專利名稱：基于led環(huán)形光的實(shí)時半徑補(bǔ)償方法及測頭裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種實(shí)時半徑補(bǔ)償方法及測頭裝置，尤其是涉及一種基于LED環(huán)形光的實(shí)時半徑補(bǔ)償方法及測頭裝置。
背景技術(shù)：
便攜式坐標(biāo)測量機(jī)如

圖1所示，通常采用接觸式測頭，例如紅寶石測頭，它具有質(zhì)硬，球度好，半徑一致性好，與被測面總接觸一點(diǎn)，測量精度比非接觸式測量方式高，廣泛應(yīng)用于坐標(biāo)測量領(lǐng)域。如圖2所示，當(dāng)便攜式坐標(biāo)測量機(jī)沿著被測自由曲面3上的標(biāo)記線4進(jìn)行測量時，系統(tǒng)需要獲得的是測球2球心的坐標(biāo)值，而不是測球2與曲面接觸點(diǎn)的坐標(biāo)值， 因此需要在測量過程中或測量完成后，對獲得的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行半徑補(bǔ)償。半徑補(bǔ)償?shù)年P(guān)鍵技術(shù)是確定被測自由曲面上接觸點(diǎn)的法矢方向。在逆向工程中，被測自由曲面的數(shù)學(xué)模型未知，所以無法用計算偏導(dǎo)數(shù)的方式確定測點(diǎn)的法矢方向，只能根據(jù)測點(diǎn)與鄰域測點(diǎn)的拓?fù)潢P(guān)系，構(gòu)成曲線或微平面，計算法矢方向，近似作為測點(diǎn)的半徑補(bǔ)償方向。目前半徑補(bǔ)償通常有兩種方式事后補(bǔ)償和實(shí)時補(bǔ)償。事后補(bǔ)償根據(jù)測頭半徑、曲面的性質(zhì)等計算每個點(diǎn)的補(bǔ)償量，并對曲面進(jìn)行偏置實(shí)現(xiàn)半徑補(bǔ)償，然而對于形狀復(fù)雜的自由曲面，通過等距偏置得到等距曲面的難度大。對于實(shí)時自動半徑補(bǔ)償，由于測量人員手持便攜式坐標(biāo)測量機(jī)進(jìn)行測量，測點(diǎn)分布較散亂，沒有明顯的掃描線特征，因而無法直接采用二維補(bǔ)償方法。三維補(bǔ)償方法一般采用微平面法，測量時測頭在測點(diǎn)P的一個小鄰域內(nèi)，分別采集三個輔助參考點(diǎn)，將這三點(diǎn)組成小平面，其法矢方向近似作為測點(diǎn)P的半徑補(bǔ)償方向。這種方法每測一點(diǎn)，需要測三個輔助點(diǎn)，大大增加了測量工作量和時間，并且半徑補(bǔ)償?shù)木扰c所選的輔助參考點(diǎn)有關(guān)，同時也受到測量人員工作經(jīng)驗(yàn)的影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于LED環(huán)形光的實(shí)時半徑補(bǔ)償方法及其測頭裝置。便攜式測量機(jī)采用該測頭裝置進(jìn)行自由曲面測量時，可以實(shí)時補(bǔ)償測頭半徑，從而直接獲得自由曲面上測點(diǎn)的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)。此方法應(yīng)用于緩變自由曲面的逆向測量，具有較高的測量精度。本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)便攜式坐標(biāo)測量機(jī)測量過程中的測量數(shù)據(jù)實(shí)時半徑補(bǔ)償，處理后的數(shù)據(jù)可直接導(dǎo)入CAD/CAM系統(tǒng)，完成后續(xù)的模型重建和數(shù)字化加工。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是一、一種基于LED環(huán)形光的實(shí)時半徑補(bǔ)償方法該實(shí)時半徑補(bǔ)償方法是將接觸式測頭測球附近的被測自由曲面近似為微平面，用 LED環(huán)形光投射到微平面上形成橢圓的投影線，并由CCD攝像機(jī)捕捉橢圓的投影線，然后根據(jù)橢圓長軸、短軸與測頭坐標(biāo)系χ、y軸的夾角和長軸、短軸長度比值，計算得到微平面的單位法矢，取其外法線方向，最后利用該單位法矢的外法線方向?qū)佑|式測頭進(jìn)行實(shí)時半徑補(bǔ)償。
所述的對接觸式測頭獲得數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時半徑補(bǔ)償?shù)姆椒ó?dāng)接觸式測頭接觸被測自由曲面后，獲得一個測點(diǎn)，記為P，該測點(diǎn)值為測頭球心坐標(biāo)值；將接觸式測頭測球附近的被測曲面上近似為微平面，用LED環(huán)形光投射到微平面上形成橢圓的投影線；CXD攝像機(jī)圖像坐標(biāo)系與接觸式測頭坐標(biāo)系，經(jīng)過坐標(biāo)變換后重合，CCD攝像機(jī)捕捉橢圓的投影線，計算圖像像素點(diǎn)數(shù)，得到長軸和短軸長度分別為OA'和 OB'，根據(jù)式(1)計算單位法矢η與Z軸的夾角爐；
權(quán)利要求
1.一種基于LED環(huán)形光的實(shí)時半徑補(bǔ)償方法，其特征在于該實(shí)時半徑補(bǔ)償方法是將接觸式測頭測球附近的被測自由曲面近似為微平面，用LED環(huán)形光投射到微平面上形成橢圓的投影線，并由CCD攝像機(jī)捕捉橢圓的投影線，然后根據(jù)橢圓長軸、短軸與測頭坐標(biāo)系χ、 y軸的夾角和長軸、短軸長度比值，計算得到微平面的單位法矢，取其外法線方向，最后利用該單位法矢的外法線方向?qū)佑|式測頭進(jìn)行實(shí)時半徑補(bǔ)償。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于LED環(huán)形光的實(shí)時半徑補(bǔ)償方法，其特征在于，所述的對接觸式測頭獲得數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時半徑補(bǔ)償?shù)姆椒ó?dāng)接觸式測頭接觸被測自由曲面后，獲得一個測點(diǎn)，記為P，該測點(diǎn)值為測頭球心坐標(biāo)值；將接觸式測頭測球附近的被測曲面上近似為微平面，用LED環(huán)形光投射到微平面上形成橢圓的投影線；C⑶攝像機(jī)圖像坐標(biāo)系與接觸式測頭坐標(biāo)系，經(jīng)過坐標(biāo)變換后重合，CXD 攝像機(jī)捕捉橢圓的投影線，計算圖像像素點(diǎn)數(shù)，得到長軸和短軸長度分別為OA'和OB'， 根據(jù)式(1)計算單位法矢η與Z軸的夾角爐；(p = arccos(OB'/OA')(1)過A'作垂直于坐標(biāo)系χ軸的垂線得交點(diǎn)C'，計算圖像像素點(diǎn)數(shù)，得到OA'和OC'的長度，得到OA'和OC'的長度，根據(jù)式( 計算橢圓投影線長軸OA'與坐標(biāo)系χ軸的角度值θθ = arcsin(0C' /OA' ) (2)根據(jù)已求得的θ、￠)，計算微平面的單位法矢n，即為 (sin φ · cos θ, sin φ · sin θ, cos φ)；根據(jù)式( ，結(jié)合求得的單位法矢η對接觸式測頭獲得的數(shù)據(jù)點(diǎn)P進(jìn)半徑補(bǔ)償，得到補(bǔ)償后的數(shù)據(jù)點(diǎn)PMal。Preal = Ρ-Π · Γ (3)
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述方法的一種基于LED環(huán)形光的實(shí)時半徑補(bǔ)償測頭裝置，其特征在于在保護(hù)套筒(5)下端的中心孔中，裝有外套有機(jī)玻璃環(huán)(16)的測針座(15)，測針座 (15)下端裝有測針(8)，LED發(fā)射器(1 上端同軸安裝在套筒蓋(1 下端面，LED發(fā)射器(13)下端安裝在環(huán)形的聚集反光鏡(14)孔中，套筒蓋(1 上端面同軸安裝有測座定位桿 (10)，環(huán)形支架(6)與保護(hù)套筒(5)螺紋連接，環(huán)形支架(6) —側(cè)向下的延伸臂上安裝CCD 攝像機(jī)(7)，CCD攝像機(jī)(7)朝向測針⑶；LED發(fā)射器(13)發(fā)射的光線(17)經(jīng)聚集反光鏡(14)聚光后，經(jīng)有機(jī)玻璃環(huán)(16)和通光孔(9)投射到被測自由曲面(3)，反射至C⑶攝像機(jī)(7)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于LED環(huán)形光的實(shí)時半徑補(bǔ)償方法及測頭裝置。是將接觸式測頭測球附近的被測自由曲面近似為微平面，用LED環(huán)形光投射到微平面上形成橢圓的投影線，并由CCD攝像機(jī)捕捉橢圓的投影線，然后根據(jù)橢圓長軸、短軸與測頭坐標(biāo)系x、y軸的夾角和長軸、短軸長度比值，計算得到微平面的單位法矢，取其外法線方向，最后利用該單位法矢的外法線方向?qū)佑|式測頭進(jìn)行實(shí)時半徑補(bǔ)償。該測頭裝置包括接觸式測針、測針座、LED發(fā)射器、聚集反射鏡、CCD攝像機(jī)、有機(jī)玻璃環(huán)、環(huán)形支架及其它附件。該方法簡單，可以實(shí)現(xiàn)接觸式測量數(shù)據(jù)的實(shí)時半徑補(bǔ)償；裝置結(jié)構(gòu)簡單，易于實(shí)現(xiàn)。該裝置應(yīng)用于便攜式坐標(biāo)測量機(jī)，對緩變自由曲面的逆向測量效果良好。
文檔編號G01B11/00GK102322794SQ201110122570
公開日2012年1月18日 申請日期2011年5月12日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月12日
發(fā)明者盧科青, 吳堯鋒, 王文, 陳子辰 申請人:浙江大學(xué)