本發(fā)明屬于測(cè)量，具體涉及一種基于組合接力法的大型復(fù)雜曲面零件的測(cè)量方法，以及實(shí)現(xiàn)該測(cè)量方法的數(shù)據(jù)處理模塊和大型復(fù)雜曲面零件的測(cè)量系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、航空、航天、通訊等領(lǐng)域?qū)Ω呔鹊拇笮颓娼Y(jié)構(gòu)件具有廣泛的需求，例如，大型飛機(jī)的機(jī)翼、機(jī)身、雷達(dá)等部件對(duì)結(jié)構(gòu)件的復(fù)雜曲面精度要求非常高，如果產(chǎn)品精度無(wú)法滿足要求，將可能會(huì)直接影響到飛機(jī)的性能和安全。為了保障大型復(fù)雜曲面零件的精度，技術(shù)人員需要對(duì)加工出的零件進(jìn)行多點(diǎn)曲面測(cè)量。

2、測(cè)量結(jié)構(gòu)件曲面精度的方法有很多，傳統(tǒng)的測(cè)量技術(shù)主要包括接觸式測(cè)量和光學(xué)測(cè)量?jī)煞N。接觸式測(cè)量是將測(cè)量元件沿被測(cè)物表面進(jìn)行移動(dòng)，進(jìn)而結(jié)合移動(dòng)軌跡測(cè)量出被測(cè)物精細(xì)的輪廓。而光學(xué)測(cè)量則是不斷掃描被測(cè)物表面一系列點(diǎn)，進(jìn)而得到表征被測(cè)物輪廓的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。以上兩種傳統(tǒng)的測(cè)量技術(shù)能夠勝任大部分小型曲面結(jié)構(gòu)件的曲面測(cè)量任務(wù)，但二者在處理大型曲面時(shí)常常面臨著諸多限制。例如，接觸式測(cè)量可能因?yàn)榍娴牟灰?guī)則性而無(wú)法實(shí)現(xiàn)全面覆蓋，導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集不完整；而光學(xué)測(cè)量則可能因?yàn)榍娴姆瓷涮匦曰驕y(cè)量距離的限制而影響精度。

3、三維掃描儀是一種典型的用于獲取被測(cè)物外觀點(diǎn)云數(shù)據(jù)的光學(xué)測(cè)量?jī)x器，該設(shè)備在通常只能針對(duì)小型曲面零件進(jìn)行快速測(cè)量，如果需要對(duì)大型復(fù)雜曲面零件進(jìn)行曲面測(cè)量，則需要對(duì)三維掃描儀進(jìn)行轉(zhuǎn)站操作，然后在不同位置對(duì)大型復(fù)雜曲面零件進(jìn)行分區(qū)掃描，最后對(duì)不同分區(qū)的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行整合。這種測(cè)量策略雖然在一定程度上可以實(shí)現(xiàn)大型曲面結(jié)構(gòu)件的全方位掃描，但是測(cè)量過(guò)程的頻繁轉(zhuǎn)站不僅會(huì)降低測(cè)量效率，還會(huì)使得三維掃描儀生成的測(cè)量數(shù)據(jù)積累大量的誤差，進(jìn)而導(dǎo)致最終測(cè)量結(jié)果的精度大大降低。

4、隨著工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，產(chǎn)業(yè)界對(duì)于大型曲面的精確測(cè)量需求日益增長(zhǎng)，對(duì)大型復(fù)雜曲面零件的精度要求也在不斷提高，傳統(tǒng)的測(cè)量方法已經(jīng)難以滿足高精度、高效率的需求。如何開(kāi)發(fā)一種能夠適應(yīng)大型復(fù)雜曲面零件特性，并實(shí)現(xiàn)對(duì)曲面結(jié)構(gòu)件進(jìn)行高精度、高效率測(cè)量的方案，正成為本領(lǐng)域技術(shù)人員亟待解決的技術(shù)難題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了解決現(xiàn)有技術(shù)缺乏能夠?qū)Υ笮蛷?fù)雜曲面零件進(jìn)行精準(zhǔn)、高效測(cè)量的解決方案的問(wèn)題，本發(fā)明提供一種基于組合接力法的大型復(fù)雜曲面零件的測(cè)量方法，以及實(shí)現(xiàn)該測(cè)量方法的數(shù)據(jù)處理模塊和大型復(fù)雜曲面零件的測(cè)量系統(tǒng)。

2、本發(fā)明提供的技術(shù)方案如下：

3、一種基于組合接力法的大型復(fù)雜曲面零件的測(cè)量方法，其利用三維掃描儀和激光跟蹤儀并采用組合接力法實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜大型曲面零件的整體點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。

4、該測(cè)量方法包括如下步驟：

5、s1：固定激光跟蹤儀和待測(cè)的大型復(fù)雜曲面零件的空間位置，并將一個(gè)移動(dòng)式多自由度機(jī)械臂安裝在二者之間；然后將三維掃描儀安裝在移動(dòng)式多自由度機(jī)械臂的端部，并在三維掃描儀的基座上布置若干個(gè)球面反射鏡。其中，激光跟蹤儀通過(guò)跟蹤移動(dòng)式多自由度機(jī)械臂的基座上的球面反射鏡測(cè)量出三維掃描儀的相對(duì)位置。

6、s2：利用激光跟蹤儀測(cè)量三維掃描儀上布置的球面反射鏡的空間位置，將其記為三維掃描儀的初始位置。

7、s3：在待測(cè)的大型復(fù)雜曲面零件上布置多個(gè)球面反射鏡并將其作為公共參考點(diǎn)；利用激光跟蹤儀和三維掃描儀同時(shí)測(cè)量公共參考點(diǎn)的位置信息。其中，安裝在移動(dòng)式多自由度機(jī)械臂上的三維掃描儀避開(kāi)激光跟蹤儀檢測(cè)公共參考點(diǎn)的光路。

8、s4：利用共同點(diǎn)優(yōu)化法根據(jù)三維掃描儀和激光跟蹤儀測(cè)得的公共參考點(diǎn)的位置信息計(jì)算出二者之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣h。坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣h用于以激光跟蹤儀的測(cè)量結(jié)果為標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算出三維掃描儀的掃描檢測(cè)結(jié)果的校正值

9、s5：通過(guò)移動(dòng)式多自由度機(jī)械臂移動(dòng)三維掃描儀，對(duì)待測(cè)的大型復(fù)雜曲面零件進(jìn)行分區(qū)掃描；并通過(guò)激光跟蹤儀測(cè)量三維掃描儀每次移動(dòng)后的新位置；

10、s6：記錄三維掃描儀采集到的每個(gè)分區(qū)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并根據(jù)激光跟蹤儀測(cè)量到的三維掃描儀的初始位置和新位置；結(jié)合坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣h，接力計(jì)算出每個(gè)分區(qū)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)以及對(duì)應(yīng)的基準(zhǔn)偏移δl：

11、

12、其中，(xik,yik,zik)表示第k次轉(zhuǎn)站前三維掃描儀測(cè)得的公共點(diǎn)的坐標(biāo)；(xjk,yjk,zjk)表示第k次轉(zhuǎn)站后三維掃描儀測(cè)得的公共點(diǎn)的坐標(biāo)；表示三維掃描儀的基準(zhǔn)坐標(biāo)。

13、s7：結(jié)合三維掃描儀與激光跟蹤儀的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣h、每個(gè)分區(qū)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)以及對(duì)應(yīng)的基準(zhǔn)偏移δl，生成待測(cè)的大型復(fù)雜曲面零件的整體點(diǎn)云數(shù)據(jù)。過(guò)程如下：

14、s71：結(jié)合基準(zhǔn)偏移δl調(diào)整每個(gè)分區(qū)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)的坐標(biāo)值，以確保所有數(shù)據(jù)點(diǎn)的坐標(biāo)參考同一基準(zhǔn)。

15、s72：將統(tǒng)一基準(zhǔn)后的各個(gè)分區(qū)中的點(diǎn)云數(shù)據(jù)合并為一個(gè)完整的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，確保各個(gè)分區(qū)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)正確對(duì)齊，避免重疊或錯(cuò)位。

16、s73：使用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣h，將上步驟合并后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)從三維掃描儀的本地坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到激光跟蹤儀的全局坐標(biāo)系，得到整體點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

17、s8：在大型復(fù)雜曲面零件中包含的三維掃描儀無(wú)法掃描的特殊區(qū)域放置球面反射鏡，由激光跟蹤儀進(jìn)行直接測(cè)量，并將測(cè)量結(jié)果補(bǔ)充到整體點(diǎn)云數(shù)據(jù)中。其中，安裝在移動(dòng)式多自由度機(jī)械臂上的三維掃描儀避開(kāi)激光跟蹤儀的檢測(cè)光路。

18、作為本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)，步驟s3中，公共參考點(diǎn)的數(shù)量不少于3個(gè)。

19、作為本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)，步驟s4中，坐標(biāo)變換矩陣h的格式如下：

20、

21、上式中，r3×3(αβγ)表示坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣；α，β，γ為空間中的點(diǎn)在x，y，z軸上的旋轉(zhuǎn)角；t3×1(tx?ty?tz)表示每個(gè)點(diǎn)的平移向量，tx、ty和tz分別是空間中的點(diǎn)相對(duì)于原點(diǎn)在x，y，z軸上的平移量。

22、作為本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)，旋轉(zhuǎn)矩陣r3×3(αβγ)滿足下式：

23、

24、作為本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)，校正值滿足如下的表達(dá)式：

25、

26、上式中，表示三維掃描儀測(cè)得的公共參考點(diǎn)的笛卡爾坐標(biāo)；表示激光跟蹤儀坐標(biāo)與三維掃描儀測(cè)得笛卡爾坐標(biāo)之間的轉(zhuǎn)換坐標(biāo)系；表示三維掃描儀測(cè)得的公共參考點(diǎn)在激光跟蹤儀中的坐標(biāo)；表示三維掃描儀測(cè)得的公共參考點(diǎn)相對(duì)三維掃描儀原點(diǎn)的偏移量。

27、作為本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)，步驟s7中，激光跟蹤儀獲取的任意一個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的齊次坐標(biāo)qgi在激光跟蹤儀測(cè)量坐標(biāo)系og-xgygzg中表示為pgi：

28、

29、三維掃描儀獲取的任意一個(gè)觀測(cè)點(diǎn)qsi在三維掃描儀坐標(biāo)系os-xsyszs中的齊次坐標(biāo)表示為psi：

30、

31、則激光跟蹤儀和三維掃描儀獲取的同一觀測(cè)點(diǎn)在不同坐標(biāo)系下的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式如下：

32、pgi＝g?hspsi

33、上式中，ghs表示激光跟蹤儀和三維掃描儀的轉(zhuǎn)換矩陣。

34、作為本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)，步驟s7中，球面反射鏡的齊次坐標(biāo)qci在激光跟蹤儀的坐標(biāo)系og-xgygzg中表示為pci：

35、

36、則在激光跟蹤儀的坐標(biāo)系og-xgygzg中，球面反射鏡的坐標(biāo)qci可以通過(guò)下式計(jì)算：

37、pci＝g?hiqci

38、上式中，ghi表示三維掃描儀的測(cè)量值與激光跟蹤儀的測(cè)量值間的轉(zhuǎn)換矩陣。

39、作為本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)，步驟s7中，用于將三維掃描儀的測(cè)量值轉(zhuǎn)換到激光跟蹤儀的坐標(biāo)系下的轉(zhuǎn)換矩陣ihs的表達(dá)式如下：

40、

41、上式中，是ghi的逆矩陣。

42、本發(fā)明還包括一種數(shù)據(jù)處理模塊，其包括存儲(chǔ)器、處理器以及存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器上的計(jì)算機(jī)程序。處理器執(zhí)行計(jì)算機(jī)程序時(shí)，采用如前述的基于組合接力法的大型復(fù)雜曲面零件的測(cè)量方法中的步驟，實(shí)現(xiàn)對(duì)激光跟蹤儀和三維掃描儀在各自坐標(biāo)系下測(cè)量出的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。

43、本發(fā)明還包括一種大型復(fù)雜曲面零件的測(cè)量系統(tǒng)，其包括：激光跟蹤儀、移動(dòng)式多自由度機(jī)械臂、三維掃描儀、多個(gè)球面反射鏡，以及一個(gè)上位機(jī)。

44、激光跟蹤儀安裝在基臺(tái)上。固定機(jī)構(gòu)用于固定待測(cè)量的大型復(fù)雜曲面零件。移動(dòng)式多自由度機(jī)械臂固定安裝在激光跟蹤儀和固定機(jī)構(gòu)之間，并位于靠近固定機(jī)構(gòu)的一側(cè)。三維掃描儀安裝多自由度機(jī)械臂的端部。

45、其中，部分球面反射鏡安裝在三維掃描儀的基座上，用于輔助激光跟蹤儀測(cè)量三維掃描儀的相對(duì)位置。另外一部分球面反射鏡放置到待測(cè)的大型復(fù)雜曲面零件上，以實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)的大型復(fù)雜曲面零件中的部分區(qū)域進(jìn)行直接測(cè)量。

46、上位機(jī)與激光跟蹤儀、移動(dòng)式多自由度機(jī)械臂和三維掃描儀電連接。上位機(jī)用于控制并記錄激光跟蹤儀、移動(dòng)式多自由度機(jī)械臂和三維掃描儀的運(yùn)行狀態(tài)，并采集激光跟蹤儀和三維掃描儀的測(cè)量數(shù)據(jù)。進(jìn)而實(shí)現(xiàn)如前述的基于組合接力法的大型復(fù)雜曲面零件的測(cè)量方法中的步驟，獲取待測(cè)的大型復(fù)雜曲面零件的整體點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

47、本發(fā)明提供的技術(shù)方案，具有如下有益效果：

48、本發(fā)明提供了一種基于組合接力法的大型復(fù)雜曲面零件的測(cè)量方法和系統(tǒng)。該技術(shù)方案集合激光跟蹤儀和三維掃描儀的各自優(yōu)勢(shì)，利用激光跟蹤儀對(duì)三維掃描儀進(jìn)行誤差校正和位置跟蹤，并利用直接測(cè)量的方式對(duì)局部區(qū)域的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)充。進(jìn)而克服了傳統(tǒng)方案利用三維掃描儀進(jìn)行轉(zhuǎn)站測(cè)量時(shí)，存在的效率較低和精度較差的問(wèn)題。

49、本發(fā)明的方案融合了激光掃描、結(jié)構(gòu)光掃描等多種測(cè)量技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)大型復(fù)雜曲面零件進(jìn)行全面的高精度測(cè)量。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)考慮到了測(cè)量過(guò)程中可能出現(xiàn)的各種挑戰(zhàn)，如環(huán)境光線干擾、曲面零件的復(fù)雜性以及測(cè)量設(shè)備的不穩(wěn)定性等，通過(guò)先進(jìn)的算法和數(shù)據(jù)處理技術(shù)，確保測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。

50、此外，本發(fā)明提供的大型復(fù)雜曲面零件的測(cè)量系統(tǒng)通過(guò)上位機(jī)對(duì)各個(gè)組件進(jìn)行管理，并自動(dòng)實(shí)現(xiàn)不同來(lái)源數(shù)據(jù)的空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。因而具備高度的自動(dòng)化和智能化特性，能夠減少人工干預(yù)，進(jìn)而大幅提高測(cè)量效率，同時(shí)降低操作難度。由于本發(fā)明提供的系統(tǒng)能夠確保測(cè)量結(jié)果的一致性和準(zhǔn)確性，進(jìn)一步降低測(cè)量誤差。

51、本發(fā)明提供的基于組合接力法的大型復(fù)雜曲面零件的測(cè)量方法和系統(tǒng)，不僅能夠滿足當(dāng)前工業(yè)領(lǐng)域?qū)τ诖笮蛷?fù)雜曲面零件測(cè)量的高標(biāo)準(zhǔn)要求，也為未來(lái)的測(cè)量技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用提供了新的可能性。