[发明专利]用于接触式测头测量中提取二维轮廓的准形态学滤波方法

说明书

技术领域

本发明是一种在三坐标测量机、齿轮测量中心、齿轮整体误差测量仪等精密测量仪器上使用接触式测头对精密加工的机械零件进行测量时，从测量数据中提取被测工件二维轮廓的方法，属于精密测试技术及仪器技术领域。

背景技术

三坐标测量机、齿轮测量中心和齿轮整体误差测量仪等精密测量仪器所使用的测头可分为接触式测头与非接触式测头两类，以接触式测头最为常见。所使用的测头的端部轮廓有球形、倒锥形、盘形、锥形、渐开线形等形式，以球形最为常见。为叙述方便，本文中将上述精密测量仪器统称为测量机。测量机通过各种形状的测头与被测物体进行触发式或扫描式的接触测量时，只能直接获得测头端部轮廓的参考点的坐标，并不能直接获得被测物体上各轮廓点的坐标，而是要经过数据处理才能计算得出被测物体的几何尺寸、形状和位置等轮廓信息。图1所示为各种轮廓形状的测头及对应的参考点位置。为了叙述的清晰准确，以下把测量机能够直接获得的测头端部轮廓的参考点坐标称为“直接测量数据”，把被测轮廓上与测头直接接触的点称为“被测点”。在传统的二维轮廓提取方法中，被测点的坐标数据是由直接测量数据经过测头半径补偿计算得到的。

例如，测量机采用球形测头进行接触式测量时，由于测头半径的影响，测量机得到的直接测量数据并不是测头所触及的工件表面点的坐标，而是测头球心坐标。当被测点的表面法矢方向和测量方向一致时，被测点和测头球心在测量方向上相差一个测头半径值。通常测头半径在0.25～20mm之间，因此当测量精度要求较高时，必须对测量数据进行测头半径补偿处理，否则会引入较大的测量误差。

目前在测量机上广泛采用测头半径二维自动补偿的方法从测量数据中提取被测工件的二维轮廓，常用的补偿算法有理论模型法、近似曲线方程法和三点共圆法等。

其中，理论模型法即使用CAD理论模型提供的信息，由被测零件的CAD模型获得被测轮廓上各个被测点处的理论法线方向，沿该法线方向进行测量和测头半径的补偿。这种方法的缺点是由于被测工件存在误差，实际接触点和理论接触点常常是不一致的，从而导致测头半径补偿误差。

近似曲线方程法包括多项式最小二乘拟合法、样条函数插值法等拟合或插值方法，其共同原理都是对离散的直接测量数据进行拟合或插值，得到与被测二维轮廓近似的可导的曲线方程，从而估算出被测二维轮廓在被测点处的法线方向，再沿该法线方向进行测头半径的补偿。这种方法的缺点有二：其一，曲线拟合过程是对直接测量数据的整体进行优化，其拟合结果对某些局部而言并不是最佳近似，这会导致部分位置的测头半径补偿误差的最大值变大；其二，这种方法需要求得的近似曲线方程必须是一阶可导的，当实际测量得到的直接测量数据所代表的测头中心轨迹的曲率变化较大时，插值曲线会出现“龙格”现象，得到的曲线方程会发生振荡，直接测量数据点处估算出的法线方向会产生很大的失真，测头半径补偿误差也会随之急剧变大。

三点共圆法，以及三维补偿中的三角面片法、四点共球法等方法的核心思想都是利用实际被测点临近区域的多个直接测量数据估算被测点的法线方向，其缺陷是参与计算的数据如何选取没有统一的规则，选取不同的数据所得到的结果会有很大差异，无法确认所估算的法线方向的正确性，因而无法保证补偿结果的有效性。

此外，某些新型的扫描式测头系统中集成有测量力传感器，可以在给出直接测量数据点坐标的同时给出测量力的方向，进而可以用该方向作为实际接触点的法线方向进行测头半径的补偿。这种方法的缺点是扫描测量过程中测头与工件表面之间存在相对滑动，因而产生的摩擦力会显著影响测量力的方向，进而影响测头半径补偿的精度。

包括上述理论模型法、近似曲线方程法、三点共圆法和测量力传感器法等在内的任何一种现有的测头半径补偿方法的基本思想都是必须首先估算出被测轮廓在各个被测点处的法线方向，然后把测球中心坐标沿该方向进行偏移，得到补偿后的各被测点的坐标，再由这些补偿后的被测点坐标得出被测工件的二维轮廓。这些方法最终得到的被测工件的二维轮廓都是由离散点组成的。

发明内容

本发明提出一种新的通过测头半径补偿提取被测工件的二维轮廓的方法，称为准形态学滤波方法。