CN101871775A - 三坐标测量机编程***及方法 - Google Patents

三坐标测量机编程***及方法 Download PDF

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Abstract

一种三坐标测量机编程方法，该方法根据接收的工件的点云数据建立工件的三角网格模型，根据建立的三角网格模型获得三坐标测量机进行自动量测所需的量测元素、关系运算元素、工件坐标系及量测路径。本发明还提供一种三坐标测量机编程***。本发明能够快速且安全可靠地对三坐标测量机进行编程。

Description

三坐标测量机编程***及方法
技术领域
本发明涉及一种编程***及方法，特别是关于一种三坐标测量机编程***及方法。
背景技术
产品检测是生产流程中的重要环节。随着产品制造业的发展，产品生产从大批量制造变成小批量多样化制造，产品检测从抽样检测发展成全检，多样化的检验需求迫切要求企业能够快速地对不同产品实施检测。
三坐标测量机是一种高精度、高效率的尺寸量测设备。三坐标测量机可以按照事先编制的量测程序实现自动量测，而且可测量具有复杂曲面零件的形状精度。制约三坐标测量机量测速度的瓶颈是三坐标测量机的编程速度。现有的一种编程方法是在三坐标测量机所配备的客户端计算机上直接运用三坐标测量机对产品进行编程。这种编程方法编程速度慢且占用机台。另外一种编程方法是用产品的三维设计图档直接编程。这种编程方法有可能由于三维设计图档和实物不符而造成安全事故。
发明内容
鉴于以上内容，有必要提供一种三坐标测量机编程***，能够快速且安全可靠地对三坐标测量机进行编程。
此外，还有必要提供一种可快速对三坐标测量机编程方法，能够快速且安全可靠地对三坐标测量机进行编程。
一种三坐标测量机编程***，该***包括：点云接收模块，用于接收工件的点云数据；点云处理模块，用于对工件的点云数据进行预处理及三角网格化，获得工件的三角网格模型；量测元素拟合模块，用于根据工件的三角网格模型拟合不同的量测元素；元素关系运算模块，用于对量测元素进行关系运算，得到关系运算元素；坐标系建立模块，用于根据工件的三角网格模型建立工件坐标系；仿真量测模块，用于生成对各个量测元素进行量测的量测路径，根据生成的量测路径对工件进行仿真量测，并根据仿真量测结果修改生成的量测路径；及输出模块，用于将量测元素、关系运算元素、工件坐标系及量测路径输出给三坐标测量机以生成工件的量测程序。
一种三坐标测量机编程方法，该方法包括步骤：接收工件的点云数据；对工件的点云数据进行预处理及三角网格化，获得工件的三角网格模型；根据工件的三角网格模型拟合不同的量测元素；对量测元素进行关系运算，得到关系运算元素；根据工件的三角网格模型建立工件坐标系；生成对各个量测元素进行量测的量测路径，根据生成的量测路径对工件进行仿真量测，并根据仿真量测结果修改生成的量测路径；及将量测元素、关系运算元素、工件坐标系及量测路径输出给三坐标测量机以生成工件的量测程序。
本发明利用工件的点云数据构建工件的三角网格模型，根据工件的三角网格模型获得工件的量测元素信息及关系运算元素，以及获得三坐标测量机进行自动量测所需的量测元素、关系运算元素、工件坐标系及量测路径。并且，获得的量测路径经过仿真量测，避免了量测过程发生碰撞的可能。
附图说明
图1为本发明三坐标测量机编程***的实施环境示意图。
图2为本发明三坐标测量机编程***的功能模块图。
图3为本发明三坐标测量机编程***的方法流程图。
具体实施方式
参阅图1所示，是本发明三坐标测量机编程***的实施环境示意图。
所述实施环境主要包括扫描装置11、计算机12及三坐标测量机13。计算机12分别与扫描装置11及三坐标测量机13相连。所述扫描装置11扫描工件14以获得工件14的点云数据。所述扫描装置11可以是接触式扫描仪，例如探针式扫描仪，还可以是非接触式扫描仪，例如光学镜头(CCD)扫描仪、三维激光扫描仪。在本实施例中，采用三维激光扫描仪快速获取工件14的点云数据。所述三坐标测量机编程***10运行于计算机12中，三坐标测量机编程***10根据从扫描装置11接收的工件14的点云数据建立工件14的三角网格模型，根据建立的三角网格模型获得工件14的量测元素信息及关系运算元素，以及获得三坐标测量机13进行自动量测所需的量测元素、关系运算元素、工件坐标系及量测路径。三坐标测量机13根据所述量测元素、关系运算元素、工件坐标系及量测路径，对工件14的同种工件进行测量。
参阅图2所示，是三坐标测量机编程***的功能模块图。
所述三坐标测量机编程***10包括点云接收模块200、点云处理模块210、量测元素拟合模块220、元素关系运算模块230、坐标系建立模块240、仿真量测模块250及输出模块260。
所述点云接收模块200用于从扫描装置11接收工件14的点云数据。
所述点云处理模块210用于对工件14的点云数据进行预处理及三角网格化，获得工件14的三角网格模型。所述预处理包括去除点云数据中的重叠点、噪声点，以及对点云数据进行精简。所述噪声点是指偏离正常位置的幅度较大的点。点云数据的精简包括曲率过滤、均值过滤等。预处理的目的是要获得数据量较少、不失真且较均匀的点云，以提高三角网格化的速度和准确度。所述三角网格化就是构造一系列的三角形，组成一个三角网格模型来逼近原来的模型。每个三角形用其三个顶点坐标和一个法向量来描述。三角网格化常用的方法包括迭代法、迪式(Delaunay)算法。
所述量测元素拟合模块220用于根据工件14的三角网格模型拟合不同的量测元素，并获取工件14的量测元素信息。所述量测元素包括线、面、圆、球、圆柱、圆锥、圆环等。在本实施例中，量测元素拟合模块220根据最小二乘原理用拟牛顿迭代方法拟合不同的量测元素。所述量测元素信息用以描述对应的量测元素。例如，线的信息包括线的起始点、结束点及线的法向；面的信息包括面的中心点和面的法向；圆的信息包括圆心、圆的半径和圆的法向；圆柱的信息包括圆柱的中心点、半径、高度及圆柱的法向；球的信息包括球心和球的半径；圆锥的信息包括圆锥的大小半径及圆锥的法向；圆环的信息包括圆环的长短轴及圆环的法向。
所述元素关系运算模块240用于对量测元素进行关系运算，得到关系运算元素，并获取工件14的关系运算元素信息。所述关系运算包括对量测元素进行拟合、计算量测元素的中间元素以及计算量测元素的相交元素。所述关系运算元素包括点、线、面、圆、球、圆柱、圆锥、圆环等。举例来说，对量测元素进行拟合包括将多个圆拟合为一个圆锥，计算量测元素的中间元素包括计算两条线的中线，计算量测元素的相交元素包括计算两个面的交线。在本实施例中，根据最小二乘原理用拟牛顿迭代方法对量测元素进行拟合。与上述量测元素信息相类似，所述关系运算元素信息用以描述对应的关系运算元素。
所述坐标系建立模块230用于根据工件14的三角网格模型建立工件坐标系。可以采用如下方法建立工件坐标系：根据工件14的三角网格模型拟合一个面，旋转机械坐标系使机械坐标系Z轴法向和该面法向重合，从而确定第一个坐标轴(即确定基准面)；根据工件14的三角网格模型拟合一条线，旋转机械坐标系使得机械坐标系Z轴法向和该线法向重合，从而确定第二个坐标轴；按右手法则将第一个坐标轴叉乘第二个坐标轴得到第三个坐标轴；测量工件14的三角网格模型的一个点作为工件坐标系的原点。
所述仿真量测模块250用于生成各个量测元素的量测点、安全面控制点、接近距离点及回弹距离点，根据量测元素的量测点、安全面控制点、接近距离点及回弹距离点生成量测路径。所述量测元素的量测点用于确定相对应的量测元素信息。所述量测点、安全面控制点、接近距离点及回弹距离点确定了三坐标测量机13的运动路径。举例来说，当量测元素为线时，量测点包括线的起始点与结束点。
所述仿真量测模块250还用于根据生成的量测路径对工件14进行仿真量测，若仿真量测过程中发生碰撞，则在工件14的三角网格模型中标示发生碰撞的三角形，并根据标示的发生碰撞的三角形修改量测路径。仿真量测的方法如下：导入三坐标测量机13的三维模型，若三坐标测量机13的三维模型不是三角网格模型，则将三坐标测量机13的三维模型转化为三角网格模型；根据生成的量测路径移动三坐标测量机13的三角网格模型与/或工件14的三角网格模型，判断移动过程中工件14与三坐标测量机13是否发生碰撞，并在工件14的三角网格模型中标示发生碰撞的三角形。
判断工件14与三坐标测量机13是否发生碰撞，并在工件14的三角网格模型中标示发生碰撞的三角形的方法如下：根据三坐标测量机13及工件14的三角网格模型分别对三坐标测量机13的各个部件和工件14构造包围盒，判断工件14的包围盒与三坐标测量机13的各个部件的包围盒是否相交；如果相交，则将相交的三坐标测量机13的部件的包围盒和工件14的包围盒分割为大小相等的子包围盒，根据分割的子包围盒搜索工件14的三角网格模型中到相交的三坐标测量机13的部件的最小距离等于0的三角形，搜索到的三角形为发生碰撞的三角形。三坐标测量机13包括测针、X轴部件、Y轴部件、Z轴部件等部件。
所述输出模块260用于输出工件14的量测元素信息及关系运算元素信息，以及将量测元素、关系运算元素、工件坐标系及量测路径输出给三坐标测量机13。工件14的量测元素信息及关系运算元素信息可以以文本格式、数据库格式或者图形格式输出。量测元素、关系运算元素、工件坐标系及量测路径可以以尺寸测量接口标准(Dimensional MeasurementInterface Specification，DMIS)的格式输出。
参阅图3所示，是本发明三坐标测量机编程方法的主流程图。
步骤S301，点云接收模块200从扫描装置11接收工件14的点云数据。
步骤302，点云处理模块210对工件14的点云数据进行预处理及三角网格化，获得工件14的三角网格模型。所述预处理包括去除点云数据中的重叠点、噪声点，以及对点云数据进行精简。点云数据的精简包括曲率过滤、均值过滤等。预处理的目的是要获得数据量较少、不失真且较均匀的点云，以提高三角网格化的速度和准确度。所述三角网格化就是构造一系列的三角形，组成一个三角网格模型来逼近原来的模型。每个三角形用其三个顶点坐标和一个法向量来描述。三角网格化常用的方法包括迭代法、迪式(Delaunay)算法。
步骤S303，量测元素拟合模块220根据工件14的三角网格模型拟合不同的量测元素，并获取工件14的量测元素信息。所述量测元素包括线、面、圆、球、圆柱、圆锥、圆环等。在本实施例中，量测元素拟合模块220根据最小二乘原理用拟牛顿迭代方法拟合不同的量测元素。所述量测元素信息用以描述对应的量测元素。例如，线的信息包括线的起始点、结束点及线的法向；面的信息包括面的中心点和面的法向；圆的信息包括圆心、圆的半径和圆的法向；圆柱的信息包括圆柱的中心点、半径、高度及圆柱的法向；球的信息包括球心和球的半径；圆锥的信息包括圆锥的大小半径及圆锥的法向；圆环的信息包括圆环的长短轴及圆环的法向。
步骤S304，元素关系运算模块230对量测元素进行关系运算，得到关系运算元素，并获取工件14的关系运算元素信息。所述关系运算包括对量测元素进行拟合、计算量测元素的中间元素以及计算量测元素的相交元素。所述关系运算元素包括点、线、面、圆、球、圆柱、圆锥、圆环等。举例来说，对量测元素进行拟合包括将多个圆拟合为一个圆锥，计算量测元素的中间元素包括计算两条线的中线，计算量测元素的相交元素包括计算两个面的交线。在本实施例中，根据最小二乘原理用拟牛顿迭代方法对量测元素进行拟合。与上述量测元素信息相类似，所述关系运算元素信息用以描述对应的关系运算元素。
步骤S305，坐标系建立模块240根据工件14的三角网格模型建立工件坐标系。可以采用如下方法建立工件坐标系：根据工件14的三角网格模型拟合一个面，旋转机械坐标系使机械坐标系Z轴法向和该面法向重合，从而确定第一个坐标轴(即确定基准面)；根据工件14的三角网格模型拟合一条线，旋转机械坐标系使得机械坐标系Z轴法向和该线法向重合，从而确定第二个坐标轴，按右手法则将第一个坐标轴叉乘第二个坐标轴得到第三个坐标轴；测量工件14的三角网格模型的一个点作为工件坐标系的原点。
步骤S306，仿真量测模块250生成各个量测元素的量测点、安全面控制点、接近距离点及回弹距离点，根据量测元素的量测点、安全面控制点、接近距离点及回弹距离点生成量测路径。所述量测元素的量测点用于确定相对应的量测元素信息。所述量测点、安全面控制点、接近距离点及回弹距离点确定了三坐标测量机13的运动路径。举例来说，当量测元素为线时，量测点包括线的起始点与结束点。
步骤S307，仿真量测模块250根据生成的量测路径对工件14进行仿真量测，若仿真量测过程中发生碰撞，则在工件14的三角网格模型中标示发生碰撞的三角形。否则，若不发生碰撞，则执行步骤S309。仿真量测的方法如下：导入三坐标测量机13的三维模型，若三坐标测量机13的三维模型不是三角网格模型，则将三坐标测量机13的三维模型转化为三角网格模型；根据生成的量测路径移动三坐标测量机13的三角网格模型与/或工件14的三角网格模型，判断移动过程中工件14与三坐标测量机13是否发生碰撞，并在工件14的三角网格模型中标示发生碰撞的三角形。
判断工件14与三坐标测量机13是否发生碰撞，并在工件14的三角网格模型中标示发生碰撞的三角形的方法如下：根据三坐标测量机13及工件14的三角网格模型分别对三坐标测量机13的各个部件和工件14构造包围盒，判断工件14的包围盒与三坐标测量机13的各个部件的包围盒是否相交；如果相交，则将相交的三坐标测量机13的部件的包围盒和工件14的包围盒分割为大小相等的子包围盒，根据分割的子包围盒搜索工件14的三角网格模型中到相交的三坐标测量机13的部件的最小距离等于0的三角形，搜索到的三角形为发生碰撞的三角形。三坐标测量机13包括测针、X轴部件、Y轴部件、Z轴部件等部件。
步骤S308，仿真量测模块250根据标示的发生碰撞的三角形修改量测路径，然后返回步骤S307，根据修改后的量测路径重新对工件14进行仿真量测。
步骤S309，输出模块160输出工件14的量测元素信息及关系运算元素信息，以及将量测元素、关系运算元素、工件坐标系及量测路径输出给三坐标测量机13。工件14的量测元素信息及关系运算元素信息可以以文本格式、数据库格式或者图形格式输出。量测元素、关系运算元素、工件坐标系及量测路径可以以尺寸测量接口标准(Dimensional MeasurementInterface Specification，DMIS)的格式输出。

Claims (10)

1.一种三坐标测量机编程***，其特征在于，该***包括：
点云接收模块，用于接收工件的点云数据；
点云处理模块，用于对工件的点云数据进行预处理及三角网格化，获得工件的三角网格模型；
量测元素拟合模块，用于根据工件的三角网格模型拟合不同的量测元素；
元素关系运算模块，用于对量测元素进行关系运算，得到关系运算元素；
坐标系建立模块，用于根据工件的三角网格模型建立工件坐标系；
仿真量测模块，用于生成对各个量测元素进行量测的量测路径，根据生成的量测路径对工件进行仿真量测，并根据仿真量测结果修改生成的量测路径；及
输出模块，用于将量测元素、关系运算元素、工件坐标系及量测路径输出给三坐标测量机以生成工件的量测程序。
2.如权利要求1所述的三坐标测量机编程***，其特征在于，所述预处理包括去除点云数据中的重叠点、噪声点，以及对点云数据进行精简。
3.如权利要求1所述的三坐标测量机编程***，其特征在于，所述量测元素拟合模块根据最小二乘原理用拟牛顿迭代方法拟合不同的量测元素。
4.如权利要求1所述的三坐标测量机编程***，其特征在于，所述仿真量测模块在进行仿真量测过程中利用包围盒对碰撞进行检测。
5.如权利要求1所述的三坐标测量机编程***，其特征在于，所述量测元素拟合模块还用于获取工件的量测元素信息，所述元素关系运算模块还用于获取工件的关系运算元素信息，所述输出模块还用于输出工件的量测元素信息及关系运算元素信息。
6.一种三坐标测量机编程方法，其特征在于，该方法包括步骤：
接收工件的点云数据；
对工件的点云数据进行预处理及三角网格化，获得工件的三角网格模型；
根据工件的三角网格模型拟合不同的量测元素；
对量测元素进行关系运算，得到关系运算元素；
根据工件的三角网格模型建立工件坐标系；
生成对各个量测元素进行量测的量测路径，根据生成的量测路径对工件进行仿真量测，并根据仿真量测结果修改生成的量测路径；及
将量测元素、关系运算元素、工件坐标系及量测路径输出给三坐标测量机以生成工件的量测程序。
7.如权利要求6所述的三坐标测量机编程方法，其特征在于，所述预处理包括去除点云数据中的重叠点、噪声点，以及对点云数据进行精简。
8.如权利要求6所述的三坐标测量机编程方法，其特征在于，所述根据工件的三角网格模型拟合不同的量测元素是根据最小二乘原理用拟牛顿迭代方法拟合不同的量测元素。
9.如权利要求6所述的三坐标测量机编程方法，其特征在于，所述根据生成的量测路径对工件进行仿真量测的过程中利用包围盒对碰撞进行检测。
10.如权利要求6所述的三坐标测量机编程方法，其特征在于，所述根据工件的三角网格模型拟合不同的量测元素之后还包括获取工件的量测元素信息，所述对量测元素进行关系运算，得到关系运算元素之后还包括获取工件的关系运算元素信息，并且在获取工件的量测元素信息及获取工件的关系运算元素信息还包括输出工件的量测元素信息及关系运算元素信息。
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