專利名稱：基于led環形光的實時半徑補償方法及測頭裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種實時半徑補償方法及測頭裝置，尤其是涉及一種基于LED環形光的實時半徑補償方法及測頭裝置。
背景技術：
便攜式坐標測量機如
圖1所示，通常采用接觸式測頭，例如紅寶石測頭，它具有質硬，球度好，半徑一致性好，與被測面總接觸一點，測量精度比非接觸式測量方式高，廣泛應用于坐標測量領域。如圖2所示，當便攜式坐標測量機沿著被測自由曲面3上的標記線4進行測量時，系統需要獲得的是測球2球心的坐標值，而不是測球2與曲面接觸點的坐標值， 因此需要在測量過程中或測量完成后，對獲得的測量數據進行半徑補償。半徑補償的關鍵技術是確定被測自由曲面上接觸點的法矢方向。在逆向工程中，被測自由曲面的數學模型未知，所以無法用計算偏導數的方式確定測點的法矢方向，只能根據測點與鄰域測點的拓撲關系，構成曲線或微平面，計算法矢方向，近似作為測點的半徑補償方向。目前半徑補償通常有兩種方式事后補償和實時補償。事后補償根據測頭半徑、曲面的性質等計算每個點的補償量，并對曲面進行偏置實現半徑補償，然而對于形狀復雜的自由曲面，通過等距偏置得到等距曲面的難度大。對于實時自動半徑補償，由于測量人員手持便攜式坐標測量機進行測量，測點分布較散亂，沒有明顯的掃描線特征，因而無法直接采用二維補償方法。三維補償方法一般采用微平面法，測量時測頭在測點P的一個小鄰域內，分別采集三個輔助參考點，將這三點組成小平面，其法矢方向近似作為測點P的半徑補償方向。這種方法每測一點，需要測三個輔助點，大大增加了測量工作量和時間，并且半徑補償的精度與所選的輔助參考點有關，同時也受到測量人員工作經驗的影響。
發明內容
本發明的目的是提供一種基于LED環形光的實時半徑補償方法及其測頭裝置。便攜式測量機采用該測頭裝置進行自由曲面測量時，可以實時補償測頭半徑，從而直接獲得自由曲面上測點的三維坐標數據。此方法應用于緩變自由曲面的逆向測量，具有較高的測量精度。本發明可實現便攜式坐標測量機測量過程中的測量數據實時半徑補償，處理后的數據可直接導入CAD/CAM系統，完成后續的模型重建和數字化加工。本發明解決其技術問題所采用的技術方案是一、一種基于LED環形光的實時半徑補償方法該實時半徑補償方法是將接觸式測頭測球附近的被測自由曲面近似為微平面，用 LED環形光投射到微平面上形成橢圓的投影線，并由CCD攝像機捕捉橢圓的投影線，然后根據橢圓長軸、短軸與測頭坐標系χ、y軸的夾角和長軸、短軸長度比值，計算得到微平面的單位法矢，取其外法線方向，最后利用該單位法矢的外法線方向對接觸式測頭進行實時半徑補償。
所述的對接觸式測頭獲得數據進行實時半徑補償的方法當接觸式測頭接觸被測自由曲面后，獲得一個測點，記為P，該測點值為測頭球心坐標值；將接觸式測頭測球附近的被測曲面上近似為微平面，用LED環形光投射到微平面上形成橢圓的投影線；CXD攝像機圖像坐標系與接觸式測頭坐標系，經過坐標變換后重合，CCD攝像機捕捉橢圓的投影線，計算圖像像素點數，得到長軸和短軸長度分別為OA'和 OB'，根據式(1)計算單位法矢η與Z軸的夾角爐；
權利要求
1.一種基于LED環形光的實時半徑補償方法，其特征在于該實時半徑補償方法是將接觸式測頭測球附近的被測自由曲面近似為微平面，用LED環形光投射到微平面上形成橢圓的投影線，并由CCD攝像機捕捉橢圓的投影線，然后根據橢圓長軸、短軸與測頭坐標系χ、 y軸的夾角和長軸、短軸長度比值，計算得到微平面的單位法矢，取其外法線方向，最后利用該單位法矢的外法線方向對接觸式測頭進行實時半徑補償。
2.根據權利要求1所述的一種基于LED環形光的實時半徑補償方法，其特征在于，所述的對接觸式測頭獲得數據進行實時半徑補償的方法當接觸式測頭接觸被測自由曲面后，獲得一個測點，記為P，該測點值為測頭球心坐標值；將接觸式測頭測球附近的被測曲面上近似為微平面，用LED環形光投射到微平面上形成橢圓的投影線；C⑶攝像機圖像坐標系與接觸式測頭坐標系，經過坐標變換后重合，CXD 攝像機捕捉橢圓的投影線，計算圖像像素點數，得到長軸和短軸長度分別為OA'和OB'， 根據式(1)計算單位法矢η與Z軸的夾角爐；(p = arccos(OB'/OA')(1)過A'作垂直于坐標系χ軸的垂線得交點C'，計算圖像像素點數，得到OA'和OC'的長度，得到OA'和OC'的長度，根據式( 計算橢圓投影線長軸OA'與坐標系χ軸的角度值θθ = arcsin(0C' /OA' ) (2)根據已求得的θ、￠)，計算微平面的單位法矢n，即為 (sin φ · cos θ, sin φ · sin θ, cos φ)；根據式( ，結合求得的單位法矢η對接觸式測頭獲得的數據點P進半徑補償，得到補償后的數據點PMal。Preal = Ρ-Π · Γ (3)
3.根據權利要求1所述方法的一種基于LED環形光的實時半徑補償測頭裝置，其特征在于在保護套筒(5)下端的中心孔中，裝有外套有機玻璃環(16)的測針座(15)，測針座 (15)下端裝有測針(8)，LED發射器(1 上端同軸安裝在套筒蓋(1 下端面，LED發射器(13)下端安裝在環形的聚集反光鏡(14)孔中，套筒蓋(1 上端面同軸安裝有測座定位桿 (10)，環形支架(6)與保護套筒(5)螺紋連接，環形支架(6) —側向下的延伸臂上安裝CCD 攝像機(7)，CCD攝像機(7)朝向測針⑶；LED發射器(13)發射的光線(17)經聚集反光鏡(14)聚光后，經有機玻璃環(16)和通光孔(9)投射到被測自由曲面(3)，反射至C⑶攝像機(7)。
全文摘要
本發明公開了一種基于LED環形光的實時半徑補償方法及測頭裝置。是將接觸式測頭測球附近的被測自由曲面近似為微平面，用LED環形光投射到微平面上形成橢圓的投影線，并由CCD攝像機捕捉橢圓的投影線，然后根據橢圓長軸、短軸與測頭坐標系x、y軸的夾角和長軸、短軸長度比值，計算得到微平面的單位法矢，取其外法線方向，最后利用該單位法矢的外法線方向對接觸式測頭進行實時半徑補償。該測頭裝置包括接觸式測針、測針座、LED發射器、聚集反射鏡、CCD攝像機、有機玻璃環、環形支架及其它附件。該方法簡單，可以實現接觸式測量數據的實時半徑補償；裝置結構簡單，易于實現。該裝置應用于便攜式坐標測量機，對緩變自由曲面的逆向測量效果良好。
文檔編號G01B11/00GK102322794SQ201110122570
公開日2012年1月18日 申請日期2011年5月12日 優先權日2011年5月12日
發明者盧科青, 吳堯鋒, 王文, 陳子辰 申請人:浙江大學