专利名称：：基于三点微平面式法向检测方法
技术领域：
：本发明涉及测量领域中的一种法向检测技术，具体是一种基于三点微平面法的、采用非接触式测量的曲面法向测量方法的设计及相关参数标定方法。
背景技术：
：在工业生产中，测量技术发挥着举足轻重的作用，随着技术的进步，特别是激光技术、传感器技术的发展，测量手段更加多样化和先进化，同时生产过程中要求的被测对象也越来越多，很多时候需要测量某一曲面上的法向量，如在飞机制造过程中的钻铆技术，就要求钻铆机的加工轴线和飞机蒙皮上待加工点处的法矢量重合；目前国内关于这方面的技术与文献比较少，因此提出曲面法向测量，并设计一种测量方法及相关参数标定方法，在工业生产中的测量领域具有重要的价值意义。
发明内容本发明的目的在于提供一种曲面法向测量及相关参数的标定方法。本发明利用了激光传感器技术及数据采集技术并基于三点微平面法的设计思想，可以准确、快速、方便地进行曲面法向的测量。本发明通过以下技术方案实现，实施步骤如下1)建立模型将3个激光位移传感器环形均布于三坐标测量机的头部，传感器的空间姿态能使激光成锥形射在曲面上，根据精度要求调整锥度来控制3个激光点所形成的微平面大小；2)建立空间坐标系首先，用三坐标测量机建立一个世界坐标系1；然后选用三坐标测量机末端关节坐标系作为中间转换坐标系2；另外在每个激光位移传感器上建立一个以激光线射出方向为ζ轴负向、以激光位移传感器工作参考点为坐标原点的局部坐标系3；3)采集数据利用数据采集卡和LabVIEW软件采集激光位移传感器电压信号并转换为位移值Li;4)计算激光点的坐标利用激光位移传感器测得的位移即可知道激光点在局部坐标系3下的坐标(0，0，Wi)，Wi=-Li,根据欧拉坐标转换公式，分别求得3个激光点在坐标系1下的坐标，坐标转换公式如下㈧、Pi=W0vlyRi=WTii=1,2,3权利要求一种基于三点微平面法向检测方法，其特征在于按如下步骤进行1)建立模型将3个激光位移传感器环形均布于三坐标测量机的头部，传感器的空间姿态能使激光成锥形射在曲面上，根据精度要求调整锥度来控制3个激光点所形成的微平面大小；2)建立空间坐标系首先，用三坐标测量机建立一个世界坐标系1；然后选用三坐标测量机末端关节坐标系作为中间转换坐标系2；另外在每个激光位移传感器上建立一个以激光线射出方向为z轴负向、以激光位移传感器工作参考点为坐标原点的局部坐标系3；3)采集数据利用数据采集卡和LabVIEW软件采集激光位移传感器电压信号并转换为位移值Li；4)计算激光点的坐标利用激光位移传感器测得的位移即可知道激光点在局部坐标系3下的坐标(0，0，wi)，wi＝Li，根据欧拉坐标转换公式，分别求得3个激光点在坐标系1下的坐标，坐标转换公式如下<mrow><msub><mi>P</mi><mi>i</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>R</mi><mn>0</mn></msub><mo>*</mo><msub><mi>R</mi><mi>i</mi></msub><mo>*</mo><mfencedopen='('close=')'><mtable><mtr><mtd><mn>0</mn></mtd></mtr><mtr><mtd><mn>0</mn></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>w</mi><mi>i</mi></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><mn>1</mn></mtd></mtr></mtable></mfenced></mrow>i＝1，2，3<mrow><msub><mi>R</mi><mi>i</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>R</mi><mrow><mi>z</mi><mn>1</mn></mrow></msub><mo>*</mo><msub><mi>R</mi><mrow><mi>x</mi><mn>2</mn></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>T</mi><mi>i</mi></msub></mrow><mrow><mo>=</mo><mfencedopen='['close=']'><mtable><mtr><mtd><mn>1</mn></mtd><mtd><mn>0</mn></mtd><mtd><mn>0</mn></mtd><mtd><mn>0</mn></mtd></mtr><mtr><mtd><mn>0</mn></mtd><mtd><mi>cos</mi><mrow><mo>(</mo><msub><mi>r</mi><mrow><mi>z</mi><mn>1</mn></mrow></msub><mo>)</mo></mrow></mtd><mtd><mrow><mi>sin</mi><mrow><mo>(</mo><msub><mi>r</mi><mrow><mi>z</mi><mn>1</mn></mrow></msub><mo>)</mo></mrow></mrow></mtd><mtd><mn>0</mn></mtd></mtr><mtr><mtd><mn>0</mn></mtd><mtd><mo>-</mo><mi>sin</mi><mrow><mo>(</mo><msub><mi>r</mi><mrow><mi>z</mi><mn>1</mn></mrow></msub><mo>)</mo></mrow></mtd><mtd><mi>cos</mi><mrow><mo>(</mo><msub><mi>r</mi><mrow><mi>z</mi><mn>1</mn></mrow></msub><mo>)</mo></mrow></mtd><mtd><mn>0</mn></mtd></mtr><mtr><mtd><mn>0</mn></mtd><mtd><mn>0</mn></mtd><mtd><mn>0</mn></mtd><mtd><mn>1</mn></mtd></mtr></mtable></mfenced><mo>*</mo><mfencedopen='['close=']'><mtable><mtr><mtd><mi>cos</mi><mrow><mo>(</mo><msub><mi>r</mi><mrow><mi>x</mi><mn>2</mn></mrow></msub><mo>)</mo></mrow></mtd><mtd><mi>sin</mi><mrow><mo>(</mo><msub><mi>r</mi><mrow><mi>x</mi><mn>2</mn></mrow></msub><mo>)</mo></mrow></mtd><mtd><mn>0</mn></mtd><mtd><mn>0</mn></mtd></mtr><mtr><mtd><mo>-</mo><mi>sin</mi><mrow><mo>(</mo><msub><mi>r</mi><mrow><mi>x</mi><mn>2</mn></mrow></msub><mo>)</mo></mrow></mtd><mtd><mi>cos</mi><mrow><mo>(</mo><msub><mi>r</mi><mrow><mi>x</mi><mn>2</mn></mrow></msub><mo>)</mo></mrow></mtd><mtd><mn>0</mn></mtd><mtd><mn>0</mn></mtd></mtr><mtr><mtd><mn>0</mn></mtd><mtd><mn>0</mn></mtd><mtd><mn>1</mn></mtd><mtd><mn>0</mn></mtd></mtr><mtr><mtd><mn>0</mn></mtd><mtd><mn>0</mn></mtd><mtd><mn>0</mn></mtd><mtd><mn>1</mn></mtd></mtr></mtable></mfenced><mo>+</mo><mfencedopen='['close=']'><mtable><mtr><mtd><mn>0</mn></mtd><mtd><mn>0</mn></mtd><mtd><mn>0</mn></mtd><mtd><msub><mi>a</mi><mi>i</mi></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><mn>0</mn></mtd><mtd><mn>0</mn></mtd><mtd><mn>0</mn></mtd><mtd><msub><mi>b</mi><mi>i</mi></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><mn>0</mn></mtd><mtd><mn>0</mn></mtd><mtd><mn>0</mn></mtd><mtd><msub><mi>c</mi><mi>i</mi></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><mn>0</mn></mtd><mtd><mn>0</mn></mtd><mtd><mn>0</mn></mtd><mtd><mn>0</mn></mtd></mtr></mtable></mfenced></mrow>式中Pi表示激光点的坐标；R0是三坐标测量机末端位姿，从三坐标测量机软件中获取；Ri是局部坐标系3相对于中间转换坐标系2的齐次变换矩阵，其中rz1，rx2分别是坐标系3绕坐标系2的z轴，x轴旋转角度，(ai，bi，ci)是坐标系3对坐标系2的平移向量，在对rz1、rx2、(ai，bi，ci)进行标定；5)计算法向量用步骤4)求得的3个激光点坐标可以解出3个向量，再将其中任意2个向量叉乘即可得三点微平面法向量，公式如下<mrow><mover><mrow><msub><mi>P</mi><mn>2</mn></msub><msub><mi>P</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mo>&RightArrow;</mo></mover><mo>=</mo><mrow><mo>(</mo><msub><mi>P</mi><mrow><mi>x</mi><mn>1</mn></mrow></msub><mo>-</mo><msub><mi>P</mi><mrow><mi>x</mi><mn>2</mn></mrow></msub><mo>,</mo><msub><mi>P</mi><mrow><mi>y</mi><mn>1</mn></mrow></msub><mo>-</mo><msub><mi>P</mi><mrow><mi>y</mi><mn>2</mn></mrow></msub><mo>,</mo><msub><mi>P</mi><mrow><mi>z</mi><mn>1</mn></mrow></msub><mo>-</mo><msub><mi>P</mi><mrow><mi>z</mi><mn>2</mn></mrow></msub><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mover><mrow><msub><mi>P</mi><mn>2</mn></msub><msub><mi>P</mi><mn>3</mn></msub></mrow><mo>&RightArrow;</mo></mover><mo>=</mo><mrow><mo>(</mo><msub><mi>P</mi><mrow><mi>x</mi><mn>3</mn></mrow></msub><mo>-</mo><msub><mi>P</mi><mrow><mi>x</mi><mn>2</mn></mrow></msub><mo>,</mo><msub><mi>P</mi><mrow><mi>y</mi><mn>3</mn></mrow></msub><mo>-</mo><msub><mi>P</mi><mrow><mi>y</mi><mn>2</mn></mrow></msub><mo>,</mo><msub><mi>P</mi><mrow><mi>z</mi><mn>3</mn></mrow></msub><mo>-</mo><msub><mi>P</mi><mrow><mi>z</mi><mn>2</mn></mrow></msub><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mover><mi>N</mi><mo>&RightArrow;</mo></mover><mo>=</mo><mover><mrow><msub><mi>P</mi><mn>2</mn></msub><msub><mi>P</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mo>&RightArrow;</mo></mover><mo>&times;</mo><mover><mrow><msub><mi>P</mi><mn>2</mn></msub><msub><mi>P</mi><mn>3</mn></msub></mrow><mo>&RightArrow;</mo></mover></mrow>计算得到的法向量应用于法向误差校正、法向姿态调整、法向检测。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的激光位移传感器姿态参数标定方法实施步骤如下1)按照(1)中步骤1)将激光位移传感器安装于三维坐标测量机头部并建立如下测量空间按照(1)中步骤2)使用三坐标测量机建立一个世界坐标系1和建立一个中间转换坐标系2，然后在世界坐标系1中用标准球拟定一个球面方程(X-a)2+(y-b)2+(z-C)2=r2，其中，(a，b，c)表示球心坐标，r表示球半径，球心坐标用三坐标测量机标定，球半径已知；2)以其中一个传感器操作三坐标测量机在球面上均勻采集30个测点，得到30个位移值；3)将测得的位移值代入球面方程应用fminsearch最小优化方法求解各参数值；4)重复步骤2)、步骤3)求解另外2个传感器的姿态参数。全文摘要本发明公开了一种基于三点微平面法向检测方法，基于微分几何思想——微平面近似代替微曲面法，并应用激光位移传感器技术及数据采集技术，通过一定的算法可以测得曲面上待测点的法向量。相关参数的标定方法是首先建立一个测量空间，然后在该空间中拟定一球面并建立球面方程，将传感器安装好后在球面上采集若干数据点，这些数据点必然满足该球面方程，从而可得出若干个含参数的方程，再应用fminsearch最小优化方法求解方程组，便可解出各参数。本发明不仅能够进行非接触式测量，而且测量精度高、测量方便、快捷，可应用于法向误差校正、法向姿态调整、法向检测等测量领域。文档编号G01B11/00GK101957175SQ201010281290公开日2011年1月26日申请日期2010年9月14日优先权日2010年9月14日发明者刘志刚,张欢,陶龙申请人:西安交通大学;西安瑞特快速制造工程研究有限公司