一种复杂曲面测量系统标定用的新型标准件及标定方法与流程

1.本发明涉及一种复杂曲面测量系统标定用的新型标准件及标定方法，属于精密测试技术与仪器技术领域。


背景技术：

2.标准件及其对应的标定方法是保证测量系统精度的关键。目前，复杂曲面测量系统测量是零部件加工质量和精度的主要检测途径，尤其在航空汽车、船舶等领域的曲面零部件检测中应用广泛，如齿轮、航空叶片等关键基础零部件外形常为复杂曲面，国际标准规定其必须通过100％的质量检测。通常，在检测前标定测头的空间位姿关系是整个曲面测量系统的最重要工作，其标准件及标定方法会直接影响后续零部件测量的准确性与有效性。
3.现今复杂曲面测量系统标定用的标准件及标定方法，按照基本特征主要分为两类：(1)围绕以单一的点、线或面特征实现测头空间位姿关系的标定。如三坐标测量机和测量中心的标定工作，一般使用参数已知的高精度标准球，通过逐点采集标准球表面空间坐标后，采用最小二乘拟合法标定测量系统中测头的空间位姿，这类标定主要适用于以测球和测杆为主的接触式测量系统。专利cn201811471849.1以单一的球面特征为基础，通过机械装置多次调整标准球位置结合压表显示值完成标定。其优点是标准件轮廓简单易于高精度制造、价格便宜，缺点是装夹方式和基本特征都过于单一，并且测头的空间位姿标定缺乏冗余特征验证，尤其对非接触式测量系统不具有适用性；(2)围绕以复合形面特征标定测头的空间位姿关系。以由v型槽、圆柱面等混合构成的曲面为基本特征的标准件及标定方法。专利cn202110556943.2基本特征由标准芯轴和金属长方体复合构成，通过多次调整测头来实现系统的标定，优点是标准件形状简单，缺点是只能利用顶尖孔装夹，并且标定方法效率不高。专利cn202210745581.6基本特征由外圆柱面、平面、v型槽复合构成，通过拟合复合形面特征标定测头的空间位姿关系。优点是存在冗余的基本特征，可相互验证标定方法的准确性，缺点是装夹局限于采用三爪卡盘，且v型槽不利于非接触测量系统的标定数据采集。综上，现有标准件及标定方法仍存在一定的不足：
①
传统标准件没有考虑装夹的通用性，难以适用不同类型测量系统现场标定的装夹要求；
②
传统标准件的基本特征，仅适用于接触式测量系统或者非接触式测量系统的一种，且基本特征对光学测量不友好，会存在遮挡或者重反射等问题；
③
传统标准件没有冗余特征，其对应标定方法的特征提取缺乏相关性，不能很好验证标定结果的准确性。因此，面向复杂曲面测量系统的装夹和精确标定需求，亟待研发新型标准件及标定方法。
4.为克服以上问题，本发明公开的一种复杂曲面测量系统标定用的新型标准件及标定方法，综合考虑和改进了前两类标准件及标定方法的不足，创新性地设计了一种新型标准件，其由半圆形槽、球面、外圆柱面、平面复合构成，采用锥形孔和内孔混合的方式，既可用于三爪卡盘的内撑和外夹两种方式装夹，又满足于对顶安装机构的装夹，并且基本特征同时适用于接触式测量系统和非接触式测量系统，最后标定方法依靠冗余的复合特征能有效验证标定结果，提高标定的准确性。


技术实现要素：

5.本发明针对现有标准件及其标定方法存在的上述问题，提供了一种复杂曲面测量系统标定用的新型标准件及标定方法，采用锥形孔、内孔混合一体的方式，既能应用于接触式曲面测量的标定，又能满足非接触式曲面测量的标定需求。
6.本发明针对现有复杂曲面测量系统标定存在的问题，进行原理性创新，基本思想是：
①
该新型标准件包含了锥形孔与内孔两种装夹模式，具有较好的装夹通用性，满足复杂曲面测量系统的现场标定需求。
②
设计了球面、外圆柱面、平面和半圆形槽多种特征复合的方式，通过充分利用冗余特征信息，提高了标定结果的准确性。
③
所设计的复合特征，既可以满足接触式测量系统的标定，又能适应非接触式测量系统的标定。
7.为实现上述目的和原理，本发明采取如下技术方案：
8.一种复杂曲面测量系统标定用的新型标准件，该标准件集成了外圆柱面ⅰ、平面、球面ⅲ和半圆形槽ⅱ四种特征，混合了锥形孔e与内孔f两种装夹特征。所述外圆柱面ⅰ与球面ⅲ同轴连接且直径一致，半圆形槽ⅱ设置在外圆柱面ⅰ与球面ⅲ之间，前后端面p1和左右端面p2均为以标准件几何中心对称分布的平面，围绕外圆柱面ⅰ周向分布，上端面p3和下端面p4垂直于外圆柱面ⅰ轴线方向并且对称式分布，锥形孔e布置在前后端面p1的几何中心，内孔f与外圆柱面ⅰ同轴且设置在标准件内部。
9.本发明基于上述新型标准件，提供了一种对应的标定方法，具体步骤如下：
10.w1：装夹标准件
11.根据复杂曲面测量系统的现场标定情况，选择对应模式装夹标准件。所述标准件具有以下两种装夹模式：
12.1)顶尖装夹
13.通过顶尖装夹机构的上下顶尖与标准件的锥形孔e相配合，按照自动定心原理，夹紧并限制标准件的5个自由度，完成标准件的装夹。
14.2)三爪卡盘装夹
15.通过三爪卡盘装夹机构的三块卡爪与标准件的内孔f相配合，依据自动定心原理，夹紧并限制标准件的4个自由度，完成标准件的装夹。
16.w2：建立标定系统坐标框架
17.以下端面p4的中心点为坐标原点os，标准件坐标系o
s-x
syszs
和测头坐标系o
g-xgygzg均按右手定则建立。测头坐标系o
g-xgygzg原点og相对于标准件坐标系o
s-x
syszs
原点os在xs、ys、zs轴方向的三个位置量分别为a,b,c，测头坐标系o
g-xgygzg相对于标准件坐标系o
s-x
syszs
的姿态角为其中姿态角是测头绕测头坐标系o
g-xgygzg的偏摆角；姿态角θ是测头绕测头坐标系o
g-xgygzg的俯仰角；姿态角γ是测头绕测头坐标系o
g-xgygzg的滚转角。a,b,c,即为需要标定的测头空间位姿参数。
18.w3：测头坐标系o
g-xgygzg至标准件坐标系o
s-x
syszs
的坐标变换
19.根据w2建立的标定系统坐标框架，由式(1)确定测头坐标系o
g-xgygzg与标准件坐标系o
s-x
syszs
之间的坐标变换关系：
20.ds＝r
sg
·dg
+m
sg
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
21.式中r
sg
的物理意义为与姿态角相关的旋转矩阵，m
sg
＝[a,b,c]
t
其物理意义为与位置量a,b,c相关的平移矩阵。dg＝[xg,yg,zg]
t
为在测头坐标系o
g-xgygzg下标准件表面的空间坐标值，ds＝[xs,ys,zs]
t
为在标准件坐标系o
s-x
syszs
下标准件表面转换后的空间坐标值。
[0022]
w4：标准件表面点云数据获取
[0023]
根据复杂曲面测量系统的现场标定情况，选择对应的装夹模式约束标准件之后，系统主轴以适当的角速度匀速周向旋转标准件，主轴旋转信号触发测头进行数据采集，获得标准件表面在测头坐标系o
g-xgygzg下的点云数据，其中接触式测量系统通过测头和测杆对标准件表面进行逐点的串联式采集，非接触式测量系统则通过单个或多个测头对标准件表面进行多点的并联式采集。在标准件两种装夹模式下，测头采集到的数据不同：
①
标准件顶尖装夹时，测头采集球面ⅲ、左右端面p2和上端面p3特征的点云数据；
②
标准件三爪卡盘装夹时，测头采集外圆柱面ⅰ、半圆形槽ⅱ、球面ⅲ、前后端面p1和左右端面p2特征的点云数据。
[0024]
w5：依据点云数据的几何特征提取
[0025]
采用最小二乘法，对外圆柱面ⅰ、半圆形槽ⅱ、球面ⅲ、前后端面p1、左右端面p2和上端面p3的点云数据进行特征提取。
[0026]
1)球面ⅲ特征
[0027]
根据w2建立的标定系统坐标框架，对球面ⅲ特征的点云数据使用最小二乘法得到拟合球面的球心(x0,y0,z0)，结合球面ⅲ球心在标准件坐标系下的校准坐标值(xs‑ⅲ
,ys‑ⅲ
,zs‑ⅲ
)确定位置量a,b,c。
[0028]
2)前后端面p1、左右端面p2、上端面p3特征
[0029]
依据w2建立的标定系统坐标框架，对前后端面p1、左右端面p2和上端面p3特征的点云数据使用最小二乘法得到其拟合端面的法向量分别为和结合标准件坐标系o
s-x
syszs
的xs,ys,zs轴单位方向矢量确定姿态角并且和可用于标准件顶尖装夹模式下标定结果的准确性验证。
[0030]
3)外圆柱面ⅰ、半圆形槽ⅱ特征
[0031]
对外圆柱面ⅰ和半圆形槽ⅱ的点云数据使用最小二乘法得到拟合柱面中心轴线的方向向量和拟合半圆形槽的几何中心点(x1,y1,z1)，结合球面ⅲ的球心(x0,y0,z0)在标准件三爪卡盘装夹模式下验证标定结果的准确性。
[0032]
利用基本特征标定测头位姿，针对冗余特征，进行对照分析，验证标定结果的准确性。
[0033]
标准件顶尖装夹模式下用于确定测头位姿参数的基本特征是：球面ⅲ、左右端面p2和上端面p3；用于验证标定结果准确性的冗余特征是：左右端面p2和上端面p3。
[0034]
标准件三爪卡盘装夹模式下用于确定测头位姿参数的基本特征是：球面ⅲ、左右端面p2和前后端面p1；用于验证标定结果准确性的冗余特征是：外圆柱面ⅰ、半圆形槽ⅱ和球
面ⅲ。
[0035]
w6：标定测头位姿参数
[0036]
标准件坐标系o
s-x
syszs
的xs,ys,zs轴单位方向矢量分别为轴单位方向矢量分别为标准件球面ⅲ的球心在标准件坐标系o
s-x
syszs
下的校准坐标值为(xs‑ⅲ
,ys‑ⅲ
,zs‑ⅲ
)。
[0037]
w6.1所述标准件顶尖装夹时，基于w5中球面ⅲ的球心(x0,y0,z0)、左右端面p2的法向量和上端面p3法向量标定测头的六个位姿参数a,b,c,计算过程如下：
[0038]
1)确定姿态角
[0039]
由式(2)求解姿态角θ。
[0040][0041]
为了确定姿态角和γ，先计算的矢量积其方向遵循右手定则，之后由式(3)计算求得姿态角式(4)计算求解姿态角γ。
[0042][0043][0044]
2)确定位置量a,b,c
[0045]
姿态角已经确定，而旋转矩阵r
sg
已确定，通过式(5)求解位置量a,b,c，其中(xs‑ⅲ
,ys‑ⅲ
,zs‑ⅲ
)为标准件球面ⅲ的球心在标准件坐标系下的校准坐标值，(x0,y0,z0)为拟合球面的球心。
[0046][0047]
w6.2所述标准件三爪卡盘装夹时，基于w5中球面ⅲ的球心(x0,y0,z0)、左右端面p2的法向量和前后端面p1法向量标定测头的六个位姿参数a,b,c,计算过程如下：
[0048]
1)确定姿态角
[0049]
由式(6)求解姿态角θ。
[0050][0051]
为了确定姿态角和γ，先计算的矢量积其方向遵循右手定则，之后由式(7)计算求得姿态角式(8)计算求解姿态角γ。
[0052][0053]
[0054]
2)确定位置量a,b,c
[0055]
由于姿态角已经确定，即旋转矩阵r
sg
已确定，通过式(9)计算求得位置量a,b,c，式中(xs‑ⅲ
,ys‑ⅲ
,zs‑ⅲ
)为标准件球面ⅲ的球心在标准件坐标系下的校准坐标值，(x0,y0,z0)为拟合球面的球心。
[0056][0057]
w7：冗余特征验证标定结果的准确性
[0058]
标定结果是否准确会直接影响后续零部件测量的准确性与有效性，利用标准件的冗余特征及时对标定结果进行验证。
[0059]
w7.1所述标准件顶尖装夹模式下的验证方式：基于w5中得到的左右端面p2的法向量上端面p3的法向量计算和的夹角，若该夹角小于规定的阈值角度，则此次标定是有效的，反之则重新进行标定。
[0060]
w7.2所述标准件三爪卡盘装夹模式下的验证方式：根据w5中得到的外圆柱面ⅰ中心轴线的方向向量球面ⅲ的球心(x0,y0,z0)和半圆形槽ⅱ的几何中心点(x1,y1,z1)，计算向量和向量(x
1-x0,y
1-y0,z
1-z0)的夹角，若该夹角小于规定的阈值角度，则此次标定是有效的，反之则重新进行标定。
[0061]
至此测头的空间位姿关系标定且验证完毕。
[0062]
本发明的有益效果是：
[0063]
1、本发明提供的新型标准件完全满足现场标定需求，其通用性强，实用性广。既能应用于接触式曲面测量，又能满足于非接触式曲面测量的标定需求；既能应用于三爪卡盘外夹和内撑式装夹，也能满足于顶尖孔装夹。
[0064]
2、本发明提供的标定方法依靠标准件冗余的复合特征，能有效验证标定结果的准确性，可较好保证测量系统的位姿精度。
[0065]
3、本发明提供的标定方法可使标定后的系统具有较强的鲁棒性和抗干扰性，保障后续零部件测量数据的稳定性。
[0066]
4、本发明提供的标定方法操作简便，相较于传统标准件的标定方法，减少了操作人员工作强度、节省了标定的时间。
附图说明
[0067]
图1标准件整体结构图
[0068]
图2标准件y
soszs
面绕zs轴偏转45
°
剖视图
[0069]
图3标准件顶尖装夹模式示意图
[0070]
图4标定系统坐标框架示意图
[0071]
图5标准件顶尖装夹模式下标定用的球面ⅲ特征
[0072]
图6标准件顶尖装夹模式下标定用的端面特征
[0073]
图7标准件三爪卡盘装夹模式示意图
[0074]
图8标准件三爪卡盘装夹模式下标定用的端面特征
[0075]
图9标准件三爪卡盘装夹模式下标定用的外圆柱面ⅰ和球面ⅲ特征
[0076]
图10标准件三爪卡盘装夹模式下标定用的半圆形槽ⅱ特征
[0077]
图11标定方法流程图
[0078]
图中：p1、前后端面，p2、左右端面，p3、上端面，p4、下端面，ⅰ、外圆柱面，ⅱ、半圆形槽，ⅲ、球面，e、锥形孔，f、内孔。
具体实施方式
[0079]
下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步说明。
[0080]
本发明所提供的新型标准件结构如图1和图2所示，该标准件集成了外圆柱面ⅰ、平面、球面ⅲ和半圆形槽ⅱ四种特征，混合了锥形孔e与内孔f两种装夹特征。所述外圆柱面ⅰ与球面ⅲ同轴连接且直径一致，半圆形槽ⅱ设置在外圆柱面ⅰ与球面ⅲ之间，前后端面p1和左右端面p2均为以标准件几何中心对称分布的平面，围绕外圆柱面ⅰ周向分布，上端面p3、下端面p4垂直于外圆柱面ⅰ轴线方向并且对称式分布，锥形孔e布置在前后端面p1的几何中心，内孔f与外圆柱面ⅰ同轴并且设置在标准件内部。
[0081]
以上为本发明标准件的具体实施方式。
[0082]
本发明还涉及关于新型标准件的具体标定方法，该标准件具有两种不同的装夹模式，下面通过两个实施例来进一步说明具体的标定步骤。
[0083]
实施例1：标准件顶尖装夹模式下的具体标定步骤如下：
[0084]
第一步：装夹标准件
[0085]
如图3所示通过顶尖装夹机构的上下顶尖与标准件的锥形孔e相配合，按照自动定心原理，夹紧并限制标准件的5个自由度，完成标准件的装夹。
[0086]
第二步：建立标定系统坐标框架
[0087]
以下端面p4的中心点为坐标原点os，按右手定则建立如图4所示的标准件坐标系o
s-x
syszs
和测头坐标系o
g-xgygzg。其中，a,b,c分别为测头坐标系o
g-xgygzg原点og相对于标准件坐标系o
s-x
syszs
原点os在xs、ys、zs轴方向的三个位置量；分别是测头坐标系o
g-xgygzg相对于标准件坐标系o
s-x
syszs
的姿态角，其中姿态角是测头绕测头坐标系o
g-xgygzg的偏摆角；姿态角θ是测头绕测头坐标系o
g-xgygzg的俯仰角；姿态角γ是测头绕测头坐标系o
g-xgygzg的滚转角。a,b,c,即为需要标定的测头空间位姿参数。
[0088]
第三步：测头坐标系o
g-xgygzg至标准件坐标系o
s-x
syszs
的坐标变换
[0089]
根据第二步中建立的标定系统坐标框架，由式(10)确定测头坐标系o
g-xgygzg与标准件坐标系o
s-x
syszs
之间的坐标变换关系：
[0090]ds
＝r
sg
·dg
+m
sg
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)
[0091]
式中rsg的物理意义为与姿态角相关的旋转矩阵，m
sg
＝[a,b,c]
t
其物理意义为与位置量a,b,c相关的平移矩阵。dg＝[xg,yg,zg]
t
为在测头坐标系o
g-xgygzg下标准件表面的空间坐标
值，ds＝[xs,ys,zs]
t
为在标准件坐标系o
s-x
syszs
下标准件表面转换后的空间坐标值。
[0092]
第四步：标准件表面点云数据获取
[0093]
约束标准件之后，系统主轴以适当的角速度匀速周向旋转标准件，主轴旋转信号触发测头进行数据采集，分别获得如图5所示标准件表面球面ⅲ特征、图6所示左右端面p2和上端面p3特征在测头坐标系o
g-xgygzg下的点云数据。
[0094]
第五步：依据点云数据的几何特征提取
[0095]
采用最小二乘法，对球面ⅲ、左右端面p2和上端面p3的点云数据进行特征提取，针对冗余信息进行对照分析，标定测头位姿，验证标定结果的准确性。
[0096]
1)球面ⅲ特征
[0097]
根据第二步中建立的标定系统坐标框架，对球面ⅲ特征的点云数据使用最小二乘法得到拟合球面的球心(x0,y0,z0)，结合球面ⅲ球心在标准件坐标系下的校准坐标值(xs‑ⅲ
,ys‑ⅲ
,zs‑ⅲ
)确定位置量a,b,c。
[0098]
2)左右端面p2、上端面p3特征
[0099]
依据第二步中建立的标定系统坐标框架，对左右端面p2和上端面p3特征的点云数据使用最小二乘法得到其拟合端面的法向量分别为和结合标准件坐标系o
s-x
syszs
的xs,ys,zs轴单位方向矢量确定姿态角并且和用于验证标定结果的准确性。
[0100]
第六步：标定测头位姿参数
[0101]
标准件坐标系o
s-x
syszs
的xs,ys,zs轴单位方向矢量分别为轴单位方向矢量分别为球面ⅲ球心在标准件坐标系下的校准坐标值(xs‑ⅲ
,ys‑ⅲ
,zs‑ⅲ
)；
[0102]
基于第五步中球面ⅲ的球心(x0,y0,z0)、左右端面p2的法向量上端面p3的法向量标定测头的六个位姿参数a,b,c,计算过程如下：
[0103]
1)确定姿态角
[0104]
由式(11)求解姿态角θ。
[0105][0106]
为了确定姿态角和γ，先计算的矢量积其方向遵循右手定则，之后由式(12)计算求得姿态角式(13)计算求解姿态角γ。
[0107][0108][0109]
2)确定位置量a,b,c
[0110]
姿态角已经确定，即旋转矩阵r
sg
已确定，通过式(14)求解位置量a,b,c，其中(xs‑ⅲ
,ys‑ⅲ
,zs‑ⅲ
)为标准件球面ⅲ的球心在标准件坐标系下的校准坐标值，(x0,y0,z0)为拟合球面的球心。
[0111][0112]
第七步：冗余特征验证标定结果的准确性
[0113]
根据第五步中得到的左右端面p2的法向量上端面p3的法向量计算和的夹角，若该夹角小于规定的阈值角度，则此次标定是有效的，反之则重新进行标定。
[0114]
至此标准件顶尖装夹模式下的测头空间位姿关系标定且验证完毕。
[0115]
实施例2：标准件三爪卡盘装夹模式时，具体的标定步骤如下：
[0116]
第一步：装夹标准件
[0117]
如图7所示通过三爪卡盘装夹机构的三块卡爪与标准件的内孔f相配合，依据自动定心原理，夹紧并限制标准件的4个自由度，完成标准件的装夹。
[0118]
第二步：建立标定系统坐标框架
[0119]
以下端面p4的中心点为坐标原点os，按右手定则建立如图4所示的标准件坐标系o
s-x
syszs
和测头坐标系o
g-xgygzg。其中，a,b,c分别为测头坐标系o
g-xgygzg原点og相对于标准件坐标系o
s-x
syszs
原点os在xs、ys、zs轴方向的三个位置量；分别是测头坐标系o
g-xgygzg相对于标准件坐标系o
s-x
syszs
的姿态角，其中姿态角是测头绕测头坐标系o
g-xgygzg的偏摆角；姿态角θ是测头绕测头坐标系o
g-xgygzg的俯仰角；姿态角γ是测头绕测头坐标系o
g-xgygzg的滚转角。a,b,c,即为需要标定的测头空间位姿参数。
[0120]
第三步：测头坐标系o
g-xgygzg至标准件坐标系o
s-x
syszs
的坐标变换
[0121]
根据第二步中建立的标定系统坐标框架，由式(15)确定测头坐标系o
g-xgygzg与标准件坐标系o
s-x
syszs
之间的坐标变换关系：
[0122]ds
＝r
sg
·dg
+m
sg
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(15)
[0123]
式中r
sg
的物理意义为与姿态角相关的旋转矩阵，m
sg
＝[a,b,c]
t
其物理意义为与位置量a,b,c相关的平移矩阵。dg＝[xg,yg,zg]
t
为在测头坐标系o
g-xgygzg下标准件表面的空间坐标值，ds＝[xs,ys,zs]
t
为在标准件坐标系o
s-x
syszs
下标准件表面转换后的空间坐标值。
[0124]
第四步：标准件表面点云数据获取
[0125]
约束标准件之后，系统主轴以适当的角速度匀速周向旋转标准件，主轴旋转信号触发测头进行数据采集，分别获得如图8所示标准件前后端面p1和左右端面p2特征、图9所示外圆柱面ⅰ和球面ⅲ特征、图10所示半圆形槽ⅱ特征在测头坐标系o
g-xgygzg下的点云数据。
[0126]
第五步：依据点云数据的几何特征提取
[0127]
采用最小二乘法，对前后端面p1和左右端面p2、外圆柱面ⅰ和球面ⅲ、半圆形槽ⅱ的点云数据进行特征提取，针对冗余信息进行对照分析，标定测头位姿，验证标定结果的准确性。
[0128]
1)球面ⅲ特征
[0129]
根据第二步中建立的标定系统坐标框架，对球面ⅲ特征的点云数据使用最小二乘法得到拟合球面的球心(x0,y0,z0)，结合球面ⅲ球心在标准件坐标系下的校准坐标值(xs‑ⅲ
,ys‑ⅲ
,zs‑ⅲ
)确定位置量a,b,c。
[0130]
2)前后端面p1、左右端面p2特征
[0131]
基于第二步中建立的标定系统坐标框架，对前后端面p1、左右端面p2特征的点云数据使用最小二乘法得到其拟合端面的法向量分别为结合标准件坐标系o
s-x
syszs
的xs,ys,zs轴单位方向矢量确定姿态角
[0132]
3)外圆柱面ⅰ、半圆形槽ⅱ特征
[0133]
对外圆柱面ⅰ和半圆形槽ⅱ的点云数据使用最小二乘法得到拟合柱面中心轴线的方向向量和拟合半圆形槽的几何中心点(x1,y1,z1)，结合球面ⅲ的球心(x0,y0,z0)验证标定结果的准确性。
[0134]
第六步:标定测头位姿参数
[0135]
标准件坐标系o
s-x
syszs
的xs,ys,zs轴单位方向矢量分别为轴单位方向矢量分别为球面ⅲ球心在标准件坐标系下的校准坐标值(xs‑ⅲ
,ys‑ⅲ
,zs‑ⅲ
)；
[0136]
基于第五步中球面ⅲ的球心(x0,y0,z0)、左右端面p2的法向量和前后端面p1的法向量标定测头的六个位姿参数a,b,c,计算过程如下：
[0137]
1)确定姿态角
[0138]
由式(16)求解姿态角θ。
[0139][0140]
为了确定姿态角和γ，先计算的矢量积其方向遵循右手定则，之后由式(17)计算求得姿态角式(18)计算求解姿态角γ。
[0141][0142][0143]
2)确定位置量a,b,c
[0144]
由于姿态角已经确定，即旋转矩阵r
sg
已确定，通过式(19)计算求得位置量a,b,c，式中(xs‑ⅲ
,ys‑ⅲ
,zs‑ⅲ
)为标准件球面ⅲ的球心在标准件坐标系下的校准坐标值，(x0,y0,z0)为拟合球面的球心。
[0145][0146]
第七步：冗余特征验证标定结果的准确性
[0147]
根据第五步中得到的外圆柱面ⅰ中心轴线的方向向量球面ⅲ的球心(x0,y0,z0)
和半圆形槽ⅱ的几何中心点(x1,y1,z1)，计算向量和向量(x
1-x0,y
1-y0,z
1-z0)的夹角，若该夹角小于规定的阈值角度，则此次标定是有效的，反之则重新进行标定。
[0148]
至此标准件三爪卡盘装夹模式下的测头空间位姿关系标定且验证完毕。
[0149]
详细的标定流程如图11所示。
[0150]
上面结合附图对本发明的具体实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

技术特征：
1.一种复杂曲面测量系统标定用的新型标准件，其特征在于：该标准件集成了外圆柱面ⅰ、平面、球面ⅲ和半圆形槽ⅱ四种特征，具备锥形孔与内孔两种装夹特征。2.根据权利要求1所述的一种复杂曲面测量系统标定用的新型标准件，其特征在于：所述外圆柱面ⅰ与球面ⅲ同轴连接且直径一致,半圆形槽ⅱ设置在外圆柱面ⅰ与球面ⅲ之间，前后端面p1和左右端面p2均为以标准件几何中心对称分布的平面，围绕外圆柱面ⅰ周向分布；上端面p3和下端面p4垂直于外圆柱面ⅰ轴线方向并且对称式分布，锥形孔e布置在前后端面p1的几何中心，内孔f与外圆柱面ⅰ同轴且设置在标准件内部。3.一种标定方法，基于权利要求1-2任一项所述的复杂曲面测量系统标定用的新型标准件，具体步骤如下：w1：装夹标准件；w2：建立标定系统坐标框架；w3：测头坐标系o
g-x
g
y
g
z
g
至标准件坐标系o
s-x
s
y
s
z
s
的坐标变换；w4：标准件表面点云数据获取；w5：依据点云数据的几何特征提取；w6：标定测头位姿参数；w7：冗余特征验证标定结果的准确性。4.根据权利要求3所述的标定方法，其特征在于：所述w1的具体步骤为：根据复杂曲面测量系统的现场标定情况，选择对应模式装夹标准件，所述标准件具有以下两种装夹模式：1)顶尖装夹通过顶尖装夹机构的上下顶尖与标准件的锥形孔e相配合，按照自动定心原理，夹紧并限制标准件的5个自由度，完成标准件的装夹；2)三爪卡盘装夹通过三爪卡盘装夹机构的三块卡爪与标准件的内孔f相配合，依据自动定心原理，夹紧并限制标准件的4个自由度，完成标准件的装夹。5.根据权利要求3所述的标定方法，其特征在于：所述w2的具体步骤为：以下端面p4的中心点为坐标原点o
s
，标准件坐标系o
s-x
s
y
s
z
s
和测头坐标系o
g-x
g
y
g
z
g
均按右手定则建立，测头坐标系o
g-x
g
y
g
z
g
原点o
g
相对于标准件坐标系o
s-x
s
y
s
z
s
原点o
s
在x
s
、y
s
、z
s
轴方向的三个位置量分别为a,b,c，测头坐标系o
g-x
g
y
g
z
g
相对于标准件坐标系o
s-x
s
y
s
z
s
的姿态角为θ,γ，其中姿态角是测头绕测头坐标系o
g-x
g
y
g
z
g
的偏摆角；姿态角θ是测头绕测头坐标系o
g-x
g
y
g
z
g
的俯仰角；姿态角γ是测头绕测头坐标系o
g-x
g
y
g
z
g
的滚转角，a,b,c,θ,γ即为需要标定的测头空间位姿参数。6.根据权利要求3所述的标定方法，其特征在于：所述w3的具体步骤为：根据w2建立的标定系统坐标框架，由式(1)确定测头坐标系o
g-x
g
y
g
z
g
与标准件坐标系o
s-x
s
y
s
z
s
之间的坐标变换关系：d
s
＝r
sg
·
d
g
+m
sg
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
式中r
sg
的物理意义为与姿态角θ,γ相关的旋转矩阵，m
sg
＝[a,b,c]
t
其物理意义为与位置量a,b,c相关的平移矩阵，d
g
＝[x
g
,y
g
,z
g
]
t
为在测头坐标系o
g-x
g
y
g
z
g
下标准件表面的空间坐标值，d
s
＝[x
s
,y
s
,z
s
]
t
为在标准件坐标系o
s-x
s
y
s
z
s
下标准件表面转换后的空间坐标值。7.根据权利要求3所述的标定方法，其特征在于：所述w4的具体步骤为：根据复杂曲面测量系统的现场标定情况，选择对应的装夹模式约束标准件之后，系统主轴以适当的角速度匀速周向旋转标准件，主轴旋转信号触发测头进行数据采集，获得标准件表面在测头坐标系o
g-x
g
y
g
z
g
下的点云数据，其中接触式测量系统通过测头和测杆对标准件表面进行逐点的串联式采集，非接触式测量系统则通过单个或多个测头对标准件表面进行多点的并联式采集，在标准件两种装夹模式下，测头采集到的数据不同：
①
标准件顶尖装夹时，测头采集球面ⅲ、左右端面p2和上端面p3特征的点云数据；
②
标准件三爪卡盘装夹时，测头采集外圆柱面ⅰ、半圆形槽ⅱ、球面ⅲ、前后端面p1和左右端面p2特征的点云数据。8.根据权利要求3所述的标定方法，其特征在于：所述w5的具体步骤为：采用最小二乘法，对外圆柱面ⅰ、半圆形槽ⅱ、球面ⅲ、前后端面p1、左右端面p2和上端面p3的点云数据进行特征提取；1)球面ⅲ特征根据w2建立的标定系统坐标框架，对球面ⅲ特征的点云数据使用最小二乘法得到拟合球面的球心(x0,y0,z0)，结合球面ⅲ球心在标准件坐标系下的校准坐标值(x
s
‑ⅲ
,y
s
‑ⅲ
,z
s
‑ⅲ
)确定位置量a,b,c；2)前后端面p1、左右端面p2、上端面p3特征依据w2建立的标定系统坐标框架，对前后端面p1、左右端面p2和上端面p3特征的点云数据使用最小二乘法得到其拟合端面的法向量分别为和结合标准件坐标系o
s-x
s
y
s
z
s
的x
s
,y
s
,z
s
轴单位方向矢量确定姿态角θ,γ，并且和可用于标准件顶尖装夹模式下标定结果的准确性验证；3)外圆柱面ⅰ、半圆形槽ⅱ特征对外圆柱面ⅰ和半圆形槽ⅱ的点云数据使用最小二乘法得到拟合柱面中心轴线的方向向量和拟合半圆形槽的几何中心点(x1,y1,z1)，结合球面ⅲ的球心(x0,y0,z0)在标准件三爪卡盘装夹模式下验证标定结果的准确性；利用基本特征标定测头位姿，针对冗余特征，进行对照分析，验证标定结果的准确性；标准件顶尖装夹模式下用于确定测头位姿参数的基本特征是：球面ⅲ、左右端面p2和上端面p3，用于验证标定结果准确性的冗余特征是：左右端面p2和上端面p3；标准件三爪卡盘装夹模式下用于确定测头位姿参数的基本特征是：球面ⅲ、左右端面p2和前后端面p1，用于验证标定结果准确性的冗余特征是：外圆柱面ⅰ、半圆形槽ⅱ和球面ⅲ。9.根据权利要求3所述的标定方法，其特征在于：所述w6的具体步骤为：标准件坐标系o
s-x
s
y
s
z
s
的x
s
,y
s
,z
s
轴单位方向矢量分别为
标准件球面ⅲ的球心在标准件坐标系o
s-x
s
y
s
z
s
下的校准坐标值为(x
s
‑ⅲ
,y
s
‑ⅲ
,z
s
‑ⅲ
)；w6.1所述标准件顶尖装夹时，基于w5中球面ⅲ的球心(x0,y0,z0)、左右端面p2的法向量和上端面p3法向量标定测头的六个位姿参数a,b,c,θ,γ，计算过程如下：1)确定姿态角θ,γ由式(2)求解姿态角θ为了确定姿态角和γ，先计算的矢量积其方向遵循右手定则，之后由式(3)计算求得姿态角式(4)计算求解姿态角γ；式(4)计算求解姿态角γ；2)确定位置量a,b,c姿态角θ,γ已经确定，而旋转矩阵r
sg
已确定，通过式(5)求解位置量a,b,c，其中(x
s
‑ⅲ
,y
s
‑ⅲ
,z
s
‑ⅲ
)为标准件球面ⅲ的球心在标准件坐标系下的校准坐标值，(x0,y0,z0)为拟合球面的球心；w6.2所述标准件三爪卡盘装夹时，基于w5中球面ⅲ的球心(x0,y0,z0)、左右端面p2的法向量和前后端面p1法向量标定测头的六个位姿参数a,b,c,θ,γ，计算过程如下：1)确定姿态角θ,γ由式(6)求解姿态角θ为了确定姿态角和γ，先计算的矢量积其方向遵循右手定则，之后由式(7)计算求得姿态角式(8)计算求解姿态角γ；式(8)计算求解姿态角γ；2)确定位置量a,b,c由于姿态角θ,γ已经确定，即旋转矩阵r
sg
已确定，通过式(9)计算求得位置量a,b,c，式中(x
s
‑ⅲ
,y
s
‑ⅲ
,z
s
‑ⅲ
)为标准件球面ⅲ的球心在标准件坐标系下的校准坐标值，(x0,y0,z0)为拟合球面的球心。
10.根据权利要求3所述的标定方法，其特征在于：所述w7的具体步骤为：标定结果是否准确会直接影响后续零部件测量的准确性与有效性，利用标准件的冗余特征及时对标定结果进行验证；w7.1所述标准件顶尖装夹模式下的验证方式：基于w5中得到的左右端面p2的法向量上端面p3的法向量计算和的夹角，若该夹角小于规定的阈值角度，则此次标定是有效的，反之则重新进行标定；w7.2所述标准件三爪卡盘装夹模式下的验证方式：根据w5中得到的外圆柱面ⅰ中心轴线的方向向量球面ⅲ的球心(x0,y0,z0)和半圆形槽ⅱ的几何中心点(x1,y1,z1)，计算向量和向量(x
1-x0,y
1-y0,z
1-z0)的夹角，若该夹角小于规定的阈值角度，则此次标定是有效的，反之则重新进行标定；至此测头的空间位姿关系标定且验证完毕。

技术总结
本发明公开了一种复杂曲面测量系统标定用的新型标准件及标定方法，属于精密测试技术与仪器技术领域。该标准件集成了外圆柱面Ⅰ、平面、球面Ⅲ和半圆形槽Ⅱ四种特征，采用锥形孔和内孔混合的方式，既可用三爪卡盘的内撑和外夹两种方式装夹，又满足于对顶安装机构的装夹，并且基本特征同时适用于接触式测量系统和非接触式测量系统，通过充分利用冗余特征信息，提高标定结果的准确性。标定方法通过建立标定系统框架，对测头采集到的点云数据使用最小二乘法求解测头的空间位姿参数，最后标定方法依靠冗余的复合特征能有效验证标定结果的准确性。准确性。准确性。


技术研发人员：王涛 谢胜兵 黄磊 舒中洋 刘优财 苏邦伟 任致国 张越
受保护的技术使用者：湘潭市工矿电传动车辆质量检验中心
技术研发日：2023.03.30
技术公布日：2023/8/1