[发明专利]基于LED环形光的实时半径补偿方法及测头装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种实时半径补偿方法及测头装置，尤其是涉及一种基于LED环形光的实时半径补偿方法及测头装置。

背景技术

便携式坐标测量机如图1所示，通常采用接触式测头，例如红宝石测头，它具有质硬，球度好，半径一致性好，与被测面总接触一点，测量精度比非接触式测量方式高，广泛应用于坐标测量领域。如图2所示，当便携式坐标测量机沿着被测自由曲面3上的标记线4进行测量时，系统需要获得的是测球2球心的坐标值，而不是测球2与曲面接触点的坐标值，因此需要在测量过程中或测量完成后，对获得的测量数据进行半径补偿。半径补偿的关键技术是确定被测自由曲面上接触点的法矢方向。在逆向工程中，被测自由曲面的数学模型未知，所以无法用计算偏导数的方式确定测点的法矢方向，只能根据测点与邻域测点的拓扑关系，构成曲线或微平面，计算法矢方向，近似作为测点的半径补偿方向。

目前半径补偿通常有两种方式：事后补偿和实时补偿。事后补偿根据测头半径、曲面的性质等计算每个点的补偿量，并对曲面进行偏置实现半径补偿，然而对于形状复杂的自由曲面，通过等距偏置得到等距曲面的难度大。

对于实时自动半径补偿，由于测量人员手持便携式坐标测量机进行测量，测点分布较散乱，没有明显的扫描线特征，因而无法直接采用二维补偿方法。三维补偿方法一般采用微平面法，测量时测头在测点P的一个小邻域内，分别采集三个辅助参考点，将这三点组成小平面，其法矢方向近似作为测点P的半径补偿方向。这种方法每测一点，需要测三个辅助点，大大增加了测量工作量和时间，并且半径补偿的精度与所选的辅助参考点有关，同时也受到测量人员工作经验的影响。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于LED环形光的实时半径补偿方法及其测头装置。便携式测量机采用该测头装置进行自由曲面测量时，可以实时补偿测头半径，从而直接获得自由曲面上测点的三维坐标数据。此方法应用于缓变自由曲面的逆向测量，具有较高的测量精度。本发明可实现便携式坐标测量机测量过程中的测量数据实时半径补偿，处理后的数据可直接导入CAD/CAM系统，完成后续的模型重建和数字化加工。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一、一种基于LED环形光的实时半径补偿方法：

该实时半径补偿方法是将接触式测头测球附近的被测自由曲面近似为微平面，用LED环形光投射到微平面上形成椭圆的投影线，并由CCD摄像机捕捉椭圆的投影线，然后根据椭圆长轴、短轴与测头坐标系x、y轴的夹角和长轴、短轴长度比值，计算得到微平面的单位法矢，取其外法线方向，最后利用该单位法矢的外法线方向对接触式测头进行实时半径补偿。

所述的对接触式测头获得数据进行实时半径补偿的方法：

当接触式测头接触被测自由曲面后，获得一个测点，记为P，该测点值为测头球心坐标值；将接触式测头测球附近的被测曲面上近似为微平面，用LED环形光投射到微平面上形成椭圆的投影线；CCD摄像机图像坐标系与接触式测头坐标系，经过坐标变换后重合，CCD摄像机捕捉椭圆的投影线，计算图像像素点数，得到长轴和短轴长度分别为OA′和OB′，根据式(1)计算单位法矢n与Z轴的夹角

过A′作垂直于坐标系x轴的垂线得交点C′，计算图像像素点数，得到OA′和OC′的长度，得到OA′和OC′的长度，根据式(2)计算椭圆投影线长轴OA′与坐标系x轴的角度值θ

θ＝arcsin(OC′/OA′)(2)

根据已求得的θ、计算微平面的单位法矢n，即为

根据式(3)，结合求得的单位法矢n对接触式测头获得的数据点P进半径补偿，得到补偿后的数据点P_real。

P_real＝P-n·r    (3)

二、一种基于LED环形光的实时半径补偿测头装置：

在保护套筒下端的中心孔中，装有外套有机玻璃环的测针座，测针座下端装有测针，LED发射器上端同轴安装在套筒盖下端面，LED发射器下端安装在环形的聚集反光镜孔中，套筒盖上端面同轴安装有测座定位杆，环形支架与保护套筒螺纹连接，环形支架一侧向下的延伸臂上安装CCD摄像机，CCD摄像机朝向测针；LED发射器发射的光线经聚集反光镜聚光后，经有机玻璃环和通光孔投射到被测自由曲面，反射至CCD摄像机。

本发明具有的有益效果是：

本发明解决便携式坐标测量机接触式测头的实时半径补偿问题，操作简单，无需手动增加辅助点，精度较高，对缓变自由曲面的逆向测量效果良好。

附图说明：