一種三軸坐標測量設備的不同測頭測量數據的對齊方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明是一種三軸坐標測量設備的不同測頭測量數據的對齊方法，屬于測量技術領域。
【背景技術】
[0002]三軸坐標測量設備上安裝的測頭類型一般分為接觸式和非接觸式兩種，接觸式測頭和非接觸式測頭各有優(yōu)缺點，有些場合下需要同時使用接觸式測頭和非接觸式測頭進行復合測量。然而現有的三軸坐標測量設備上，用接觸式測頭和非接觸式測頭得到的測量數據不是同一個坐標系下的值，不能直接合并使用。為了解決這個問題，目前使用的測量數據的對齊方法需要在工件上有兩種測頭都可測量的幾個公共元素，然后通過這些公共元素建立工件坐標系。然而，有些非接觸測頭，如光譜共焦測頭，存在測量角度問題，有時無法在工件上找到兩種測頭都可測量的用于建立工件坐標系的公共元素。

【發(fā)明內容】

[0003]本發(fā)明正是針對上述現有技術中存在的問題而設計提供了一種三軸坐標測量設備的不同測頭測量數據的對齊方法，其目的是無需對工件有特殊要求就可以方便的將三軸坐標測量設備上安裝的接觸式和非接觸式兩種不同類型測頭的測量數據直接轉換到同一個坐標系下，方便了測量數據的使用。
[0004]本發(fā)明的目的是通過以下技術方案來實現的:
[0005]該種三軸坐標測量設備的不同測頭測量數據的對齊方法，所述對齊方法是將三軸坐標測量設備中不同測頭的測量數據轉換到同一個空間坐標系下的方法，所述三軸坐標測量設備上既安裝了接觸式測頭(1)，也安裝了非接觸式測頭(2)，其特征在于:該方法的步驟如下:
[0006]步驟一、在測量設備臺體(3)上固定標準球(5)，標準球(5)的半徑為R ;
[0007]步驟二、用接觸式測頭⑴對標準球(5)的表面進行觸發(fā)采點，采點數為4個，記錄該4個點對應的機床示值坐標，分別為(X1, Y1, Z1)、(x2, y2, z2)、(x3, y3, z3)、(x4, y4, z4)；
[0008]步驟三、用(X1,Y1, Z1)、(x2, j2, z2)、(x3, y3, z3)、(x4, y4, z4)計算得到球心坐標a (X。，y0, z0)，計算方法如下:
[0009]3.1根據球面方程得到四個聯立方程:
[0010](X1- Χ0)2+(Υι— y ο)2+(ζι— z o)2= R2 式 I
[0011](x2—x0)2+(y2—y 0)2+(ζ2—ζ。)2= R2 式 2
[0012](x3—x0)2+(y3—y 0)2+(ζ3—ζ。)2= R2 式 3
[0013](X4-X0)2+(y4—y o)2+(Z4-Z 0)2= R2 式 4
[0014]3.2通過對式I?式4的轉換，得到以下3個方程:
[0015](X1-X (J)My1-y (J)Mz1-ζ 0)2= (X 2—X 0) 2+(y2—y 0)2+(Z2-ζ 0)2 式 5
[0016](X3—X 0)2+(y3—y 0)2+(z3—z 0)2= (X 4—X 0)2+(y4—y 0)2+(ζ4—ζ 0)2 式 6
[0017](X1-X (J)My1-y (J)Mz1-z 0)2= (x 3—X 0)2+(y3—y 0)2+(ζ3—ζ 0)2 式 7
[0018]3.3將式5?式7展開整理后得到下列3個方程:
[0019](X12 - SX1Xt^y12 - Syjo+z!2 - 2Z#。)= (x22 - 2x2x0+y22 - 2y2y0+z22 - 2z2z0)式 8
[0020](x32 - 2x3x0+y32 - 2y3y0+z32 - 2z3z。)= (x42 - 2x4x0+y42 - 2y4y0+z42 - 2z4z。)式 9
[0021](X12 - 2x1x0+y12 - 2jlj0+z^ - 2zlz0) = (x32 _ 2x3x0+y32 - 2y3y0+z32 - 2z3z。)式 10
[0022]3.4通過求解式8?式10聯立的三元一次方程組，得到x。、y。、ζ。的數值；
[0023]步驟四、用非接觸式測頭(2)對標準球(5)的表面進行采點測量，采點數為8個，記錄該8個點對應的機床示值坐標和測頭輸出值，所述8個點的選擇應滿足以下要求:
[0024]4.1采前4個點時，保持測頭輸出值相等為L1，記錄前4個點的機床示值坐標為:(x5, y5, z5)、(x6, y6, Z6)、(x7, y7, z7)、(x8, y8, z8)；
[0025]4.2采后4個點時，保持測頭輸出值相等為L2，并且L2大于L i，記錄后4個點的機床不值坐標為:(Xg，Υθ) Ζ9)、(X10) YlO) Zlo)、(xIl) Yll) Zli)、(X12) Yl2) Z12);
[0026]4.3 采用步驟三中的計算方法，用(x5, y5, z5)、(x6, y6, z6)、(x7, y7, z7)、(x8, y8, z8)計算得到球心坐標b (x13, y13, z13)；
[0027]4.3 采用步驟三中的計算方法，用(x9, y9, z9)、(x10, y10, z10)、(xn, yn, zn)、(x12, J12, z12)計算得到球心坐標 c (x14, y14, z14)；
[0028]步驟五、球心坐標c到球心坐標b的矢量m表示為(x13— x 14，y13— y 14，ζ13— ζ 14)，矢量m歸一化后的矢量η表示為(i, j, k)，球心坐標b到球心坐標a的矢量p表示為(X。一Xi3, y。一 y 13，z0— ζ 13)；
[0029]步驟六、在測量設備臺體(3)上固定被測工件(4)，用接觸式測頭(I)采集被測工件(4)表面上一個點Pt1，記錄機床示值坐標(x15，y15，Z15);用非接觸式測頭(2)采集被測工件⑷表面上另一個點Pt2，記錄機床示值坐標(x16, y16, Z16)和非接觸式測頭⑵的測頭輸出值L3;
[0030]步驟七、機床示值坐標(x15，y15, z15)進行測頭半徑補償后作為點Pt1的空間坐標e ；
[0031]步驟八、將LpL1、矢量n(i,j, k)、坐標(x16, y16, z16)和矢量p(x。一x13, y。一y13, z0—z13)采用如下公式進行計算，獲取點pt2的空間坐標f，計算公式如下:
[0032]f = ((L3- L j) i+x16+x0— x 13，(L3- L !) j+y16+y0— y 13，(L3- L ^k+z^+zo— ζ 13)式11 ;
[0033]所述空間坐標e、空間坐標f即為接觸式測頭⑴和非接觸式測頭(2)的測量數據在同一個坐標系下的對齊的測量結果。
[0034]本發(fā)明在機床上放置標準球，并用接觸式測頭與非接觸式測頭對其采集12個點，用這些數據可以計算出L1、矢量η和矢量ρ。1^與非接觸測頭安裝位置有關，矢量η與非接觸測頭安裝方向有關，矢量P與接觸式測頭相對于非接觸式測頭的位置有關。對被測工件進行測量時，將上述參數和非接觸測頭的測量數據代入式11，可以實現將非接觸式測頭的測量數據和接觸式測頭的測量數據對齊到同一個坐標系下，具有方便和高效的優(yōu)勢。
【附圖說明】
[0035]圖1為實現本發(fā)明方法的三軸坐標測量設備的結構示意圖
【具體實施方式】
[0036]以下將結合附圖和實施例對本發(fā)明技術方案作進一步地詳述，步驟中未標明的數值單位為mm:
[0037]參見附圖1所示，實現本發(fā)明方法的三軸坐標測量設備上既安裝了接觸式測頭
(I)，也安裝了非接觸式測頭(2)，接觸式測頭(I)采用測頭頂端半徑Imm的雷尼紹公司觸發(fā)式測頭，非接觸式測頭(2)采用米銥公司光譜共焦測頭，2個測頭之間的相對位置在安裝后保持固定，對兩個不同測頭測量的數據轉換到同一個空間坐標系下的對齊方法采用如下步驟完成:
[0038]步驟一、在測量設備臺體(3)上固定標準球(5)，標準球(5)的半徑為20mm ;
[0039]步驟二、用接觸式測頭(I)對標準球(5)的表面進行觸發(fā)采點，采點數為4個，記錄該4個點對應的機床示值坐標，分別為(Xhy^z1) = (400,200,321)、(x2, y2, z2)=(379，200, 300)、(x3, y3, z3) = (421，200, 300)、(x4, y4, z4) = (400, 221，300)；
[0040]步驟三、用(X1,Y1, Z1)、(x2, j2, z2)、(x3, y3, z3)、(x4, y4, z4)計算得到球心坐標a (X。，y0, z0)，計算方法如下:
[0041 ] 3.1根據球面方程得到四個聯立方程:
[0042](X1-X(J)My1-ydMz!—z 0)2= R2 式 I
[0043](x2—x0)2+(y2—y 0)2+(ζ2—ζ。)2= R2 式 2
[0044](x3—x0)2+(y3—y 0)2+(ζ3—ζ。)2= R2 式 3
[0045](x4—x0)2+(y4—y ο)2+(z4—z 0)2= R2 式 4
[0046]3.2通過對式I?式4的轉換，得到以下3個方程:
[0047](X1-X (J)My1-y (J)Mz1-ζ 0)2= (X 2—X 0) 2+(y2—y 0)2+(Z2-ζ 0)2 式 5
[0048](x3— X 0)2+ (y3— y 0)2+ (z3— Z0)2= (x 4— x 0)2+ (y4— y 0)2+ (z4~ Z0)2 式 6
[0049](x「X (J)My1-y (J)Mz1-z 0)2= (x 3—X 0)2+(y3—y 0)2+(z3—z 0)2 式 7
[0050]3.3將式5?式7展開整理后得到下列3個方程:
[0051](X12 - SX1Xt^y12 - Syjo+z!2 - 2Z#。)= (x22 - 2x2x0+y22 - 2y2y0+z22 - 2z2z。)式 8
[0052](x32 - 2x3x0+y32 - 2y3y0+z32 - 2z3z。)= (x42 - 2x4x0+y42 - 2y4y0+z42 - 2z4z。)式 9
[0053](X12 - 2x1x0+y12 - Zy^z12 - 2z1z0) = (x32 - 2x3x0+y32 - 2y3y0