CN114777606A - 基于数字孪生技术的三坐标测量系统应用方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种基于数字孪生技术的三坐标测量系统应用方法，三坐标测量系统包括三坐标测量机及与三坐标测量机通信连接的数字映射体，并在三坐标测量机的测量头上设置加速度传感器，通过加速度传感器获取在运动过程中的加速度数据，并通过数字映射体进行验证，从而使得测量初始位置能够尽量靠近目标测量位置，在选定运动路径之后，使得运动路径上的运动加速度小于初次运动路径上的加速度，从而降低运动惯量对测量系统的冲击，提高系统的精度，同时降低整体的测量时间。

Description

基于数字孪生技术的三坐标测量系统应用方法

技术领域

本申请属于三坐标测量系统，具体涉及一种基于数字孪生技术的三坐标测量系统的应用方法。

背景技术

三坐标测量机是目前广泛使用的精密测量装置，通过接触测量的方式，获得接触点的空间坐标信息，反映零件的实际制造尺寸以及表面平面度等信息。

其基本测量方式有两种：其一是通过固定的夹具系统，建立夹具坐标系，通过预先设定的三坐标测量机测点位置，获得工件对应点在夹具坐标系中的实际位置，由于采用夹具绝对坐标系定义预设测量点位置，测量点的位置不依赖于零件的位置，因此适用于批量重复性的测量，一般应用于工厂中测量零件的制造质量波动；其二是将工件固定于测量平台上，通三坐标测量机手动建立以零件为基础的相对坐标系，通过零件理论几何尺寸信息，定义测量点的理论位置，从而获得三坐标测量机在理论接触点的实际尺寸，适用于单个零件的自定义测量，多用于实验室对试验件的特殊测量。

但是，不论是哪一种方式，在测量之前均需要使得三坐标测量机的测量头从一个远大于零件边界尺寸的位置位移到接近零件边界尺寸后慢慢靠近并抵触零件从而得到相应的坐标信息，为了提高测量的速度，通常在开始位移阶段会使用一个较快的第一速度位移到一个测量初始位置，然后从这个测量初始位置以一个较慢的第二速度位移并抵触到零件表面，为了防止测量头在以第一速度进行位移时意外的触碰到零件，同时，由于三坐标测量机的运动部件的惯量、气浮轴承间隙等条件限制，使得在现有技术条件下，这个测量初始位置通常距离待测量的零件表面的位置较远，通常的远大于10mm，而第二测量速度则极慢，非常影响测量效率。

同时，目前越来越多的三坐标测量机需要与智能制造进行联动，为下游加工或制造提供测量数据的情况下，需要三坐标测量机能够有更高的测量效率。

发明内容

鉴于以上现有技术存在的不足，本申请提供了一种三坐标测量系统的应用方法，用于进一步优化三坐标测量系统对工件进行测量时的运动路径和减少测量时间。

一种三坐标测量系统的应用方法，所述的三坐标测量系统包括三坐标测量机及与三坐标测量机通信连接的数字映射体，所述的三坐标测量机包括被配置成可三轴位移的测量头及设置在测量头上的加速度传感器，所述的加速度传感器并被配置成获取测量头在运动过程中的加速度信息，所述的数字映射体包括映射测头，所述的三坐标测量系统的应用方法包括：

S1：在三坐标测量机上装夹一工件，在数字映射体上导入工件映射体；

S2：操作三坐标测量机的测量头从位移初始位置以第一运动方式运动至第一测量初始位置后，从第一测量初始位置以第二运动方式运动并抵触至工件表面的目标测量点，并获取目标测量点的位置坐标，且，所述的加速度传感器获取测量头在运动过程中的加速度信息，所述的加速度信息包括第一最大加速度；

S3：将测量头的运动数据发送至数字映射体，在数字映射体中设置第二测量初始位置，且所述的第二测量初始位置与目标测量点的距离小于等于10mm；

S4：数字映射体中映射测头按一选定的第三运动方式运动至第二测量初始位置后，自第二测量初始位置按一选定的第四运动方式运动至目标测量点的位置，且，在第三运动方式中加速度小于第一最大加速度，所述的数字映射体发送第三运动方式、第四运动方式及第二测量初始位置信息至三坐标测量机。

S5：在三坐标测量机上装夹后续工件，三坐标测量机的测量头从位移初始位置以第三运动方式运动至第二测量初始位置后，从第二测量初始位置以第四运动方式运动并抵触至工件表面的目标测量点，并获取后续工件目标测量点的位置坐标。

进一步的，在步骤S2之前包括步骤，在数字映射体中设定第一测量初始位置，第一测量初始位置与目标测量点的距离大于等于30mm，数字映射体根据第一测量初始位置选定自位移初始位置运动至第一测量初始位置的第一运动路径及自第一测量初始位置运动至工件映射体表面对应位置的第二运动路径，数字映射体按该选定的第一运动路径、第二运动路径运动至工件映射体表面，所述的数字映射体将该第一测量初始位置、第一运动路径及第二运动路径发送至三坐标测量机，而后，三坐标测量机按步骤S2的步骤运动。

进一步的，测量头从位移初始位置以第一运动方式运动至第一测量初始位置的过程中，速度自0开始进行加速，并且在邻近第一测量初始位置时进行减速，并且在该运动过程中包括速度最大值，如设在第一运动方式中自速度0加速到最大值的过程中最大加速度为a1，速度自最大值减速到第二运动方式中的速度的过程中最大加速度为a2，第一最大加速度为a1或a2。

进一步的，在第一运动方式中，加速过程为匀加速过程，减速过程为匀减速过程，|a1|＝|a2|，且v1所处的位置为位移初始位置与第一测量初始位置的中点。

进一步的，设在第三运动方式中自速度0加速到最大值的过程中最大加速度为a3，速度自最大值减速到第四运动方式中的速度的过程中最大加速度为a4，最大速度为v2，则有a3≤a1，a4≤a2，且v2＜v1。

进一步的，a3＝a1，a4＝a2。

进一步的，测量头在第二运动方式中，最大速度为v3，在第四运动方式中，最大速度为v4，则有v4≤v3。

进一步的，第一运动方式中测量头的运动速度大于第二运动方式中测量头的运动速度。

进一步的，在装夹工件之前，还包括进行零点标定的步骤。

有益效果：本发明实施例提供一种三坐标测量系统的应用方法，三坐标测量系统包括三坐标测量机及与三坐标测量机通信连接的数字映射体，并在三坐标测量机的测量头上设置加速度传感器，通过加速度传感器获取在运动过程中的加速度数据，并通过数字映射体进行验证，从而使得测量初始位置能够尽量靠近目标测量位置，在选定运动路径之后，使得运动路径上的运动加速度小于初次运动路径上的加速度，从而降低运动惯量对测量系统的冲击，提高系统的精度，同时降低整体的测量时间。

附图说明

图1本实施例中三坐标测量系统的三坐标测量机示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本申请的较佳实施例进行详细阐述，以使本申请的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本申请的保护范围做出更为清楚明确的界定。

本申请的实施例提供一种三坐标测量系统的应用方法，用于进一步优化三坐标测量系统对工件进行测量时的运动路径和减少测量时间，所述的三坐标测量系统包括三坐标测量机及与三坐标测量机通信连接的数字映射体。

在图1中所示的三坐标测量机10是龙门架结构形式的类型，龙门架通过两个竖直设置的立柱(12,13)及一个横梁14构成，横梁14两端分别支呈在立柱(12,13)上，立柱(12,13)能够在y方向上在该三坐标测量机10的一个基座平台11上运动，同时，该三坐标测量机10具有一个滑座15，该滑座15能够在x方向上沿着横梁14长度方向的轴线行进。滑座15上设置有支柱16，支柱16可沿z方向运动，在支柱16的下端部设置有测量头17，所述的测量头17包括探头171及测量传感器，当探头171以它末端的探球抵触到工件20时，通过测量传感器能够测量探头171的偏移，可以理解的，所述的x方向、y方向及z方向两两垂直，使得它们限定一个笛卡尔坐标系的坐标轴。

通常的，在横梁14上、基座平台11及支柱16上分别沿x方向、y方向及z方向延伸的设置有刻度尺(141,111,161)，并在相应的位置设置有读数头，以能够在刻度尺(141,111,161)上自动的读出相应的测量值，同时，所述的三坐标测量机10还配置有控制装置，用以驱动如滑座15、立柱(12,13)或支柱16沿x方向、y方向及z方向运动，最终使得测量头17能够沿沿x方向、y方向及z方向运动。

可以理解的，所述的数字映射体是以所述的三坐标测量机10的基础构建的数字孪生体，在本实施例中，为保证与物理实体空间的映射关系高度清晰，所述数字映射体的几何模型使用CATIA和3D Studio Max软件对三坐标测量机进行三维混合建模，并使用Unity 3D软件布局虚拟空间几何模型，同时将对应的工序、逻辑、数据等关系赋予该数字映射体形成参数化模型，进而呈现为虚拟多维模型与物理实体模型的虚实映射。

在本实施例中，所述的测量头17上还设置有加速度传感器(未图示)，该加速度传感器并被配置成获取测量头17在三轴方向上的加速度，在具体的实施例中，所述的加速度传感器可以为MPU6050或MPU6000系列加速度传感器，当然也可以选用如FXAS21002C等三轴、六轴、或九轴加速度传感器，同时，该加速度传感器的安装位置被配置在邻近探头171或者进一步邻近探球的位置，同时，在所述的数字映射体中设置有包括有与测量头对应的映射测头。

下面结合三坐标测量系统对该系统的应用方法进行详细说明，该三坐标测量系统用于对若干工件进行测量。

S1：在三坐标测量机上装夹一工件，在数字映射体上导入工件映射体；

通常的，在基座平台上设置夹具，通过夹具固定一工件。

另外，在装夹工件之前，还包括进行零点标定的步骤，以标定由x方向、y方向和z方向限定的笛卡尔坐标系的零点。

S2：操作三坐标测量机的测量头从位移初始位置以第一运动方式运动至第一测量初始位置后，从第一测量初始位置以第二运动方式运动并抵触至工件表面的目标测量点，并获取目标测量点的位置坐标，且，所述的加速度传感器获取测量头在运动过程中的加速度信息，所述的加速度信息包括第一最大加速度；

可以理解的，可以通过手工操作的形式执行步骤S2的操作或者在一些实施例中可以通过自动的方式执行步骤S2，在一些实施例中，通过自动的方式执行步骤S2之前还包括：

在数字映射体中设定第一测量初始位置，可以理解的，该第一测量初始位置与目标测量点的距离应为一个较为安全的距离，通常大于等于30mm，或者，大于等于50mm，或者大于等于100mm，根据第一测量初始位置，数字映射体选定自位移初始位置运动至第一测量初始位置的第一运动路径及自第一测量初始位置运动至工件映射体表面对应位置的第二运动路径，数字映射体按该选定的第一运动路径、第二运动路径运动至工件映射体表面，所述的数字映射体将该第一测量初始位置、第一运动路径及第二运动路径发送至三坐标测量机，而后，三坐标测量机按步骤S2的步骤运动。

在另外实施例中，也可以由三坐标测量机的其他传感器，如图像传感器获取工件的大致轮廓，从而自动设定第一测量初始位置，从而自动的执行步骤S2。

另外，在上述描述中，所述的位移初始位置是指测量头开始进行对工件进行测量时所处的位置，通常这个位置距离工件比较远，这是由于需要为安装夹具和工件让出足够的空间。

可以理解的，在第一运动方式中测量头的运动速度会远大于第二运动方式中测量头的运动速度，这里所述的运动速度是指平均速度。

可以理解的，测量头从位移初始位置以第一运动方式运动至第一测量初始位置的过程中，速度自0开始进行加速，并且在邻近第一测量初始位置时进行减速，并且在该运动过程中存在一个速度最大值，如设在第一运动方式中自速度0加速到最大值的过程中最大加速度为a1，速度自最大值减速到第二运动方式中的速度的过程中最大加速度为a2，最大速度为v1，则，a2的方向与a1方向相反，并且，可以理解的，|a1|、|a2|越小，运动部件的惯性作用对三坐标测量机及测量精度的影响越小，||表示求取绝对值。

另外，可以理解的，当在第一运动方式中，加速过程为匀加速过程，减速过程为匀减速过程，|a1|＝|a2|，且v1所处的位置为位移初始位置与第一测量初始位置的中点时，在整个过程中加减速最为平缓，对整个系统的冲击最小，实际上在这种方式下，|a1|、|a2|为最小值。

可以理解的，在测量头运动过程中，加速度传感器可以实时获取加速度数据，从而可以得到在整个运动过程中基本连续的加速度数据以及速度数据，当然也可以获取测量头在运动过程中实时的位置信息。

S3：将测量头的运动数据发送至数字映射体，在数字映射体中设置第二测量初始位置，且所述的第二测量初始位置与目标测量点的距离小于等于10mm；

可以理解的，所述的运动数据包括测量头位移初始位置、第一测量初始位置、目标测量点以及测量头在运动过程中实时的加速度、速度和位置信息，通过所述的运动数据可以在数字映射体二次模拟测量头的运动，同时可以解算在该运动过程中测量头或者运动部件在各方向上的惯量信息。

可以理解的，由于在第一运动方式中测量头的运动速度会远大于第二运动方式中测量头的运动速度，因此第二测量初始位置距离目标测量点的距离越近则总体用时越短，但是当第二测量初始位置距离目标测量点过近，则容易导致非预期的碰撞发生，优选的，在步骤S3中设定第二测量初始位置与目标测量点的距离为1-8mm。

可以理解的，当|a1|、|a2|越小时，运动部件的惯性作用对三坐标测量机及测量精度的影响越小，则此时也可以将第二测量初始位置与目标测量点的距离设置的越近。

S4：数字映射体中映射测头按一选定的第三运动方式运动至第二测量初始位置后，自第二测量初始位置按一选定的第四运动方式运动至目标测量点的位置，且，在第三运动方式中加速度小于第一最大加速度，所述的数字映射体发送第三运动方式、第四运动方式及第二测量初始位置信息至三坐标测量机。

可以理解的，需要按新设定的第二测量初始位置选定一第三运动路径，所述的第三运动方式按第三运动路径运动，并在该运动路径运动过程中加速、减速，如设在第三运动方式中自速度0加速到最大值的过程中最大加速度为a3，速度自最大值减速到第四运动方式中的速度的过程中最大加速度为a4，最大速度为v2，则有a3≤a1，a4≤a2，且v2＜v1。

优选的，a3＝a1，a4＝a2，这样能在不降低稳定性的情况下，降低测量时间。

另外，测量头在第二运动方式中，最大速度为v3，在第四运动方式中，最大速度为v4，则有v4≤v3，以进一步降低在抵触工件表面时，运动部件的惯量对测头和测量精度影响。

所述的运动方式是指映射测头或测量头在运动过程中的路径、速度及加速度。

S5：三坐标测量机的测量头从位移初始位置以第三运动方式运动至第二测量初始位置后，从第二测量初始位置以第四运动方式运动并抵触至工件表面的目标测量点，并获取工件目标测量点的位置坐标。

可以理解的，在这里，所述的工件为其他的工件，即对相同的其他工件，将执行更快的测量步骤，从而一方面降低测量时间，另一方面不会增加运动部件的运动惯量，甚至降低运动惯量，降低对系统的冲击，增加稳定性和精度。

以上所述仅为本申请的实施例，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于数字孪生技术的三坐标测量系统应用方法，所述的三坐标测量系统包括三坐标测量机及与三坐标测量机通信连接的数字映射体，其特征在于，所述的三坐标测量机包括被配置成可三轴位移的测量头及设置在测量头上的加速度传感器，所述的加速度传感器并被配置成获取测量头在运动过程中的加速度信息，所述的数字映射体包括映射测头，所述的三坐标测量系统的应用方法包括：

S1：在三坐标测量机上装夹一工件，在数字映射体上导入工件映射体；

S2：操作三坐标测量机的测量头从位移初始位置以第一运动方式运动至第一测量初始位置后，从第一测量初始位置以第二运动方式运动并抵触至工件表面的目标测量点，并获取目标测量点的位置坐标，且，所述的加速度传感器获取测量头在运动过程中的加速度信息，所述的加速度信息包括第一最大加速度；

S3：将测量头的运动数据发送至数字映射体，在数字映射体中设置第二测量初始位置，且所述的第二测量初始位置与目标测量点的距离小于等于10mm；

S4：数字映射体中映射测头按一选定的第三运动方式运动至第二测量初始位置后，自第二测量初始位置按一选定的第四运动方式运动至目标测量点的位置，且，在第三运动方式中加速度小于第一最大加速度，所述的数字映射体发送第三运动方式、第四运动方式及第二测量初始位置信息至三坐标测量机。

S5：在三坐标测量机上装夹后续工件，三坐标测量机的测量头从位移初始位置以第三运动方式运动至第二测量初始位置后，从第二测量初始位置以第四运动方式运动并抵触至工件表面的目标测量点，并获取后续工件目标测量点的位置坐标。

2.如权利要求1所述的三坐标测量系统应用方法，其特征在于，在步骤S2之前包括步骤，在数字映射体中设定第一测量初始位置，第一测量初始位置与目标测量点的距离大于等于30mm，数字映射体根据第一测量初始位置选定自位移初始位置运动至第一测量初始位置的第一运动路径及自第一测量初始位置运动至工件映射体表面对应位置的第二运动路径，数字映射体按该选定的第一运动路径、第二运动路径运动至工件映射体表面，所述的数字映射体将该第一测量初始位置、第一运动路径及第二运动路径发送至三坐标测量机，而后，三坐标测量机按步骤S2的步骤运动。

3.如权利要求1所述的三坐标测量系统应用方法，其特征在于，测量头从位移初始位置以第一运动方式运动至第一测量初始位置的过程中，速度自0开始进行加速，并且在邻近第一测量初始位置时进行减速，并且在该运动过程中包括速度最大值，如设在第一运动方式中自速度0加速到最大值的过程中最大加速度为a1，速度自最大值减速到第二运动方式中的速度的过程中最大加速度为a2，第一最大加速度为a1或a2。

4.如权利要求3所述的三坐标测量系统应用方法，其特征在于，在第一运动方式中，加速过程为匀加速过程，减速过程为匀减速过程，|a1|＝|a2|，且v1所处的位置为位移初始位置与第一测量初始位置的中点。

5.如权利要求4所述的三坐标测量系统的应用方法，其特征在于，设在第三运动方式中自速度0加速到最大值的过程中最大加速度为a3，速度自最大值减速到第四运动方式中的速度的过程中最大加速度为a4，最大速度为v2，则有a3≤a1，a4≤a2，且v2＜v1。

6.如权利要求3所述的三坐标测量系统应用方法，其特征在于，a3＝a1，a4＝a2。

7.如权利要求6所述的三坐标测量系统应用方法，其特征在于，测量头在第二运动方式中，最大速度为v3，在第四运动方式中，最大速度为v4，则有v4≤v3。

8.如权利要求1-6中任一权利要求所述的三坐标测量系统应用方法，其特征在于，第一运动方式中测量头的运动速度大于第二运动方式中测量头的运动速度。

9.如权利要求8所述的三坐标测量系统应用方法，其特征在于，在装夹工件之前，还包括进行零点标定的步骤。

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