[发明专利]一种使用测针中心坐标和矢量补偿精密测量3D轮廓面的方法

说明书

技术领域

本发明涉及自动化测量技术领域，尤指是一种3D轮廓面的测量方法。是一种关于用触发式测头在三坐标测量机上，启动测针半径补偿使用测针中心坐标和矢量补偿技术精密测量3D轮廓面的测量方法或软件；本发明适用于烟草机械零部件中存在3D轮廓面的计量测试及逆向工程；同时也适用于我国机械制造业如模具，汽车行业等异型件的3D轮廓面测量及逆向工程等。

背景技术

在用触发式测头在三坐标测量完成空间曲线面的计量测试中，关键技术就是如何补偿测针半径值，补偿测针半径的关键是计算3D轮廓面上所测点的法线矢量；在测量逆向工程中，对任意空间曲线面，没有数学方程式，则不能应用微积分中的偏导数计算所测量点法线矢量的方向余弦，因此，在测量机上对任意3D轮廓面的测量都较难，各国科学家为此付出众多心血做研究，这些成果具体体现在数据处理方面，有的体现在测量系统设计方面，如PC-DMIS等。空间曲线面的测试和制造水平，能反映出一个国家基础工业的科技水平。在三坐标测试领域，如果测量空间曲面时，关闭测量半径补偿，则获取的数据是测针中心坐标值，因此要有高的数据处理水平和高的CAD/CAM应用能力才能完成轮廓面的生成，一般测试人员很难达到这样的理论水平和应用能力，尤其对于任意的3D轮廓面，完成等距曲面的难度更大；若启动测针半径补偿，其测量理论要求测针沿着所测点的法向矢量趋近测量，否则将产生较大测量误差。因此，在三坐标测量技术中，精密测量任意几何元素，都必须作测针半径补偿，测针必须沿着所测量点的法线无障碍地趋近测量点测量，并在该法线矢量上做测针半径补偿，如图1，为测量空间曲面M上的点A示意图，P为A点切平面，N为A点法线，除沿N的矢量V1以外的任何矢量测量A点，如V2、V3，都将产生测针半径补偿误差，该误差是系统误差。因此，要完成法向矢量的计算才能保证测量的准确性。

此外，在计量测试行业，测量3D轮廓面的方法很多，如用于外形零部件轮廓扫描的CCD光学测头、激光扫描系统等，其测量精度虽不很高，但效率非常高，常用于汽车行业；也有用于3D轮廓测量的高精度轮廓仪，虽然精度接近纳米级，但测量范围小，应用范围窄；在测量机上也有用SP600接触扫描测头，但要具备相关测量系统和应用软件。实际上，在三坐标测量技术中，最常使用的是触发式测头，如TP200等等，因此，在3D轮廓扫描中，解决测针半径补偿技术，对空间曲线面的测量有广阔的应用前景。

发明内容

本发明的目的是提供一种使用测针中心坐标和矢量补偿精密测量3D轮廓面的方法，它使用了测针半径补偿的方法直接测量轮廓面，获得轮廓面坐标数据，并且有高的测量准确度，如选择合适的参数，测量精度可达微米级。

本发明完成测量程序的设计、数据组文件的生成，并可将其直接导入CAD/CAM系统完成测量逆向工程，高效率完成从测量到CNC机床的制造，实施3D轮廓面无图纸化生产。

本发明的目的是这样实现的，使用测针中心坐标和矢量补偿精密测量3D轮廓面的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)根据3D轮廓面建立空间测量坐标系，设定覆盖3D轮廓的测量范围；

(2)关闭测针半径补偿，使测针沿垂直于轮廓投影面的矢量方向测量；

(3)在该3D轮廓面上采集四个测量点，使其中3个测量点构成微型三角形，该微形三角形的3个顶点在测量坐标系投影面内为“正三角形”，另1个测量点P的投影点M为该“正三角形”的中心，该正三角形的高为d；

(4)计算出3D轮廓面上该微型三角形平面的法向矢量V1；

(5)启动测针半径补偿，以该P点为测量目标点，以该法向矢量V1为测针趋近方向测量P点的坐标值；

(6)重复步骤(2)-(5)，每完成一个新的正三角形构建，则测量其P坐标，直至3D轮廓面测量完毕。

按上述方法测量3D轮廓面的方法还包括，在测量机设计程序中输入d值参数、测量第一点和终点坐标，则测量机执行自动测量，输入方式可以人工通过键盘输入，也可以通过测量机人工采集测量起点和终点自动输入。

按上述方法测量3D轮廓面的方法还包括，数据文件生成，该方法一次性生成3条测针轨迹曲线和1条轮廓轨迹曲线，其数据文件格式符合专用软件的格式，能导入的CAD/CAM等软件，实现测量逆向工程；

所述使用正三角形的d值由测量机通过标准球实验确定最佳取值范围；