[发明专利]一种针对自由曲面的摆线式扫描测量轨迹规划方法及系统

权利要求书

1.一种针对自由曲面的摆线式扫描测量轨迹规划方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

(1)测头轨迹曲线生成步骤：对被测曲面S的偏置曲面S_r进行分区，生成相应的测头轨迹曲线，使每条测头轨迹曲线所覆盖的子区域面积最大化，并保证被测曲面的完整覆盖性；

所述偏置曲面S_r是被测曲面S沿曲面正法线方向，以测针尖端半径为偏置距离的偏置曲面；

(2)摆线步长确定步骤：以摆线扫描圆的一半确定摆线步长，对摆线扫描圆上任意一点建立局部坐标系，以给定初始摆线步长计算出相应的弓高误差，根据给定的弓高误差阈值约束条件，求解优化问题，寻找最优摆线步长；

所述摆线扫描圆为沿测头前进方向，当测头旋转轴C轴绕Z轴旋转一圈，测头沿测头轨迹曲线移动摆线步长的距离时，测针尖端在偏置曲面上形成的摆线形状扫描轨迹曲线tr_jⁱ，其中下角标j表示该摆线扫描圆属于第j条测头轨迹曲线，上角标i表示该摆线扫描圆属于该测头轨迹曲线下的第i个摆线扫描圆；

(3)摆线扫描轨迹扩展步骤：以第一条测头轨迹曲线的中点作为确定第一对摆线扫描圆的初始点；从中点开始，以给定初始步长分别往前后扩展，并根据给定的弓高误差阈值约束条件，优化迭代得到最优摆线步长，生成第一对摆线扫描圆；再以同样方法向前后派生得到其余摆线扫描圆，直至第i+1条摆线扫描圆落在曲面外为止，并将该轨迹丢弃，对每条测头轨迹曲线所覆盖的子区域进行重复操作，完成所有摆线扫描轨迹的扩展。

2.如权利要求1所述的针对自由曲面的摆线式扫描测量轨迹规划方法，其特征在于，

所述步骤(1)包括下述子步骤：

(1.1)由种子曲线生成测头轨迹曲线：

(1.1.1)以偏置曲面S_r的一条边界线作为寻找第一条测头轨迹曲线的初始种子曲线SE₁，以SE₁上的点为圆心，测针长度L为半径得到基础圆，并以初始种子曲线SE₁为扫略轴生成管状扫略曲面F_e1：

(1.1.2)在管状扫略曲面F_e1上寻找第一条测头轨迹曲线C₁，需要满足以下约束要求：

第一：C₁上任一点c₁ⁱ，与偏置曲面S_r的最短距离Dist(c₁ⁱ,S_r)应大于安全值r＝r_s+δ，其中，r_s是安全边界球半径，δ是出于冗余安全考虑的给定极小正值；

第二：C₁上任意位置，测针与曲面间的接触角α_contact应不能超过给定阈值；

(1.1.3)所述第一条测头轨迹曲线C₁上任一点的测头空间球Ω与偏置曲面S_r相交得到CS₁ⁱ，遍历C₁上的所有点{c₁¹,c₁²,…}，在S_r上生成一系列相交曲线{CS₁¹,CS₁²,…}，所述相交曲线的包络线为初始种子曲线SE₁和边界SF₁，SE₁和SF₁所夹的区域即为C₁所覆盖的子区域S_r¹，以该子区域面积最大化为目标，建立如下优化问题：

obj:max{Area(S_r¹)}

s.t.:min(Dist(c₁ⁱ,S_r))≥[r]

max(α_contact)≤[α_contact]

利用序列二次规划方法求解得到第一条最优测头轨迹曲线；所述测头空间球Ω是以测头旋转轴A、C轴的可旋转角度为限制，且以两轴交点为中心，测针长度为半径的空间球；

(1.2)将第一条测头轨迹曲线C₁对应的子区域边界SF₁作为生成第二条测头轨迹曲线C₂的新种子曲线及第二块子区域S_r²的边界SE₂，以同样的方法获得第二条最优测头轨迹曲线C₂，以此类推，直到获得第n-1条侧头轨迹曲线C_n-1；

在生成最后一条测头轨迹曲线C_n时，选择S_r的另一条边界作为种子曲线生成F_en，再求得C_n，C_n-1和C_n所覆盖的子区域存在重复区域；

(1.3)对步骤(1.2)中所述重复区域进行均匀化：

(1.3.1)找出重复区域沿u方向的最小宽度Δu_min，其中u方向为偏置曲面S_r上沿测头轨迹曲线扩展的方向；

(1.3.2)在参数域上沿u方向对SF_i-1进行偏置，偏置距离为-Δu_min/(n-1)，得到SF_i′_-1，并将其作为生成下一条测头轨迹曲线的新种子曲线SE_i；生成第一条测头轨迹曲线C₁之后，按照上述偏置方法对SF₁进行偏置得到SF₁′，并利用SF₁′生成第二条测头轨迹曲线C₂，然后对SF₂进行同样的操作，直到生成第n-1条侧头轨迹曲线C_n-1，最后一条测头轨迹曲线C_n将用S_r的另一条边界生成；

其中n为测头轨迹曲线条数，n-1代表相邻区域个数。