CN1306460C - 一种曲面测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种曲面测量方法，用于采集曲面上的多个点的位置数据，该方法包括：将待测曲面划分为多个三角区域，其中所述三角区域为三维空间的平面三角形，其三个顶点位于所述曲面上；所述三角区域的特征距离小于或者等于一预定的阀值，所述特征距离是指三角区域内的一特征点在曲面上的投影点到所述三角区域的距离；将所述三角区域的顶点作为测量点，并测量该测量点的位置数据。本发明的曲面测量方法着重于曲面上测量点的选取，充分利用了待测曲面的几何特性，使得测量点的分布在曲面曲率大的地方密，小的地方疏，减少了冗余数据，大大提高了测量效率和测量速度。

Description

一种曲面测量方法
技术领域
本发明涉及CAD/CAM领域中的逆向工程技术，特别涉及测量实物表面的接触式曲面测量方法。
背景技术
逆向工程与传统工程不同，它是基于一个可以获得的实物模型来构造出它的设计概念和CAD模型，并通过调整相关参数来达到对实物模型的逼近、修改和完善，进而将这些CAD模型用于产品的分析和制造。它起始于对一个已有实物模型的测量，其研究的主要对象是如何将离散的数据点转变成为分段光滑、连续的CAD模型，与传统的CAD/CAM系统等相结合构成一个庞大的系统工程。事实上，由于逆向工程的研究基本上集中在由实物样件到曲面重构的过程，人们习惯上把整个系统的前半部分当作逆向工程来看待。因此，逆向工程可以简单地定义为：从样件表面获取数据并将它转换为CAD模型的过程。这一过程通常可根据被测样件的不同(自由曲面样件和规则曲面样件)而采用不同的数据处理和曲面重构方法。
逆向工程的过程包括如下几个阶段：数据采集、数据预处理、数据分割、曲面重构、CAD模型的建立。当然此顺序是相当概念化的，实际上，这几个阶段经常重叠，并且常常需要多次反复进行而非顺序进行。
数据采集是逆向工程的关键部分。有很多不同的数据采集方法可获得所需的形体数据，基本上可以分为接触式、非接触式、逐层扫描三大类。
接触式数据采集方法是用机械探头接触待测量的表面，机械臂关节处的传感器确定相对坐标位置。该方法稳定，即伪劣点少、精度高、重复精度高，但测量速度慢。最常见的接触式数据采集方法是坐标测量机(CMM)，通常是三坐标测量机。坐标测量机使其接触探头沿被测表面经过编程的路径逐点捕捉表面数据。测量时，可根据实物的特征选择测量位置及方向，测得特征点数据。
进行接触式数据采集时，测量装置通常设置在一个机器人装置上。用于接触式数据采集的机器人装置有很多种，申请人为中国科学院力学研究所的ZL98101217.号专利公开了这样的一种具有柔性传输和五轴联动的框架式机器人系统。
现有技术中，对曲面进行接触式数据采集通常采用等距扫描测量法，它是在待测曲面的横纵两个方向上等步长地取点，并逐一测量。它的缺点是无法利用待测曲面本身的几何特性，测点数目较多，测量速度慢，测量效率较低。同时，由于测点数据拓扑结构不明显，给测点的后续处理和曲面重构增加难度。
在本申请人的03121461.4号专利申请中提供了一种二维自适应测量方法，它是先选定一个测量方向，在该测量方向上根据待测曲面的曲率变化采用自适应步长，在与测量路径所在平面垂直的方向上采用相等的步长。这种方法在一定程度上利用了曲面本身的几何特性，与等距扫描测量法相比，减少了冗余数据，速度有所加快。但它仍然在一个方向上采用等步长测量，因此仍有进一步减少冗余数据，提高测量速度的空间。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有的曲面测量方法冗余数据多、测量速度慢的缺点和不足，提供一种新的曲面测量方法。
为了实现上述目的，本发明提供的一种曲面测量方法，用于采集曲面上的多个点的位置数据，该方法包括：
将待测曲面划分为多个三角区域，其中所述三角区域为三维空间的平面三角形，其三个顶点位于所述曲面上；所述的将待测曲面划分为多个三角区域包括：
初始三角剖分步骤，用于将待测曲面划分为多个初始的三角区域；
细剖分步骤，用于将特征距离大于阀值的三角区域再划分为多个子三角区域，直至所有的三角区域的特征距离都小于或者等于一预定的阀值；
所述三角区域的特征距离小于或者等于一预定的阀值，所述特征距离是指三角区域内的一特征点在曲面上的投影点到所述三角区域的距离；
将所述三角区域的顶点作为测量点，并测量该测量点的位置数据。
所述特征点为所述三角区域的重心。
所述的初始三角剖分步骤包括：在曲面的边界上选取多个边界点，在曲面边界内部的曲面上选取一个或多个点，按照所选取的点将所述待测曲面划分为多个三角区域。所述划分采用Delaunay三角剖分方法。
所述的细剖分步骤包括：选取分别位于所述三角区域的三条边上的三个中点，将三个中点投影到所述曲面上，得到三个投影点；用所述三角区域的三个顶点与其三个中点所对应的三个投影点将所述三角区域划分为多个子三角区域。
本发明的曲面测量方法着重于曲面上测量点的选取，充分利用了待测曲面的几何特性，使得测量点的分布在曲面曲率大的地方密，小的地方疏，减少了冗余数据，大大提高了测量效率和测量速度。本发明的曲面测量方法中选取的测量点的数据拓扑结构明显，有利于测点的后续处理和曲面重构。本发明的测量方法尤其适合于大面积的曲率变化不大的自由曲面的测量，大大提高了逆向工程中的接触式测量的效率。
附图说明
图1是接触式测量系统结构示意图；
图2是本发明的曲面测量方法对待测曲面进行初始划分的示意图；
图3是本发明的曲面测量方法对一个三角区域进行细剖分的示意图
图4是本发明的曲面测量方法一个实施例的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
本发明的曲面测量方法可用接触式测量系统来实现。接触式测量系统可采用现有技术中的框架式机器人系统，或者其它本领域技术人员所熟知的测量系统。图1示例性地给出了接触式测量系统的结构示意图，如图所示，接触式测量系统一般包括机架1、测杆2和测头3，测量系统可根据程序指令驱动测头3移动到工件4的表面5上的某一测量点，通过测头3与表面5接触产生的触发信号测得该测量点的位置数据，并将该测量数据通过信号线6返回到测量系统中的计算机并存储。工件4的表面5通常为一曲面，在对曲面进行的上述测量中，测量点的选择是一个关键问题。适当的选择测量点，可以减少冗余数据、提高测量速度。
图4示出了本发明曲面测量方法的一个优选实施例的流程图，具体步骤如下所述：
在步骤101中，首先在待测工件表面上选取待测曲面。如图2所示的一个实施例中，粗线条7围成的曲面为待测曲面。同时，设定一阀值δ，阀值δ的作用将在下文中详细描述。
在步骤102中，选取待测曲面的多个边界点作为测量点，并测出其位置数据并记录。在图2的实施例中，选取的曲面的边界点为P0～P5，建立如图所示的三位直角坐标系X-Y-Z，该边界点P0～P5的位置数据通常是其三维坐标值。所选取的边界点最好包括曲面边界上的一些特征点，如拐点等。这些边界点P0～P5的x、y坐标通常在选取待测曲面时即为已知，因此只需要测出其z坐标即可。在图1的系统中，把测头3沿着X-Y平面移动至一个边界点的x、y坐标处，向下移动测头3以测得该边界点的z坐标值。按照该过程测完选定的所有边界点P0～P5的z坐标值，这样就得到了所有选定边界点的三维坐标值。
在步骤103中，在边界内部的曲面上均匀地选取一点或多点作为测量点，按照上述测量边界点的方式测出这些点的三维坐标值并记录。例如在图2的实施例中，在边界内部选取的点为P6。尽管在这里为了图示的方便仅在边界内的曲面上选取了一点，但是从下文的描述中可知，当在边界内的曲面上选取多点时，本发明的各个步骤也是很容易理解的。
在步骤104中，用选取的边界点和边界内部的点对待测曲面进行初始三角剖分。在图2的实施例中，用步骤102和步骤103选取的点P0～P6对待测曲面进行三角剖分，将边界点P0～P5顺序连接，并将点P6分别与边界点P0～P5连接后，即可形成多个三角区域，如图中的Δ0～Δ5。当在边界内的曲面上选取多点时，采用Delaunay三角剖分方法更加方便，在现有技术中有现成的Delaunay三角剖分程序模块可供使用。分割后的三角区域Δ0～Δ5为在三维空间中的平面三角形。
在步骤105中，取一个三角区域，确定该三角区域中的一个特征点，该特征点优选是该三角区域的重心，将该重心投影到待测曲面上，得到该重心在待测曲面上的投影点，测量该投影点的位置数据。在图2所示的实施例中，选取Δ0～Δ5中的一个三角区域Δ1，计算出其重心O1的坐标。过重心点作一条垂直于X-Y平面的垂线(如图2中连接O1和O2的虚线)，该垂线与待测曲面有一交点O2，该交点O2即是重心点在待测曲面上的投影点。由于O2的x、y坐标与重心点O1相同，将测头3移动至这一坐标处，向下移动与待测曲面接触，得到投影点O2的z坐标值。这样就测出了投影点O2的三维坐标。
在步骤106中，计算出步骤105中的投影点O2到三角区域Δ1所在平面的距离，该距离可称为特征距离d。
在步骤107中，判断特征距离d是否小于或等于预定的阀值δ，若判断为否，则进入步骤108；若判断为是，则该三角区域测量完毕，进入步骤109。在实际应用时，该阀值δ的大小可根据曲面的实际曲率分布进行设置，一般来说可将该阀值δ设在0.3mm到1mm之间。
在步骤108中，把特征距离d大于预定的阀值δ的三角区域再细剖分成多个新的子三角区域。在图3所示的一个实施例中，将由顶点Pi、Pj和Pk连成的三角区域进行细剖分的方式是：取该三角区域的三条边的三个中点Ni、Nj和Nk，分别过这三个中点作垂直于X-Y平面的垂线，得到与待测曲面的三个交点Mi、Mj和Mk，这三个交点Mi、Mj和Mk为测量点，测量该三个交点的坐标并记录。用交点Mi、Mj和Mk和顶点Pi、Pj和Pk作为三角形的顶点将该三角区域进行三角剖分，形成四个子三角区域，如图3所示，这四个子三角区域分别为ΔMiMjMk、ΔMiMjPj、ΔMjMkPk和ΔMkMiPi。步骤108完成后，重新回到步骤105，对每一个子三角区域进行步骤105～步骤107的操作。
在步骤109中，判断是否所有三角区域均测量完毕。若判断为否，则回到步骤105，测量下一个三角区域；若判断为是，则进入步骤110，整个测量过程结束。
通过上述的步骤101～步骤109可看出，本发明的测量方法中选取的测量点包括步骤102中选取的曲面的边界点、步骤103中在边界内部的曲面上选取的测量点、以及在步骤108中对三角区域细剖分时组成子三角区域的顶点。正是这些测量点作为三角形的顶点将待测曲面剖分成了多个三角区域，并使得每个三角区域均满足步骤107中的判断准则，即每个三角区域的特征距离均小于或者等于一个预定的阀值δ。在本发明中，通过设置阀值δ来使得划分到的三角区域逼近待测曲面，使得划分后的三角区域基本上可表现出待测曲面的曲率变化。

Claims (5)

1、一种曲面测量方法，用于采集曲面上的多个点的位置数据，该方法包括：
将待测曲面划分为多个三角区域，其中所述三角区域为三维空间的平面三角形，其三个顶点位于所述曲面上；所述的将待测曲面划分为多个三角区域包括：
初始三角剖分步骤，用于将待测曲面划分为多个初始的三角区域；
细剖分步骤，用于将特征距离大于阀值的三角区域再划分为多个子三角区域，直至所有的三角区域的特征距离都小于或者等于一预定的阀值；所述特征距离是指三角区域内的一特征点在曲面上的投影点到所述三角区域的距离；
将所述三角区域的顶点作为测量点，并测量该测量点的位置数据。
2、根据权利要求1所述的曲面测量方法，其特征在于，所述特征点为所述三角区域的重心。
3、根据权利要求1所述的曲面测量方法，其特征在于，所述的初始三角剖分步骤包括：在曲面的边界上选取多个边界点，在曲面边界内部的曲面上选取一个或多个点，按照所选取的边界点和曲面边界内部曲面上的点将所述待测曲面划分为多个三角区域。
4、根据权利要求3所述的曲面测量方法，其特征在于，所述划分采用Delaunay三角剖分方法。
5、根据权利要求1所述的曲面测量方法，其特征在于，所述的细剖分步骤包括：选取分别位于所述三角区域的三条边上的三个中点，将三个中点投影到所述曲面上，得到三个投影点；用所述三角区域的三个顶点与其三个中点所对应的三个投影点将所述三角区域划分为多个子三角区域。
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