一种针尖磨损后的被测轮廓重建算法制造技术

本发明专利技术公开了一种针尖磨损后的被测轮廓的测量方法，其中上述方法主要包括如下步骤：获得第一标准球的针心轨迹，获得第二标准球的针心轨迹，给出第一标准球的球心坐标初始值，计算对应上述球心坐标下的针尖轮廓，由第二标准球的针心轨迹和由第一标准球所获得的针尖轮廓，使用被测轮廓重建算法获得第二标准球的被测轮廓，计算第二标准球的被测轮廓误差，重新设置第一标准球的球心坐标初始值，执行上述步骤计算获取轮廓误差，直到找到标准球的最优位置，使得轮廓误差达到最小，利用上述初始值来计算被测轮廓。按照本发明专利技术的针尖磨损后的被测轮廓的测量方法，可解决针尖磨损后的被测轮廓的重建问题，从而提高被测轮廓的重建精度。

A measured contour reconstruction algorithm after tip wear

The invention discloses a tip wear after the measured contour measurement method, wherein said method mainly comprises the following steps: the needle track won the first standard ball, needle trajectory second standard ball, the initial center coordinates given the first standard ball value calculation contour corresponding to the tip center coordinates, by second standard ball needle trajectory and tip profile obtained by the first standard ball, measured using the measured contour contour reconstruction algorithm to obtain second standard ball, the contour error of the measured calculation of second standard ball, initial center coordinate re set the standard value of the first ball, follow the steps above obtained optimal profile error. Until you find the position of the standard ball, the contour error reaches the minimum value to calculate the measured using the initial contour. According to the measuring method of the measured contour after the needle wear is worn out, the reconstruction problem of the measured contour after the needle tip wear can be solved, so as to improve the reconstruction accuracy of the measured contour.

【技术实现步骤摘要】
一种针尖磨损后的被测轮廓重建算法
本专利技术属于触针式轮廓仪领域，特别是涉及一种针尖磨损后的被测轮廓重建算法。
技术介绍
触针轮廓仪传感器凭借量程大、成本低、对环境要求低等诸多优点,在零件表面轮廓测量领域被广泛使用。当触针沿着被测表面扫描时，针尖轮廓始终与被测轮廓保持相切接触，因此，测量得到的针心轨迹包含了针尖轮廓和被测轮廓的信息，被测轮廓的重建就是由针心轨迹及针尖轮廓求解出被测轮廓(一系列接触点的坐标)。刚使用不久的针尖其截面可以认为是一个圆，将针心轨迹沿着各个点的法线方向偏移针尖半径即可完成被测轮廓的重建，利用文献1(唐文彦,张军,强锡富.AnalysisofEffectofStylusRadiusonMeasurementofSurfaceProfile[J].JournalofHarbinInstituteofTechnology.1998,20(4):85-89.)给出的方法可准确重建被测轮廓；随着针尖磨损量增大，若忽略针尖磨损而将其截面视为圆来重建轮廓将使重建的轮廓有较大误差，这在高精度的轮廓测量中是不被允许的。文献2(WattsRA,SamblesJR,HutleyMC,etal.Anewopticaltechniqueforcharacterizingreferenceartefactsforsurfaceprofilometry[J].1997,8:35.)分析了针尖轮廓与被测轮廓之间的几何关系，介绍了针尖截面不为圆情况下被测轮廓的重建方法，然而该方法考虑的是测量中针尖仅做平移运动，因此不能将其直接应用于针尖有旋转运动的情况，总之，随着测量次数的增加，针尖的磨损量增大导致其截面不再为圆，仍按上述方法重建被测轮廓将有较大误差，因此，需要设计新的方法来执行针尖磨损后的被测轮廓的重建。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种针尖磨损后的被测轮廓重建算法，本专利技术首先研究了传感器示数与杠杆转角之间的函数关系，并在此基础上研究由针心轨迹、针尖轮廓重建被测轮廓的算法，最后研究了针尖轮廓的重建算法。仿真结果表明，这些算法可完整地解决针尖磨损后的被测轮廓的重建问题。为实现上述目的，按照本专利技术，提供一种针尖磨损后的被测轮廓重建算法，其特征在于，所述重建算法包括如下步骤：对半径为R1的第一标准球进行测量，利用触针轮廓仪传感器采集获得针心轨迹Straj1；对半径为R2的第二标准球进行测量，采集获得针心轨迹Straj2，其中R2≠R1；给出所述第一标准球的球心坐标初始值为C，以针心O为原点，按照如下步骤计算对应上述球心坐标下的针尖轮廓S(C)：求针心轨迹Straj1上点A(x,z)处的斜率k；，其中所述x、z为以所述针心O为原点建立的针尖轮廓坐标系x0z的针心轨迹坐标值；找到所述第一标准球的已知被测轮廓上斜率最接近k的点A′(xp,zp)；求A′(xp,zp)在所述针尖轮廓坐标系的坐标A′(xp-x,zp-z)；求所述触针轮廓仪传感器示数z对应的杠杆转角θ＝θ(z)-θ0；其中，θ(z)为所述触针轮廓仪传感器校准后示数z与杠杆转角的函数关系，其中θ0为杠杆转角初始值；将坐标A′(xp-x,zp-z)绕所述针心O旋转-θ得到该点旋转前的坐标，该坐标即为所求的所述针尖轮廓S(C)的对应点坐标；由所述第二标准球的针心轨迹Straj2和由所述第一标准球所获得所述针尖轮廓S(C)，使用被测轮廓重建算法获得被测轮廓：所述被测轮廓重建算法的计算步骤如下：求取所述第二标准球的针心轨迹Straj2上任一点A′(x,z)的斜率，在所述所述针尖轮廓S(C)中找到斜率最接近上述所求斜率的点A′(xs,zs)，由此可获得接触点的坐标为(x+xs,z+zs)，由此计算出所述第二标准球的针心轨迹Straj2上所有接触点坐标从而获得所述第二标准球被测轮廓；同时由下述计算式计算所述第二标准球被测轮廓的轮廓误差F(C)：F(C)＝PNTS*(roundnessError+|R2C-R2|)；其中NTS为所述被测轮廓上点的数量，roundnessError和R2C分别为所述被测轮廓的圆度误差和最小二乘圆半径；重新设置所述第一标准球的球心坐标初始值，执行上述步骤计算获取轮廓误差，直到找到标准球的最优位置C*，使得所述轮廓误差F(C)达到最小，以所述最优位置C*，执行上述计算步骤获得针尖磨损后的被测轮廓。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：本申请抓住“针心轨迹由针尖轮廓和被测轮廓共同决定”这一关键点，首先研究了被测轮廓重建算法，即利用针心轨迹和针尖轮廓来得到被测轮廓；然后研究了针尖轮廓重建算法，即由针心轨迹和被测轮廓得到针尖轮廓；最后，对针尖轮廓重建算法进行了仿真测试，并对仿真需要注意的关键细节进行了说明。仿真结果表明，针尖轮廓重建算法可以准确地重建针尖轮廓，被测轮廓重建算法能够准确地重建被测轮廓。由于针尖轮廓重建算法并没有对针尖的轮廓作出假设，因而其能准确重建任意形状的针尖，只要该针尖轮廓具有光滑的表面即可。附图说明图1为按照本专利技术实现的针尖磨损后的被测轮廓重建算法的计算流程示意图；图2为按照本专利技术实现的传感器校准算法中的计算示意图，其中measuredprofile表示被测轮廓；图3为在针尖仅作平移运动的情况下针心轨迹与被测轮廓上的接触点的关系分析示意图；图4为按照本专利技术实现的被测轮廓重建算法中的示意图，其中stylusprofile表示针尖轮廓，其中styluscentertrack表示针心轨迹，其中unknownmeasuredprofile表示未知被测轮廓，其中contactpoint表示接触点；图5为按照本专利技术实现的针尖轮廓计算中的标准球位置已知情况下的重建针尖轮廓示意图，其中styluscentertrack表示针心轨迹，其中measuredprofile表示被测轮廓，其中contactpoint表示接触点；图6为按照本专利技术实现的其中一种仿真实施例中所使用的针尖界面形状示意图，其中上述针尖的截面为椭圆；图7(a)为按照本专利技术实现的其中一种仿实施例中重建的针尖轮廓曲线图；图7(b)为按照本专利技术实现的其中一种仿实施例中重建的针尖轮廓的重建误差曲线图；图8为按照本专利技术实现的求取标准球的最优位置的寻优范围的算法所涉及的计算示意图，其中thepeakofstyluscentertrack表示第一标准球的针心轨迹的最高点，其中thepeakofstandardball表示上述针心轨迹的最高点多对应的标准球的最高点；图9(a)为按照本专利技术实现的另外一种仿真实施例中的重建针尖轮廓的曲线示意图；图9(b)为按照本专利技术实现的另外一种仿真实施例中的针尖轮廓重建误差的曲线示意图；图10(a)为按照本专利技术实现的另外一种仿真实施例中的不考虑针尖磨损下的轮廓误差曲线示意图；图10(b)为按照本专利技术实现的另外一种仿真实施例中的考虑针尖磨损下的轮廓误差曲线示意图；图11为按照本专利技术实现的另外一种仿真实施例中所使用的针尖界面形状示意图，其中上述针尖的截面为抛物线型；图12(a)为按照本专利技术实现的另外一种仿真实施例中的重建针尖轮廓的曲线示意图；图12(b)为按照本专利技术实现的另外一种仿真实施例中的针尖轮廓重本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种针尖磨损后的被测轮廓重建算法，其特征在于，所述重建算法包括如下步骤：对半径为R1的第一标准球进行测量，利用触针轮廓仪传感器采集获得针心轨迹Straj1；对半径为R2的第二标准球进行测量，采集获得针心轨迹Straj2，其中R2≠R1；给出所述第一标准球的球心坐标初始值为C，以针心O为原点，按照如下步骤计算对应上述球心坐标下的针尖轮廓S(C)：求针心轨迹Straj1上点A(x,z)处的斜率k；，其中所述x、z为以所述针心O为原点建立的针尖轮廓坐标系x0z的针心轨迹坐标值；找到所述第一标准球的已知被测轮廓上斜率最接近k的点A′(xp,zp)；求A′(xp,zp)在所述针尖轮廓坐标系的坐标A′(xp‑x,zp‑z)；求所述触针轮廓仪传感器示数z对应的杠杆转角θ＝θ(z)‑θ0；其中，θ(z)为所述触针轮廓仪传感器校准后示数z与杠杆转角的函数关系，其中θ0为杠杆转角初始值；将坐标A′(xp‑x,zp‑z)绕所述针心O旋转‑θ得到该点旋转前的坐标，该坐标即为所求的所述针尖轮廓S(C)的对应点坐标；由所述第二标准球的针心轨迹Straj2和由所述第一标准球所获得所述针尖轮廓S(C)，使用被测轮廓重建算法获得被测轮廓：所述被测轮廓重建算法的计算步骤如下：求取所述第二标准球的针心轨迹Straj2上任一点A′(x,z)的斜率，在所述所述针尖轮廓S(C)中找到斜率最接近上述所求斜率的点A′(xs,zs)，由此可获得接触点的坐标为(x+xs,z+zs)，由此计算出所述第二标准球的针心轨迹Straj2上所有接触点坐标从而获得所述第二标准球被测轮廓；同时由下述计算式计算所述第二标准球被测轮廓的轮廓误差F(C)：F(C)＝PNTS*(roundnessError+|R2C‑R2|)；其中NTS为所述被测轮廓上点的数量，roundnessError和R2C分别为所述被测轮廓的圆度误差和最小二乘圆半径；重新设置所述第一标准球的球心坐标初始值，执行上述步骤计算获取轮廓误差，直到找到标准球的最优位置C...

【技术特征摘要】
1.一种针尖磨损后的被测轮廓重建算法，其特征在于，所述重建算法包括如下步骤：对半径为R1的第一标准球进行测量，利用触针轮廓仪传感器采集获得针心轨迹Straj1；对半径为R2的第二标准球进行测量，采集获得针心轨迹Straj2，其中R2≠R1；给出所述第一标准球的球心坐标初始值为C，以针心O为原点，按照如下步骤计算对应上述球心坐标下的针尖轮廓S(C)：求针心轨迹Straj1上点A(x,z)处的斜率k；，其中所述x、z为以所述针心O为原点建立的针尖轮廓坐标系x0z的针心轨迹坐标值；找到所述第一标准球的已知被测轮廓上斜率最接近k的点A′(xp,zp)；求A′(xp,zp)在所述针尖轮廓坐标系的坐标A′(xp-x,zp-z)；求所述触针轮廓仪传感器示数z对应的杠杆转角θ＝θ(z)-θ0；其中，θ(z)为所述触针轮廓仪传感器校准后示数z与杠杆转角的函数关系，其中θ0为杠杆转角初始值；将坐标A′(xp-x,zp-z)绕所述针心O旋转-θ得到该点旋转前的坐标，该坐标即为所求的所述针尖轮廓S(C)的对应...

【专利技术属性】
技术研发人员：卢文龙，刘晓军，曾春阳，杨文军，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42