一种不同非接触式测头测量数据的对齐方法
【技术领域】
[0001]本发明是一种不同非接触式测头测量数据的对齐方法，属于测量技术领域。
【背景技术】
[0002]坐标测量设备可测量工件表面尺寸、坐标位置等。非接触坐标测量设备上安装有非接触测头。不同类型非接触测头有各自的优缺点，适合测量不同的特征，因此在同一台坐标测量设备上同时安装不同原理的多个非接触式测头是有意义的。现有的多测头非接触坐标测量设备上，用各个测头得到的测量数据不是同一个坐标系下的值，不能直接合并使用。为了解决这个问题，目前使用的测量数据的对齐方法需要在工件上有各个测头都可测量的几个公共元素，然后通过这些公共元素建立工件坐标系。然而非接触测头，如光谱共焦测头和锥光偏振测头，存在测量角度问题，有时无法在工件上找到各个测头都可测量的用于建立工件坐标系的公共元素。
【发明内容】
[0003]本发明正是针对上述现有技术中存在的问题而设计提供了一种不同非接触式测头测量数据的对齐方法，其目的是无需对工件有特殊要求就可以方便的将三轴多测头非接触坐标测量设备上安装的多个非接触测头的测量数据直接转换到同一个坐标系下，方便了测量数据的使用。
[0004]本发明的目的是通过以下技术方案来实现的:
[0005]该种不同非接触式测头测量数据的对齐方法，所述对齐方法是将三轴多测头非接触坐标测量设备中不同测头的测量数据转换到同一个空间坐标系下的方法，所述三轴多测头非接触坐标测量设备上安装了两个非接触式测头，分别为非接触式测头I (I)和非接触式测头II (2)，其特征在于:该方法的步骤如下:
[0006]步骤一、在测量设备台体(3)上固定标准球(5)，标准球(5)的半径为R ;
[0007]步骤二、用非接触式测头I (I)对标准球(5)的表面进行采点测量，采点数为8个，记录该8个点对应的机床示值坐标和测头输出值，所述8个点的选择应满足以下要求:
[0008]2.1采前4个点时，保持测头输出值相等为L1,记录前4个点的机床示值坐标为:
(X1, Y1, Z1)、(x2, Y2, z2)、(x3, y3, z3)、(x4, y4, z4)；
[0009]2.2采后4个点时，保持测头输出值相等为L2，并且L2大于L i，记录后4个点的机床不值坐标为:(X5，Υδ) Ζ5)、(Χ6) Υδ) Ζ6)、(Χ7) I?, Ζγ)、(Χ8) Υδ) Ζδ);
[0010]步骤三、用(X1,Y1, Z1)、(X2, J2, Z2)、(X3, y3, ζ3)、(χ4, y4, ζ4)计算得到球心坐标a (x9, y9, Z9)，计算方法如下:
[0011 ] 3.1根据球面方程得到四个联立方程:
[0012](X1 - X9)2+ Cy1 - y9)2+ (Z1 - z9)2= R 2式 I
[0013](x2 - x9)2+(y2 - y9)2+(z2 - Z9)2= R 2式 2
[0014](x3 - x9)2+(y3 - y9)2+(z3 - Z9)2= R 2式 3
[0015](x4 - x9)2+(y4 - y9)2+(z4 - Z9)2= R 2式 4
[0016]3.2通过对式I?式4的转换，得到以下3个方程:
[0017](X1 - X9)2+ Cy1 - y9)2+ (Z1 - z9)2= (x 2 - x9)2+ (y2 - y9)2+ (z2 - z9)2 式 5
[0018](x3 - Xg)2+ (y3 - yg)2+ (Z3 - z9)2 = (X4- X9)2+ (y4 - y9)2+ (z4 - Z9)2 式 6
[0019](X1 - X9)2+ Cy1 - y9)2+ (Z1 ~ Z9)2= (x 3 - x9)2+ (y3 - y9)2+ (z3 - z9)2 式 7
[0020]3.3将式5?式7展开整理后得到下列3个方程:
[0021](X12 - SX1Xfy12 - Sy1Yi^z12 - SZ1Z9) = (x22 - 2x2x9+y22 - 2y2y9+z22 - 2z2z9)式8
[0022](x32 - 2x3x9+y32 - 2y3y9+z32 - 2z3z9) = (x42 - 2x4x9+y42 - 2y4y9+z42 - 2z4z9)
式9
[0023](X12 - SX1Xfy12 - Sy1Yi^z12 - SZ1Z9) = (x32 - 2x3x9+y32 - 2y3y9+z32 - 2z3z9)式10
[0024]3.4通过求解式8?式10联立的三元一次方程组，得到x9、y9、Z9的数值；
[0025]步骤四、采用步骤三中的计算方法，用(x5, y5, z5)、(x6, y6, z6)、(x7, y7, z7)、(x8, Y8, z8)计算得到球心坐标 b (x10, y10, z10)；
[0026]步骤五、球心坐标b到球心坐标a的矢量Iii1表示为(x9 - x10, y9 - y10, Z9 - Z10)，矢量!^归一化后的矢量η !表不为(i !, ji, kj)；
[0027]步骤六、用非接触式测头II⑵对标准球(5)的表面进行采点测量，采点数为8个，记录该8个点对应的机床示值坐标和测头输出值，所述8个点的选择应满足以下要求:
[0028]6.1采前4个点时，保持测头输出值相等为L3,记录前4个点的机床示值坐标为:
(xIl) Yll) Z11)、(X12) Yl2) Ζ12)、(Χ13) Υ?3) Ζ13)、(Χ 14，Υ?4? Ζ14);
[0029]6.2采后4个点时，保持测头输出值相等为L4，并且L4大于L3，记录后4个点的机床不值坐标为:(x15，y15，z15)、(χ
16，Υ?6? Ζ16)、(Χ17，
y17，ζ17)、(χ
18， Yl8, Z18)；
[0030]步骤七、采用步骤三中的计算方法，用(xn，yn,zn)、(x12, y12, z12)、(x13, y13, z13)、(x14, y14, z14)计算得到球心坐标 c (x19, y19, z19)；
[0031]步骤八、采用步骤三中的计算方法，用(x15,y15, z15)、(x16, y16, z16)、(x17, y17, z17)、(x18, y18, z18)计算得到球心坐标 d(x2。，y2。，z20)；
[0032]步骤九、球心坐标d到球心坐标c的矢量m2表示为(x 19 - x20, y19 - y20, Z19 - z20)，矢量m2归一化后的矢量η 2表示为(i2，Lk2);
[0033]步骤十、球心坐标c到球心坐标a的矢量P表示为(x9 _ x19, y9 _ y19, z9 - z19)；
[0034]步骤十一、在测量设备台体(3)上固定被测工件(4)，用非接触式测头I (I)采集被测工件⑷表面上一个点Pt1，记录机床示值坐标(x21, y21, z21)和非接触式测头I (I)测头输出值L5;用非接触式测头II (2)采集被测工件(4)表面上另一个点Pt2，记录机床示值坐标(x22，y22，Z22)和非接触式测头(2)的测头输出值L6;
[0035]步骤十二、将LpL1、矢量Ii1 Q1, J1, ki)和坐标(x21, y21, Z21)采用如下公式进行计算，获取点Pt1的空间坐标e，计算公式如下:
[0036]e = ((L5 - L1) !^+X21, (L5 - L1) J-Jy21, (L5 - LDkAz21)式 11 ;
[0037]步骤十三、将L6、L3、矢量 n2(i2, j2, k2)、坐标(x22, y22, z22)和矢量 p (x9 _ x19, y9 _y19, Z9 - z19)采用如下公式进行计算，获取点Pt2的空间坐标f，计算公式如下:
[0038]f — ((L6 - L3) i2+x22+x9 _ x19，(L6 _ L3) j2+y22+y"9 ~~ J19? (Lg " L3) k2+z22+z9 _ z19)式12 ；
[0039]所述空间坐标e、空间坐标f即为非接触式测头I (I)和非接触式测头II (2)的测量数据在同一个坐标系下对齐的测量结果。
[0040]本发明在机床上放置标准球，并用两种非接触式测头对其采集16个点，用这些数据可以计算出Lp L3、矢量Ii1、n2、Po L1与非接触测头I (I)安装位置有关，L3与非接触测头II (2)安装位置有关，矢量Ill与非接触测头I (I)安装方向有关，矢量η 2与非接触测头II⑵安装方向有关，矢量P与非接触测头I (I)相对于非接触测头II⑵的位置有关。对被测工件进行测量时，将上述参数和非接触测头的测量数据代入式11和式12，可以实现将两种非接触式测头的测量数据直接对齐到同一个坐标系下，具有方便和高效的优势。
【附图说明】
[0041]图1为实现本发明方法的三轴坐标测量设备的结构示意图
【具体实施方式】
[0042]以下将结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步地详述，步骤中未标明的数值单位为mm:
[0043]参见附图1所示，实现本发明方法的三轴坐标测量设备上既安装了非接触式测头I (I)，也安装了非接触式测头II (2)，非接触式测头I (I)选用米铱公司光谱共焦测头，非接触式测头II (2)选用0Ρ??ΜΕΤ公司锥光偏振测头，2个测头之间的相对位置在安装后保持固定，对两个不同测头测量的数据转换到同一个空间坐标系下的对齐方法采用如下步骤完成:
[0044]步骤一、在测量设备台体(3)上固定标准球(5)，标准球(5)的半径为20mm ;
[0045]步骤二、用非接触式测头I (I)对标准球(5)的表面进行采点测量，采点数为8个，记录该8个点对应的机床示值坐标和测头输出值:
[0046]2.1采前4个点时，保持测头输出值相等为L1= 16，记录前4个点的机床示值坐标为:(X1, y” Z1) = (100,80,110)、(x2, y2, z2) = (90,80,107.3205)、(x3, y3, z3)=(110，80，107.3205)、(x4, y4, z4) = (100，90，107.3205)；
[0047]2.2采后4个点时，保持测头输出值相等为L2= 26，记录后4个点的机床示值坐标为:(x5, y5, z5) = (100,80,120)、(x6, y6, z6) = (90,80,117.3205)、(x7, y7, z7)=(110，80，117.3205)、(x8, y8, z8) = (100，90，117.3205)；
[0048]步骤三、用(X1,Y1, Z1)、(x2, j2, z2)、(x3, y3, z3)、(x4, y4, z4)计算得到球心坐标a (x9, y9, Z9)，计算方法如下:
[0049]3.1根据球面方程得到四个联立方程:
[0050](X1 - X9)2+ Cy1 - y9)2+ (Z1 - z9)2= R 2式 I
[0051](x2 - x9)2+(y2 - y9)2+(z2 - Z9)2= R 2式 2
[0052](x3 - Xg)2+ (y3 - y9) 2+(z3 - Z9)2= R 2式 3
[0053](x4 - Xg)2+ (y4 - y9)2+ (z4 _ z9)2 = R 2式 4
[0054]3.2通过对式I?式4的转换，得到以下3个方程:
[0055](X1 - X9)2+ Cy1 - y9)2+ (Z1 _ z9)2 = (x 2 _ x9)2+ (y2 - y9)2+ (z2 - Z9)2 式 5
[0056](x3 - X9)2+ (y3 - yg)2+ (z3 - Z9)2= (X4- X9)2+ (y4 - y9)2+ (z4 - Z9)2 式 6
[0057](X1 - X9)2+ (y1- yg)2+ (Zl - Z9)2= (X3- X9)2+ (y3 - y9)2+ (z3 - Z9)2 式 7
[0058]3.3将式5?式7展开整理后得到下列3个方程:
[0059](X12 - SX1Xfy12 - Sy1Yi^z12 - SZ1Z9) = (x22 - 2x2x9+y22 - 2y2y9+z22 - 2z2z9)式8
[0060](x32 - 2x3x9+y32 - 2y3y9+z32 - 2z3z9) = (x42 - 2x4x9+y42 - 2y4y9+z42 - 2z4z9)
式9
[0061](X12 - SX1Xfy12 - Sy1Yi^z12 - SZ1Z9) = (x32 - 2x3x9+y32 - 2y3y9+z32 -