基于三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x的自由曲面檢測(cè)點(diǎn)和路徑的規(guī)劃方法研究獨(dú)家優(yōu)秀】
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I 基于三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x的自由曲面檢測(cè)點(diǎn)和路徑的規(guī)劃方法研究 摘要： 隨著制造業(yè)的發(fā)展，而產(chǎn)品在生產(chǎn)過(guò)程中需要對(duì)產(chǎn)品零件的表面質(zhì)量和幾何形狀的評(píng)定具有重要的意義。因此對(duì)自由曲面檢測(cè)產(chǎn)品的檢測(cè)精度測(cè)量變得越來(lái)越重要。目前，三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x正在廣泛的應(yīng)用于對(duì)產(chǎn)品的自由曲面的檢測(cè)中，由于使用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x在檢測(cè)產(chǎn)品質(zhì)量時(shí)遇到的最重要的問(wèn)題莫過(guò)于就是怎樣進(jìn)行檢測(cè)路徑規(guī)劃的問(wèn)題，本文主要研究了國(guó)內(nèi)外有關(guān)三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x的自由曲面檢測(cè)的方法、測(cè)量路徑規(guī)劃的問(wèn)題、 以及測(cè)量點(diǎn) 數(shù)量的確定和 分布 問(wèn)題另外還有以實(shí)例研究航空飛機(jī)零件葉片曲面測(cè)點(diǎn)布局路徑規(guī)劃的問(wèn)題。 本 文在研究 保證檢測(cè)質(zhì)量的前提下如何有效地確定檢測(cè)點(diǎn)數(shù)量及分布，如何生成檢測(cè)時(shí)間較少的檢測(cè)路徑及其仿真，以及如何將自由曲面的測(cè)量規(guī)劃運(yùn)用在飛機(jī)零件上，并論證規(guī)劃方案的正確性。 關(guān)鍵詞： 三座標(biāo)測(cè)量?jī)x； 自由曲面； 路徑規(guī)劃 ； 測(cè)量點(diǎn) 數(shù)量的確定； 測(cè)頭半徑補(bǔ)償 on of of in of to of of is of of of is in of of to of in of in is to of on at of of to of of of on to to a to on of he of 錄 摘要 ???????????????????????????????Ⅰ ????????????????????????????Ⅱ 目錄??????????????????????????????? Ⅲ 1 緒論 ............................................................ 1 題背景 ....................................................... 1 坐標(biāo)測(cè)量?jī)x概述 ............................................. 1 坐標(biāo)測(cè)量?jī)x的發(fā)展方向 ....................................... 1 .................................................. 4 由曲面測(cè)量方法的發(fā)展現(xiàn)狀 ................................... 4 測(cè)量路徑規(guī)劃的相關(guān)研究 ...................................... 6 ........................................ 7 課題的主要研究?jī)?nèi)容 ......................................... 7 課題的研究的意義 ........................................... 7 2 自由曲面檢測(cè) ................................................... 8 ................................ 8 .................................... 8 .................................... 9 ................................................... 11 測(cè)點(diǎn)的優(yōu)化原則 ............................................ 11 統(tǒng)的采樣方法分析 .......................................... 12 測(cè)頭半徑補(bǔ)償 ................................................ 16 頭半徑補(bǔ)償原理 ............................................ 16 用的測(cè)頭半徑補(bǔ)償方法 ...................................... 17 測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)處理 .............................................. 20 3 自由測(cè)量的路徑規(guī)劃的方法研究 .................................. 21 測(cè)量路徑的設(shè)計(jì)原則 .......................................... 21 避障點(diǎn)設(shè)置 .................................................. 22 測(cè)量路徑規(guī)劃 ................................................ 25 量區(qū)域的劃分 .............................................. 25 量路徑的規(guī)劃 .............................................. 25 測(cè)路徑的生成 .............................................. 27 4 基于航空飛機(jī)葉片曲面測(cè)點(diǎn)布局路徑的規(guī)劃 ......................... 29 葉片型面數(shù)據(jù)采集 ............................................ 29 基于曲率的測(cè)量路徑規(guī)劃 ...................................... 31 ........................................... 32 ................................. 33 基于法矢的測(cè)量路徑規(guī)劃 ...................................... 34 結(jié)論 ............................................................. 38 參考文獻(xiàn) ......................................................... 38 致謝 ............................................................. 40 1 1 緒論 題背景 坐標(biāo)測(cè)量?jī)x 概 述 三坐標(biāo)測(cè)量 儀 簡(jiǎn)稱 文全稱 綜合了應(yīng)用光學(xué)、電子技術(shù)、控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)的測(cè)量?jī)x器 ， 它包括 ：測(cè)量?jī)x 主體、控制系統(tǒng)、測(cè)頭、軟件等四個(gè)主要部分。[1] 三坐標(biāo)測(cè)量 儀 是 非常 精密的數(shù)控測(cè) 量工具 設(shè)備 ， 它的 精度 比普通 的數(shù)控機(jī)床要高很多 ， 大多數(shù) 應(yīng)用 于 模具、汽車(chē)、航空、機(jī)械等制造業(yè) ， 在美國(guó)和歐洲的 某些 工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家 ，測(cè)量?jī)x 已經(jīng)非常普及 ， 大約每七臺(tái)數(shù)控機(jī)床要配備一臺(tái) 三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x 。這一工作原理 ， 使 三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x 具有很大的通用性與柔性。 [2]從原理上說(shuō) ， 它可以測(cè)量 大部分 工件的任何幾何元素的任 意 參數(shù) 。 圖 1坐標(biāo)測(cè)量?jī)x 坐標(biāo)測(cè)量?jī)x 的發(fā)展方向 由于非接觸式測(cè)頭在測(cè)量時(shí)不接觸待測(cè)物體的表面，它可以從根本上解決接 觸式測(cè)頭所產(chǎn)生的各種缺陷，且測(cè)量速度快，可以相當(dāng)密集地對(duì)產(chǎn)品表面進(jìn)行測(cè) 量，形成點(diǎn)云數(shù)據(jù)，因此非接觸式測(cè)量量已成為自由曲面測(cè)量的一個(gè)發(fā)展方向。 三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x作為一種通用性強(qiáng)、自動(dòng)化程度高、高精度測(cè)量系統(tǒng)在先進(jìn)制 造技術(shù)與科學(xué)研究中有極廣范的應(yīng)用?？萍寂c生產(chǎn)的發(fā)展對(duì)三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x不斷提 出更新更高的要求。近年來(lái)，三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x的發(fā)展主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： (1)機(jī)械結(jié)構(gòu) 當(dāng)前，三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x仍是由三相正交的三軸組成笛卡爾坐標(biāo)系的模式。為 2 能有更高的測(cè)量精度，在中等規(guī)格尺寸測(cè)量?jī)x領(lǐng)域中，國(guó)外最新的三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x均采用了單一的橋式構(gòu)造模式，但橋式構(gòu)造的競(jìng)爭(zhēng)焦點(diǎn)在橋固定式和橋 移動(dòng)式之間。 為了保證計(jì)量型測(cè)量?jī)x的精度，在傳動(dòng)上一般選用比較穩(wěn)定的摩擦輪和齒輪 齒條結(jié)構(gòu)，以保證傳動(dòng)精度；而生產(chǎn)型測(cè)量?jī)x為了兼顧精度和測(cè)量效率，一般采用齒輪或齒形帶的傳動(dòng)方式。在導(dǎo)軌的選擇上，高精度的測(cè)量?jī)x都采用了空氣軸承，而劃線機(jī)等低精度的測(cè)量?jī)x大多采用滑動(dòng)軸承。 縱觀國(guó)外一些實(shí)例可以看出，測(cè)量?jī)x機(jī)械結(jié)構(gòu)形式上要重點(diǎn)研究的是“橋移 動(dòng)式”的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性、抗振動(dòng)干擾等技術(shù)對(duì)策，以求達(dá)到高的精度指標(biāo)。 (2)新材料的采用 對(duì)取材而言，在生產(chǎn)型上為了適應(yīng)環(huán)境的需要，結(jié)構(gòu)材料采用鋁合金；為了減少對(duì)溫度的影響，采用鈍化溫度的措施，如表面采用陽(yáng)極化處理，既增強(qiáng)表面的硬度，又起到溫度的隔離的作用。從發(fā)展高速測(cè)量的需要，也可以減輕運(yùn)動(dòng)部件的慣量。 精密型的結(jié)構(gòu)材料大部分是花崗巖的。由于花崗巖的穩(wěn)定性優(yōu)勢(shì)，有利于保 持精度，但是同時(shí)也因此要求長(zhǎng)期處于恒溫的條件下，原因是花崗巖的導(dǎo)熱性低， 如果溫度的起伏不定，使測(cè)量?jī)x會(huì)受到影響。比如從國(guó)內(nèi)的情況看，溫度的恒溫 控制成本相當(dāng)昂貴，所以往往比較少的測(cè)量環(huán)境可以保持日夜恒溫，這在控 制精 度上受到一定的影響 [3]。 為確?？煽康?、高速的測(cè)量功能，國(guó)外十分重視研究機(jī)體原材料的選用，最 近在傳統(tǒng)的鑄鐵、鑄鋼基礎(chǔ)上，新增加了許多新材料比如合金、石材、陶瓷等。國(guó) )、 世界上的主三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x制造廠商，大都采用了重量輕、剛性優(yōu)、導(dǎo)熱性強(qiáng)的合金材料，未來(lái)制造測(cè)量?jī)x上的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)部件。鋁合金、陶瓷材料以及各種合成材料在三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。它導(dǎo)熱好、不容易產(chǎn)生復(fù)雜熱變形，雖然其耐磨性差，但可以在其表面覆蓋一些陶瓷材料 [3]。 (3)、測(cè)量?jī)x測(cè)頭 測(cè)頭是三座標(biāo)測(cè)量?jī)x的檢查精度的重要因素。與其他各項(xiàng)技術(shù)評(píng)比標(biāo)準(zhǔn)相比，提升測(cè)頭的性能指標(biāo)難度非常大。由 測(cè)頭 — 三維電感測(cè)頭取得專利已有近 20 年歷史，但至今改進(jìn)不大。而英國(guó)司，近幾年來(lái)卻不斷推出新產(chǎn)品，，向世界三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x制造商提供約占 80%以上的測(cè)頭 [4]。 現(xiàn)在市場(chǎng)上使用的非接觸式測(cè)頭能對(duì)工件表面連續(xù)采樣，特別適合于曲面、齒形和齒向誤差的測(cè)量。因此不必定期進(jìn)行靈敏度的調(diào)整 [5]。 理想的接觸式測(cè)頭最主要的性能指標(biāo)是測(cè)頭接近 零件能力的參數(shù)。在同等精 度標(biāo)準(zhǔn)下，測(cè)頭頂部的測(cè)頭共同體直徑 的長(zhǎng)徑之比是 L/D。其值愈大，其性能愈好 [6]。如下圖 (4)數(shù)控系統(tǒng) 從最近國(guó)外推出的產(chǎn)品來(lái)看，測(cè)量?jī)x數(shù)控系統(tǒng)有明顯向兩極發(fā)展趨勢(shì)：高檔 型和廉價(jià)型。高檔型是傳統(tǒng)知名的測(cè)量?jī)x廠商的產(chǎn)品，以價(jià)格較高的機(jī)型供給大 型企業(yè)，這些企業(yè)具有較高的計(jì)算機(jī)應(yīng)用水平降。為此，要盡可能利用發(fā)展迅速的新的電子工業(yè)技術(shù)，設(shè)計(jì)新的高性能 /價(jià)格比系統(tǒng)。 (5)誤差補(bǔ)償 三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x的精準(zhǔn)度完全取決于其內(nèi)部坐 標(biāo)基準(zhǔn)的幾何構(gòu)成精確性。三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x的精準(zhǔn)度的提升可通過(guò)使用固定補(bǔ)償模型或自適應(yīng)補(bǔ)償模型，或?qū)烧呓Y(jié)合起來(lái)完成。測(cè)量?jī)x的動(dòng)態(tài)誤差具有一定的相似性，所以能采用誤差補(bǔ)償?shù)姆椒▉?lái)提升動(dòng)態(tài)測(cè)量精度。誤差補(bǔ)償包括機(jī)構(gòu)誤差補(bǔ)償和測(cè)端作用直徑的動(dòng)態(tài)誤差補(bǔ)償 [7]。 在現(xiàn)代制造系統(tǒng)中，測(cè)量的目的越來(lái)越不能僅僅局限于成品驗(yàn)收檢驗(yàn)，而是 向整個(gè)制造系統(tǒng)提供有關(guān)制造過(guò)程的信息，為控制提供依據(jù)。從這一要求出發(fā)， 必須要求測(cè)量?jī)x具有開(kāi)放式控制系統(tǒng)，具有更好的柔性。因此，要盡可能利用發(fā) 展迅速的新的電子工業(yè)技術(shù)，尤其是計(jì)算機(jī)，設(shè)計(jì)新的高性價(jià)比系統(tǒng)。 (6)普及高速測(cè)量 4 質(zhì)量檢驗(yàn)是評(píng)比產(chǎn)品好壞的重要指標(biāo)。傳統(tǒng)的概念是為了保證測(cè)量精度，測(cè)量速度不宜過(guò)高。隨著生產(chǎn)節(jié)奏不斷加快，用戶在要求測(cè)量?jī)x保證測(cè)量精度的同時(shí)，會(huì)對(duì) 出越來(lái)越高的要求。首先提升控制系統(tǒng)的性能。使其能在較高的運(yùn)行速度下同時(shí)保證運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、定位準(zhǔn)確；其次是采用非接觸測(cè)量的掃描方式；再次是對(duì)動(dòng)態(tài)誤差進(jìn)行補(bǔ)償 [8]。 三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x是一種以精密機(jī)械為基礎(chǔ)，集光、機(jī)、電、計(jì)算機(jī)綜合為一體 的多功能精密計(jì)量測(cè)試設(shè)備，它可以在工件一次裝夾的情況下，通過(guò)探頭的有效 組合，完成零件中幾乎所有幾何元素的測(cè)量工作。借助于其中自帶的測(cè)量軟件可 以完成測(cè)量過(guò)程中對(duì)所測(cè)元素尺寸的計(jì)算與誤差分析 [9]。如表 1是不同型號(hào)的 表一 型號(hào) 測(cè)量范圍 應(yīng)用領(lǐng)域 小型 500型精密模具、工具和和刀具等 中型 002000動(dòng)機(jī)、箱體、模具類零件 大型 2000車(chē)外殼、大型發(fā)電機(jī)葉輪、葉片 內(nèi)外研究現(xiàn)狀 三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x (成為衡量產(chǎn)品效率的重要標(biāo)準(zhǔn)。 僅能夠通過(guò)編制程序?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)測(cè)量，而且能夠根據(jù) 信息處理自動(dòng)化； 國(guó)外主流的測(cè)量?jī)x軟件系統(tǒng)都配有測(cè)量路徑自動(dòng)生成模塊，用戶只需要通過(guò)圖形用戶界面同系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)單的交互就可生成測(cè)量路徑。國(guó)內(nèi)測(cè)量?jī)x軟件的研發(fā)還處于起步階段，測(cè)量?jī)x廠商要么使用國(guó)外大廠商軟件系統(tǒng)，要么只有簡(jiǎn)單的軟件。使用國(guó)外大廠商的軟件，不僅要支付高額的費(fèi)用，而且升級(jí)也不方便，不能根據(jù)用戶的需要定制 [10]。 由 曲面測(cè)量方法的發(fā)展現(xiàn)狀 三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x的測(cè)量方法可分為接觸式測(cè)量和非接觸式測(cè)量，一般根據(jù)不同的測(cè)量對(duì)象和不同的精度選用不同的測(cè)量方式。 (1) 5 何量的高精度測(cè)量 ， 產(chǎn)品測(cè)試研究 ， 主要集中在接觸測(cè)量誤差處理 ，應(yīng)用更廣泛 ， 相應(yīng)的研究。例如 ： 量精度等回轉(zhuǎn)體零件具有廣泛的推廣價(jià)值。 用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x ， 介紹了通用測(cè)量軟件測(cè)試等方法的兩個(gè)圓柱軸方向錯(cuò)誤 ， 可以把任何構(gòu)件 ， 廣泛應(yīng)用于各種各樣的兩個(gè)平行的圓柱形工件軸 ， 垂直和傾斜誤差檢測(cè) 。 何改云、侯宇、呂曉明等， 決定了應(yīng)用三坐標(biāo)測(cè)量時(shí)最好的球度誤差測(cè)量點(diǎn)數(shù)在機(jī)器坐標(biāo)系和球度誤差的數(shù)學(xué)模型 ， 討論了最小二乘 法 評(píng)價(jià)準(zhǔn)確和快速算法。 采用相對(duì)測(cè)量原理建立三維坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng) ， 通過(guò)系統(tǒng)誤差軟件補(bǔ)償提高測(cè)量系統(tǒng)的精度。 對(duì)自由曲面的測(cè)量技術(shù)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者作了大量的研究。 上海機(jī)床廠 ， 肯島前哨英國(guó)公司和中國(guó)精密機(jī)械研究所等單位數(shù)字表面模型的幾何形式方面的研究和開(kāi)發(fā)工作 [11]。 在國(guó)外這種做法更早些時(shí)候 ， 更典型的是 ： 世界上著名的三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x的生產(chǎn) ， 如英國(guó) 司 ， 司在意大利 ， 德國(guó) ， 日本的豐田公司和 司在美國(guó)發(fā)展的三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x的機(jī)械系統(tǒng) ， 數(shù)控系統(tǒng)的同時(shí) ， 大力發(fā)展數(shù)控復(fù)制數(shù)字功能完整的測(cè)量規(guī)劃軟件 ， 結(jié)合 件 ， 編制數(shù)控加工指令。 當(dāng) 量自由曲面 ， 我們使用觸發(fā)式探頭 ， 測(cè)量自由曲面 ， 通常采用英國(guó)探針配置標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)公司。 .發(fā)了基于 知自由曲面接觸式測(cè)量系統(tǒng)， 利用該方法可以探測(cè)過(guò)去測(cè)量自由曲面沿法線方向 ， 基本上消除了探針半徑誤差 ， 且基本消除測(cè)頭半徑誤差，還可以根據(jù)曲面模型上的曲率變化情況布置測(cè)點(diǎn)，但它只能用于測(cè)量光滑曲面。 量掃描也可以用來(lái)掃描探針接觸和非接觸式掃描探針可以 測(cè)量 三維空間 ， 可以測(cè)量小位移的連續(xù)掃描工件表面光潔度。 接觸掃描探針的優(yōu)點(diǎn)是可靠性好 ， 精度高 ， 并能實(shí)現(xiàn)三維微位移測(cè)量 ： 缺點(diǎn)是笨重 ， 一般使用垂直向下 ，測(cè)量表面摩擦、磨損和彈性變形 ， 不靈活 ， 很薄的身體 ， 和探針半徑補(bǔ)償是必需的。 (2) 6 非接觸式測(cè)量頭的出現(xiàn)為高速的 量提供了必要的條件。 這個(gè)方 法利用光的理論 ， 聲音 ， 和磁性數(shù)據(jù)收集 ， 包括光學(xué)方法段與三角形法、測(cè)距法、干涉法、結(jié)構(gòu)光法 ， 圖像分析 ， 接觸式傳感器技術(shù)是越活躍的技術(shù)領(lǐng)域之一 ， 以其高響應(yīng)、高分辨率和珍視 ， 是一個(gè)重要的方向檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展 ， 這種方法是數(shù)據(jù)采集速度高、精度和消除造成的測(cè)量誤差測(cè)量摩擦力和接觸壓力 ，避免接觸探針和測(cè)量表面?zhèn)瘟狱c(diǎn)問(wèn)題 ， 因?yàn)榍矢缮?， 密集的點(diǎn)云體積大 ， 精度高 ， 測(cè)量頭的小點(diǎn)也可以完成 ， 為了檢測(cè)的一般機(jī)械零件測(cè)量頭很難測(cè)量 ， 最大限度地反映測(cè)量表面形狀的現(xiàn)實(shí)。因?yàn)榉墙佑|式測(cè)量等突出優(yōu)點(diǎn) ， 歐盟特別項(xiàng)目非接觸式探頭校準(zhǔn)方法的性能進(jìn)行了研究 ， 為了在短時(shí)間內(nèi)可以制定相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)和程序。 國(guó)內(nèi)外綜上所述，雖然在三坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)的理論和應(yīng)用研究已經(jīng)取得了許多重要的研究成果，并逐步獲得應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)，制造，但研究和應(yīng)用的方向也不同程度地存在，適應(yīng)性差測(cè)量的靈活性不足，難以滿足系統(tǒng)集成需求，極大地影響了環(huán)境和其他缺陷。盡管計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)發(fā)展迅速，各種各樣的商業(yè)軟件的功能越來(lái)越強(qiáng)大，但它無(wú)法滿足一些復(fù)雜的組件的測(cè)量的需要。因此需要進(jìn)一步的數(shù)碼產(chǎn)品，尤其是自由曲面信息采集進(jìn)行理論研究和應(yīng)用開(kāi)發(fā)。特別是在自由曲面的 面積，在很多研究已經(jīng)完成，但仍有許多問(wèn)題。 測(cè)量路徑規(guī)劃的相關(guān)研究 測(cè)量路徑的運(yùn)動(dòng)，建立測(cè)量路徑為目的的有序、快速、高效的檢測(cè)表面的元素分布，實(shí)際點(diǎn)坐標(biāo)，并確保探頭與工件測(cè)試或其他對(duì)象的過(guò)程中不發(fā)生碰撞。手動(dòng)式三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x測(cè)量路徑設(shè)定的運(yùn)營(yíng)商，測(cè)量?jī)x器的數(shù)控類型是由軟件完成，路徑的三個(gè)主要因素是一個(gè)名義上的測(cè)量分和法向量和避障。 如何合理確定采樣點(diǎn)的數(shù)量和分布，如何自動(dòng)生成合理的測(cè)量路徑，如何進(jìn)行優(yōu)化的測(cè)量頭可以在最短的路徑是安全的和有效的遍歷檢測(cè)被測(cè)表面的區(qū)域成為學(xué)者的研究焦點(diǎn)。李 川大學(xué)，人們根據(jù)自由曲面的設(shè)計(jì)和加工特點(diǎn)，提出了采用點(diǎn)接觸三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x測(cè)量自由曲面，建立數(shù)學(xué)模型的方法，指出，測(cè)點(diǎn)的數(shù)量和加工設(shè)備的精度和測(cè)量信心不僅，還與自由曲面的面積大小有關(guān)，測(cè)點(diǎn)分布應(yīng)綜合考慮曲率變化的表面和表面形狀網(wǎng)格的約束關(guān)系的測(cè)量，利用 用高斯曲率和主曲率和平均曲率計(jì)劃確定測(cè)點(diǎn) 7 分布在自由曲面 [12]。 自由曲面零件的 型 ， 提出了一種局部有界性基于有界平面曲線輪廓曲率圓矢量分解方法的測(cè)量速度。 高國(guó)軍 ， 上海交通大學(xué) ， 人們談?wù)摰挠|發(fā)器類型探測(cè)器坐標(biāo)測(cè)量?jī)x用于測(cè)量測(cè)量路徑生成方法 ， 定義和路徑的基礎(chǔ)上生成直接相關(guān)的控制參數(shù) ， 同時(shí)提出的球頭銑刀數(shù)控加工過(guò)程和 量運(yùn)動(dòng)相似 ， 使用數(shù)控驗(yàn)證環(huán)境的測(cè)量路徑的數(shù)控加工過(guò)程仿真方法 [13]。 題的主要研究?jī)?nèi)容及意義 課題的主要研究?jī)?nèi)容 零件在被 三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x 進(jìn)行檢 測(cè)時(shí)， 其中 一個(gè) 最重 要的難題就是 怎樣 測(cè)量規(guī)劃的問(wèn)題。在 許多 的 工 件特 點(diǎn) 中，自由曲面 表面 是一種 很難確定 和加工的 不規(guī)則幾何要素，它不像 普通 的規(guī)則幾何元素 可以準(zhǔn)確的定義 ， 因此 對(duì)測(cè) 量是很 困難 的 。自由曲面的測(cè)量規(guī)劃包括自由曲面的測(cè)量定位、測(cè)量區(qū)域劃分、測(cè)量路徑規(guī)劃以及測(cè)量點(diǎn)分布等等。 課題的研究的意義 面對(duì)日益激烈的全球化經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)形勢(shì)，世界各國(guó)都迅速調(diào)整其科技政策。產(chǎn)品質(zhì)量是企業(yè)在國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中取勝的關(guān)鍵。產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)己成為制造中最重要的問(wèn)題之一，提升檢測(cè)的效率和精度是企業(yè)必須解決和達(dá)到的目標(biāo)。而三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x (是該環(huán)境下的理想檢測(cè)設(shè)備。智能檢測(cè)規(guī)劃在三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x，起著非常重要的作用在它的好壞不僅決定智能測(cè)量?jī)x的實(shí)現(xiàn)，而且直接決定了探測(cè)效率。智能三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x器的一個(gè)主要性能，實(shí)現(xiàn)智能檢測(cè)規(guī)劃系統(tǒng)。 因?yàn)槿鴺?biāo)測(cè)量?jī)x自動(dòng)檢測(cè)的主要方法是坐標(biāo) 點(diǎn)集合，即按照一定的路徑部分，反過(guò)來(lái)，一組離散的采樣點(diǎn)，測(cè)量預(yù)設(shè)，然后利用數(shù)學(xué)分析的方法測(cè)量和計(jì)算數(shù)據(jù)與名義耐量試驗(yàn)和比較結(jié)果。路徑的好壞將直接影響到檢測(cè)的高和低效率，甚至影響測(cè)試的程序。在最短的時(shí)間內(nèi)完成測(cè)量，同時(shí)，保證測(cè)量的準(zhǔn)確性，它是追求的終極目標(biāo) 了縮短測(cè)試時(shí)間，除了增加機(jī)器的移動(dòng)速度，進(jìn)行路徑規(guī)劃。 自由曲面的精確測(cè)量和重構(gòu)是決定與自由曲面功能組件檢索準(zhǔn)確性，逆向的重要因素，傳統(tǒng)的測(cè)量和重建是獨(dú)立的，沒(méi)有有效的評(píng)估。自由曲面測(cè)量速度和 8 精度，提升重構(gòu)基于三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x，（ 自適應(yīng)測(cè) 量方法提出的表面重建。測(cè)量過(guò)程中，通過(guò)不斷的點(diǎn)擬合樣本，預(yù)算和其特定的測(cè)量向量，來(lái)指導(dǎo) 由曲面點(diǎn)云擬合模型，測(cè)試點(diǎn)的擬合模型和相應(yīng)的點(diǎn)樣本誤差；如果大錯(cuò)誤，然后點(diǎn)云測(cè)量加入檢測(cè)表面擬合，經(jīng)過(guò)進(jìn)一步測(cè)試重實(shí)體模型擬合精度滿足要求，獲得準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)點(diǎn)和精致的自由曲面模型。 2 自由曲面檢測(cè) 隨著現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，如航空航天、汽車(chē)、和自由曲面尺寸測(cè)量精度越來(lái)越重要。三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x (廣泛應(yīng)用于自由曲面的測(cè)量。因?yàn)?別傳統(tǒng)的測(cè)量工具都有自己的特點(diǎn)，為人們提出了許多新的研究課題，主要 是：在保證測(cè)試質(zhì)量的前提下如何有效確定測(cè)試點(diǎn)數(shù)量和分布；如何生成檢測(cè)時(shí)間較少的檢測(cè)路徑及其仿真。檢測(cè)結(jié)果分析等問(wèn)題。本文以自由曲面為對(duì)象，對(duì)這 3 方面的問(wèn)題進(jìn)行了討論與研究。 由曲面上檢測(cè)點(diǎn)數(shù)量及分布的確定 一種通過(guò)采樣來(lái)進(jìn)行測(cè)量的設(shè)備，對(duì)于采到的點(diǎn)可以肯定地判斷是否在公差允許的范圍內(nèi)，但對(duì)于未采到的點(diǎn)卻不能。這樣一來(lái)， 雖然采的點(diǎn)全部在公差允許的范圍之內(nèi)， 但據(jù)此不能保證未采到的點(diǎn)也在公差允許的范圍之內(nèi)。而且采樣點(diǎn)數(shù)量及分布的不同往往會(huì)有不同測(cè)量結(jié)果，特別對(duì)于自由曲面這一問(wèn)題顯得尤為突出 。然而要對(duì)整個(gè)曲面進(jìn)行掃描并且測(cè)量曲面上的所有點(diǎn)是不可能的。因此，必須建立一個(gè)適當(dāng)?shù)臋z測(cè)點(diǎn)樣本，包括樣本大小及樣本點(diǎn)分布。對(duì)樣本的要求是：首先要滿足質(zhì)量保證的要求，同時(shí)樣本要盡可能小。 由曲面上檢測(cè)點(diǎn)數(shù)量的確定 自由曲面上的測(cè)量點(diǎn)要同時(shí)滿足曲面幾何形狀的必要性和充分性。 （ 1） 充分性：通過(guò)測(cè)量采樣點(diǎn)，就可以完整地反映曲面幾何外形； （ 2） 必要性：如果不測(cè)量某些采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)，就不足以精確描述曲面的幾何外形。也就是說(shuō)采樣點(diǎn)不能太多也不能太少。采樣點(diǎn)太多，會(huì)加大測(cè)量的成本，而且為后續(xù)的數(shù)據(jù)處理帶來(lái)麻煩；采樣點(diǎn)過(guò) 少，不能夠精確描述曲面的外形。 工件的實(shí)現(xiàn)要經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)、制造等過(guò)程。在設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)工作所承擔(dān)的功能，規(guī)定其公差范圍。 在加工過(guò)程中 ， 由于加工的影響因素的各個(gè)方面處理結(jié)果將偏離給定大小的設(shè)計(jì) ， 理想的背離將構(gòu)成處理錯(cuò)誤。 因此 調(diào)查 零件 樣 品 設(shè)計(jì)、加工 9 過(guò)程 ， 將影響樣 品 量 有 兩個(gè) 方面的 因素 ，公差范圍 T，加工能力 P，一般定為 P =6σ。加工誤差假設(shè)為正態(tài)分布 ε =N(0，σ 2 )或 ε =σ· Z （ 上式中 z 服從標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，采樣點(diǎn)在自由曲面上隨機(jī)分布，即采樣點(diǎn)數(shù)可由下式確定。 （ —— 工藝能力系數(shù)，且它是公差范圍 與分散范圍 之比 ( —— 標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)概率分布的 分位數(shù) —— 標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)概率分布的 分位數(shù) 對(duì)式 ( 則式 (為 (由式 (可以得出， 的變大而變小，隨 所需測(cè)量的采樣點(diǎn)數(shù)隨著機(jī)床加工能力增大而減小，而由經(jīng)驗(yàn)可知，所需采樣點(diǎn)數(shù)也是隨著給定加工的公差范圍增大而減小。 由曲面上檢測(cè)點(diǎn)分布的確定 檢測(cè)點(diǎn)的分布同樣也是影響檢測(cè)結(jié)論的重要因素。 在檢測(cè)面上按照什么原則分布測(cè)量點(diǎn) ， 以使得 測(cè)量?jī)x 自身誤差的影響最小。即經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理后 測(cè)量?jī)x 誤差對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響最小 ， 使得測(cè)量結(jié)果盡可能地反映工件的實(shí)際。一般來(lái)說(shuō) ， 測(cè)量點(diǎn)的分布策略為均勻分布 ， 并盡可能地覆蓋測(cè)量面 ， 但在有些情況下這種分布策略實(shí)際上是不合理的 ， 需要對(duì)具體情況具體分析。 在 現(xiàn)實(shí) 應(yīng)用 中常 常人為 的 給定合理的 精確 分布 。 自由曲面檢測(cè)點(diǎn)的分布有 兩 10 種 ： 均勻分布和按曲率及預(yù) 測(cè) 的加工誤差分布 。 下面對(duì) 兩種 種分布討論 ： 均勻分布 按照式 （ 確定的樣本大小，要在某一自由曲面上均勻分布 N 個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，設(shè)α為自由曲面μ、 v 方向的長(zhǎng)度比，則在均勻分布情況下，μ、 v 方向分布的檢測(cè)點(diǎn)數(shù)可分別表示為 × 其中 × 四舍 (α× 得到的最接近的整數(shù)。沿 v 方向分布的測(cè)點(diǎn)數(shù)可由式 (得 N/α )1/ 2 ) 檢測(cè)點(diǎn)按μ ， v 方向分布的坐標(biāo)值分別為 ： μ i =(i × i =1， 2?， × （ (j j =1， 2?， (式 ( (給定的 按曲率及預(yù)測(cè)的加工誤差分布 均勻分布雖然簡(jiǎn)單方便，但這種分布方式顯然存在著不合理的方面。對(duì)于自由曲面上變化劇烈區(qū)域 (即曲率大的區(qū)域 )，難加工區(qū)域 (即加工誤差比較大的區(qū)域 )，在進(jìn)行檢測(cè)時(shí)應(yīng)當(dāng)增加檢測(cè)點(diǎn)以保證檢測(cè)質(zhì)量，因此我們采用按曲率及預(yù)報(bào)的加工誤差來(lái)對(duì)檢測(cè)點(diǎn)進(jìn)行分布。假設(shè)要在某一自由曲面上均勻分布 先將該自由曲面按μ、 m× n 個(gè)小方格， m × 2～5倍的檢測(cè)點(diǎn)數(shù) N ， m/ n 應(yīng)等于μ、 μ j =( m i =1， 2， ?， m (μ j =( n j =1， 2?， n (根據(jù) 式，設(shè) { 是曲面在點(diǎn) P 的兩個(gè)彼此正交的主方向單位向量，對(duì)應(yīng)的主曲率是 則在 e = +e 2 的法曲率是 )= (從式 (難看出，主方向正是法曲率取 極值的方向 ，而主曲率恰好是法曲率極值，即，如果 k 2，則曲面上在該點(diǎn)沿任意一個(gè)切方向的法曲率滿足不等式 k 1 ≥ k n (θ )≥ k 2 11 在實(shí)際應(yīng)用中，取該點(diǎn)極大極小值的平均值 k =1/2(映曲面上的彎曲程度。模糊矩陣，使 k，三者之間的關(guān)系ε 表 1 所示，為模糊矩陣，表中 ， 依此方法繼續(xù)進(jìn)行采樣，直至 k=m； (2) 如果采樣若干步都后余留測(cè)點(diǎn)數(shù)點(diǎn)數(shù) n下載提示(請(qǐng)認(rèn)真閱讀)
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