专利名称：基于探路法的未知自由曲面自适应测量方法与测头装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及不规则的表面或轮廓的测量，尤其是涉及一种基于探路法的未知自由曲面自适应测量方法与测头装置。
背景技术：
在机械制造领域，涉及大量含自由曲面的零部件，如汽车车体覆盖件、发动机气道、汽轮机叶片、飞机机翼等。这些零部件的设计、制造与检测问题直接关系到自由曲面的数字化测量，即是用一系列离散的采样点提取曲面原始形状信息。三坐标测量机以其高精度、智能化等特点在自由曲面数字化测量方面的应用最为广泛。
用三坐标测量机对自由曲面进行数字化采样时，关键之一是确定合理的采样方法。为了实现对自由曲面高效、高精度的测量，要求采样方法具有自适应特性，即采样点的布置随曲面曲率的变化而变化，曲率越大，采样点越密，反之采样点越疏。目前，被广泛使用的未知自由曲面数字化采样方法主要有四种 (1)等间距扫描法按程序事先设定的采样步长及避障点生成方法，对自由曲面的各个截面进行等间距扫描测量，是目前常用的数字化采样方法。它可以通过缩小采样间距来改善采样精度，但会显著降低数字化测量的效率，而且由于测点的显著增加，大大增加了后续处理的难度。
(2)自适应预测法先将已测得的若干点拟合成某一种曲线，再根据预定采样精度，调整曲线参数，自适应地外插，获取下一个探测点和避障点，实现自适应测量。
(3)粗-精二步法在多种测量传感器集成的环境下，先对测量对象进行粗测量(如CCD测量)，再利用粗测量重构的模型信息，指导精测量(如接触式测量)，实现自适应采样。
(4)细分迭代法先对被测曲面进行等间距均匀粗测，并形成网格。然后对不符合精度要求的网格进行细分测量，如此循环迭代，直到所有的网格都符合预定精度要求。目前该方法有三角细分迭代和矩形细分迭代两种。
以上方法中，等间距扫描法简单易行，但没有体现自适应特性。自适应预测法以“预测算法”为基础，可以实现自适应采样，但预测算法往往非常复杂，且不能精确的预测到每一种情况。粗-精二步法是一种理论上比较理想的方法，但需要集成快速粗测传感器(如CCD传感器)，且快速重构粗模型有一定的难度。此外，粗测和精测是一个串行过程，会影响测量效率。该方法还处在进一步的探索中。细分迭代法中，初始网格大小的确定对测量过程有很大的影响，但由于曲面模型未知，所以对初始网络大小的确定没有合理的依据可循，一般凭经验设定初始网格。该方法在实际中运用较少。同时，以上四种方法本身均没有边界识别能力，都要求在测量前人工设定自由曲面的测量边界。
发明内容
针对现有未知自由曲面数字化采样方法的不足，本发明的目的是提供一种一种基于探路法的未知自由曲面自适应测量方法与测头装置。将接触式测头和点激光测头并行安装在三坐标测量机的Z轴上，其中激光测头的信号进行探路，接触式测头用于测量。测量过程中，以激光测头的探测数据指导接触式测量，从而实现自适应测量。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是 一、一种基于探路法的未知自由曲面自适应测量方法 将接触式测头安装在两个激光测头中间，整个装置安装在三坐标测量机的Z轴上，其中利用两个激光测头的信号进行探路，接触式测头用于测量；测量时，当接触式测头从当前测量点运动到下一个待测点的过程中，激光测头以0.5～2mm的采样步长，对前面的测量路径进行探路，并将获得的测量数据经过处理后，拟合成三次均匀B样条曲线；然后将拟合后的曲线按曲率大小，离散成自适应的采样点，同时生成与采样点对应避障点；再以这些采样点、避障点指导接触式测量，实现对未知自由曲面的自适应测量。
所述的激光测头是采用点激光测头进行探路，接触式测头采用触发式测头进行测量。
所述的从激光测头获得数据在拟合成曲线前，经过去噪音点处理。
所述的拟合后的三次均匀B样条曲线，以弧长与对应弦长的差值作为预值进行自适应离散。
根据激光测头的信号从有到无或从无到有的突变，识别曲面的边界。
二、一种基于探路法的未知自由曲面自适应测量装置 右激光测头固定在基板上；基板安装在“∏”形测头基座的右内侧；左激光测头以同样的形式安装在测头基座的左内侧；接触式测头上的连接棒穿过连接孔放置在测头基座的中间；左、右激光测头以在测头基座上相对接触式测头呈对称分布；整个测头装置安装在三坐标测量机的Z轴上；三坐标测量机Z轴上有四个连接孔及一个夹紧装置与测头基座上的四个连接孔连接，夹紧装置夹紧接触式测头的连接棒。
所述的左右激光测头发射的激光束与接触式测头的测杆所在直线，处在同一平面内，且该平面与测量机机器坐标系的XOZ平面平行。
所述的四个基座安装孔、接触式测头连接孔和基板安装孔均为键槽孔。
所述的左、右激光测头的下底面到接触式测头的测球的垂直距离h，等于激光测头的测量净空。
本发明具有的有益效果是 1)以点激光测头的测量数据为指导，生成采样点和避障点，实现自适应测量。
2)在测量过程中，点激光测头和接触式测头并行工作，点激光测头的探路测量不影响接触式测量的效率。
3)点激光测头除探路测量外，可以实现曲面边界的自动识别。
4)装置结构简易，路径规划算法简单，易于实现。
图1是探路法的自由曲面自适应测量装置结构示意图； 图2是测头基座结构的三视图； 图3是自适应测量过程示意图； 图4是三个相邻测点的位置关系图； 图5是去噪音点前后激光测量数据对照图； 图6是拟合成的均匀三次B样条曲线图； 图7是B样条曲线自适应离散后的采样点分布示意图； 图8是与自适应采样点对应的避障点示意图。
图中1、测头基座，2、接触式测头，3、左激光测头，4、右激光测头，5、基板，6、固定螺钉，7、内六角螺钉，8、激光束，9、测杆，10、测球，11、基座安装孔，12、连接孔，13基板安装孔，14、连接棒。
具体实施例方式 如图1、图2所示，本发明中的右激光测头4通过内六角螺钉7固定在基板5上；基板5通过固定螺钉6和基板安装孔13，安装在“∏”形测头基座1的右侧。左激光测头3以同样的形式安装在测头基座1的左内侧；接触式测头2上的连接棒14穿过连接孔12放置在测头基座1的中间；左、右激光测头3、4以在测头基座1上相对接触式测头呈对称分布；整个测头装置安装在三坐标测量机的Z轴上；三坐标测量机Z轴上有四个连接孔及一个夹紧装置与测头基座1上的四个连接孔11连接，夹紧装置夹紧接触式测头2的连接棒14。
所述的左右激光测头3、4发射的激光束8与接触式测头2的测杆9所在直线，处在同一平面内，且该平面与测量机机器坐标系的XOZ平面平行。
所述的四个基座安装孔11、接触式测头连接孔12和基板安装孔13均为键槽孔。
所述的左、右激光测头3、4的下底面到接触式测头2测球10的垂直距离h，等于激光测头3、4的测量净空。
如图2(a)、图2(b)所示，“∏”形测头基座1上的基板安装孔13设计成键槽孔。这样激光测头3、4的位置可以作上下调整，以便使激光测头3、4的下底面到测球10的距离h，等于激光测头的测量净空(激光测头下底面到激光束汇聚焦点的距离)，以达到最好的测量效果。
测量开始前，整个装置将安装在三坐标测量机的Z轴上。三坐标测量机Z轴的连接座上有四个连接孔及一个夹紧装置，其中四个连接孔分别与测头基座1上的四个安装孔11对应，用于固定测头基座1。夹紧装置用于夹紧接触式测头2的连接棒14，以固定接触式测头2。
如图2(c)所示，测头基座1上的四个安装孔11也设计成键槽形孔。这样激光测头3、4与接触式测头2的前后位置可以调整，以便使左右激光测头3、4发射的激光束8与测杆9所在直线在同一平面内。同时，该平面应与测量机机器坐标系的XOZ平面平行。
本发明中所使用的激光测头为点激光测头，所使用接触式测头为触发式测头。
测量装置安装完毕后，需对接触式测头2和两个激光测头3、4的空间位置进行标定，以便将它们统一到同一个测量坐标系下。具体方法如下测量开始前，在测量机的工作台上放置一个标准球，以标准球的球心为原点，三轴分别与机器坐标系的X、Y、Z轴平行且方向一致，建立测量坐标系oxyz。然后用接触式测头2，在标准球球面的不同位置取若干点(不少于7点)，记录各点在机器坐标系下的坐标值(实际上是测量机上光栅尺的位置值)。接着用最小二乘法，将所得到的机器坐标值拟合成一个球，并求得该拟合球的球心坐标(Xco，Yco，Zco)。设在以后的测量过程中，接触式测点所对应机器坐标值为(Xc，Yc，Zc)，那么，它在oxyz中的坐标值可以描述为(Xc-Xco，Yc-Yco，Zc-Zco)。用同样的方法可以求得左、右激光测头3、4所对应的拟合球心坐标(Xlo，Ylco，Zlo)、(Xro，Yro，Zro)，若在以后的测量过程中，左、右激光测头3、4的测点，所对应的机器坐标值分别为(Xl，Yl，Zl)、 (Xr，Yr，Zr)， 那么它们在oxyz中的坐标值可以描述为(Xl-Xlo，Yl-Ylo，Zl-Zlo)、(Xr-Xro，Yr-Yro，Zr-Zro)。经过这样处理，系统就把三个测头统一到了同一个测量坐标系oxyz下。在标定过程中，还可以获得两激光束8所在直线与测杆9所在直线之间的距离D1、D2，其中
自适应测量过程如图3所示，完成对一个截面的测量，包括七个阶段。
一、激光测头探边界 如图3(a)所示，移动测头至起始点，开启右激光测头4，而左激光测头3暂不工作。固定某一坐标值(如Y轴)，让测头沿+X轴方向移动。当右激光测头4入曲面边界E时，其输出信号会发生突变(本发明只考虑突变边界，且假设曲面中没有突变特征)，这时测量软件立即对该突变坐标值(x0，y0，z0)进行记录，并保存为边界点A0。
二、激光测头探路测量，接触式测头探边界 如图3(b)所示，当右激光测头4进入边界E后，测量系统立即开启三个线程，各线程的工作如下 线程I激光测量控制线程，用于控制右激光测头4以等步长(根据测量经验，当步长取0.5～2mm较合理)对曲面的截面轮廓l1进行测量。
线程II边界判断线程，用于判断接触式测头2是否进入曲面边界E。可以通过比较测球10的中心与边界点A0之间的坐标值进行判断。
线程III激光数据处理线程，是最主要的线程，它实时地对右激光测头4获得测量数据进行处理，包括测量数据预处理、三次均匀B样条曲线拟合、变曲率自适应离散和避障点生成四个部分。
(1)测量数据预处理，包括去除噪音点和重复点两个部分。
测量过程中，由于机械振动、系统噪声、光照和待测曲面表面粗糙度等因素的影响，使激光测量数据中不可避免地混有噪声点(毛刺或偏离点)，在测量点拟合成B样条曲线前，应该先去除噪音点。方法如下考察某点与相邻两点连线之间的夹角θ，若θ小于某一预定值，则剔除该点，否则视该点为合理的测量点。如图4所示，设Vi-1(xi-1，yi-1，zi-1)、Vi(xi，yi，zi)、Vi+1(xi+1，yi+1，zi+1)为最新测得的相邻三点， 则Vi(xi，yi，zi)是否为噪音点的判断过程为 ①计算相应的单位向量T1(a，b，c)和T2(m，n，k) ②计算它们之间的夹角θ ③判断θi是否大于某个预先指定的角度δ(本发明根据测量经验，取δ＝70°)，如果小于δ，则该点可能是噪音点，可以剔除，否则应该保留。
得到下一个测量点Vi+2后，同样通过考察Vi+1与Vi、Vi+2连线之间的夹角，判断Vi+1的合理性，如此循环，直至激光测头结束探路测量。激光测量数据去除噪音点前后的对照关系，如图5所示。
(2)B样条曲线拟合。在当前的CAD/CAM系统中，B样条曲线、曲面已成为几何造型的核心。考虑到实际冲压模具的自由曲面，其阶次介于2～4之间，及测量系统对实时性的要求，本发明采用三次均匀B样条曲线来逼近激光测量点。设Vi、Vi+1、Vi+2和Vi+3为四个最新获得的、合理的测量点，则以Vi、Vi+1、Vi+2和Vi+3为控制点的三次均匀B样条曲线段可以表示为 写成和式为 式中u为参数，u∈
；Vi、Vi+1、Vi+2、和Vi+3为特征多边形顶点。
Bj，3(u)，j＝0，1，2，3为三次B样条的基函数，其表达式分别为 得到下一个合理的测量点Vi+4后，系统将以Vi+1、Vi+2、Vi+3和Vi+4为新的控制点，来拟合下一段曲线。如此循环，直至激光测头结束探路测量。拟合后的B样条曲线如图6所示。
(3)变曲率自适应离散。
对拟合后B样条曲线进行自适应离散的目的是为接触式测量提供合理的采样点。自适应离散要求采样点的疏密随曲线曲率的变化而变化，曲率越大则采样点越密，反之亦然。本发明以弧长和对应弦长的差值为预值，进行自适应离散。以第i曲线段P(u)为例，离散过程如下 ①取Δu＝0.001(可以取激光测量步长的千分之一)，将P(u)离散成点P(0)、P(Δu)、P(2Δu)、…、P(1)，并先设起始点P(s)为P(0)，即s＝0。
②按顺序计算起点P(s)到其后各点P[(s+1)Δu]、P[(s+2)Δu]、…P[s+k)Δu]的弧长S与对应弦长L (弧长用累加弦长近似表示弧长) 循环过程②，直到S-L＞＝η(η为预先设定的预值，本发明中取为0.0008mm)，进入过程③。
③设S-L＞＝η时，对应的终点为P(nΔu)，则把P(nΔu)保存为自适应采样点，然后以P(nΔu)为新起点，即s＝n，继续过程②，如此循环，直至曲线段边界。离散后的自适应采样点分布情况如图7所示。
(4)避障点生成。
避障点是测量路径的三大要素(名义测量点、名义测量点法矢、避障点)之一，避障点的布置是否合理，对测量时间、测量精度、安全性都有很大的影响。本发明中，避障点的生成方法如下设P(ui)为一自适应采样点，则其避障点P′(ui)可表示为 P′(ui)＝P(ui)+Δp 其中ΔP为避障矢量，ΔP＝dn，d为避障矢量的长度，根据实际经验，可以设为0.5～2mm，n为曲线P(u)在P(ui)处的单位法矢，n的求解过程为 设曲线P(u)在点P(ui)处的单位切矢为t，则
式中 Bj，3′，j＝0，1，2，3的表达式分别为 因为，Y轴固定，所以y′(u)＝0，即 又因为t⊥n，所以 避障点和自适应采样点的位置关系如图8所示。
三、接触式测量，非接触式探路并行工作 如图3(c)所示，当接触式测头2进入曲面边界E后，线程II(边界判断线程)终止，新线程IV开启。线程IV是接触式测量控制线程，它的工作是以线程III(激光数据处理线程)提供的自适应采样点及对应的避障点为依据，控制接触式测头2对曲面进行自适应测量。在接触式测量过程，线程I和III(激光测量控制线程和激光数据处理线程)仍正常工作。
四、右激光测头4离开曲面边界E，接触式测量继续 如图3(d)所示，当右激光测头4离开曲面边界E时，其输出信号会发生突变，这时测量软件立即对该突变坐标值(x1，y1，z1)进行记录，并保存为边界点A1，然后右激光测头4停止工作。此时各线程的工作状况是 线程I和III(激光测量控制线程和激光数据处理线程)终止。
线程II(边界判断线程)重新启动，通过比较测球10的中心与边界点A1之间的坐标值，判断接触式测头2是否离开曲面边界E。
线程IV(接触式测量控制线程)正常工作。
五、接触式测头2离开曲面边界E 如图3(e)所示，当接触式测头2离开曲面边界E后，线程II、IV(边界判断线程和接触式测量控制线程)均终止。同时，左激光测头3被开启，系统继续控制测头装置向+X轴方向移动。
六、测头系统离开曲面边界E 如图3(f)所示，当左激光测头3的输出信号会发生突变时，表明测头系统已经离开曲面边界E。为了防止与曲面边界发生碰撞，软件将继续控制测头装置向+X轴方向移动一个宽放距离DA。宽放距离DA的大小与Δy(Y轴方向的进给量)有关，可以取DA＝3Δy，Δy的值可以取1～5mm，也可以根据具体情况，通过人机交互调整。
七、开始下一个截面测量 如图3(g)所示，系统控制测头装置，在+Y轴方向上进给一个增量Δy，接着测头系统将沿-X轴方向移动，在新的测量截面l2上，继续上述的自适应测量。
七个阶段循环工作，直至完成对整个曲面的自适应测量。获得的测量数据将导入后序处理软件，重建自由曲面的几何模型。
权利要求
1.一种基于探路法的未知自由曲面自适应测量方法，其特征在于将接触式测头安装在两个激光测头中间，整个装置安装在三坐标测量机的Z轴上，其中利用两个激光测头的信号进行探路，接触式测头用于测量。测量时，当接触式测头从当前测量点运动到下一个待测点的过程中，激光测头以0.5～2mm的采样步长，对前面的测量路径进行探路，并将获得的测量数据经过处理后，拟合成三次均匀B样条曲线；然后将拟合后的曲线按曲率大小，离散成自适应的采样点，同时生成与采样点对应避障点。再以这些采样点、避障点指导接触式测量，实现对未知自由曲面的自适应测量。
2.根据权利要求1所述的一种基于探路法的未知自由曲面自适应测量方法，其特征在于所述的激光测头是采用点激光测头进行探路，接触式测头采用触发式测头进行测量。
3.根据权利要求1所述的一种基于探路法的未知自由曲面自适应测量方法，其特征在于所述的从激光测头获得数据在拟合成曲线前，经过去噪音点处理。
4.根据权利要求1所述的一种基于探路法的未知自由曲面自适应测量方法，其特征在于所述的拟合后的三次均匀B样条曲线，以弧长与对应弦长的差值作为预值进行自适应离散。
5.根据权利要求1所述的一种基于探路法的未知自由曲面自适应测量方法，其特征在于根据激光测头的信号从有到无或从无到有的突变，识别曲面的边界。
6.一种用于自适应测量的测头装置，其特征在于右激光测头(4)固定在基板(5)上；基板(5)安装在“∏”形测头基座(1)的右内侧；左激光测头(3)以同样的形式安装在测头基座(1)的左内侧；接触式测头(2)上的连接棒(14)穿过连接孔(12)放置在测头基座(1)的中间；左、右激光测头(3、4)以在测头基座(1)上相对接触式测头呈对称分布；整个测头装置安装在三坐标测量机的Z轴上；三坐标测量机Z轴上有四个连接孔及一个夹紧装置与测头基座(1)上的四个连接孔(11)连接，夹紧装置夹紧接触式测头(2)的连接棒(14)。
7.根据权利要求6所述的一种用于自适应测量的测头装置，其特征在于所述的左右激光测头(3、4)发射的激光束(8)与接触式测头(2)的测杆(9)所在直线，处在同一平面内，且该平面与测量机机器坐标系的XOZ平面平行。
8.根据权利要求6所述的一种用于自适应测量的测头装置，其特征在于所述的四个基座安装孔(11)、接触式测头连接孔(12)和基板安装孔(13)均为键槽孔。
9.根据权利要求6所述的一种用于自适应测量的测头装置，其特征在于所述的左、右激光测头(3、4)的下底面到接触式测头(2)的测球(10)的垂直距离h，等于激光测头(3、4)的测量净空。
全文摘要
本发明公开了一种基于探路法的未知自由曲面自适应测量方法与测头装置。将接触式测头安装在两个激光测头中间，整个装置安装在三坐标测量机的Z轴上，利用两个激光测头的信号进行探路，接触式测头用于测量；当接触式测头从当前测量点运动到下一个待测点的过程中，激光测头以0.5～2mm的采样步长，对前面的测量路径进行探路，并将获得的测量数据经过处理后，拟合成三次均匀B样条曲线；然后将拟合后的曲线按曲率大小，离散成自适应的采样点，同时生成与采样点对应避障点；再以这些采样点、避障点指导接触式测量，实现对未知自由曲面的自适应测量。该方法算法简便，装置结构简单，易于实现。
文档编号G01B11/00GK101149253SQ200710156129
公开日2008年3月26日 申请日期2007年10月16日 优先权日2007年10月16日
发明者卢科青, 文 王, 陈子辰 申请人:浙江大学