專利名稱：基于組合點激光測頭的未知自由曲面測量方法與測頭裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及不規(guī)則表面或輪廓的測量，尤其是涉及一種基于組合點激光測 頭的未知自由曲面測量方法與測頭裝置。
技術(shù)背景在機(jī)械制造、家電外形設(shè)計、醫(yī)療器材、卡通動畫、工藝品與文物復(fù)制、 服裝設(shè)計等領(lǐng)域，涉及大量自由曲面數(shù)字化問題。在三坐標(biāo)測量機(jī)上配置光學(xué) 非接觸式測頭，是被普遍運用的測量裝置，可以實現(xiàn)對自由曲面自動、高速、 較高精度的測量。其中點激光測頭以其響應(yīng)速度快、分辨率高、受環(huán)境電磁場 影響小、工作距離大、測量精度較高等特點而被廣泛應(yīng)用。點激光測頭通過探測入射激光點，在被測物表面產(chǎn)生的漫反射光的分布， 來獲得測量距離。在實際測量過程中，影響點激光傳感器測量精度的外部因素 有很多種，其中被測表面傾斜的影響最為嚴(yán)重。當(dāng)點激光測頭的出射光束，與 被測表面的法向的夾角大于45。左右時，測量誤差較大，甚至無法正常工作。這 是因為被測量表面的傾斜，使入射點所產(chǎn)生的漫反射光的空間分布發(fā)生了變化。 目前，用于解決該問題的方法主要有3種(1) 多次重定位測量對被測量曲面進(jìn)行分片規(guī)劃，通過多次改變曲面的 姿態(tài)，調(diào)整被測表面法向與激光束之間的夾角，使其始終在正常的測量范圍內(nèi)， 最后通過數(shù)據(jù)拼接獲得完整的測量數(shù)據(jù)。(2) 利用PH10回轉(zhuǎn)體PH10有A、 B兩個回轉(zhuǎn)軸，其中繞A軸的轉(zhuǎn)角 范圍為(T 105、繞B軸的轉(zhuǎn)角范圍為-18(T 18(r。測量前，先將該回轉(zhuǎn)體安裝 在三坐標(biāo)測量機(jī)的Z軸上，然后將點激光測頭安裝在PH10上。測量過程中，系 統(tǒng)不斷地計算出射激光束與被測表面法向的夾角，當(dāng)其大于預(yù)定值時，系統(tǒng)控 制PH10作相應(yīng)的回轉(zhuǎn)，確保該夾角始終小于預(yù)定值。(3) 單發(fā)射多接收測頭該方法在點激光發(fā)射器的周圍，均布多個PSD探 測器。測量時，根據(jù)這多個探測器上的值，推算測量點的坐標(biāo)值，它可以有效 地擴(kuò)大可測的傾角范圍，當(dāng)傾角達(dá)到8(T 85。時，仍可以進(jìn)行測量，同時可以提 高測量的精度。以上方法中，利用多次重定位測量，成本低，但人工干預(yù)多，且多次定 位操作將延長工作時間。此外，目前沒有非常精確的重定位方法，多次重定位必然引入較大的重定位誤差。利用PH10回轉(zhuǎn)體，在理論上可以實現(xiàn)任意形狀 自由曲面的測量，但它也有很多不足①回轉(zhuǎn)角度是離散的；②當(dāng)曲面起伏較 多時，回轉(zhuǎn)體需要頻繁地改變測頭方向，影響測量速度；③為了獲得被測點的 法向，需實時地進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，且獲得的只是被測表面的近似法向；④價格昂 貴。單發(fā)射多接收測頭，較好地拓展了點激光測頭的可測傾角范圍，但方法還 在進(jìn)一步的研究中。 發(fā)明內(nèi)容在未知自由曲面測量中，針對現(xiàn)有點激光測量方法存在的不足，本發(fā)明的 目的是提供一種基于組合點激光測頭的未知自由曲面測量方法與測頭裝置。該 方法將三個點激光測頭，按一定的結(jié)構(gòu)，安裝在三坐標(biāo)測量機(jī)的Z軸上，每一種 測頭負(fù)責(zé)測量某一傾角范圍內(nèi)的曲面，最后通過多傳感器數(shù)據(jù)組合，實現(xiàn)對被 測曲面的完整測量。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是-一、 一種基于組合點激光測頭的未知自由曲面測量方法，該方法的步驟為1) 主激光測頭根據(jù)事先設(shè)定的測量邊界與采樣步長，對被測曲面進(jìn)行等間距 逐行掃描，并記錄各個截面的掃描數(shù)據(jù)及對應(yīng)行號；2) 每完成一個截面的掃描，數(shù)據(jù)處理線程開啟。該線程首先對截面數(shù)據(jù)進(jìn)行 去噪音點處理。接著將處理后的數(shù)據(jù)點擬合成三次NURBS曲線。然后根據(jù)曲線 上，點的外法線與機(jī)器坐標(biāo)系Z軸正方向，所成角度0的大小，將曲線離散成 "
、 ^(120。,180。]的三種曲線段，分別記為第II 、 I、 III類 曲線段，并記錄它們的位置，同時將形成第I類曲線段的測量點記為主數(shù)據(jù)。最后，根據(jù)第n類曲線段的分布位置，為左激光測頭的二次測量，規(guī)劃好測量 路徑。根據(jù)第m類曲線段的分布位置，為右激光測頭的二次測量，規(guī)劃好測量 路徑。當(dāng)前截面數(shù)據(jù)處理完成后，該線程終止，到主激光測頭掃描完下一個截面后，再重新開啟；3) 主激光測頭完成測量后，系統(tǒng)根據(jù)"數(shù)據(jù)處理線程"提供的左激光測頭的測量路徑，對第n類曲線段處的截面進(jìn)行二次測量，并記錄測量數(shù)據(jù)與對應(yīng)行號，記為左數(shù)據(jù)；4) 左激光測頭完成測量后，系統(tǒng)根據(jù)"數(shù)據(jù)處理線程"提供的右激光測頭的測量路徑，對第in類曲線段處的截面進(jìn)行二次測量，并記錄測量數(shù)據(jù)與對應(yīng)行號，記為右數(shù)據(jù)；5) 測量完成后，系統(tǒng)以行號為基準(zhǔn)，合并主數(shù)據(jù)、左數(shù)據(jù)和右數(shù)據(jù)，并作為最后的測量結(jié)果。所述的主激光測頭、左激光測頭和右激光測頭，均為點激光測頭，其測量 中心距為80w附，測量范圍為士20附m。當(dāng)被測曲面法線與測頭激光束的夾角《3(T 時，可以保持良好的測量精度。當(dāng)被測曲面法線與測頭激光束的夾角245。時， 測量精度顯著下降，甚至無法工作。所述的對被測曲面進(jìn)行等間距逐行掃描，是一個自適應(yīng)跟蹤測量過程，即 主激光測頭會根據(jù)被測曲面的高度變化，自適應(yīng)地調(diào)整測頭高度，使被測曲面 始終在主激光測頭的量程范圍內(nèi)。二、 一種基于組合點激光測頭的未知自由曲面測量的測頭裝置主激光測頭通過直角接連板，固定在測頭基板的下端正前方；左、右激光 測頭通過斜角連接板，安裝在測頭基板的下端正后方；主激光測頭豎直放置， 左、右激光測頭傾斜放置，且顯對稱分布，與豎直方向的夾角均為12(T ;測頭 基板上有四個安裝孔，用于將整個測頭裝置安裝在三坐標(biāo)測量機(jī)的Z軸上。本發(fā)明具有的有益效果是1) 只需點激光測頭，通過一次定位，就能實現(xiàn)傾角在[(T,18(T]內(nèi)的復(fù)雜自由 曲面的完整測量。2) 三個點激光測頭的組合，使測量精度不隨自由曲面傾角的增大而變小。3) 裝置結(jié)構(gòu)簡易，算法簡單，易于實現(xiàn)。


圖1是組合點激光測頭裝置示意圖；圖2是斜角連接板結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是組合點激光測頭測量范圍分配示意圖；圖4是標(biāo)定塊結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是激光束空間方向標(biāo)定過程示意圖；圖6是測量系統(tǒng)各坐標(biāo)系示意圖；圖7是主激光測頭掃描過程及掃描路徑示意圖；圖8是主激光測頭掃描數(shù)據(jù)處理過程示意圖；圖9是左激光測頭掃描過程及掃描路徑示意圖；圖IO是右激光測頭掃描過程及掃描路徑示意圖；圖11是測量數(shù)據(jù)組合過程示意圖。圖中l(wèi).測頭基板，2.直角接連板，3.斜角連接板，4.右激光測頭，5.右激光 光束，6.主激光測頭，7.主激光光束，8.左激光測頭，9.左激光光束。
具體實施方式
設(shè)三坐標(biāo)測量機(jī)的機(jī)器坐標(biāo)系為O-JiTZ。本發(fā)明所使用的組合點激光測頭裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示，主激光測頭6通過直角接連板2，固定在測頭基板1的下端正前方；左、右激光測頭8、 4通過斜 角連接板3，安裝在測頭基板1的下端正后方；主激光測頭6豎直放置，左、右 激光測頭7、 4傾斜放置，且顯對稱分布，與豎直方向的夾角均為12(T ;測頭基 板1上有四個安裝孔，用于將整個測頭裝置安裝在三坐標(biāo)測量機(jī)的Z軸上。所述的斜角連接板3，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖2(a)為其結(jié)構(gòu)示意圖；圖2(b) 為其正視圖。從圖2(b)可知，斜向板與豎直方向成120。，從而使置于其上的左、 右激光測頭8、 4與豎直方向均成12(T。所述的主激光測頭6，左、右激光測頭8、 4均為點激光測頭。本發(fā)明使用 日本神視ANR1282點激光測頭，其測量中心距為80m附(點激光測頭下底面到 激光束匯聚焦點的距離)，測量范圍為±20附柳。當(dāng)被測曲面法矢量與測頭激光束 的夾角。(T時，測頭可以保持良好的測量精度。當(dāng)被測曲面法矢量與測頭激光 束的夾角^45。時，測頭測量精度顯著下降，甚至無法正常工作。三個點激光測頭組合的目的是被測曲面的不同傾斜程度區(qū)域，都有合適 的測頭對其進(jìn)行測量，保證測量精度。圖3(a)是組合點激光測頭裝置的正視圖。 由于三個激光測頭4、 6、 8的空間位置關(guān)系，使主激光束7豎直向下，而左、 右激光束9、 5與豎直方向均成12(T，且兩激光束在同一平面內(nèi)。記被測截面線 上，點的外法線與x軸正方向所成角度為e，則在被測截面上，測量域的分配情況是由主激光測頭6測量"[6(T，120°]的截面段，其測量區(qū)域記為I區(qū)；由左 激光測頭8測量^[(T，6(T)的截面段，其測量區(qū)域記為II區(qū)；由右激光測頭4測 量0e(12(T,18O。]的截面段，其測量區(qū)域記為III區(qū)。由圖3(a)可知，三條激光光束 5、 7、 9恰好是這三個測量區(qū)域的角平分線。這樣在測量域內(nèi)，被測量截面的外 法線與激光光束5、 7、 9的夾角都小于3(T度，從而可以保證測量結(jié)果具有良好 的精度。如圖3(b)所示，三個測量域的組合，包攬了[(T,18(T]內(nèi)的所有向量方向， 所以三個激光測頭4、 6、 8的組合，可以對傾角在
內(nèi)的復(fù)雜自由曲面實 現(xiàn)完整的測量。在測量開始前，首先需要進(jìn)行的工作是激光光束5、 7、 9空間方向的標(biāo) 定和多傳感器測量坐標(biāo)系的統(tǒng)一。 一、測頭激光束空間方向標(biāo)定主激光光束7與左、右激光光束9、 5的空間方向直接影響測量結(jié)果。由于存在零配件的加工誤差、安裝誤差及傳感器本身的幾何誤差等因素影響，所以 在測量前，必須對它們的空間方向進(jìn)行標(biāo)定。本發(fā)明所使用的標(biāo)定塊示意圖如圖4(a)所示，圖4(b)、 4(c)、 4(d)為它的三視圖。標(biāo)定塊上有6個面，其中^、 "2 用于標(biāo)定主激光光束7， A、 A用于標(biāo)定左激光光束9， a、 ^用于標(biāo)定右激光 光束5。在本發(fā)明中，標(biāo)定塊的設(shè)計特點是當(dāng)邊A&與y軸平行放置時，^、 "2、A、 / 2、 a、 ；^這六個面的外法線的方向角分別為(90。,io(r,i(r) 、 (9(r,80。,i(r)、(3r,10(T，6r)、 (3r,8(T，6r)、 (149°,10(T，61°)、 (149°，80°，61°)。這樣的設(shè)計使在標(biāo)定過程中，各個面都不與x、 r、 z軸平行，保證測頭沿某軸向移動時，測量點的坐標(biāo) 值在另外兩個軸向上都有變化。如圖5所示，以左激光光束9為例，標(biāo)定原理如下以左激光光束9在平面A上的入射點o為原點，建立坐標(biāo)系o-x^，其x、少、z軸分別平行于x、 r、 z軸，且方向一致。 設(shè)平面A的方程為<formula>formula see original document page 8</formula> (1)式中，ti5,c^為平面A的法矢量。設(shè)左激光光束9所在直線的方程為<formula>formula see original document page 8</formula> (2)式中，{/,附,^為直線的單位方向矢量，,為參數(shù)。此時，直線與平面交點o的坐標(biāo)值為(0,0,0)。 一一驅(qū)動三坐標(biāo)測量機(jī)，向X軸 正方向移動Ax，那么直線方程變?yōu)?lt;formula>formula see original document page 8</formula>(3) 這時，直線與平面的交點變?yōu)閛',其坐標(biāo)值為(/AJ + Ax,mAd,"zW)，其中Ad是 左激光束的長度變化量，Ac/ = c/。y-々p。因為交點o'在平面A上，所以將(3)式代入(1)式，得<formula>formula see original document page 9</formula>同理可得<formula>formula see original document page 9</formula>得<formula>formula see original document page 9</formula>將^、 S、 C的值代入式(4)，得所以，<formula>formula see original document page 9</formula>因為^、 ^、 ^為已知值，所以，不妨設(shè)^=^ ^ 并代<formula>formula see original document page 9</formula> 同理，在平面A上，經(jīng)過同樣的過程，可以得到另外一個方程<formula>formula see original document page 9</formula>又{/,附，"}為單位矢量，所以有<formula>formula see original document page 9</formula>聯(lián)立(9)、 (10)、 (ll)得 <formula>formula see original document page 10</formula>(12)由此方程組可以解出左激光光束9所在直線的方向矢量{/，m，"}。 以左激光光束9為例，標(biāo)定步驟如下① 將標(biāo)定塊放置在測量機(jī)的工作臺上，并使邊s^平行于r軸。② 驅(qū)動三坐標(biāo)測量機(jī)，調(diào)整左激光測頭8與平面A之間的位置關(guān)系，使左 激光測頭8在測量范圍內(nèi)，然后記錄左激光光束9的初始長度d。，及X軸的初 始位置x。。③ 驅(qū)動三坐標(biāo)測量機(jī)，讓左激光測頭8沿I軸作等間距移動。每進(jìn)給一個 步長Ax，左激光測頭8與測量機(jī)X軸的光柵尺都采樣一次，分別記錄此時左激 光光束9的長度《和Z軸的位置;c,。設(shè)移動了n次，則可到"+ l組數(shù)據(jù) <formula>formula see original document page 10</formula>④計算M的值<formula>formula see original document page 10</formula>⑤讓左激光測頭8，分別沿y軸、Z軸作等間距移動，進(jìn)行類似的采樣和計 算，得到M、 M，的值，與^結(jié)合，獲得 、"12、 "13。⑥驅(qū)動三坐^<formula>formula see original document page 10</formula>〔機(jī)，使左激光光束9對準(zhǔn)平面A，重復(fù)步驟② ⑤，獲⑦建立方程組(12)，求得左激光光束9所在直線的方向矢量{/,附，"}。 用相同的方法，可以求得右激光光束5、主激光光束7所在直線的方向矢量。 二、多傳感器測量坐標(biāo)系的統(tǒng)一本發(fā)明中，系統(tǒng)最終獲得的是三個測頭的組合數(shù)據(jù)，所以必須將這三個傳
感器獲得的測量數(shù)據(jù)，統(tǒng)一到同一個坐標(biāo)系下。以左激光測頭8為例，坐標(biāo)統(tǒng)一過程如下設(shè)經(jīng)過標(biāo)定，左、右激光光束9、 5所在直線的方向矢量為{/2，附2, }、(/3 ， m3 ， W3 )。(1) 建立坐標(biāo)系在測量機(jī)工作臺上放置一個標(biāo)準(zhǔn)球，以標(biāo)準(zhǔn)球的球心為原點，建立測量參 考坐標(biāo)系0^-XM^ZM，如圖6所示。在左激光測頭8上，以左激光光束9的出 射點。2為原點，建立傳感器測量坐標(biāo)系02-x2>^2。其中，ZM、 4、 ^三軸， A、力、-2三軸都分別平行于1、 7、 Z軸，且方向一致。(2) 求解OM在機(jī)器坐標(biāo)系O-Z7Z中的位置。驅(qū)動三坐標(biāo)測量機(jī)，使左激光測頭8在標(biāo)準(zhǔn)球球面的不同位置采樣iV點 (A^7)，采樣時，記錄對應(yīng)的左激光光束9的長度^,(!、l，2，3,…iV)和三軸在機(jī)器 坐系中的坐標(biāo)值(AA,Z,.) (i",2,3，…N)(實際上是測量機(jī)各軸上光柵尺的位置 值)。設(shè)采樣點在o2-:c2w2中的坐標(biāo)值為(&，_y2,,2,)(/ = l,2,3,...iV)，則 (^，J2,,,z2,) = (/2"2,,^2"2,，"2^)0' = l,2，3，...A0 。設(shè)三坐標(biāo)測量機(jī)回到零點時，。2在 0-XFZ中的坐標(biāo)值為(^,^c》，則采樣時^在機(jī)器坐標(biāo)系0-JSTZ中的坐標(biāo)值為 (《+ 2，1^ +62，Z,. +c2)(/ = l,2,3， iV)。設(shè)在機(jī)器坐標(biāo)系0-Jt7Z中，采樣點的坐標(biāo) 值為(義2,,^72,.)(/ = 1,2,3廣.^0，則它與(x2i,_y2,,,z2》(/ = 1,2，3,…AO的關(guān)系為<formula>formula see original document page 11</formula>系中的單位方向矢量，值分別為(i,o,o)f ， (0,1,0)、 (o,o,i)t。 ^ ,J為平移矢量，表不02 在O-2TZ中的位置，其值為(A +a2,K +62,^ +c2)r(/ = l，2，3,..iV)。所 以<formula>formula see original document page 12</formula>(14)
將(^,,少2,,22,;^ =(/2d2,,w^2,,"2d2,)r0'= 1,2,3,…A0^f代入(14)，得
<formula>formula see original document page 12</formula>(15)
然后用最小二乘法，將點集(X2i-a2,r2,-62,Z2,.-c2)(/ = 1,2,3，…AO ， 即 (I, +/2《,K +w2^,Z, +"^2,)(/ = 1，2,3， ^)擬合成一個球，并求得擬合球的球心坐
標(biāo)，設(shè)其值為(X2。,:^。,Z2。)。那么測量坐標(biāo)系o^-%^}^2^的原點0^在機(jī)器坐標(biāo) 系o-; 7中的位置為(12。 +"2，;r2。 +62,z2。 +c2)。 (3) 。2-&;^2到 -x"^^變換。
設(shè)測量點為^，對應(yīng)的左激光光束9長度為《p三軸的機(jī)器坐標(biāo)為
(A,^,zj。則點^在。2-乇:^2中的坐標(biāo)值(^,^,^) = (/2^，^ ,,"2^)， 。2在
機(jī)器坐標(biāo)系0-燈Z中的位置為(J^+ ]^+Z)2，^+。)。根據(jù)式(13)，測點^在 0-Z7Z中的坐標(biāo)為
<formula>formula see original document page 12</formula>(16)
又因為 在o-燈z中的位置為(^。+"2,:r2。+^，Z2。+c2)，所以，o在Om-xMrMzw 中的位置為(-x2。-fl2，-;r2。-62，-z2。-C2)，那么根據(jù)式(13)，點乂在 -j^i^Zm中 的坐標(biāo)為
<formula>formula see original document page 13</formula>
(17)
把<formula>formula see original document page 13</formula>代入式(17)，得
<formula>formula see original document page 13</formula>(18)
這樣左激光測頭8的測量結(jié)果，就從傳感器測量坐標(biāo)系02-12>^2轉(zhuǎn)換到了 測量坐標(biāo)系0^-^yMZM。用同樣的方法，可以將主激光測頭6、右激光測頭4 的測量結(jié)果，轉(zhuǎn)換到測量坐標(biāo)系，從而完成三個激光傳感器4、 6、 8的坐標(biāo)統(tǒng)
完成以上準(zhǔn)備工作后，就可以開始對未知自由曲面進(jìn)行測量，整個測量過 程包括五個階段。
一、主激光測頭6測量
本發(fā)明不涉及自由曲面邊界的自動識別，所以在測量開始前，系統(tǒng)需事先 規(guī)劃好測量域。主激光測頭6工作時，采用等間距逐行掃描法規(guī)劃測量路徑， 所以，測量前還需先設(shè)定采樣步長義及掃描行間距Ay。義與A^的值可以根據(jù)測 量經(jīng)驗取0.5 2mm，也可以根據(jù)實際情況，通過人機(jī)交互確定。主激光測頭6 的掃描測量過程還是一個自適應(yīng)跟蹤測量過程，即主激光測頭6會根據(jù)被測曲 面的高度變化，自適應(yīng)地作上下調(diào)整，保證被測點始終在主激光測頭6的量程 內(nèi)。
如圖7(a)所示，設(shè)事前確定的是矩形測量域，主激光測頭6的測量過程為 移動主激光測頭6至起始點，然后固定y軸上的坐標(biāo)值，讓主激光測頭6沿+義 軸方向，以預(yù)設(shè)的采樣步長義，進(jìn)行掃描測量。當(dāng)主激光測頭6到達(dá)測量邊界后， 系統(tǒng)控制測頭裝置，在-r軸方向上進(jìn)給一個增量Ay。然后，主激光測頭6將沿 -X軸方向進(jìn)行相同的掃描測量。在測量過程中，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)主激光束7的長度 t/^60/ww-5 (60wm是量程上限，J是預(yù)警值，本發(fā)明中取2 5附m)時，系統(tǒng)將 驅(qū)動Z軸沿+ Z軸方向移動20附w;當(dāng)^260mw + 3時，系統(tǒng)驅(qū)動Z軸沿-Z軸方向 移動20mm，以保證被測點始終在主激光測頭6的量程內(nèi)。如此反復(fù)，直到完成 對整個測量域的掃描。掃描過程中，測量數(shù)據(jù)與對應(yīng)行號將被記錄到計算機(jī)。測量過程如圖7(b)所示。 二、測量數(shù)據(jù)在線處理
主激光測頭6每完成一個截面的掃描，數(shù)據(jù)處理線程將開啟，對該截面的
測量數(shù)據(jù)進(jìn)行在線處理。該線程有四個任務(wù)
(1) 利用弦高法去除噪音點
在測量過程，由于機(jī)械振動、系統(tǒng)噪聲、光照和待測表面粗糙度等因素的 影響，使測量數(shù)據(jù)中不可避免地混有噪音點(毛刺或偏離點)。將離散點擬合成 曲線前，應(yīng)該先去除噪音點，以使擬合曲線更逼真地表達(dá)出被測曲面的形狀。 在本發(fā)明中，噪音點的處理是一個在線過程，所以選擇簡單、快速且比較有效
的弦高法判斷噪音點。設(shè)t。 K,、 R+,為相鄰的三點，則K是否為噪音點的判斷 過程為連接^和J^，計算^到弦^+1的距離仏如果"^ (e是預(yù)定值)， 則認(rèn)為K是噪音點，否則認(rèn)為是合理的測量點。
(2) 離散點擬合成NURBS曲線
圖8(a)是被測物某一截面上的測量結(jié)果，設(shè)其為示例截面。從圖中可知，由 于被測曲面的高低起伏，當(dāng)主激光測頭6測量傾角較大的曲面時，會丟失很多 數(shù)據(jù)，這樣使相鄰離散數(shù)據(jù)間的距離變化較大。此時，與其它曲線類型相比， 用NURBS曲線擬合此類離散點，更能反映出被測曲面的特征。又考慮到工業(yè)產(chǎn) 品中自由曲面的其階次介于2 ~ 4之間，所以本發(fā)明采用三次NURBS曲線來擬合 主激光測頭6的測量數(shù)據(jù)。
三次NURBS曲線的擬合過程為
設(shè)某一截面的測量數(shù)據(jù)，經(jīng)去噪音點處理后，獲得w + l個合理的測量點。而 K、 K+1、 ^2和^3為其中連續(xù)的四個測量點，則以K、 Fi+1、 ^2和^3為控制點 的三次NURBS曲線可以表示為
= - (19)
式中J^.為控制頂點，R.為權(quán)因子<formula>formula see original document page 14</formula>為3次8樣條基函數(shù)，其 定義如下<formula>formula see original document page 15</formula>式中we[w,"-",+3]，"力、0,l,2,…,w + 4)為節(jié)點，由其形成節(jié)點矢量C7本發(fā)明中，節(jié)點矢量中具體的節(jié)點值，用里森費爾德(Riesenfeld，1975)方法確 定，具體過程為① 順序連接測量點F。、 ^、、 ^;，形成控制多邊形；② 順序計算控制多邊形的邊長A、 /2、…、/ ;③ 計算控制多邊形邊長的總和丄=A +/2 +... + / ;④ 得到節(jié)點矢量￡7 =
。本發(fā)明中權(quán)因子取1.5 3，以使曲線適當(dāng)引向控制點，從而更真切地反映被 測曲面的特征。圖8(b)是將示例截面上的測量點，擬合成三次NURBS曲線后的結(jié)果。 (3)曲線段離散與分類把離散的測量點擬合成三次NURBS曲線后，就可以求解曲線上點的法線方 向。然后根據(jù)法線與X軸所成夾角^的大小，將NURBS曲線離散成曲線段，并 進(jìn)行分類。擬合曲線的離散與分類過程為如圖8(c)所示，設(shè)戶(w,)為NURBS曲線上一點，且該點處的單位切矢為" 單位法矢為w，則式中<formula>formula see original document page 16</formula>(20)Ok), / = 0,1,2,3的表達(dá)式分別為萬;,3(")=—30," —wi+3 — w)2("'+4 - ",+3X",+4 - ",+2)(",+4 - ""I)(",+4 - "W _"4)2 -2("w - +%)(",+4 - ",+3 -04 — W3)("4 -"2)("4 — "1) (",+4 -",+3 - -",+2 + -",+3 - "J(",+3 -",+2(",+5 - ",+2)(",+4 - ""3)("W - "J+ (",+5 -",+3 -"。K+4 - "W - + - 2(",+5 - ",+3 - + (""5 - ",+3 _ )2523(w)=+(",+5 - ",+2 X",+4 - ",+3 )(";+4 - ",+2 ) ("W — "i+3 )(",+5 — "w — ",+2 )2(",+3 -",+2 +"*)(",+4 -",+3 - (",+3 - "W +"t)2(",+5 -",+2)(",+4 -",+3)(",+4 -",+2) (",+5 -";+3 — "tX",+3 一",+2 +"*)一(",+3 一",+2 +(",+5 -",+3 -"4)"A("'+5 -",+3)(",+5 - ",+2)(",.2"*("i+6 — ",+3 —一",+3)(",+6 一",+3)("W — ",+3)(";+4 — "W)533(")=3wt(",+6 —",+3)(",+5 -";+3)(",+4 — "W)因為，y軸固定，所以^(") = 0，即(21)又因為/丄w，所以尸K) 尸K)(22)設(shè)"={i,o，o}是z軸上的單位矢量，貝U"與"的夾角e可由COS0 =H l"lz ("》(23)的值來確定。根據(jù)e的大小把曲線分成i、 n、 m類曲線段，分類原則如下:①把cos^丄J 2，即^0.了J的曲線段記為第n類曲線段;，即" 丁的曲線段記為第I類曲線段;②把cos^一 I1 I 21 I 2③把COS^<formula>formula see original document page 18</formula>的曲線段記為第III類曲線段。圖8(d)是把擬合后的示例曲線離散成曲線段，并進(jìn)行分類后的結(jié)果。線段分 界點4 ~ 4及該截面對應(yīng)的行號，將作為各類曲線段的位置標(biāo)志，都被記錄下來。 同時，形成第I類曲線段的測量點與對應(yīng)的行號，將被存儲為主數(shù)據(jù)。 (4)左、右激光測頭8、 4 二次測量路徑生成擬合后的NURBS曲線形狀，在一定程度上，反映了被測截面的真實形狀。 在第I類曲線段處，由于截面上法線與主激光光束7的夾角pS3(r,所以主激光 測頭6在此處能保持良好的測量精度。而在第II、 III類曲線段處，由于^>30°， 所以使測量數(shù)據(jù)有較大的誤差，甚至無法測量。如圖8(a)所示，在傾角很大的截面上無法獲得測量數(shù)據(jù)。所以，對于第n、 m類曲線段處的截面，需要用左、右激光測頭8、 4進(jìn)行二次測量，以獲得較好的測量結(jié)果。 二次測量路徑生成包括兩個過程①細(xì)分第n、 III類曲線段根據(jù)公式(21)、 (22)、 (23)，再次計算第II、 m類曲線段上，點的法線與X軸正方向的夾角^，根據(jù)^的大小對第n、 m類曲線段作進(jìn)一步細(xì)分，分類原則如 下i )把cos^eii)把cos…iii)把cos^iv)把c。s^<formula>formula see original document page 18</formula>0，的曲線段記為第n(i)類曲線段;即^<formula>formula see original document page 18</formula>6 3, 27T 5;r、的曲線段記為第II(2)類曲線段;、3 6的曲線段記為第III(l)類曲線段;即^<formula>formula see original document page 18</formula>6的曲線段記為第ni(2誘曲線段。如圖s(e)所示是對示例截面的第ii、 m類曲線段進(jìn)行細(xì)分后的結(jié)果。線段分 界點4、 4、 4、 4、 a、 4、 ^、 ^及截面對應(yīng)的行號，將作為各類曲線段的位 置標(biāo)志，都被記錄到計算機(jī)。②測量路徑生成對第n、 m類曲線段進(jìn)行細(xì)分，目的是為了規(guī)劃出更合理的測量路徑，在測量過程中，使測量點始終在左、右激光測頭8、 4的量程之內(nèi)。由于測量面的起伏，激光束的長度在測量過程中是不斷變化的，不像接觸式測頭，有固定的 測桿長度。所以，本發(fā)明中的測量路徑，是指測頭上激光出射點(傳感器測量 坐標(biāo)系原點)的行走路徑。以示例截面為例，測量路徑生成過程為-i) 對于第n類曲線段處的截面，首先將第n(i)、 n(2)類曲線段的端點^、4、 ^沿左激光束9的方向(/2,柳2,"2)向外偏置80/ 附，偏置點為q、 C2、 C3。然后 順序連接各偏置點，形成折線段qqq，它即為左激光測頭8的測量路徑。首尾 連接各個截面上的測量路徑，便形成左激光測頭8的整個測量路徑。如圖8(g) 所示，為示例物體上左激光測頭8的二次測量路徑。ii) 對于第ni類曲線段處的截面，首先將第m(i)、 in(2)類曲線段的端點4、4、 ^沿右激光束5的方向(/3,附3，"3)向外偏置80mw，偏置點為53、萬2、 A。然后 順序連接各偏置點，形成折線段A^A,它即為右激光測頭4的測量路徑。首尾 連接各個截面上的測量路徑，便形成右激光測頭4的整個測量路徑。如圖8(h) 所示，為示例物體上右激光測頭4的二次測量路徑。當(dāng)前截面數(shù)據(jù)處理完成后，該數(shù)據(jù)處理線程將自動關(guān)閉，等待主激光測頭6 完成下一個截面掃描后，又重新開啟。三、 左激光測頭8二次測量當(dāng)主激光測頭6完成對整個測量域的掃描后，左激光測頭8將按"數(shù)據(jù)處 理線程"提供的測量路徑，對第II類曲線段處的截面進(jìn)行二次測量。因為"數(shù) 據(jù)處理線程"已經(jīng)給出了測量路徑，所以左激光測頭8只需沿著測量路徑，按 事先設(shè)定的采樣步長A，進(jìn)行測量即可。測量數(shù)據(jù)和對應(yīng)的行號將同時被記錄到 計算機(jī)，并記為左數(shù)據(jù)。左激光測頭8的測量過程，如圖9所示。四、 右激光測頭4二次測量當(dāng)左激光測頭8完成二次測量后，右激光測頭4開始工作，它的工作原理 和左激光測頭8相似。右激光測頭4的測量數(shù)據(jù)和對應(yīng)的行號記為右數(shù)據(jù)。右 激光測頭4的測量過程，如圖10所示。五、 多傳感器數(shù)據(jù)組合當(dāng)左、右激光測頭8、 4完成二次測量后，系統(tǒng)開始對三個激光測頭4、 6、 8的數(shù)據(jù)進(jìn)行組合。本發(fā)明中以行號為標(biāo)準(zhǔn)，組合主數(shù)據(jù)、左數(shù)據(jù)和右數(shù)據(jù)，組合后的數(shù)據(jù)作為最終的測量數(shù)據(jù)。以示例截面為例，多傳感器數(shù)據(jù)組合的過程如圖11所示。圖中，圖ll(a)表示示例截面的主數(shù)據(jù)，對應(yīng)的左數(shù)據(jù)和右數(shù)據(jù)如 圖ll(b)、 ll(c)所示，組合后的數(shù)據(jù)如圖ll(d)所示。本發(fā)明適用于特征截面傾角在[(T，18(T]之間的物體的逆向測量。該方法簡單， 裝置簡易，算法簡便，易于實現(xiàn)。
權(quán)利要求
1.一種基于組合點激光測頭的未知自由曲面測量方法，其特征在于該方法的步驟為1)主激光測頭根據(jù)事先設(shè)定的測量邊界與采樣步長，對被測曲面進(jìn)行等間距逐行掃描，并記錄各個截面的掃描數(shù)據(jù)及對應(yīng)行號；2)每完成一個截面的掃描，數(shù)據(jù)處理線程開啟；該線程首先對截面數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪音點處理；接著將處理后的數(shù)據(jù)點擬合成三次NURBS曲線；然后根據(jù)曲線上，點的外法線與機(jī)器坐標(biāo)系X軸正方向，所成角度θ的大小，將曲線離散成θ∈
、θ∈(120°，180°]的三種曲線段，分別記為第II、I、III類曲線段，并記錄它們的位置，同時將形成第I類曲線段的測量點記為主數(shù)據(jù)；最后，根據(jù)第II類曲線段的分布位置，為左激光測頭的二次測量，規(guī)劃好測量路徑；根據(jù)第III類曲線段的分布位置，為右激光測頭的二次測量，規(guī)劃好測量路徑；當(dāng)前截面數(shù)據(jù)處理完成后，該線程終止，到主激光測頭掃描完下一個截面后，再重新開啟；3)主激光測頭完成測量后，系統(tǒng)根據(jù)“數(shù)據(jù)處理線程”提供的左激光測頭的測量路徑，對第II類曲線段處的截面進(jìn)行二次測量，并記錄測量數(shù)據(jù)與對應(yīng)行號，記為左數(shù)據(jù)；4)左激光測頭完成測量后，系統(tǒng)根據(jù)“數(shù)據(jù)處理線程”提供的右激光測頭的測量路徑，對第III類曲線段處的截面進(jìn)行二次測量，并記錄測量數(shù)據(jù)與對應(yīng)行號，記為右數(shù)據(jù)；5)測量完成后，系統(tǒng)以行號為基準(zhǔn)，合并主數(shù)據(jù)、左數(shù)據(jù)和右數(shù)據(jù)，并作為最后的測量結(jié)果。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于組合點激光測頭的未知自由曲面測量方 法，其特征在于所述的主激光測頭、左激光測頭、右激光測頭，均為點激光 測頭，其測量中心距為80麵，測量范圍為±20畫；當(dāng)被測曲面法線與測頭激光 束的夾角^3(T時，可以測頭保持良好的測量精度；當(dāng)被測曲面法線與測頭激光 束的夾角2 45。時，測頭的測量精度顯著下降，甚至無法工作。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的， 一種基于組合點激光測頭的未知自由曲面測量方 法，其特征在于所述的對被測曲面進(jìn)行等間距逐行掃描，是一個自適應(yīng)跟蹤 測量過程，即主激光測頭會根據(jù)被測曲面的高度變化，自適應(yīng)地調(diào)整測頭高度， 使被測曲面，始終在主激光測頭的量程范圍內(nèi)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于組合點激光測頭的未知自由曲面測量方法，其特征在于所述的根據(jù)第n類曲線段的分布位置，為左激光測頭的二次測量規(guī)劃好測量路徑，其過程為先將第n類曲線段進(jìn)一步細(xì)分成0e[(r,3(T]， ^(3(T，6(T)的子曲線段，然后將子曲線段的端點，沿左激光束，向外偏置80ww， 最后順序連接偏置后的端點，形成的折線段即為左激光測頭的測量路徑。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于組合點激光測頭的未知自由曲面測量方 法，其特征在于所述的根據(jù)第III類曲線段的分布位置，為右激光測頭的二次 測量規(guī)劃好測量路徑，其過程為先將第III類曲線段進(jìn)一步細(xì)分成^(12(T，15(n， 0e[15(T，18(T]的子曲線段，然后將子曲線段的端點，沿右激光束，向外偏置80m附， 最后順序連接偏置后的端點，形成的折線段即為右激光測頭的測量路徑。
6. —種基于組合點激光測頭的未知自由曲面測量的測頭裝置，其特征在于 主激光測頭(6)通過直角接連板(2)，固定在測頭基板(l)的下端正前方；左、右激 光測頭(8、 4)通過斜角連接板(3)，安裝在測頭基板(l)的下端正后方；主激光測 頭(6)豎直放置，左、右激光測頭(7、 4)傾斜放置，且顯對稱分布，與豎直方向的 夾角均為12(T ;測頭基板(l)上有四個安裝孔，用于將整個測頭裝置安裝在三坐 標(biāo)測量機(jī)的Z軸上。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于組合點激光測頭的未知自由曲面測量方法與測頭裝置。將三個點激光測頭安裝在三坐標(biāo)測量機(jī)的Z軸上，主激光測頭在前，豎直放置；左、右激光測頭在后，斜向放置，與豎直方向成120°。測量時，首先由主激光測頭，對被測量曲面進(jìn)行等間距逐行掃描，并對掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行逐行處理，根據(jù)截面線上點的外法線，與X軸正方向所成角度θ的值，把截面線離散成θ∈
、θ∈(120°，180°]的曲線段，記錄它們的位置。以這些位置值，指導(dǎo)左、右激光測頭，分別對θ∈
的截面段進(jìn)行二次測量。通過多測頭數(shù)據(jù)組合，實現(xiàn)對未知自由曲面的完整測量。利用點激光測頭的組合，實現(xiàn)傾角在
內(nèi)的復(fù)雜自由曲面的完整測量。
文檔編號G01B11/24GK101216295SQ200810059148
公開日2008年7月9日 申請日期2008年1月14日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月14日
發(fā)明者盧科青, 周雄輝, 文 王, 章燁輝, 陳子辰 申請人:浙江大學(xué)