一种针对筒状曲面的螺旋式扫描测量轨迹规划方法技术

一种针对筒状曲面的螺旋式扫描测量轨迹规划方法，属于曲面坐标测量技术领域，用于筒状曲面测量，目的是通过减少测头的非测量移动时间以及引导轨迹C(t)的长度，以提高筒状类零件的测量效率。本发明专利技术包括构成偏置曲面Sr步骤、偏置曲面Sr三角化步骤、三角化偏置曲面St参数化步骤、规划导向线及间隔线步骤、计算螺旋导向线G(t)和螺旋间隔线E(t)步骤、计算引导轨迹C(t)步骤、生成摆动轨迹参考扫描曲线步骤以及生成摆动扫描轨迹P(t)步骤。本发明专利技术测量过程可以通过测头探针针尖的一次往复扫描运动就能够完成，有效地减少了筒状曲面测量过程中测头的非测量移动时间和引导轨迹C(t)的长度，从而显著地提高了筒状曲面的测量效率。

【技术实现步骤摘要】
一种针对筒状曲面的螺旋式扫描测量轨迹规划方法
本专利技术属于曲面坐标测量
，具体涉及一种针对筒状曲面的螺旋式扫描测量轨迹规划方法。技术背景筒状曲面是指由N个曲面组成的复合曲面，N≥1，N由其CAD设计模型决定，从而决定了筒状曲面有N条母线，该复合曲面的截面线是一阶导数连续的闭合曲线，例如双曲面、圆台侧面、圆柱侧面以及其任意变形的G1连续曲面，例如图1所示的航空叶片，由前缘S1、叶盆S2、后缘S3、叶背S4组成筒状曲面。所述母线是指复合曲面中相邻曲面的连接线，所述G1连续曲面是指经过曲面上任意一点的曲面上的曲线的一阶导数是连续的。随着制造业的高速发展，筒状曲面广泛应用于航空航天设备，光学仪器，医疗器械等领域中的高精密零件上，例如轴孔类零件中的柱面、航空叶片中前缘、叶盆、后缘、叶背组成的复合曲面等。为了使含有筒状曲面的零件能够在加工后进行误差分析，以及在逆向工程中进行模型重构，需要精确高效地获得加工完成或者使用过的零件中筒状曲面的几何信息。目前，一种高精密和高效的曲面测量方法是使用坐标测量机，传统的坐标测量机是三个直线轴或者三个直线轴+两个旋转轴非联动的结构方式，采用点对点的接触式测量，如图2所示，测头ph的探针sty独立地接触零件测量曲面S上的一系列的测量采样点spt；每测量一个点都需要探针慢慢地接触测量点，然后再慢慢地移开，所以其效率非常低。近些年，出现了五轴连续测量技术，并出现了与之匹配的五轴联动扫描式坐标测量机(简称五轴CMM)，用于高精密零件中曲面的快速测量，其核心部件是如图3所示英国雷尼绍公司的REVO测头，该测头由测头ph和探针sty组成，包括两个互相正交的旋转轴R1和R2，测头回转中心为点Or，是两个旋转轴R1和R2中心线的交点。如图4所示，使用该五轴CMM进行曲面测量时，测头探针的针尖tip沿着测量曲面S上预先设定的扫描曲线scv连续扫描测量，这种连续的接触式扫描测量方式称为扫描测量。如图5所示，扫描测量的测量轨迹由测头回转中心点Or的引导轨迹C(t)(TrajectoryCurve)和测头探针针尖中心点的摆动扫描轨迹P(t)(FinalInspectionPath)组成，引导轨迹C(t)和摆动扫描轨迹P(t)均被离散成一系列的点，P(t)＝{p1，...，pi-1，pi，pi+1，...，pn}，点pi的局部坐标系LCS，为空间直角坐标系，由摆动扫描曲线在点pi处的切向量fi和曲面Sr在点pi处的法向量ni以及它们的向量积ki＝fi×ni组成，在点pi的局部坐标系LCS中，探针方向Ti由前倾角θi和侧偏角确定，前倾角θi为Ti与法向量ni的夹角，侧偏角为Ti在ki-fi平面的投影与切向量fi的夹角，引导轨迹C(t)上的离散点ci＝pi+L×Ti，其中L为探针长度。考虑到五轴CMM的机械结构和运动特性(包括每个轴的速度和加速度的最大限度等)，其三个直线轴和两个旋转轴在运动特性上有很大的不同，三个直线轴的最大速度和加速度远小于两个旋转轴的最大速度和加速度。在P.Hu、R.Zhang&K.Tang发表的论文“AutomaticGenerationofFive-AxisContinuousInspectionPathsforFree-FormSurfaces”中给出了一种高效率的扫描测量轨迹，如图6所示，在曲面Sr上摆动扫描轨迹P(t)呈往复摆动状，同时引导轨迹C(t)是一条比较短和光滑的曲线。这种测量轨迹综合考虑了五轴扫描式坐标测量机的运动载荷和特性、测头探针接触角、采样精度以及干涉等因素，使测头缓慢移动的同时，测头探针针尖快速扫描运动，提高了测量的效率。对于曲面Sr的扫描测量轨迹基本是采用分区式轨迹规划方式，如图7所示，即通过一些必要的计算将一个测量曲面Sr划分为许多个扫描测量区域，每个测量区域通过一次连续的测头探针针尖的扫描运动完成测量，然后将测头慢慢移动到下一个测量区域再进行扫描测量。对于筒状曲面的扫描测量也是采用分区式轨迹规划方式。因为测头的移动是通过坐标测量机的直线轴完成，移动速度是很慢的，从而增加了测量时间，降低了测量效率，尤其当测量区域很大时，这种状况会更明显。可以通过增加测量区域的宽度，以减少测量区域的个数来提高测量效率，但是测量区域的宽度受测头探针接触角、碰撞干涉等因素的限制，提高测量效率的效果并不明显。为了便于理解本专利技术，以下对有关术语加以解释：三角面片是指边界为三角形的平面；三角面片边的起点是指该边的任意一个端点，由人为指定，一旦指定后，整个轨迹规划过程中三角面片边的起点就是所指定那一个端点；如图8所示，弦长τ为半径为R的圆弧cv上的两个点a和b所形成的直线段ab的长度，弦高差ε为曲线段ab与直线段ab的最大距离。
技术实现思路
本专利技术提供一种针对筒状曲面的螺旋式扫描测量轨迹规划方法，用于筒状曲面测量，目的是通过减少测头的非测量移动时间以及引导轨迹C(t)的长度，以提高筒状类零件的测量效率。本专利技术所提供的一种针对筒状曲面的螺旋式扫描测量轨迹规划方法，其特征在于，其包括以下步骤：(1)构成偏置曲面Sr步骤：将零件CAD模型中的筒状曲面S向曲面的正法向进行曲面偏置，得到偏置曲面Sr，偏置距离为测量使用的测头探针针尖的半径rt；所述正法向为筒状曲面在曲面上任意一点的两个法向量中指向零件外侧的法向量，所述曲面偏置是指曲面上的任意一点都向其正法向移动距离rt；(2)偏置曲面Sr三角化步骤：将偏置曲面Sr划分为多个三角面片，形成三角化偏置曲面St；(3)三角化偏置曲面St参数化步骤：选择三角化偏置曲面St任意一条母线，将三角化偏置曲面St展开映射到映射平面Sh上，构成矩形映射图形；所述映射平面Sh为任意平面；(4)规划导向线及间隔线步骤：在矩形映射图形上规划测量轨迹的导向线及间隔线，并计算出导向线和间隔线与矩形映射图形中各三角面片的边的交点的位置比，其为交点坐标到其所在边的起点的距离占相应边长的比例；所述导向线为映射平面ST中映射图形上的一组斜线，将矩形映射图形沿母线卷成圆筒状后导向线形成螺旋线；每两条导向线之间规划一条间隔线，间隔线在矩形映射图形沿母线卷成圆筒状后也形成螺旋线；(5)计算螺旋导向线G(t)和螺旋间隔线E(t)步骤：根据矩形映射图形中导向线和间隔线与三角面片边的交点的位置比，计算出各交点在三角化偏置曲面St的三角面片上对应的位置，即为偏置曲面Sr上的螺旋导向线G(t)和螺旋间隔线E(t)的离散点，分别将螺旋导向线G(t)的离散点和螺旋间隔线E(t)的离散点构建成为3次样条插值曲线，即为偏置曲面Sr上的螺旋导向线G(t)和螺旋间隔线E(t)；(6)计算引导轨迹C(t)步骤：确定螺旋导向线G(t)上的测头探针方向，进而结合探针长度L计算测头回转中心点Or的引导轨迹C(t)；(7)生成摆动轨迹参考扫描曲线步骤：根据引导轨迹C(t)生成测头探针针尖中心点摆动轨迹的参考扫描曲线(NominalInspectionPath)；(8)生成摆动扫描轨迹P(t)步骤：根据引导轨迹C(t)和参考扫描曲线生成测头探针针尖中心点的摆动扫描轨迹P(t)。所述步骤(1)可以采用德国西门子公司的CAD/CAM软件UG构成偏置曲面Sr；所述步骤(2)可以采用美国Altair本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种针对筒状曲面的螺旋式扫描测量轨迹规划方法，其特征在于，其包括以下步骤：(1)构成偏置曲面Sr步骤：将零件CAD模型中的筒状曲面S向曲面的正法向进行曲面偏置，得到偏置曲面Sr，偏置距离为测量使用的测头探针针尖的半径rt；所述正法向为筒状曲面在曲面上任意一点的两个法向量中指向零件外侧的法向量，所述曲面偏置是指曲面上的任意一点都向其正法向移动距离rt；(2)偏置曲面Sr三角化步骤：将偏置曲面Sr划分为多个三角面片，形成三角化偏置曲面St；(3)三角化偏置曲面St参数化步骤：选择三角化偏置曲面St任意一条母线，将三角化偏置曲面St展开映射到映射平面Sh上，构成矩形映射图形；所述映射平面Sh为任意平面；(4)规划导向线及间隔线步骤：在矩形映射图形上规划测量轨迹的导向线及间隔线，并计算出导向线和间隔线与矩形映射图形中各三角面片的边的交点的位置比，其为交点坐标到其所在边的起点的距离占相应边长的比例；所述导向线为映射平面ST中映射图形上的一组斜线，将矩形映射图形沿母线卷成圆筒状后导向线形成螺旋线；每两条导向线之间规划一条间隔线，间隔线在矩形映射图形沿母线卷成圆筒状后也形成螺旋线；(5)计算螺旋导向线G(t)和螺旋间隔线E(t)步骤：根据矩形映射图形中导向线和间隔线与三角面片边的交点的位置比，计算出各交点在三角化偏置曲面St的三角面片上对应的位置，即为偏置曲面Sr上的螺旋导向线G(t)和螺旋间隔线E(t)的离散点，分别将螺旋导向线G(t)的离散点和螺旋间隔线E(t)的离散点构建成为3次样条插值曲线，即为偏置曲面Sr上的螺旋导向线G(t)和螺旋间隔线E(t)；(6)计算引导轨迹C(t)步骤：确定螺旋导向线G(t)上的测头探针方向，进而结合探针长度L计算测头回转中心点Or的引导轨迹C(t)；(7)生成摆动轨迹参考扫描曲线步骤：根据引导轨迹C(t)生成测头探针针尖中心点摆动轨迹的参考扫描曲线(Nominal Inspection Path)；(8)生成摆动扫描轨迹P(t)步骤：根据引导轨迹C(t)和参考扫描曲线生成测头探针针尖中心点的摆动扫描轨迹P(t)。...

【技术特征摘要】
1.一种针对筒状曲面的螺旋式扫描测量轨迹规划方法，其特征在于，其包括以下步骤：(1)构成偏置曲面Sr步骤：将零件CAD模型中的筒状曲面S向曲面的正法向进行曲面偏置，得到偏置曲面Sr，偏置距离为测量使用的测头探针针尖的半径rt；所述正法向为筒状曲面在曲面上任意一点的两个法向量中指向零件外侧的法向量，所述曲面偏置是指曲面上的任意一点都向其正法向移动距离rt；(2)偏置曲面Sr三角化步骤：将偏置曲面Sr划分为多个三角面片，形成三角化偏置曲面St；(3)三角化偏置曲面St参数化步骤：选择三角化偏置曲面St任意一条母线，将三角化偏置曲面St展开映射到映射平面Sh上，构成矩形映射图形；所述映射平面Sh为任意平面；(4)规划导向线及间隔线步骤：在矩形映射图形上规划测量轨迹的导向线及间隔线，并计算出导向线和间隔线与矩形映射图形中各三角面片的边的交点的位置比，其为交点坐标到其所在边的起点的距离占相应边长的比例；所述导向线为映射平面ST中映射图形上的一组斜线，将矩形映射图形沿母线卷成圆筒状后导向线形成螺旋线；每两条导向线之间规划一条间隔线，间隔线在矩形映射图形沿母线卷成圆筒状后也形成螺旋线；(5)计算螺旋导向线G(t)和螺旋间隔线E(t)步骤：根据矩形映射图形中导向线和间隔线与三角面片边的交点的位置比，计算出各交点在三角化偏置曲面St的三角面片上对应的位置，即为偏置曲面Sr上的螺旋导向线G(t)和螺旋间隔线E(t)的离散点，分别将螺旋导向线G(t)的离散点和螺旋间隔线E(t)的离散点构建成为3次样条插值曲线，即为偏置曲面Sr上的螺旋导向线G(t)和螺旋间隔线E(t)；(6)计算引导轨迹C(t)步骤：确定螺旋导向线G(t)上的测头探针方向，进而结合探针长度L计算测头回转中心点Or的引导轨迹C(t)；(7)生成摆动轨迹参考扫描曲线步骤：根据引导轨迹C(t)生成测头探针针尖中心点摆动轨迹的参考扫描曲线(NominalInspectionPath)；(8)生成摆动扫描轨迹P(t)步骤：根据引导轨迹C(t)和参考扫描曲线生成测头探针针尖中心点的摆动扫描轨迹P(t)。2.如权利要求1所述的针对筒状曲面的螺旋式扫描测量轨迹规划方法，其特征在于，所述步骤(1)采用德国西门子公司的CAD/CAM软件UG构成偏置曲面Sr；所述步骤(2)采用美国Altair公司的CAE应用软件HyperMesh完成偏置曲面Sr三角化。3.如权利要求1所述的针对筒状曲面的螺旋式扫描测量轨迹规划方法，其特征在于，所述步骤(3)包括下述子步骤：(3.1)三角化偏置曲面St边界三角面片顶点映射：(3.1.1)沿所选择母线展开三角化偏置曲面St，使曲面St在所选母线的端点处产生4个拐角顶点；(3.1.2)4个拐角顶点按顺序映射到映射平面Sh上已确定的矩形的4个顶点；(3.1.3)4个拐角顶点将曲面St分为4个复合边界线，分别计算每个复合边界线上三角面片边的总长度，即总边长；所述复合边界线由不少于1条边界线组成；(3.1.4)计算每个复合边界线上每一个三角面片顶点距离其所在复合边界线的起点的三角面片边的长度和占相对应总边长的比例，即边长长度比；(3.1.5)按相同的边长长度比将复合边界线上的每一个顶点映射到映射平面中矩形对应的边上；(3.1.6)计算偏置曲面Sr上其它母线的总边长和边长长度比，然后按相同的边长长度比将母线上的每一个顶点映射到映射平面的矩形上，映射后的母线要求是直线；(3.2)三角化偏置曲面St内部区域三角面片顶点映射：三角化偏置曲面St上的三角面片的顶点数为n，其中有r个点在三角化偏置曲面St的边界上，n-r个点在偏置曲面Sr的内部区域；求解下述方程组：和得到三角化偏置曲面St内部区域三角面片顶点映射后的坐标；其中，三角化偏置曲面St映射到二维平面Sh的总能量Eh(f)：式中，为三角面片的顶点映射后的坐标，为三角面片不同顶点，ih、jh、ph、qh＝1，2，…，r，r+1，…，n，且ih、jh、ph、qh互不相等；为三角化偏置曲面St的三角面片边的弹性系数，三角面片边有两个邻接三角面片和则其中如果三角面片边在边界线上，那么4.如权利要求1所述的针对筒状曲面的螺旋式扫描测量轨迹规划方法，其特征在于，所述步骤(4)包括下述子步骤：(4.1)将矩形映射图形的4条边中与曲面Sr映射时所选母线相应的两条边作为两条母线边，分别均匀分成mg份，其中符号Int(#)表示对括号内的值#取整数部分，Lm为所选母线的长度，L为测头探针长度，距离常数L0为20mm；(4.2)在两条母线边上的mg+1个离散点，按同一方向编号为(1，2，…，mg+1)，依次将一条母线边上编号为ig的点与另一条母线边上编号为ig+1的点连线，即为间隔线，ig＝1，2，…，mg；将矩形映射图形的另外两条非母线边也作为间隔线，但不属于规划的间隔线；(4.3)计算任意两条相邻的间隔线与一条母线边两个交点的中点，同时计算与另一条母线边两个交点的中点，连接这两个中点的直线即为导向线；(4.4)在映射平面Sh中，计算各条导向线和间隔线的法向量以及各条导向线和间隔线与其中一条母线边的交点坐标im＝1，2，…，2mg+1；(4.5)计算由法向量和交点确定的空间平面与映射图形的三角面片的边的交点坐标，进而计算该交点的位置比，其为交点坐标到其所在边的起点的距离占相应边长的比例。5.如权利要求1所述的针对筒状曲面的螺旋式扫描测量轨迹规划方法，其特征在于，所述步骤(5)中，采用德国西门子公司的CAD/CAM软件UG构建3次样条插值曲线。6.如权利要求1所述的针对筒状曲面的螺旋式扫描测量轨迹规划方法，其特征在于，所述步骤(6)包括下述子步骤：(6.1)根据弦高差εd和弦长τd将螺旋导向线G(t)离散成nd个离散点id＝1，2，…，nd，0mm＜εd＜0.5mm，0mm＜τd＜5mm，(6.2)计算每一个离散点对应的测头探针方向其中，θ为测头探针...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡鹏程，李雷，周会成，李振瀚，陈吉红，邹碧康，
申请(专利权)人：华中科技大学，武汉华中数控股份有限公司，
类型：发明
国别省市：湖北,42