[发明专利]一种高陡度复杂曲面在位测量规划方法

摘要

本发明一种高陡度复杂曲面在位测量规划方法属于曲面测量领域，涉及一种高陡度复杂曲面在位测量规划方法。该方法中，先以等照度角作为约束条件生成复杂曲面非等距横向截面轮廓线，结合纵向截面轮廓线得到全表面网格状扫描测量路径，并根据两个参数方向上的平均曲率变化提取表面凹凸特征，生成局部加密扫描轮廓线。然后，依据等照度角和获得的扫描路径，进行多段拼接测量运动规划，得到传感器参考点的运动轨迹。最后，进行光学测头的测量偏角检验，完成复杂曲面的在位测量规划。该方法实现了高陡度复杂曲面的在位扫描路径生成与测量运动规划，保证了特征区域的测量精度，减小了机床多轴联动引起的动态测量误差，方法可靠，通用性强。

主权项

1.一种高陡度复杂曲面在位测量规划方法，其特征在于，测量规划方法中，首先以高陡度复杂曲面的中心轴线作为参考方向，根据给定的等照度角大小，计算得到该参考方向下包容非球面的等照度线，将其对应的非等距截面轮廓线作为高陡度复杂曲面的初始扫描路径；其次在两相邻截面轮廓线间生成等距截面轮廓线，得到横向扫描路径；根据给定的角度分度值，计算出纵向截面轮廓线，得到纵向扫描路径；然后，计算曲面的曲率，基于平均曲率的变化率提取凹凸特征边界线，在特征区域内加密扫描路径；最后，根据生成的扫描路径进行多段拼接测量运动规划，并进行测量偏角检验，完成复杂曲面在位测量规划；规划方法的具体步骤如下：/n第一步 生成初始扫描路径/n首先，计算高陡度复杂曲面S的包容非球面A的最大陡度角α；然后，根据该角度合理选择初始等照度角和角度增量，用于计算包容非球面A的等照度线；给定初始等照度角β₀，在该等照度角下，包容非球面A上具有相同光照度的点计算为：/n /n其中，P(u,v)为包容非球面A上任意一点；u,v为曲纹坐标参数；qr为单位参考向量，计算获得相同光照度的点，形成初始等照度线l₀；/n设定角度增量Δβ，得到等照度角集合{β_i|i＝0,1,2,...,n}，/nβ_i＝β₀+i×Δβ (2)/n其中，Δβ>0，β_i≤α，n为等照度角的数量；与初始等照度线计算同理，根据等照度角集合{β_i|i＝0,1,2,...,n}计算得到等照度线集合{l_i|i＝0,1,2,...,n}；提取各条等照度线的高度值，依据获得的高度集合{h_i|i＝0,1,2,...,n}，进一步计算得到高陡度复杂曲面S上的非等距截面轮廓线集合{L_i|i＝0,1,2,...,n}，将其作为初始扫描路径；/n第二步 生成横向扫描路径/n在两相邻初始扫描路径之间生成等距截面轮廓线，设每两条相邻初始扫描路径之间增加的横向截面轮廓线数量为N_add，则等距截面之间的距离{d_i|i＝0,1,2,...,n-1}为：/n /n增加的横向截面轮廓线的高度集合{h_ij|i＝0,1,2,...,n,j＝1,2,...,N_add}按下式计算为：/nh_ij＝h_i+j·d_i (4)/n根据增加的横向截面轮廓线高度集合{h_ij|i＝0,1,2,...,n,j＝1,2,...,N_add}计算得到初始扫描路径之间的等距截面轮廓线集合{L_ij|i＝0,1,2,...,n,j＝1,2,...,N_add}，其中L_ij表示第i条与第i+1条初始扫描路径之间插入的第j条横向截面轮廓线；由此，初始扫描路径集合{L_i|i＝0,1,2,...,n}与等距截面轮廓线集合{L_ij|i＝0,1,2,...,n,j＝1,2,...,N_add}共同形成高陡度复杂曲面S的横向扫描路径集合L_H；/n第三步 生成纵向扫描路径/n根据给定的角度分度值θ，生成一组过高陡度复杂曲面S中心轴线的截平面HP；利用这组截平面HP截取高陡度复杂曲面S，以获得纵向扫描路径L_Z；生成的横向扫描路径L_H与纵向扫描路径L_Z形成高陡度复杂曲面S的网格状全表面扫描测量路径L_Global；/n第四步 生成表面凹凸局部区域扫描路径/n依据高陡度复杂曲面S的参数表达式，构造离散参数网格矩阵P，离散参数网格矩阵P中的参数网格节点P_ij对应的曲纹坐标为(u_i,v_j)，i＝1,2,3,...,n，j＝1,2,3,...,m；计算高陡度复杂曲面S在各参数网格节点P_ij(u_i,v_j)处的平均曲率H，确定平均曲率变化阈值Th，根据平均曲率变化阈值Th确定凹凸起伏特征区域；/n平均曲率H根据高陡度复杂曲面S的第一基本量和第二基本量计算，计算公式为：/n /n其中，E、F、G为高陡度复杂曲面S的第一基本量，L、M、N为高陡度复杂曲面S的第二基本量；/n确定平均曲率变化阈值Th，根据平均曲率变化阈值Th确定凹凸起伏特征区域；首先根据两个参数方向上的平均曲率变化值，计算两个参数方向上的平均曲率变化比率分量，分别为υH_u(u_i,v_j)和υH_v(u_i,v_j)，具体根据下式计算：/n /n /n将两个方向的平均曲率变化比率合成，得到高陡度复杂曲面S的平均曲率变化比率υH(u_i,v_j)，计算公式为：/n /n获取沿两个参数方向上，各条离散参数网格线的平均曲率变化比率υH(u_i,v_j)的最大值，将各最大值中的最小值设置为平均曲率变化阈值Th，即/n /n根据设定的平均曲率变化阈值Th，确定属于特征区域的参数网格节点，将平均曲率变化比率υH(u_i,v_j)大于平均曲率变化阈值Th的节点看作为凹凸特征区域中的点，标记为“1”，其他节点标记为“0”，由此生成凹凸特征矩阵B_ij，具体为：/n /n最后，根据获得的凹凸特征矩阵B_ij确定特征分离曲线，采用八方向链码的边界跟踪算法，即用特征分离曲线的起始点坐标和边界点方向，提取凹凸特征的边界曲线；由此形成表示该特征分离曲线的序列SC；/n在凹凸特征区域内，生成一组过高陡度复杂曲面S中心轴线的局部纵向等角度截平面利用这组局部纵向等角度截平面截取高陡度复杂曲面S，并以特征分离曲线的序列SC为边界，得到局部纵向扫描路径/n第五步 在位测量运动规划/n根据获得的等照度角集合{β_i|i＝0,1,2,...,n}、全表面扫描测量路径L_Global和局部扫描测量路径L_Local进行在位测量运动规划，得到传感器旋转中心点的运动轨迹；/n沿横向扫描路径L_H进行测量时，保证光学测头光轴沿着高陡度复杂曲面S的包容非球面A的法线方向；沿纵向扫描路径L_Z和局部纵向扫描路径进行测量时，保证光学测头的光轴与高陡度复杂曲面S的中心轴线夹角为β_i，对位于等照度角β_i和β_i+1之间的纵向截面轮廓线进行连续扫描测量；当光学测头运动至等照度角为β_i+1的位置时，保证光学测头的光轴与高陡度复杂曲面S的中心轴线夹角为β_i+1，对位于等照度角β_i+1和β_i+2之间的纵向截面轮廓线进行连续扫描测量，由此实现高陡度复杂曲面S的纵向截面轮廓线的分段式扫描测量；/n第六步 测量偏角检验/n检验光学测头的光轴与高陡度复杂曲面S在各个扫描采样点处的法向夹角γ是否超过光学测头的允许偏角大小；在沿横向扫描路径L_H进行测量时，夹角γ_h根据下式计算，/n /n其中，为包容非球面A上任意一点的单位法向量，为高陡度复杂曲面S上任意一点的单位法向量；在沿纵向扫描路径L_Z和局部纵向扫描路径进行分段扫描测量时，在每一段纵向截面轮廓线上，夹角γ_z根据下式计算，/n /n其中，为单位参考向量；如果各个扫描采样点处的夹角γ_h与γ_z均在光学测头的允许偏角范围内，表示规划的扫描路径与测量运动有效，否则需减小步骤一中设定的角度增量Δβ；/n步骤七 生成在位测量程序/n根据获得的网格状全表面扫描测量路径L_Global和局部纵向扫描路径生成机床坐标系下的传感器回转中心坐标，创建G指令文件，给定机床运动参数与各轴运动指令，并保存为txt文件。/n