[發(fā)明專利]一種大尺寸平板類模具空間姿態(tài)的分布式精密測量裝置及方法

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• 申請日: 2020-12-11
• 公開（公告）號: CN112648938A
• 公開（公告）日: 2021-04-13
• 發(fā)明（設計）人: 葉文華;楊高杰;葉柳康;陳西忍;儲祥宇
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: G01B11/26
• 分類號: G01B11/26;G01B11/24;G01C1/00;G01C15/00
• 代理公司: 江蘇圣典律師事務所 32237
• 代理人: 陶得天

1.一種大尺寸平板類模具空間姿態(tài)的分布式精密測量裝置，其特征在于，所述測量裝置包括四套搭載線激光輪廓儀(2)的三維高精運動機構(1)、XYZ三向偏角測量與控制系統(tǒng)(3)以及控制計算機(4)，四套所述三維高精運動機構(1)以及控制計算機(4)都安裝在工作臺(8)上，所述XYZ三向偏角測量與控制系統(tǒng)(3)安裝在所述控制計算機(4)上，通過XYZ三向偏角測量與控制系統(tǒng)(3)分別控制四套所述三維高精運動機構(1)，使得固定安裝在四套所述三維高精運動機構(1)橫向?qū)к壣系乃膫€線激光輪廓儀(2)分別進行X、Y、Z三向的運動；

所述XYZ三向偏角測量與控制系統(tǒng)(3)用于對所述激光輪廓儀(2)三維測量數(shù)據(jù)進行實時采集、分析與模具(5)在XYZ三個方向的偏角評定。

2.根據(jù)權利要求1所述的一種大尺寸平板類模具空間姿態(tài)的分布式精密測量裝置，其特征在于，所述工作臺(8)上固定連接有多個豎直設置的可調(diào)支撐柱，所述模具(5)放置在多個可調(diào)支撐柱上，結合控制計算機(4)的數(shù)據(jù)對多個所述可調(diào)支撐柱的長度分別進行調(diào)節(jié)，最終使得模具(5)保持水平狀態(tài)；

所述模具(5)的凸起面為待加工面、且底面呈平面狀，所述模具(5)上表面的邊緣處開設有四個沉槽，四個所述沉槽均布在模具(5)的四周，所述沉槽的槽底為小平面(6)，其中兩個小平面(6)上開設有圓錐孔(7)，兩圓錐孔(7)沿模具(5)中心對稱設置。

3.根據(jù)權利要求1所述的一種大尺寸平板類模具空間姿態(tài)的分布式精密測量裝置，其特征在于，四套所述搭載線激光輪廓儀(2)的三維高精運動機構(1)分布安裝在工作臺(8)的四個方位上，安裝XYZ三向偏角測量與控制系統(tǒng)(3)的所述控制計算機(4)也放置在工作臺(8)上。

4.根據(jù)權利要求1所述的一種大尺寸平板類模具空間姿態(tài)的分布式精密測量裝置，其特征在于，所述三維高精運動機構(1)包括兩兩保持垂直的縱向?qū)к?、豎直導軌以及橫向?qū)к?，所述縱向?qū)к壦皆O置、且其固定連接在工作臺上，所述豎直導軌豎直設置、且其底部滑動連接在縱向?qū)к壣?，所述橫向?qū)к壦皆O置、且其中部滑動連接在豎直導軌上，所述激光輪廓儀(2)安裝在橫向?qū)к壣?，并可對激光輪廓儀(2)的安裝位置進行微調(diào)；

所述三維高精運動機構(1)還包括三個以伺服電機作為動力源的伺服直線驅(qū)動器，三個所述伺服直線驅(qū)動器分別連接在縱向?qū)к壍亩祟^處、豎直導軌的底部以及橫向?qū)к壍亩祟^處，通過三個所述伺服直線驅(qū)動器驅(qū)動豎直導軌沿豎直方向做上下運動，或驅(qū)動縱向?qū)к壯厮椒较蜃銮昂笾本€往復運動，或驅(qū)動固定安裝有線激光輪廓儀(2)的橫向?qū)к壯厮椒较蜃鲎笥彝鶑瓦\動。

5.根據(jù)權利要求1所述的一種大尺寸平板類模具空間姿態(tài)的分布式精密測量裝置，其特征在于，控制計算機(4)向多軸運動控制器發(fā)送運動位移指令，多軸運動控制器控制各個伺服直線驅(qū)動器中的伺服電機運動，從而控制搭載激光輪廓儀(2)的三維高精運動機構(1)作XYZ三向運動。

6.一種基于權利要求1所述的大尺寸平板類模具空間姿態(tài)的分布式精密測量裝置的測量方法，其特征在于，按以下方法進行測量：

S1、系統(tǒng)標定：建立系統(tǒng)的坐標轉(zhuǎn)換模型，主要包括激光輪廓儀坐標系(O_L-X_LY_LZ_L)、三維高精運動機構坐標系(O_P-X_PY_PZ_P)和機床坐標系(O_M-X_MY_MZ_M)，為了實現(xiàn)測量系統(tǒng)中坐標系的統(tǒng)一，需要通過標定得到坐標系之間的轉(zhuǎn)換矩陣。先將激光輪廓儀坐標系標定到運動機構坐標系，通過高斯-牛頓迭代法求解出三維高精運動機構坐標系與機床坐標系的坐標轉(zhuǎn)換關系，實現(xiàn)坐標系的統(tǒng)一；

S2、機構初始化：XYZ三向偏角測量與控制系統(tǒng)、激光輪廓儀、三維高精運動機構初始化；

S3、三維高精運動機構控制：四套搭載線激光輪廓儀(2)的三維高精運動機構(1)分別對分布在模具(5)上表面的四個角或四條邊的被測表面從一邊到另一邊進行自動掃描測量；先測量模具(5)上表面的幾個小平面(6)，再測量對角或者對邊小平面(6)上任意兩個圓錐孔(7)；

S4、實時位移數(shù)據(jù)采集：在掃描測量過程中，線激光輪廓儀(2)處于輪廓模式，XYZ三向偏角測量與控制系統(tǒng)(3)每隔一定時間讀取線激光輪廓儀(2)產(chǎn)生的一條輪廓線數(shù)據(jù)，直至掃描完成，最后得到一系列被測表面輪廓線數(shù)據(jù)，采集這些包含表面信息的輪廓數(shù)據(jù)；

S5、數(shù)據(jù)處理：

S5.1、擬合模具上表面小平面得出平面方程：對采集得到的每個小平面(6)數(shù)據(jù)點按Z坐標值進行排序，去掉前面一小部分的最大點和后面一小部分的最小點，將剩下所有數(shù)據(jù)點從線激光輪廓儀的局部坐標系轉(zhuǎn)換到機床坐標系上，按最小二乘法進行空間平面擬合，最小二乘評定法原理是指測量結果的最可信賴值應在殘余誤差平方和為最小的條件下求解令:最小，即

x_i、y_i、z_i：測得的數(shù)據(jù)點的坐標值

Q：殘余誤差平方和

A、B、C為平面方程Ax+By-z+C＝0的方程系數(shù)；

確定系數(shù)矩陣中A，B，C的值之后，即可得到擬合平面的方程為Ax+By-z+C＝0獲得所在平面后，求平面的法向矢量，即可求得模具上表面與兩個坐標軸，即與機床坐標系X軸、Y軸相應的偏角；

S5.2、通過模具上表面小平面上兩孔圓心坐標擬合直線得出直線方程：對兩圓錐孔(7)測量所得到的二個圓心坐標，分別從線激光輪廓儀的局部坐標系轉(zhuǎn)換到機床坐標系上，計算這二個點所表示的空間直線方程，并求得這條直線在XOY平面上的投影與X軸(或Y軸)的夾角，即繞Z軸的轉(zhuǎn)角；

S5.3、得出模具空間位姿：通過步驟S5.1、S5.2得到模具(5)上表面與機床坐標系X、Y軸的偏角和繞Z軸的轉(zhuǎn)角后，即可得出模具(5)的空間姿態(tài)。