本发明专利技术公开了一种基于组合点激光测头的未知自由曲面测量方法与测头装置。将三个点激光测头安装在三坐标测量机的Ｚ轴上，主激光测头在前，竖直放置；左、右激光测头在后，斜向放置，与竖直方向成１２０°。测量时，首先由主激光测头，对被测量曲面进行等间距逐行扫描，并对扫描数据进行逐行处理，根据截面线上点的外法线，与Ｘ轴正方向所成角度θ的值，把截面线离散成θ∈［０°，６０°）、θ∈［６０°，１２０°］、θ∈（１２０°，１８０°］的曲线段，记录它们的位置。以这些位置值，指导左、右激光测头，分别对θ∈［０°，６０°），θ∈（１２０°，１８０°］的截面段进行二次测量。通过多测头数据组合，实现对未知自由曲面的完整测量。利用点激光测头的组合，实现倾角在［０°，１８０°］内的复杂自由曲面的完整测量。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及不规则表面或轮廓的测量，尤其是涉及一种基于组合点激光测 头的未知自由曲面测量方法与测头装置。技术背景在机械制造、家电外形设计、医疗器材、卡通动画、工艺品与文物复制、 服装设计等领域，涉及大量自由曲面数字化问题。在三坐标测量机上配置光学 非接触式测头，是被普遍运用的测量装置，可以实现对自由曲面自动、高速、 较高精度的测量。其中点激光测头以其响应速度快、分辨率高、受环境电磁场 影响小、工作距离大、测量精度较高等特点而被广泛应用。点激光测头通过探测入射激光点，在被测物表面产生的漫反射光的分布， 来获得测量距离。在实际测量过程中，影响点激光传感器测量精度的外部因素 有很多种，其中被测表面倾斜的影响最为严重。当点激光测头的出射光束，与 被测表面的法向的夹角大于45。左右时，测量误差较大，甚至无法正常工作。这 是因为被测量表面的倾斜，使入射点所产生的漫反射光的空间分布发生了变化。 目前，用于解决该问题的方法主要有3种(1) 多次重定位测量对被测量曲面进行分片规划，通过多次改变曲面的 姿态，调整被测表面法向与激光束之间的夹角，使其始终在正常的测量范围内， 最后通过数据拼接获得完整的测量数据。(2) 利用PH10回转体PH10有A、 B两个回转轴，其中绕A轴的转角 范围为(T 105、绕B轴的转角范围为-18(T 18(r。测量前，先将该回转体安装 在三坐标测量机的Z轴上，然后将点激光测头安装在PH10上。测量过程中，系 统不断地计算出射激光束与被测表面法向的夹角，当其大于预定值时，系统控 制PH10作相应的回转，确保该夹角始终小于预定值。(3) 单发射多接收测头该方法在点激光发射器的周围，均布多个PSD探 测器。测量时，根据这多个探测器上的值，推算测量点的坐标值，它可以有效 地扩大可测的倾角范围，当倾角达到8(T 85。时，仍可以进行测量，同时可以提 高测量的精度。以上方法中，利用多次重定位测量，成本低，但人工干预多，且多次定 位操作将延长工作时间。此外，目前没有非常精确的重定位方法，多次重定位必然引入较大的重定位误差。利用PH10回转体，在理论上可以实现任意形状 自由曲面的测量，但它也有很多不足①回转角度是离散的；②当曲面起伏较 多时，回转体需要频繁地改变测头方向，影响测量速度；③为了获得被测点的 法向，需实时地进行数据处理，且获得的只是被测表面的近似法向；④价格昂 贵。单发射多接收测头，较好地拓展了点激光测头的可测倾角范围，但方法还 在进一步的研究中。
技术实现思路
在未知自由曲面测量中，针对现有点激光测量方法存在的不足，本专利技术的 目的是提供一种基于组合点激光测头的未知自由曲面测量方法与测头装置。该 方法将三个点激光测头，按一定的结构，安装在三坐标测量机的Z轴上，每一种 测头负责测量某一倾角范围内的曲面，最后通过多传感器数据组合，实现对被 测曲面的完整测量。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是-一、 一种基于组合点激光测头的未知自由曲面测量方法，该方法的步骤为1) 主激光测头根据事先设定的测量边界与采样步长，对被测曲面进行等间距 逐行扫描，并记录各个截面的扫描数据及对应行号；2) 每完成一个截面的扫描，数据处理线程开启。该线程首先对截面数据进行 去噪音点处理。接着将处理后的数据点拟合成三次NURBS曲线。然后根据曲线 上，点的外法线与机器坐标系Z轴正方向，所成角度0的大小，将曲线离散成 "、 ^(120。,180。]的三种曲线段，分别记为第II 、 I、 III类 曲线段，并记录它们的位置，同时将形成第I类曲线段的测量点记为主数据。最后，根据第n类曲线段的分布位置，为左激光测头的二次测量，规划好测量 路径。根据第m类曲线段的分布位置，为右激光测头的二次测量，规划好测量 路径。当前截面数据处理完成后，该线程终止，到主激光测头扫描完下一个截面后，再重新开启；3) 主激光测头完成测量后，系统根据"数据处理线程"提供的左激光测头的测量路径，对第n类曲线段处的截面进行二次测量，并记录测量数据与对应行号，记为左数据；4) 左激光测头完成测量后，系统根据"数据处理线程"提供的右激光测头的测量路径，对第in类曲线段处的截面进行二次测量，并记录测量数据与对应行号，记为右数据；5) 测量完成后，系统以行号为基准，合并主数据、左数据和右数据，并作为最后的测量结果。所述的主激光测头、左激光测头和右激光测头，均为点激光测头，其测量 中心距为80w附，测量范围为士20附m。当被测曲面法线与测头激光束的夹角《3(T 时，可以保持良好的测量精度。当被测曲面法线与测头激光束的夹角245。时， 测量精度显著下降，甚至无法工作。所述的对被测曲面进行等间距逐行扫描，是一个自适应跟踪测量过程，即 主激光测头会根据被测曲面的高度变化，自适应地调整测头高度，使被测曲面 始终在主激光测头的量程范围内。二、 一种基于组合点激光测头的未知自由曲面测量的测头装置主激光测头通过直角接连板，固定在测头基板的下端正前方；左、右激光 测头通过斜角连接板，安装在测头基板的下端正后方；主激光测头竖直放置， 左、右激光测头倾斜放置，且显对称分布，与竖直方向的夹角均为12(T ;测头 基板上有四个安装孔，用于将整个测头装置安装在三坐标测量机的Z轴上。本专利技术具有的有益效果是1) 只需点激光测头，通过一次定位，就能实现倾角在内的复杂自由 曲面的完整测量。2) 三个点激光测头的组合，使测量精度不随自由曲面倾角的增大而变小。3) 装置结构简易，算法简单，易于实现。 附图说明图1是组合点激光测头装置示意图；图2是斜角连接板结构示意图；图3是组合点激光测头测量范围分配示意图；图4是标定块结构示意图；图5是激光束空间方向标定过程示意图；图6是测量系统各坐标系示意图；图7是主激光测头扫描过程及扫描路径示意图；图8是主激光测头扫描数据处理过程示意图；图9是左激光测头扫描过程及扫描路径示意图；图IO是右激光测头扫描过程及扫描路径示意图；图11是测量数据组合过程示意图。图中l.测头基板，2.直角接连板，3.斜角连接板，4.右激光测头，5.右激光 光束，6.主激光测头，7.主激光光束，8.左激光测头，9.左激光光束。具体实施方式设三坐标测量机的机器坐标系为O-JiTZ。本专利技术所使用的组合点激光测头装置结构如图1所示，主激光测头6通过直角接连板2，固定在测头基板1的下端正前方；左、右激光测头8、 4通过斜 角连接板3，安装在测头基板1的下端正后方；主激光测头6竖直放置，左、右 激光测头7、 4倾斜放置，且显对称分布，与竖直方向的夹角均为12(T ;测头基 板1上有四个安装孔，用于将整个测头装置安装在三坐标测量机的Z轴上。所述的斜角连接板3，其结构如图2所示。图2(a)为其结构示意图；图2(b) 为其正视图。从图2(b)可知，斜向板与竖直方向成120。，从而使置于其上的左、 右激光测头8、 4与竖直方向均成12(T。所述的主激光测头6，左、右激光测头8、 4均为点激光测头。本专利技术使用 日本神视ANR1282点激光测头，其测量中心距为80m附(点激光测头下底面到 激光束汇聚焦点的距离)，测量范围为±20附柳。当被测曲面法矢量与测头激光束 的夹角。(T时，测头可以保持良好的测量精本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于组合点激光测头的未知自由曲面测量方法，其特征在于：该方法的步骤为：１）主激光测头根据事先设定的测量边界与采样步长，对被测曲面进行等间距逐行扫描，并记录各个截面的扫描数据及对应行号；２）每完成一个截面的扫描，数据处理线 程开启；该线程首先对截面数据进行去噪音点处理；接着将处理后的数据点拟合成三次ＮＵＲＢＳ曲线；然后根据曲线上，点的外法线与机器坐标系Ｘ轴正方向，所成角度θ的大小，将曲线离散成θ∈［０°，６０°）、θ∈［６０°，１２０°］、θ∈（１２０°，１８０°］的三种曲线段，分别记为第Ⅱ、Ⅰ、Ⅲ类曲线段，并记录它们的位置，同时将形成第Ⅰ类曲线段的测量点记为主数据；最后，根据第Ⅱ类曲线段的分布位置，为左激光测头的二次测量，规划好测量路径；根据第Ⅲ类曲线段的分布位置，为右激光测头的二次测量，规划好测量路径；当前截面数据处理完成后，该线程终止，到主激光测头扫描完下一个截面后，再重新开启；３）主激光测头完成测量后，系统根据“数据处理线程”提供的左激光测头的测量路径，对第Ⅱ类曲线段处的截面进行二次测量，并记录测量数据与对应行号， 记为左数据；４）左激光测头完成测量后，系统根据“数据处理线程”提供的右激光测头的测量路径，对第Ⅲ类曲线段处的截面进行二次测量，并记录测量数据与对应行号，记为右数据；５）测量完成后，系统以行号为基准，合并主数据、左数据和右数据 ，并作为最后的测量结果。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：卢科青，王文，陈子辰，章烨辉，周雄辉，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：86[中国|杭州]
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