+d)；对于工件外径测量，其测量结果为D＝2(R-d)。
实际上，由于周向运动圆心与被检管材的圆心存在一定距离，因此常规测量方法可用于尺寸要求不高条件下的测量，但是无法用于高精密部件的轮廓尺寸测量。另一方面当被检工件轮廓部分为圆形时，采用该方法也无法准确获取圆形部分的圆心位置，如图2所示，进而无法获得高精度的圆形轮廓尺寸。同时由于偏心的存在，导致不同相位角上的直径偏差存在差异。
随着高精密部件被广泛应用于航空航天和核电领域的核心部件中，实际应用过程中对这类部件的外形尺寸要求极高，通常为微米级。用常规的信号处理算法已经无法满足此类工件的测量需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于非均匀离散数据的高精度圆形轮廓尺寸测量算法，实现部分圆形轮廓的圆心定位，提高圆形轮廓的尺寸测量精度。
本发明的技术方案如下：一种基于非均匀离散数据的高精度圆形轮廓尺寸测量算法，包括如下步骤：
步骤1：计算被检工件圆形区域在周向相位角上占比的理论值rat；
步骤2：对常规测量系统的旋转半径rr进行标定；
步骤3、定位被检工件的圆心位置CCE；
步骤4、计算任意相位角上的轮廓尺寸半径R。
所述的步骤2包括
步骤2.1、设计并制作一个完整的标准圆形部件，该部件的半径为rb；
步骤2.2、采用测量系统按照等相位角β的方式采集两周左右的距离值db，共k＝720/β取整个；
步骤2.3、从db中k/6(取整)为间隔取三个数据db1，db2，db3，其各自的相位角为α1，α2，α3，以此计算圆心坐标Cm(x,y)为：
Figure BDA0002850973380000021
Figure BDA0002850973380000022
A＝x1*(y2-y3)-y1*(x2-x3)+x2*y3-x3*y2
B＝(x1 2+y1 2)*(y3-y2)+(x2 2+y2 2)*(y1-y3)+(x3 2+y3 2)*(y2-y1)
C＝(x1 2+y1 2)*(x2-x3)+(x2 2+y2 2)*(x3-x1)+(x3 2+y3 2)*(x1-x2)
D＝(x1 2+y1 2)*(x3*y2-x2*y3)+(x2 2+y2 2)*(x1*y3-x3*y1)+(x3 2+y3 2)*(x2*y1-x1*y2)
旋转半径大于rb时
xi＝(dbi+rb)*cos(αi)；
yi＝(dbi+rb)*sin(αi)；
旋转半径小于rb时
xi＝(-dbi+rb)*cos(αi)；
yi＝(-dbi+rb)*sin(αi)；
其中，dbi(i＝1,2,3)，αi(i＝1,2,3)，m为db中第一个数据的序号，m取值1到k/6；
步骤2.4、计算旋转中心位置为C(x，y)为
Figure BDA0002850973380000031
Figure BDA0002850973380000032
步骤2.5、计算测量系统的旋转半径进行标定rr为
rr＝∑rdi/N
Figure BDA0002850973380000033
其中N为rdi的数量。
所述的步骤3包括
步骤3.1、采用步骤2.2获取被检工件的轮廓初始数据；
步骤3.2、采用2.3的方式获取一系列圆心位置CCi；
步骤3.3、在二维空间中任取一点P，计算所有CCi点到P的距离，记为CDi；
步骤3.4、对CDi进行排序，记录新序列CNDm及其与CDi的对应关系；
步骤3.5、以W＝rat*k/2长度为间隔，从CNDm取第i个和第i+W个的数据，计算其差值记为CNWi；(i＝1,2,3...)
步骤3.6、定位中CNWi的最小值，其索引号i＝mk；
步骤3.7、找到CNDmk到CNDmk+W对应的CDi的，记为新的序列CCDi；
步骤3.8、被检工件的圆心位置CCE＝∑CCDi/(W+1)。
所述的步骤4包括
Figure BDA0002850973380000034
旋转半径大于rb时：
Pαx＝(rr-dbi)*cos(αi)
Pαx＝(rr-dbi)*sin(αi)
旋转半径大于rb时：
Pαx＝(rr+dbi)*cos(αi)
Pαx＝(rr+dbi)*sin(αi)。
本发明的显著效果在于：不改变原有测量系统的前提下，实现部分圆形轮廓的圆心定位，提高圆形轮廓的尺寸测量精度。
附图说明
图1为圆形工件轮廓测量示意图；
图2为部分圆形轮廓的圆心定位示意图；
图3为偏心导致的离散数据不均匀示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明一种基于非均匀离散数据的高精度圆形轮廓尺寸测量算法，在不改变测量原理和测量设备的前提下定位被检工件的圆心位置，从而计算高精度的圆形轮廓尺寸。
一种基于非均匀离散数据的高精度圆形轮廓尺寸测量算法，具体包括如下步骤：
步骤1：计算被检工件圆形区域在周向相位角上占比的理论值rat。
例如从0°到270°范围内为圆形区域，则rat＝0.75；
步骤2：对常规测量系统的旋转半径rr进行标定
步骤2.1、设计并制作一个完整的标准圆形部件，该部件的半径为rb；
步骤2.2、采用测量系统按照等相位角(β)的方式采集两周左右的距离值db，共k＝720/β(取整)个；
步骤2.3、从db中k/6(取整)为间隔取三个数据db1，db2，db3，其各自的相位角为α1，α2，α3，以此计算圆心坐标Cm(x,y)为：
Figure BDA0002850973380000051
Figure BDA0002850973380000052
A＝x1*(y2-y3)-y1*(x2-x3)+x2*y3-x3*y2
B＝(x1 2+y1 2)*(y3-y2)+(x2 2+y2 2)*(y1-y3)+(x3 2+y3 2)*(y2-y1)
C＝(x1 2+y1 2)*(x2-x3)+(x2 2+y2 2)*(x3-x1)+(x3 2+y3 2)*(x1-x2)
D＝(x1 2+y1 2)*(x3*y2-x2*y3)+(x2 2+y2 2)*(x1*y3-x3*y1)+(x3 2+y3 2)*(x2*y1-x1*y2)
旋转半径大于rb时
xi＝(dbi+rb)*cos(αi)；
yi＝(dbi+rb)*sin(αi)；
旋转半径小于rb时
xi＝(-dbi+rb)*cos(αi)；
yi＝(-dbi+rb)*sin(αi)；
其中，dbi(i＝1,2,3)，αi(i＝1,2,3)，m为db中第一个数据的序号，m取值1到k/6；
步骤2.4、计算旋转中心位置为C(x，y)为
Figure BDA0002850973380000053
Figure BDA0002850973380000054
步骤2.5、计算测量系统的旋转半径进行标定rr为
rr＝∑rdi/N
Figure BDA0002850973380000055
其中N为rdi的数量。
步骤3、定位被检工件的圆心位置CCE；
步骤3.1、采用步骤2.2获取被检工件的轮廓初始数据；
步骤3.2、采用2.3的方式获取一系列圆心位置CCi；
步骤3.3、在二维空间中任取一点P，计算所有CCi点到P的距离，记为CDi；
步骤3.4、对CDi进行排序(从小到大，或者从大大小)，记录新序列CNDm及其与CDi的对应关系；
步骤3.5、以W＝rat*k/2长度为间隔，从CNDm取第i个和第i+W个的数据，计算其差值记为CNWi；(i＝1,2,3...)
步骤3.6、定位中CNWi的最小值，其索引号i＝mk；
步骤3.7、找到CNDmk到CNDmk+W对应的CDi的，记为新的序列CCDi；
步骤3.8、被检工件的圆心位置CCE＝∑CCDi/(W+1)；
步骤4、计算任意相位角上的轮廓尺寸(半径)R
Figure BDA0002850973380000061
旋转半径大于rb时：
Pαx＝(rr-dbi)*cos(αi)
Pαy＝(rr-dbi)*sin(αi)
旋转半径大于rb时：
Pαx＝(rr+dbi)*cos(αi)
Pαy＝(rr+dbi)*sin(αi)
其中，dbi(i＝1,2,3)，αi(i＝1,2,3)，m为db中第一个数据的序号，m取值1到k/6；
rr为旋转半径标定值；
αi为各相位角；
Pα为轮廓各点的坐标。

Claims (3)

1.一种基于非均匀离散数据的高精度圆形轮廓尺寸测量算法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：计算被检工件圆形区域在周向相位角上占比的理论值rat；
步骤2：对常规测量系统的旋转半径rr进行标定；
步骤3、定位被检工件的圆心位置CCE；
步骤4、计算任意相位角上的轮廓尺寸半径R；
所述的步骤2包括
步骤2.1、设计并制作一个完整的标准圆形部件，该部件的半径为rb；
步骤2.2、采用测量系统按照等相位角β的方式采集两周左右的距离值db，共k＝720/β取整个；
步骤2.3、从db中对k/6进行取整，为间隔取三个数据db1，db2，db3，其各自的相位角为α1，α2，α3，以此计算圆心坐标Cm(x,y)为：
Figure FDA0004186225470000011
Figure FDA0004186225470000012
A＝x1*(y2-y3)-y1*(x2-x3)+x2*y3-x3*y2
B＝(x1 2+y1 2)*(y3-y2)+(x2 2+y2 2)*(y1-y3)+(x3 2+y3 2)*(y2-y1)
C＝(x1 2+y1 2)*(x2-x3)+(x2 2+y2 2)*(x3-x1)+(x3 2+y3 2)*(x1-x2)
D＝(x1 2+y1 2)*(x3*y2-x2*y3)+(x2 2+y2 2)*(x1*y3-x3*y1)+(x3 2+y3 2)*(x2*y1-x1*y2)
旋转半径大于rb时
xi＝(dbi+rb)*cos(αi)；
yi＝(dbi+rb)*sin(αi)；
旋转半径小于rb时
xi＝(-dbi+rb)*cos(αi)；
yi＝(-dbi+rb)*sin(αi)；
其中，dbi，i＝1,2,3；αi，i＝1,2,3，m为db中第一个数据的序号，m取值1到k/6；
步骤2.4、计算旋转中心位置为C(x，y)为
Figure FDA0004186225470000021
Figure FDA0004186225470000022
步骤2.5、计算测量系统的旋转半径进行标定rr为
rr＝∑rdi/N
Figure FDA0004186225470000023
其中N为rdi的数量。
2.如权利要求1所述的一种基于非均匀离散数据的高精度圆形轮廓尺寸测量算法，其特征在于：所述的步骤3包括
步骤3.1、采用步骤2.2获取被检工件的轮廓初始数据；
步骤3.2、采用2.3的方式获取一系列圆心位置CCi；
步骤3.3、在二维空间中任取一点P，计算所有CCi点到P的距离，记为CDi；
步骤3.4、对CDi进行排序，记录新序列CNDm及其与CDi的对应关系；
步骤3.5、以W＝rat*k/2长度为间隔，从CNDm取第i个和第i+W个的数据，计算其差值记为CNWi，i＝1,2,3...
步骤3.6、定位中CNWi的最小值，其索引号i＝mk；
步骤3.7、找到CNDmk到CNDmk+W对应的CDi的，记为新的序列CCDi；
步骤3.8、被检工件的圆心位置CCE＝∑CCDi/(W+1)。
3.如权利要求2所述的一种基于非均匀离散数据的高精度圆形轮廓尺寸测量算法，其特征在于：所述的步骤4包括
Figure FDA0004186225470000031
旋转半径大于rb时：
Pαx＝(rr-dbi)*cos(αi)
Pαx＝(rr-dbi)*sin(αi)
旋转半径小于rb时：
Pαx＝(rr+dbi)*cos(αi)
Pαx＝(rr+dbi)*sin(αi)。
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