[發明專利]用于接觸式測頭測量中提取二維輪廓的準形態學濾波方法

有效

• 申請號: 201410318667.6
• 申請日: 2014-07-04
• 公開（公告）號: CN104089599B
• 公開（公告）日: 2017-01-25
• 發明（設計）人: 石照耀;王笑一
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: G01B21/20
• 分類號: G01B21/20
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司11203
• 代理人: 紀佳

技術領域

本發明是一種在三坐標測量機、齒輪測量中心、齒輪整體誤差測量儀等精密測量儀器上使用接觸式測頭對精密加工的機械零件進行測量時，從測量數據中提取被測工件二維輪廓的方法，屬于精密測試技術及儀器技術領域。

背景技術

三坐標測量機、齒輪測量中心和齒輪整體誤差測量儀等精密測量儀器所使用的測頭可分為接觸式測頭與非接觸式測頭兩類，以接觸式測頭最為常見。所使用的測頭的端部輪廓有球形、倒錐形、盤形、錐形、漸開線形等形式，以球形最為常見。為敘述方便，本文中將上述精密測量儀器統稱為測量機。測量機通過各種形狀的測頭與被測物體進行觸發式或掃描式的接觸測量時，只能直接獲得測頭端部輪廓的參考點的坐標，并不能直接獲得被測物體上各輪廓點的坐標，而是要經過數據處理才能計算得出被測物體的幾何尺寸、形狀和位置等輪廓信息。圖1所示為各種輪廓形狀的測頭及對應的參考點位置。為了敘述的清晰準確，以下把測量機能夠直接獲得的測頭端部輪廓的參考點坐標稱為“直接測量數據”，把被測輪廓上與測頭直接接觸的點稱為“被測點”。在傳統的二維輪廓提取方法中，被測點的坐標數據是由直接測量數據經過測頭半徑補償計算得到的。

例如，測量機采用球形測頭進行接觸式測量時，由于測頭半徑的影響，測量機得到的直接測量數據并不是測頭所觸及的工件表面點的坐標，而是測頭球心坐標。當被測點的表面法矢方向和測量方向一致時，被測點和測頭球心在測量方向上相差一個測頭半徑值。通常測頭半徑在0.25～20mm之間，因此當測量精度要求較高時，必須對測量數據進行測頭半徑補償處理，否則會引入較大的測量誤差。

目前在測量機上廣泛采用測頭半徑二維自動補償的方法從測量數據中提取被測工件的二維輪廓，常用的補償算法有理論模型法、近似曲線方程法和三點共圓法等。

其中，理論模型法即使用CAD理論模型提供的信息，由被測零件的CAD模型獲得被測輪廓上各個被測點處的理論法線方向，沿該法線方向進行測量和測頭半徑的補償。這種方法的缺點是由于被測工件存在誤差，實際接觸點和理論接觸點常常是不一致的，從而導致測頭半徑補償誤差。

近似曲線方程法包括多項式最小二乘擬合法、樣條函數插值法等擬合或插值方法，其共同原理都是對離散的直接測量數據進行擬合或插值，得到與被測二維輪廓近似的可導的曲線方程，從而估算出被測二維輪廓在被測點處的法線方向，再沿該法線方向進行測頭半徑的補償。這種方法的缺點有二：其一，曲線擬合過程是對直接測量數據的整體進行優化，其擬合結果對某些局部而言并不是最佳近似，這會導致部分位置的測頭半徑補償誤差的最大值變大；其二，這種方法需要求得的近似曲線方程必須是一階可導的，當實際測量得到的直接測量數據所代表的測頭中心軌跡的曲率變化較大時，插值曲線會出現“龍格”現象，得到的曲線方程會發生振蕩，直接測量數據點處估算出的法線方向會產生很大的失真，測頭半徑補償誤差也會隨之急劇變大。

三點共圓法，以及三維補償中的三角面片法、四點共球法等方法的核心思想都是利用實際被測點臨近區域的多個直接測量數據估算被測點的法線方向，其缺陷是參與計算的數據如何選取沒有統一的規則，選取不同的數據所得到的結果會有很大差異，無法確認所估算的法線方向的正確性，因而無法保證補償結果的有效性。

此外，某些新型的掃描式測頭系統中集成有測量力傳感器，可以在給出直接測量數據點坐標的同時給出測量力的方向，進而可以用該方向作為實際接觸點的法線方向進行測頭半徑的補償。這種方法的缺點是掃描測量過程中測頭與工件表面之間存在相對滑動，因而產生的摩擦力會顯著影響測量力的方向，進而影響測頭半徑補償的精度。

包括上述理論模型法、近似曲線方程法、三點共圓法和測量力傳感器法等在內的任何一種現有的測頭半徑補償方法的基本思想都是必須首先估算出被測輪廓在各個被測點處的法線方向，然后把測球中心坐標沿該方向進行偏移，得到補償后的各被測點的坐標，再由這些補償后的被測點坐標得出被測工件的二維輪廓。這些方法最終得到的被測工件的二維輪廓都是由離散點組成的。

發明內容

本發明提出一種新的通過測頭半徑補償提取被測工件的二維輪廓的方法，稱為準形態學濾波方法。