一種三軸坐標(biāo)測量設(shè)備的不同測頭測量數(shù)據(jù)的對齊方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明是一種三軸坐標(biāo)測量設(shè)備的不同測頭測量數(shù)據(jù)的對齊方法，屬于測量技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]三軸坐標(biāo)測量設(shè)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(fù)合測量。然而現(xiàn)有的三軸坐標(biāo)測量設(shè)備上，用接觸式測頭和非接觸式測頭得到的測量數(shù)據(jù)不是同一個坐標(biāo)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(shù)據(jù)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(biāo)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(biāo)系的公共元素。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明正是針對上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題而設(shè)計提供了一種三軸坐標(biāo)測量設(shè)備的不同測頭測量數(shù)據(jù)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(biāo)測量設(shè)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(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)換到同一個坐標(biāo)系下，方便了測量數(shù)據(jù)的使用。
[0004]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的:
[0005]該種三軸坐標(biāo)測量設(shè)備的不同測頭測量數(shù)據(jù)的對齊方法，所述對齊方法是將三軸坐標(biāo)測量設(shè)備中不同測頭的測量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到同一個空間坐標(biāo)系下的方法，所述三軸坐標(biāo)測量設(shè)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(shè)備臺體(3)上固定標(biāo)準(zhǔn)球(5)，標(biāo)準(zhǔn)球(5)的半徑為R ;
[0007]步驟二、用接觸式測頭⑴對標(biāo)準(zhǔn)球(5)的表面進行觸發(fā)采點，采點數(shù)為4個，記錄該4個點對應(yīng)的機床示值坐標(biāo)，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(biāo)a (X。，y0, z0)，計算方法如下:
[0009]3.1根據(jù)球面方程得到四個聯(lián)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(zhuǎn)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(lián)立的三元一次方程組，得到x。、y。、ζ。的數(shù)值；
[0023]步驟四、用非接觸式測頭(2)對標(biāo)準(zhǔn)球(5)的表面進行采點測量，采點數(shù)為8個，記錄該8個點對應(yīng)的機床示值坐標(biāo)和測頭輸出值，所述8個點的選擇應(yīng)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(biāo)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(biāo)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(biāo)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(biāo) c (x14, y14, z14)；
[0028]步驟五、球心坐標(biāo)c到球心坐標(biāo)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(biāo)b到球心坐標(biāo)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(shè)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(biāo)(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(biāo)(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(biāo)(x15，y15, z15)進行測頭半徑補償后作為點Pt1的空間坐標(biāo)e ；
[0031]步驟八、將LpL1、矢量n(i,j, k)、坐標(biāo)(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(biāo)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(biāo)e、空間坐標(biāo)f即為接觸式測頭⑴和非接觸式測頭(2)的測量數(shù)據(jù)在同一個坐標(biāo)系下的對齊的測量結(jié)果。
[0034]本發(fā)明在機床上放置標(biāo)準(zhǔn)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(shù)據(jù)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(guān)，矢量η與非接觸測頭安裝方向有關(guān)，矢量P與接觸式測頭相對于非接觸式測頭的位置有關(guān)。對被測工件進行測量時，將上述參數(shù)和非接觸測頭的測量數(shù)據(jù)代入式11，可以實現(xiàn)將非接觸式測頭的測量數(shù)據(jù)和接觸式測頭的測量數(shù)據(jù)對齊到同一個坐標(biāo)系下，具有方便和高效的優(yōu)勢。
【附圖說明】
[0035]圖1為實現(xiàn)本發(fā)明方法的三軸坐標(biāo)測量設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖
【具體實施方式】
[0036]以下將結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明技術(shù)方案作進一步地詳述，步驟中未標(biāo)明的數(shù)值單位為mm:
[0037]參見附圖1所示，實現(xiàn)本發(fā)明方法的三軸坐標(biāo)測量設(shè)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(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到同一個空間坐標(biāo)系下的對齊方法采用如下步驟完成:
[0038]步驟一、在測量設(shè)備臺體(3)上固定標(biāo)準(zhǔn)球(5)，標(biāo)準(zhǔn)球(5)的半徑為20mm ;
[0039]步驟二、用接觸式測頭(I)對標(biāo)準(zhǔn)球(5)的表面進行觸發(fā)采點，采點數(shù)為4個，記錄該4個點對應(yīng)的機床示值坐標(biāo)，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(biāo)a (X。，y0, z0)，計算方法如下:
[0041 ] 3.1根據(jù)球面方程得到四個聯(lián)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(zhuǎn)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