一种复杂多面体三维轮廓自动测量方法技术

本发明专利技术涉及测量技术领域，具体公开了一种复杂多面体三维轮廓自动测量方法，首先搭建测量系统，接着利用标准球进行所述电动B转台和所述电动C转台在笛卡尔坐标系中的位置标定；再通过所述装夹模具分别与所述复杂多面体和笛卡尔坐标系之间的刚体变换关系以及预知的复杂多面体面型方程，设计复杂多面体的测量路径；依据所述测量路径，对复杂多面体进行测量，得到复杂多面体上待测点的实测对应坐标；最后根据所述实测对应坐标评价测量结果，根据上述过程，可以完整、高效、高精度且自动化的完成多面体的三维轮廓测量并进行全面的评价。面体的三维轮廓测量并进行全面的评价。面体的三维轮廓测量并进行全面的评价。

【技术实现步骤摘要】
一种复杂多面体三维轮廓自动测量方法


[0001]本专利技术涉及测量
，尤其涉及一种复杂多面体三维轮廓自动测量方法。

技术介绍

[0002]在航空航天、机械加工、逆向工程、生物医疗等领域中涉及大量的复杂多面体的三维轮廓测量与评价需求。复杂多面体通常为非回转非对称体、且不同待测面之间存在面型突变，因此难以通过单次测量获取全部待测面的三维轮廓，需要调整装夹姿态并进行数据拼接。此外，复杂多面体需要不断调整摆放姿态，难以进行自动化测量。
[0003]为实现复杂多面体的自动化测量，现有方法主要有两种：(1)根据复杂多面体各个面的位置重新装夹复杂多面体，分多次测量不同待测面以及待测面周围部分点云。在获取各个面的三维轮廓之后，通过数据匹配的方式，将不同待测面的三维轮廓拼合在一起，得到整个多面体的三维轮廓以及各个待测面之间的相对位置。这种测量方法需要人工更改待测件的位姿，测量耗时较长并且无法进行自动化测量，对操作人员也提出了一定的要求。同时，不同待测面三维轮廓的拼接依赖于复杂多面体的表面特征，容易引入加大的拼接误差，测量精度无法得到保证；(2)架设多个角度的测量仪器，同时对复杂多面体的多个部位进行测量，通过前期标定确保多个测量仪器的坐标系统一，确保测量精度。这种测量方法需要多个测量仪器，需要根据不同的复杂多面体调整系统结构，并且很难保证复杂多面体位于所有测量仪器的量程范围内，造成了严重的精度损失和资源浪费。
[0004]在复杂多面体的测量数据分析方面，对于单个待测面的测量结果评价，有诸如曲面拟合、模型匹配等多种方式；而对于多个待测面之间相对关系的评价，通常采用的方法是将各待测面简化为平面，得到平面中心、法向矢量等信息，再使用上述信息描述各待测面之间的相对关系。这种方法的缺点是损失了各待测面自身的诸多信息，如曲率变化等，评价结果并不能完全反映测量结果和复杂多面体的整体特征。
[0005]因此可得在现有的测量方法对于复杂多面体的三维轮廓测量存在轮廓测量不完整、测量效率低、测量精度差等问题，更无法实现自动化测量；对于复杂多面体的测量结果的评价存在损失信息等问题。

技术实现思路

[0006]本专利技术实施例提供一种复杂多面体三维轮廓自动测量方法，能够有效解决现有技术中对于复杂多面体三维轮廓测量不完整、效率低、精度差以及对于多面体的测量结果评价存在缺失信息等问题。
[0007]第一方面，本专利技术实施例提供了一种复杂多面体三维轮廓自动测量方法，包括，
[0008]S1、搭建测量系统：所述测量系统包括大理石平台、大理石龙门架、X轴电动直线导轨、Y轴电动直线导轨、Z轴电动直线导轨，电动C转台、电动B转台、装夹模具、高精度传感器和标准球；
[0009]其中，所述大理石龙门架安装在所述大理石平台上，所述Z轴电动直线导轨固定于
所述大理石龙门架上，所述电动B转台固定在所述Z轴电动直线导轨上，所述高精度传感器固定于所述电动B转台上；
[0010]所述装夹模具固定于所述电动C转台上，用于放置复杂多面体和所述标准球，所述电动C转台固定在所述Y轴电动直线导轨上，所述Y轴电动直线导轨固定在X轴电动直线导轨上，所述X轴电动直线导轨安装在所述大理石平台上；
[0011]S2、利用标准球进行所述电动B转台和所述电动C转台在笛卡尔坐标系中的位置标定；
[0012]S3、通过所述装夹模具分别与所述复杂多面体和笛卡尔坐标系之间的刚体变换关系以及预知的复杂多面体面型方程，设计复杂多面体的测量路径；
[0013]S4、依据所述测量路径，对复杂多面体进行测量，得到复杂多面体上待测点的实测对应坐标；
[0014]S5、根据所述实测对应坐标评价测量结果。
[0015]可选的，所述利用标准球进行所述电动B转台和所述电动C转台在笛卡尔坐标系中的位置标定，包括：
[0016]标定所述电动C转台包括：
[0017]通过运动控制装置，控制所述X轴电动直线导轨、所述Y轴电动直线导轨、所述Z轴电动直线导轨以及所述电动C转台进行运动，控制所述电动B转台保持不动；
[0018]将预置的标准球放置在所述电动C转台上，利用所述高精度传感器对所述标准球上的多个测量点进行测量，得到多个所述测量点的运动距离
[0019]获取所述电动C转台的转动角度θ
α
；
[0020]采用最优化搜索算法，利用第一目标函数计算在所述电动C转台中轴上的每个所述测量点的笛卡尔坐标系坐标(x
C
，y
C
，z
C
)和方向(v
Cx
，v
Cy
，v
cz
)，其第一目标函数为：
[0021][0022][0023]其中，所述RTC为空间中绕C转台中轴旋转的旋转平移矩阵，R为标准球半径，为标准球球心的笛卡尔坐标系坐标，α指代第α个测量点。
[0024]可选的，所述利用标准球进行所述电动B转台和所述电动C转台在笛卡尔坐标系中的位置标定，还包括：
[0025]标定所述电动B转台包括；
[0026]通过运动控制装置，控制所述X轴电动直线导轨、所述Y轴电动直线导轨、所述Z轴电动直线导轨以及所述电动B转台进行运动，控制所述电动C转台保持不动；
[0027]将预置的标准球放置在所述电动C转台上，利用所述高精度传感器对所述标准球
上的多个测量点进行测量，得到多个所述测量点的运动距离
[0028]获取所述电动C转台的转动角度θ
β
；
[0029]采用最优化搜索算法，利用第二目标函数计算在所述电动B转台中轴上的每个所述测量点的笛卡尔坐标系坐标(x
B
，y
B
，z
B
)和方向(v
Bx
，v
By，
v
Bz
)，其第二目标函数为：
[0030][0031][0032]其中，所述RTB为空间中绕B转台中轴旋转的旋转平移矩阵，R为标准球半径，为标准球球心的笛卡尔坐标系坐标，β指代第β个测量点。
[0033]可选的，所述通过所述装夹模具分别与复杂多面体和笛卡尔坐标系之间的刚体变换关系以及预知的复杂多面体面型方程，设计复杂多面体的测量路径，包括：
[0034]利用所述装夹模具分别与所述复杂多面体和笛卡尔坐标系之间的刚体变换关系，以及所述复杂多面体面型方程，得到所述复杂多面体表面待测点的模型对应坐标，其中，模型对应坐标为待测点在笛卡尔坐标系的理想坐标；
[0035]根据所述复杂多面体面型方程计算待测点处的法向矢量方向；
[0036]利用所述表面待测点的模型对应坐标和所述法向矢量方向，得到所述复杂多面体的测量路径。
[0037]可选的，所述依据所述测量路径，对复杂多面体进行测量，得到复杂多面体上待测点的实测对应坐标，包括：
[0038]通过运动控制装置，控制每个电动直线导轨和每个电动转台运动，其中本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种复杂多面体三维轮廓自动测量方法，其特征在于，包括，S1、搭建测量系统：所述测量系统包括大理石平台、大理石龙门架、X轴电动直线导轨、Y轴电动直线导轨、Z轴电动直线导轨，电动C转台、电动B转台、装夹模具、高精度传感器和标准球；其中，所述大理石龙门架安装在所述大理石平台上，所述Z轴电动直线导轨固定于所述大理石龙门架上，所述电动B转台固定在所述Z轴电动直线导轨上，所述高精度传感器固定于所述电动B转台上；所述装夹模具固定于所述电动C转台上，用于放置复杂多面体和所述标准球，所述电动C转台固定在所述Y轴电动直线导轨上，所述Y轴电动直线导轨固定在X轴电动直线导轨上，所述X轴电动直线导轨安装在所述大理石平台上；S2、利用标准球进行所述电动B转台和所述电动C转台在笛卡尔坐标系中的位置标定；S3、通过所述装夹模具分别与所述复杂多面体和笛卡尔坐标系之间的刚体变换关系以及预知的复杂多面体面型方程，设计复杂多面体的测量路径；S4、依据所述测量路径，对复杂多面体进行测量，得到复杂多面体上待测点的实测对应坐标；S5、根据所述实测对应坐标评价测量结果。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述利用标准球进行所述电动B转台和所述电动C转台在笛卡尔坐标系中的位置标定，包括：标定所述电动C转台包括：通过运动控制装置，控制所述X轴电动直线导轨、所述Y轴电动直线导轨、所述Z轴电动直线导轨以及所述电动C转台进行运动，控制所述电动B转台保持不动；将预置的标准球放置在所述电动C转台上，利用所述高精度传感器对所述标准球上的多个测量点进行测量，得到多个所述测量点的运动距离获取所述电动C转台的转动角度θ
α
；采用最优化搜索算法，利用第一目标函数计算在所述电动C转台中轴上的每个所述测量点的笛卡尔坐标系坐标(x
C
，y
C
，z
C
)和方向(v
Cx
，v
Cy
，v
Cz
)，其第一目标函数为：)，其第一目标函数为：其中，所述RTC为空间中绕C转台中轴旋转的旋转平移矩阵，R为标准球半径，为标准球球心的笛卡尔坐标系坐标，α指代第α个测量点。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述利用标准球进行所述电动B转台和所
述电动C转台在笛卡尔坐标系中的位置标定，还包括：标定所述电动B转台包括；通过运动控制装置，控制所述X轴电动直线导轨、所述Y轴电动直线导轨、所述Z轴电动直线导轨以及所述电动B转台进行运动，控制所述电动C转台保持不动；将预置的标准球放置在所述电动C转台上，利用所述高精度传感器对所述标准球上的多个测量点进行测量，得到多个所述测量点的运动距离获取所述电动C转台的转动角度θ
β
；采用最优化搜索算法，利用第二目标函数计算在所述电动B转台中轴上的每个所述测量点的笛卡尔坐标系坐标(x
B
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B
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B
)和方向(v
Bx
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Bz
)，其第二目标函数为：)，其第二目标函数为：其中，所述RTB为空间中绕B转台中轴旋转的旋转平移矩阵，R为标准球半径，为标准球球心的笛卡尔坐标系坐标，β指代第β个测量点。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通过所述装夹模具分别与所述复杂多面体和笛卡尔坐标系之间的刚体变换关系以及预知的复杂多面体面型方程，设计复杂多面体的测量路径，包括：利用所述装夹模具分别与所述复杂多面体和笛卡尔坐标系之间的刚体变换关系，以及所述复杂多面体面型方程，得到所述复杂多面体表面待测点的模型对应坐标，其中，模型对应坐标为待测点在笛卡尔坐标系的理想坐标；根据所述复杂多面体面型方程计算待测点处的法向矢量方向；利用所述表面待测点的模型对应坐标和所述法向矢量方向，得到所述复杂多面体的测量路径。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述依据所述测量路径，对复杂多面体进行测量，得到复杂多面体上待测点的实测对应坐标，包括：通过运动控制装置，控制每个电动直线导轨和每个电动转台运动，其中，所述电动直线导轨包括X轴电动直线导轨、Y轴电动直线导轨和Z轴电动直线导轨，电动转台包括电动C转台和电动B转台；利用所述高精度传感器沿所述测量路径，对所述复杂多面体进行测量，得到所述复杂多面体上每个所述待测点的运动距离；获取每个所述电动转台的旋转角度信息和每...

【专利技术属性】
技术研发人员：张效栋，肖仕彬，朱琳琳，程威盛，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：