基于LED环形光的实时半径补偿方法及测头装置

摘要

本发明公开了一种基于LED环形光的实时半径补偿方法及测头装置。是将接触式测头测球附近的被测自由曲面近似为微平面，用LED环形光投射到微平面上形成椭圆的投影线，并由CCD摄像机捕捉椭圆的投影线，然后根据椭圆长轴、短轴与测头坐标系x、y轴的夹角和长轴、短轴长度比值，计算得到微平面的单位法矢，取其外法线方向，最后利用该单位法矢的外法线方向对接触式测头进行实时半径补偿。该测头装置包括接触式测针、测针座、LED发射器、聚集反射镜、CCD摄像机、有机玻璃环、环形支架及其它附件。该方法简单，可以实现接触式测量数据的实时半径补偿；装置结构简单，易于实现。该装置应用于便携式坐标测量机，对缓变自由曲面的逆向测量效果良好。

说明书

技术领域

本发明涉及一种实时半径补偿方法及测头装置，尤其是涉及一种基于LED 环形光的实时半径补偿方法及测头装置。

背景技术

便携式坐标测量机如图1所示，通常采用接触式测头，例如红宝石测头， 它具有质硬，球度好，半径一致性好，与被测面总接触一点，测量精度比非接 触式测量方式高，广泛应用于坐标测量领域。如图2所示，当便携式坐标测量 机沿着被测自由曲面3上的标记线4进行测量时，系统需要获得的是测球2球 心的坐标值，而不是测球2与曲面接触点的坐标值，因此需要在测量过程中或 测量完成后，对获得的测量数据进行半径补偿。半径补偿的关键技术是确定被 测自由曲面上接触点的法矢方向。在逆向工程中，被测自由曲面的数学模型未 知，所以无法用计算偏导数的方式确定测点的法矢方向，只能根据测点与邻域 测点的拓扑关系，构成曲线或微平面，计算法矢方向，近似作为测点的半径补 偿方向。

目前半径补偿通常有两种方式：事后补偿和实时补偿。事后补偿根据测头 半径、曲面的性质等计算每个点的补偿量，并对曲面进行偏置实现半径补偿， 然而对于形状复杂的自由曲面，通过等距偏置得到等距曲面的难度大。

对于实时自动半径补偿，由于测量人员手持便携式坐标测量机进行测量， 测点分布较散乱，没有明显的扫描线特征，因而无法直接采用二维补偿方法。 三维补偿方法一般采用微平面法，测量时测头在测点P的一个小邻域内，分别 采集三个辅助参考点，将这三点组成小平面，其法矢方向近似作为测点P的半 径补偿方向。这种方法每测一点，需要测三个辅助点，大大增加了测量工作量 和时间，并且半径补偿的精度与所选的辅助参考点有关，同时也受到测量人员 工作经验的影响。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于LED环形光的实时半径补偿方法及其测头装 置。便携式测量机采用该测头装置进行自由曲面测量时，可以实时补偿测头半 径，从而直接获得自由曲面上测点的三维坐标数据。此方法应用于缓变自由曲 面的逆向测量，具有较高的测量精度。本发明可实现便携式坐标测量机测量过 程中的测量数据实时半径补偿，处理后的数据可直接导入CAD/CAM系统，完 成后续的模型重建和数字化加工。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一、一种基于LED环形光的实时半径补偿方法：

该实时半径补偿方法是将接触式测头测球附近的被测自由曲面近似为微平 面，用LED环形光投射到微平面上形成椭圆的投影线，并由CCD摄像机捕捉 椭圆的投影线，然后根据椭圆长轴、短轴与测头坐标系x、y轴的夹角和长轴、 短轴长度比值，计算得到微平面的单位法矢，取其外法线方向，最后利用该单 位法矢的外法线方向对接触式测头进行实时半径补偿。

所述的对接触式测头获得数据进行实时半径补偿的方法：

当接触式测头接触被测自由曲面后，获得一个测点，记为P，该测点值为测 头球心坐标值；将接触式测头测球附近的被测曲面上近似为微平面，用LED环 形光投射到微平面上形成椭圆的投影线；CCD摄像机图像坐标系与接触式测头 坐标系，经过坐标变换后重合，CCD摄像机捕捉椭圆的投影线，计算图像像素 点数，得到长轴和短轴长度分别为OA′和OB′，根据式(1)计算单位法矢n与Z 轴的夹角

过A′作垂直于坐标系x轴的垂线得交点C′，计算图像像素点数，得到OA′和 OC′的长度，得到OA′和OC′的长度，根据式(2)计算椭圆投影线长轴OA′与坐标 系x轴的角度值θ

θ＝arcsin(OC′/OA′)(2)

根据已求得的θ、计算微平面的单位法矢n，即为

根据式(3)，结合求得的单位法矢n对接触式测头获得的数据点P进半径补 偿，得到补偿后的数据点P_real。

P_real＝P-n·r    (3)

二、一种基于LED环形光的实时半径补偿测头装置：

在保护套筒下端的中心孔中，装有外套有机玻璃环的测针座，测针座下端 装有测针，LED发射器上端同轴安装在套筒盖下端面，LED发射器下端安装在 环形的聚集反光镜孔中，套筒盖上端面同轴安装有测座定位杆，环形支架与保 护套筒螺纹连接，环形支架一侧向下的延伸臂上安装CCD摄像机，CCD摄像机 朝向测针；LED发射器发射的光线经聚集反光镜聚光后，经有机玻璃环和通光 孔投射到被测自由曲面，反射至CCD摄像机。

本发明具有的有益效果是：

本发明解决便携式坐标测量机接触式测头的实时半径补偿问题，操作简单， 无需手动增加辅助点，精度较高，对缓变自由曲面的逆向测量效果良好。

附图说明：

图1是便携式坐标测量机示意图。

图2是接触式测头测量曲面示意图。

图3是基于LED环形光测头装置结构图。

图4是CCD摄像机图像坐标系与测头坐标系的关系示意图。

图5是椭圆面单位法矢n与测头坐标轴OZ的夹度示意图。

图6是椭圆长轴与测头坐标轴OX的夹角示意图。

图中：1、接触式测头，2、接触式测头的球头，3、被测自由曲面，4、标 记线，5、保护套筒，6、环形支架，7、CCD摄像机，8、测针，9、通光孔，10、 测座定位杆，11、螺钉，12、套筒盖，13、LED发射器，14、聚集反光镜，15、 测针座，16、有机玻璃环，17、光线，18、投影线，19、LED环形光，

具体实施方式：

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明

如图3所示，本发明在保护套筒5下端的中心孔中，装有外套有机玻璃环 16的测针座15，测针座15下端装有测针8，LED发射器13上端同轴安装在套 筒盖12下端面，LED发射器13下端安装在环形的聚集反光镜14孔中，套筒盖 12上端面同轴安装有测座定位杆10，环形支架6与保护套筒5螺纹连接，环形 支架6一侧向下的延伸臂上安装CCD摄像机7，CCD摄像机7朝向测针8；LED 发射器13发射的光线17经聚集反光镜14聚光后，经有机玻璃环16和通光孔9 投射到被测自由曲面3，反射至CCD摄像机7。

如图3所示，本发明操作步骤如下：

(1)对被测自由曲面3进行测量路径规划，用标记线4标记测量路径；

(2)建立空间测量坐标系，使测量设备的测量范围能全部覆盖被测自由曲 面；

(3)将测头装置装在便携式坐标测量机上，并对接触式测头的红宝石球头 半径进行标定，测得半径值为r；

(4)调节带有具有螺纹的环形支架6，CCD摄像机7沿着随环形支架6进 行上下调整，以适应不同长度的测针8，方便捕捉椭圆的投影线18，固定环形 支架6后，如图4所示，对CCD摄像机7图像坐标系OX_CY_CZ_C进行坐标变换， 使之与接触式测头坐标系OX_TY_TZ_T重合；

(5)手持便携式坐标测量机，沿着标记线4进行测量。测量过程中，LED 环形光投射到微平面上形成椭圆的投影线18，并由CCD摄像机7捕捉，通过图 像计算，得到接触式测点附近微平面的单位法矢，取其外法线方向，利用该单 位法矢的外法线方向对接触式测头获得的测点进行实时补偿。

(6)测量结束后，将经过补偿的测量数据保存到DAT、IGES等数据文件中。

具体半径补偿方法如下：

(1)环形支架6位置上下调整后，根据环形支架6上下移动的距离及其绕 保护套筒旋转的角度和整个测头装置的设计参数，对CCD摄像机7图像坐标系 进行坐标变换，使之与便携式坐标测量机的接触式测头坐标系重合，如图4所 示，CCD摄像机图像坐标系OX_CY_CZ_C和接触式测头坐标系OX_TY_TZ_T重合；

(2)当接触式测头接触被测自由曲面后，获得一个测点，记P，如图5所 示。该测点值为测头球心坐标值。

(3)将接触式测头测球附近的被测曲面上近似为微平面，用LED环形光19 投射到微平面上形成椭圆的投影线18；

(4)CCD摄像机捕捉椭圆投影线，计算图像像素点数，得到长轴和短轴长 度。如图5中所示，OA＝OB，OB′＝OB，投影线的长轴为OA′，短轴为OB′。计算 单位法矢n与Z轴的夹角根据式(1)求出

(5)如图6所示，过A′作垂直于x轴的交点得C′，计算图像像素点数，得 到OA′和OC′的长度，根据式(2)计算椭圆投影线长轴OA′与坐标系x轴的角度 值θ；

θ＝arcsin(OC′/OA′)(2)

(6)根据已求得的θ、计算微平面的单位法矢n，即为

根据式(3)，结合求得的n对接触式测头获得的数据点P进半径补偿，得到 补偿后的数据点P_real。

P_real＝P-n·r    (3)