用于大曲率半径曲面法向矢量快速检测方法

摘要

一种光学测量技术领域的用于大曲率半径曲面法向矢量快速检测方法，利用两个相互垂直平面与工件曲面相交，得到曲面点的两条坐标曲线，然后分别检测两条坐标曲线上以曲面点为中心的微小曲线切向矢量，从而得到曲面数据点的法向矢量。本发明将传统的曲面法向检测三维问题转化为两次二维曲线检测，实现方便，成本低廉，易于操作，数据处理简单，实现了曲面加工实时检测的需求，提高了曲面加工的质量和效率。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种光学测量技术领域的方法，具体是一种用于大曲率半径曲面法向矢量 快速检测方法。

背景技术

对曲面工件的加工多数情况下都需要在工件法向矢量上进行，如钻孔、压铆等。在实际的 检测过程中，由于存在着制造误差等，被测工件的实际曲面不与数模中的理论曲面相重合，而 且实际测量点(即测头与工件的接触点或是刀具与待加工点)的法向矢量也不一定与过该点的法 向矢量重合，从而带来了曲面的检测误差和加工误差。目前，传统的曲面法向矢量检测方法是 通过三坐标测量仪等数据采集设备采集大量的曲面数据点，利用采集到的点集进行曲面拟合重 构，得到该点的法向矢量。但是该检测方法对大型工件数据采集困难，数据采集量大，对数据 的后处理复杂，耗时长，成本高，且只能检测到某一静态下的曲面点法向矢量，影响了加工精 度和加工效率，无法满足某些在曲面加工过程中的对曲面点法向矢量实时检测的需要。

经过对现有技术文献的检索发现，在“球面逼近求解变形曲面法向矢量算法研究”(现代制 造工程.2010，7)中谢友金等提出的球面逼近求解变形曲面法向矢量算法能解决曲面实时求解 曲面点法向矢量问题，但是该测量方法与传统检测方法一样，存在着对检测设备要求高，数据 采集量大，数据处理复杂耗时长等不足。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种用于大曲率半径曲面法向矢量快速检测方 法，根据大曲率半径曲面特性，将三维的曲面法向矢量检测转换成二维的曲线法向矢量检测， 简便易行并可以有效提高曲面加工效率及检测的实时性。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括以下步骤：

步骤一，将两个激光位移传感器分别转动安装在刀具两侧的对称位置上且激光位移传感器 的出射光束均与刀具的轴线平行，激光位移传感器与加工刀具平面以加工刀具轴线为转轴进行 90°旋转；

步骤二，分别调整两个激光位移传感器并使其出射光束分别与刀具轴线光束在平面 内，利用两个激光位移传感器的反馈数据d_v1，d_v2，计算曲线V在点P的切向矢量 为r_v，

即$\left(\begin{array}{c}\tan {\psi }_v=\frac{d_{v1}-d_{v2}}{L}\\ \overrightarrow{n_d}=\left(\mathrm{0,0,1}\right)\\ \overrightarrow{r_d}=\left(\mathrm{1,0,0}\right)\\ \overrightarrow{r_v}=(\cos {\psi }_v,0,\sin {\psi }_v)\end{array}\right)---\left(1\right),$

其中：以工件的几何中心为坐标原点，以工件加工时稳定放置的平面为XOY平面，建立 笛卡尔坐标系。ψ_v为刀具轴线与曲面加工点的法向矢量所形成的锐角，|ψ_v|≤5°，角度制；d_v1、 d_v2为激光位移传感器出射光束到曲面距离的反馈数据，单位为mm；L为两个激光位移传感 器出射光线间的距离，单位为mm；为主轴轴线法向向量；为主轴轴线在平面∏₁内的切 向量；为曲线V在点P的切向矢量。

所述的激光位移传感器的反馈数据是指：激光位移传感器出射光线出射点与工件表面间的 激光线段长度，即激光位移传感器检测到激光出射点与工件表面的距离，反馈数据单位为mm。

步骤三，旋转两个激光位移传感器所在的平面至与其垂直平面内并重复步骤 二的操作，根据两个激光位移传感器的反馈数据d_u1，d_u2，计算曲线V在点P的切向矢量为r_u， 具体为

$\left(\begin{array}{c}\tan {\psi }_u=\frac{d_{u1}-d_{u2}}{L}\\ \overrightarrow{n_d}=\left(\mathrm{0,0,1}\right)\\ \overrightarrow{r_d}=\left(\mathrm{0,1,0}\right)\\ \overrightarrow{r_u}=(0,\cos {\psi }_u,\sin {\psi }_u)\end{array}\right)---\left(2\right),$

其中：ψ_u为刀具轴线与曲面加工点的法向矢量所形成的锐角，|ψ_u|≤5°，角度制；d_u1、d_u2为 激光位移传感器出射光束到曲面距离的反馈数据，单位为mm；L为两个激光位移传感器出射 光束间的距离，单位为mm；为主轴轴线法向向量；为主轴轴线在平面∏₂内的切向量； 为曲线U在点P的切向矢量。

步骤四，利用曲面点P的法向矢量求解公式：

代入r_v和r_u得到曲面点P的法向矢量：

$\overrightarrow{n}=(-\cos {\psi }_u·\sin {\psi }_v,-\sin {\psi }_u·\cos {\psi }_v,\cos {\psi }_u·\cos {\psi }_v)---\left(4\right),$

其中：ψ_v为刀具轴线与曲面加工点的法向矢量所形成的锐角，|ψ_v|≤5°，角度制；ψ_u为刀 具轴线与曲面加工点的法向矢量所形成的锐角，|ψ_u|≤5°，角度制。

本发明所提及的检测方法是针对现有技术存在的上述不足，提供一种用于大曲率半径 曲面法向矢量快速检测方法，根据大曲率半径曲面特性，将三维的曲面法向矢量检测转换 成二维的曲线法向矢量检测，简便易行并可以有效提高曲面加工效率及检测的实时性。本 检测方法中，将三维的曲面法向矢量转换为两次二维的曲线法向矢量检测的曲面法向矢量 检测思路是新的，将原本复杂的曲面问题转化为简单易测的曲线问题。这个在技术背景、 发明内容以及下述的与现有技术相比具有的优点中均有提及。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1、本发明有效的解决了实时检测曲面点的法向矢量问题，减少了由于装夹或是工件自重 导致曲面变形引起的误差，提高了曲面加工的质量和效率。

2、本发明采集数据量少，数据处理简单，降低了对数据采集系统及处理系统的要求及曲 面加工成本。

3、本发明将原有的三维曲面法向矢量检测转化为两次二维曲线的切向矢量检测，为曲面 法向检测提供了新的解决思路。

附图说明

图1是本发明的检测原理图；

图2是本发明的曲线切向矢量数据处理原理图；

图3是本发明的曲面点法向矢量原理图；

其中：1工件曲面、2平面∏₂、与工件曲面相交于V曲线、3A激光传感器的出射光线、4 刀具轴线、5平面∏₁、垂直于平面∏₂、6B激光传感器的出射光线、7平面∏₁与工件曲面1的 交线V曲线、8平面∏₂与工件曲面的交线U曲线。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给 出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1-图3所示，本实施例包括：A激光传感器、B激光传感器、加工刀具及其相应的安 装座(未在附图中体现)。其中：A激光传感器的出射光束3、B激光传感器的出射光束6与加 工刀具轴线4平行且对称于刀具轴线两侧，A激光传感器的出射光束3与B激光位移传感器 的出射光束6的距离为L，刀具轴线4过曲面点P。平面∏₁与工件曲面1相交于曲线V，平面 ∏₂与工件曲面1相交于曲线U。

步骤一，如附图1所示，将A、B激光位移传感器安装在刀具两侧的对称位置上，同时保 证激光位移传感器的出射光束3、6在有效刻度范围内，与刀具轴线4平行。激光位移传感器 与加工刀具平面能绕着加工刀具轴线5旋转90°。

步骤二，调整激光位移传感器及加工刀具系统，使得激光位移传感器的出射光束3、6与 刀具轴线光束在平面5：内，利用A、B激光位移传感器的反馈数据d_v1，d_v2，计算曲 线V在点P的切向矢量为r_v，具体为

$\left(\begin{array}{c}\tan {\psi }_v=\frac{d_{v1}-d_{v2}}{L}\\ \overrightarrow{n_d}=\left(\mathrm{0,0,1}\right)\\ \overrightarrow{r_d}=\left(\mathrm{1,0,0}\right)\\ \overrightarrow{r_v}=(\cos {\psi }_v,0,\sin {\psi }_v)\end{array}\right)---\left(1\right).$

步骤三，旋转激光位移传感器平面2至与其垂直平面5：内，重复步骤二，利 用A、B激光位移传感器的反馈数据d_u1，d_u2，计算曲线V在点P的切向矢量为r_u，具体为

$\left(\begin{array}{c}\tan {\psi }_u=\frac{d_{u1}-d_{u2}}{L}\\ \overrightarrow{n_d}=\left(\mathrm{0,0,1}\right)\\ \overrightarrow{r_d}=\left(\mathrm{0,1,0}\right)\\ \overrightarrow{r_u}=(0,\cos {\psi }_u,\sin {\psi }_u)\end{array}\right)---\left(2\right)$

步骤四，利用曲面点P的法向矢量求解公式

$\overrightarrow{n}=\frac{r_u\times r_v}{|r_u\times r_v|}---\left(3\right)$

代入r_v和r_u得到曲面点P的法向矢量

$\overrightarrow{n}=(-\cos {\psi }_u·\sin {\psi }_v,-\sin {\psi }_u·\cos {\psi }_v,\cos {\psi }_u·\cos {\psi }_v)---\left(4\right)$

本实施例的具体优点是：

1、本实施例实现了实时检测曲面点的法向矢量，减少了由于装夹或是工件自重导致曲面 变形引起的误差，提高了曲面加工的质量和效率。

2、本实施例数据采集装置简单，易于安装，可根据不同的加工精度调整数据采集装置， 替换性强。

3、本实施例将原有的三维曲面法向矢量检测转化为两次二维曲线的矢量检测，采集数据 量少，数据处理简单，降低了对数据采集系统及处理系统的要求及加工成本。