[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

说明书

本发明公开了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，属于自由曲面的五轴连续式测量领域，目的是通过避免测头旋转轴的频繁加减速以提高机器的动态性能，从而提高测量效率。本发明包括测头轨迹曲线生成步骤、摆线步长确定步骤、摆线扫描轨迹扩展步骤。通过本发明，在扫描测量过程中，不仅可使C轴始终保持相同的旋转方向，必要时还可保持恒定的角速度，避免了因C轴旋转方向突变引起的振动，显著提升测量机的动态性能，还可显著缩短测头轨迹长度，减少线性轴的运动量，提高测量效率。

技术领域

本发明属于五轴测量领域，更具体地，涉及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。

背景技术

自由曲面测量在工业产品制造中应用越来越广泛，特别是对精度要求较高的零部件，而在各种测量方法中，坐标测量机(Coordinate measuring machine，CMM)因其高精度和高效率等特点，常作为测量自由曲面的首选。相较于三轴CMM(逐点离散式测量)、以及三+二轴CMM(固定测头方位的三轴联动扫描测量)，五轴CMM测量不仅能实现五轴同时联动的高效连续式扫描测量，还能充分利用曲面的几何特性及测量机独特的动态性能，规划更高效的测量轨迹，因此应用前景及价值更大。

目前关于五轴CMM测量轨迹规划相关研究主要集中在，根据不同的因素如轨迹平滑度及测量效率等来生成测量路径，如利用“引导线”生成测量轨迹、自适应分区测量、势场法以及螺旋式扫描轨迹规划方法等。这些方法在寻找最优测量轨迹时，都试图充分利用轻质测头(即旋转轴AC)的运动能力，使惯性较大的笨重平移轴(即XYZ轴)做缓慢的移动，从而更好地利用测量设备的运动学性能，以保证测量精度。而关于轨迹规划算法方面，目前常用的方式是将测量轨迹分为测头轨迹与测针尖端扫描轨迹两部分，首先找到覆盖部分被测曲面的测头轨迹曲线，然后根据测头轨迹曲线规划测针在被测曲面上相应的扫描运动轨迹，从而保证测量轨迹可完整覆盖被测曲面。

对上述研究，在测量过程中AC轴均在一定的角度范围内摆动，保证测针尖端始终与被测表面相接触，从而在被测表面上形成振荡形式的测量路径，但为了扩大扫描面积测针需来回摆动，即C轴需要不断改变运动方向(即测针尖端扫描轨迹均为振荡式)，从而不可避免地造成了转动轴的振动。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供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，旨在解决转动轴的振动问题。

在传统振荡式五轴扫描测量中，旋转轴频繁地加减速不可避免地会造成转动轴的振动，影响精度、机器动态性能及测量效率。且由于A轴(第五关节)安装在C轴(第四关节)上，故C轴比A轴要承受更大的载荷。若是可以减少旋转轴(尤其C轴)的频繁速度变化，则可显著减低转动轴的振动，从而获得更优秀的动态性能，提高测量效率。

为实现上述目的，进一步提高五轴CMM的运动学性能，受数控加工过程中摆线加工的启发，本发明一方面提供了一种针对自由曲面的摆线式扫描测量轨迹规划方法，包括以下步骤：

(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，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，在偏置曲面上形成的摆线形状扫描轨迹曲线tr₁ⁱ；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；