一種不同非接觸式測頭測量數(shù)據(jù)的對齊方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明是一種不同非接觸式測頭測量數(shù)據(jù)的對齊方法,屬于測量技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]坐標(biāo)測量設(shè)備可測量工件表面尺寸、坐標(biāo)位置等。非接觸坐標(biāo)測量設(shè)備上安裝有非接觸測頭。不同類型非接觸測頭有各自的優(yōu)缺點(diǎn),適合測量不同的特征,因此在同一臺坐標(biāo)測量設(shè)備上同時安裝不同原理的多個非接觸式測頭是有意義的?,F(xiàn)有的多測頭非接觸坐標(biāo)測量設(shè)備上,用各個測頭得到的測量數(shù)據(jù)不是同一個坐標(biāo)系下的值,不能直接合并使用。為了解決這個問題,目前使用的測量數(shù)據(jù)的對齊方法需要在工件上有各個測頭都可測量的幾個公共元素,然后通過這些公共元素建立工件坐標(biāo)系。然而非接觸測頭,如光譜共焦測頭和錐光偏振測頭,存在測量角度問題,有時無法在工件上找到各個測頭都可測量的用于建立工件坐標(biāo)系的公共元素。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0003]本發(fā)明正是針對上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題而設(shè)計(jì)提供了一種不同非接觸式測頭測量數(shù)據(jù)的對齊方法,其目的是無需對工件有特殊要求就可以方便的將三軸多測頭非接觸坐標(biāo)測量設(shè)備上安裝的多個非接觸測頭的測量數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)換到同一個坐標(biāo)系下,方便了測量數(shù)據(jù)的使用。
[0004]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的:
[0005]該種不同非接觸式測頭測量數(shù)據(jù)的對齊方法,所述對齊方法是將三軸多測頭非接觸坐標(biāo)測量設(shè)備中不同測頭的測量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到同一個空間坐標(biāo)系下的方法,所述三軸多測頭非接觸坐標(biāo)測量設(shè)備上安裝了兩個非接觸式測頭,分別為非接觸式測頭I (I)和非接觸式測頭II (2),其特征在于:該方法的步驟如下:
[0006]步驟一、在測量設(shè)備臺體(3)上固定標(biāo)準(zhǔn)球(5),標(biāo)準(zhǔn)球(5)的半徑為R ;
[0007]步驟二、用非接觸式測頭I (I)對標(biāo)準(zhǔn)球(5)的表面進(jìn)行采點(diǎn)測量,采點(diǎn)數(shù)為8個,記錄該8個點(diǎn)對應(yīng)的機(jī)床示值坐標(biāo)和測頭輸出值,所述8個點(diǎn)的選擇應(yīng)滿足以下要求:
[0008]2.1采前4個點(diǎn)時,保持測頭輸出值相等為L1,記錄前4個點(diǎn)的機(jī)床示值坐標(biāo)為:
(X1, Y1, Z1)、(x2, Y2, z2)、(x3, y3, z3)、(x4, y4, z4);
[0009]2.2采后4個點(diǎn)時,保持測頭輸出值相等為L2,并且L2大于L i,記錄后4個點(diǎn)的機(jī)床不值坐標(biāo)為:(X5,Υδ) Ζ5)、(Χ6) Υδ) Ζ6)、(Χ7) I?, Ζγ)、(Χ8) Υδ) Ζδ);
[0010]步驟三、用(X1,Y1, Z1)、(X2, J2, Z2)、(X3, y3, ζ3)、(χ4, y4, ζ4)計(jì)算得到球心坐標(biāo)a (x9, y9, Z9),計(jì)算方法如下:
[0011 ] 3.1根據(jù)球面方程得到四個聯(lián)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通過對式I?式4的轉(zhuǎn)換,得到以下3個方程:
[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將式5?式7展開整理后得到下列3個方程:
[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通過求解式8?式10聯(lián)立的三元一次方程組,得到x9、y9、Z9的數(shù)值;
[0025]步驟四、采用步驟三中的計(jì)算方法,用(x5, y5, z5)、(x6, y6, z6)、(x7, y7, z7)、(x8, Y8, z8)計(jì)算得到球心坐標(biāo) b (x10, y10, z10);
[0026]步驟五、球心坐標(biāo)b到球心坐標(biāo)a的矢量Iii1表示為(x9 - x10, y9 - y10, Z9 - Z10),矢量!^歸一化后的矢量η !表不為(i !, ji, kj);
[0027]步驟六、用非接觸式測頭II⑵對標(biāo)準(zhǔn)球(5)的表面進(jìn)行采點(diǎn)測量,采點(diǎn)數(shù)為8個,記錄該8個點(diǎn)對應(yīng)的機(jī)床示值坐標(biāo)和測頭輸出值,所述8個點(diǎn)的選擇應(yīng)滿足以下要求:
[0028]6.1采前4個點(diǎn)時,保持測頭輸出值相等為L3,記錄前4個點(diǎn)的機(jī)床示值坐標(biāo)為:
(xIl) Yll) Z11)、(X12) Yl2) Ζ12)、(Χ13) Υ?3) Ζ13)、(Χ 14,Υ?4? Ζ14);
[0029]6.2采后4個點(diǎn)時,保持測頭輸出值相等為L4,并且L4大于L3,記錄后4個點(diǎn)的機(jī)床不值坐標(biāo)為:(x15,y15,z15)、(χ
16,Υ?6? Ζ16)、(Χ17,
y17,ζ17)、(χ
18, Yl8, Z18);
[0030]步驟七、采用步驟三中的計(jì)算方法,用(xn,yn,zn)、(x12, y12, z12)、(x13, y13, z13)、(x14, y14, z14)計(jì)算得到球心坐標(biāo) c (x19, y19, z19);
[0031]步驟八、采用步驟三中的計(jì)算方法,用(x15,y15, z15)、(x16, y16, z16)、(x17, y17, z17)、(x18, y18, z18)計(jì)算得到球心坐標(biāo) d(x2。,y2。,z20);
[0032]步驟九、球心坐標(biāo)d到球心坐標(biāo)c的矢量m2表示為(x 19 - x20, y19 - y20, Z19 - z20),矢量m2歸一化后的矢量η 2表示為(i2,Lk2);
[0033]步驟十、球心坐標(biāo)c到球心坐標(biāo)a的矢量P表示為(x9 _ x19, y9 _ y19, z9 - z19);
[0034]步驟十一、在測量設(shè)備臺體(3)上固定被測工件(4),用非接觸式測頭I (I)采集被測工件⑷表面上一個點(diǎn)Pt1,記錄機(jī)床示值坐標(biāo)(x21, y21, z21)和非接觸式測頭I (I)測頭輸出值L5;用非接觸式測頭II (2)采集被測工件(4)表面上另一個點(diǎn)Pt2,記錄機(jī)床示值坐標(biāo)(x22,y22,Z22)和非接觸式測頭(2)的測頭輸出值L6;
[0035]步驟十二、將LpL1、矢量Ii1 Q1, J1, ki)和坐標(biāo)(x21, y21, Z21)采用如下公式進(jìn)行計(jì)算,獲取點(diǎn)Pt1的空間坐標(biāo)e,計(jì)算公式如下:
[0036]e = ((L5 - L1) !^+X21, (L5 - L1) J-Jy21, (L5 - LDkAz21)式 11 ;
[0037]步驟十三、將L6、L3、矢量 n2(i2, j2, k2)、坐標(biāo)(x22, y22, z22)和矢量 p (x9 _ x19, y9 _y19, Z9 - z19)采用如下公式進(jìn)行計(jì)算,獲取點(diǎn)Pt2的空間坐標(biāo)f,計(jì)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]所述空間坐標(biāo)e、空間坐標(biāo)f即為非接觸式測頭I (I)和非接觸式測頭II (2)的測量數(shù)據(jù)在同一個坐標(biāo)系下對齊的測量結(jié)果。
[0040]本發(fā)明在機(jī)床上放置標(biāo)準(zhǔn)球,并用兩種非接觸式測頭對其采集16個點(diǎn),用這些數(shù)據(jù)可以計(jì)算出Lp L3、矢量Ii1、n2、Po L1與非接觸測頭I (I)安裝位置有關(guān),L3與非接觸測頭II (2)安裝位置有關(guān),矢量Ill與非接觸測頭I (I)安裝方向有關(guān),矢量η 2與非接觸測頭II⑵安裝方向有關(guān),矢量P與非接觸測頭I (I)相對于非接觸測頭II⑵的位置有關(guān)。對被測工件進(jìn)行測量時,將上述參數(shù)和非接觸測頭的測量數(shù)據(jù)代入式11和式12,可以實(shí)現(xiàn)將兩種非接觸式測頭的測量數(shù)據(jù)直接對齊到同一個坐標(biāo)系下,具有方便和高效的優(yōu)勢。
【附圖說明】
[0041]圖1為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明方法的三軸坐標(biāo)測量設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖
【具體實(shí)施方式】
[0042]以下將結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明技術(shù)方案作進(jìn)一步地詳述,步驟中未標(biāo)明的數(shù)值單位為mm:
[0043]參見附圖1所示,實(shí)現(xiàn)本發(fā)明方法的三軸坐標(biāo)測量設(shè)備上既安裝了非接觸式測頭I (I),也安裝了非接觸式測頭II (2),非接觸式測頭I (I)選用米銥公司光譜共焦測頭,非接觸式測頭II (2)選用0Ρ??ΜΕΤ公司錐光偏振測頭,2個測頭之間的相對位置在安裝后保持固定,對兩個不同測頭測量的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到同一個空間坐標(biāo)系下的對齊方法采用如下步驟完成:
[0044]步驟一、在測量設(shè)備臺體(3)上固定標(biāo)準(zhǔn)球(5),標(biāo)準(zhǔn)球(5)的半徑為20mm ;
[0045]步驟二、用非接觸式測頭I (I)對標(biāo)準(zhǔn)球(5)的表面進(jìn)行采點(diǎn)測量,采點(diǎn)數(shù)為8個,記錄該8個點(diǎn)對應(yīng)的機(jī)床示值坐標(biāo)和測頭輸出值:
[0046]2.1采前4個點(diǎn)時,保持測頭輸出值相等為L1= 16,記錄前4個點(diǎn)的機(jī)床示值坐標(biāo)為:(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個點(diǎn)時,保持測頭輸出值相等為L2= 26,記錄后4個點(diǎn)的機(jī)床示值坐標(biāo)為:(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]步驟三、用(X1,Y1, Z1)、(x2, j2, z2)、(x3, y3, z3)、(x4, y4, z4)計(jì)算得到球心坐標(biāo)a (x9, y9, Z9),計(jì)算方法如下:
[0049]3.1根據(jù)球面方程得到四個聯(lián)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通過對式I?式4的轉(zhuǎn)換,得到以下3個方程:
[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將式5?式7展開整理后得到下列3個方程:
[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 -