CN105627918B - 用于视觉精密测量的轴孔基准现场快速引出工装及方法 - Google Patents

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本发明属于几何量精密测量技术领域，具体涉及一种用于视觉精密测量的轴孔基准现场快速引出工装及方法，目的提供一种引出工装及方法。该工装包括轴基准引出工装和孔基准引出工装。该方法包括建立工装坐标系、标注定向反射球球心在工装坐标系下的三维坐标值、安装轴孔基准现场快速引出工装、测量和数据处理五个步骤。本发明的引出工装和基于该工装的方法能够有效解决应用视觉精密测量***测量以轴或孔的轴线与基准平面的交点作为基准点定义工件坐标系的大型机械部件时，测量坐标系与工件坐标系的现场快速建立问题。

Description

用于视觉精密测量的轴孔基准现场快速引出工装及方法
技术领域
本发明属于几何量精密测量技术领域，具体涉及一种用于视觉精密测量的轴孔基准现场快速引出工装及方法。
背景技术
几何量精密测量中，通常需要对被测工件坐标系进行测量，分析被测工件的几何形位误差，或获取工件坐标系与测量坐标系的空间关系，进而完成测量任务。由于轴孔形式大量存在于机械零部件中，以轴或孔的轴线与基准平面的交点作为基准点定义工件坐标系是一种常见的坐标系定义方法。面对上述测量问题，在接触式测量中，例如利用三坐标测量机对被测工件进行测量，可以直接利用坐标机测头在轴或孔壁上进行采点测量，通过圆柱拟合等数据处理方法获得轴孔的轴线与基准平面的交点，进而测得工件坐标系。
在视觉精密测量中，需要在测量空间内设置可视特征，测量的结果是设置特征在空间的三维坐标，利用视觉方法解决上述以轴孔定义自身坐标系的被测工件的测量问题时，需要建立轴孔实物基准与视觉测量可视特征之间的关系，即视觉精密测量中的轴孔基准引出问题。
发明内容
本发明的目的提供一种用于视觉精密测量的轴孔基准现场快速引出工装及方法。
本发明是这样实现的：
一种用于视觉精密测量的轴孔基准现场快速引出工装，包括轴基准引出工装和孔基准引出工装。
如上所述的轴基准引出工装包括轴基准引出端头、第一引出杆和第一定向反射球；其中，轴基准引出端头为金属制圆环状，轴基准引出端头内部为配合孔，其内径与轴尺寸相匹配，前部端面为基准平面；第一引出杆为短边水平放置的“√”形，第一引出杆的一端与轴基准引出端头的一端连接，另一端安装第一定向反射球。
如上所述的孔基准引出工装包括孔基准引出端头、第二引出杆和第二定向反射球，孔基准引出端头为阶梯状圆台，前端直径小于后端直径，前端部分作为配合销，第二引出杆的一端与孔基准引出端头的后端端面连接，第二引出杆的另一端安装第二定向反射球。
一种基于如上所述的用于视觉精密测量的轴孔基准现场快速引出工装的引出方法，包括如下步骤：
第一步：建立工装坐标系；
第二步：标注定向反射球球心在工装坐标系下的三维坐标值；
第三步：安装轴孔基准现场快速引出工装；
第四步：测量；
第五步：数据处理。
如上所述的建立工装坐标系步骤，以轴基准引出工装的轴基准引出端头前端端面和孔基准引出工装孔基准引出端头的前段圆环状台面分别为两件工装坐标系的XOY平面，轴基准引出端头的孔或孔基准引出工装孔基准引出端头的配合销的轴线与基准平面的交点为坐标系原点O，定向反射球的球心在基准平面上的投影点与原点O的连线为坐标系X轴，方向由原点指向投影点，轴基准引出端头的孔或孔基准引出工装孔基准引出端头的配合销的轴线为坐标系Z轴，方向由原点指向定向反射球所在方向。
如上所述的建立工装坐标系步骤，在计量型高精度三坐标机上精确标定出定向反射球球心在各自工装坐标系下的三维坐标值。
如上所述的安装轴孔基准现场快速引出工装步骤，将基准引出工装安装到被测机械部件的基准轴或基准孔上。
如上所述的测量步骤，利用视觉精密测量***测量出定向反光球球心的空间坐标；使引出工装分别绕轴基准引出端头的孔或孔基准引出工装孔基准引出端头的配合销的轴线旋转，利用视觉精密测量***测量定向发光球，再旋转工装，再测量，直至工装旋转一周。
如上所述的数据处理步骤，利用定向反光球的空间三维坐标及其在工装坐标系下的坐标值进行数据处理，求解出工装坐标系原点O在测量坐标系下的三维坐标。
如上所述的数据处理步骤，具体包括如下步骤：
(1)获得平面法线矢量(A,B,C)；
设基准引出工装整个旋转过程中定向反光球在测量坐标系下的空间坐标为(Xm1,Ym1,Zm1)、(Xm2,Ym2,Zm2)、…、(Xmn,Ymn,Zmn)(n≥4)，定向反光球在工装坐标系下的坐标值为(Xa,0,Za)；
由定向反光球球心点坐标测量过程可知，所有点在同一平面内，设其平面方程为AX+BY+CZ+D＝0；将(Xmi,Ymi,Zmi)(i＝1,2,…,n,n≥4)带入方程构成联立方程组，求解出平面方程参数(A,B,C,D)，获得平面法线矢量(A,B,C)；
(2)计算圆心坐标(Xc，Yc，Zc)；
由定向反光球球心点坐标测量过程可知，所有点在同一个圆上，设其方程为(X-Xc)2+(Y-Yc)2+(Z-Zc)2＝R2，将所有点坐标带入方程可求解出未知参数(Xc，Yc，Zc)和R；
(3)计算工作坐标系原点O在测量坐标系下的坐标值(Xo，Yo，Zo)；
利用矢量(A,B,C)和坐标(Xc，Yc，Zc)得到空间一条过(Xo，Yo，Zo)且矢量方向为(A,B,C)的直线方程，该直线为工装坐标系的Z轴，沿直线方向补偿距离Za，求得工作坐标系原点O在测量坐标系下的坐标值(Xo，Yo，Zo)。
本发明的有益效果是：
本发明的引出工装和基于该工装的方法能够有效解决应用视觉精密测量***测量以轴或孔的轴线与基准平面的交点作为基准点定义工件坐标系的大型机械部件时，测量坐标系与工件坐标系的现场快速建立问题。
附图说明
图1是本发明的一种用于视觉精密测量的轴孔基准现场快速引出工装的轴基准引出工装的结构示意图；
图2是本发明的一种用于视觉精密测量的轴孔基准现场快速引出工装的孔基准引出工装的结构示意图；
图3是使用本发明的一种用于视觉精密测量的轴孔基准现场快速引出工装的孔基准引出工装的方法的流程图；
图中：1.轴基准引出端头，2.第一引出杆，3.第一定向反射球，4.孔基准引出端头，5.第二引出杆，6.第二定向反射球。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的一种用于视觉精密测量的轴孔基准现场快速引出工装及方法进行介绍：
一种用于视觉精密测量的轴孔基准现场快速引出工装，包括轴基准引出工装和孔基准引出工装，其中，如图1所示，轴基准引出工装包括轴基准引出端头1、第一引出杆2和第一定向反射球3。其中，轴基准引出端头1为金属制圆环状，它的内部为配合孔，其内径与轴尺寸相匹配，它的前部端面为基准平面。第一引出杆2为短边水平放置的“√”形，第一引出杆的一端与轴基准引出端头的一端连接，另一端安装第一定向反射球3。如图2所示，孔基准引出工装包括孔基准引出端头4、第二引出杆5和第二定向反射球6，孔基准引出端头4为阶梯状圆台，前端直径小于后端直径，前端部分作为配合销，第二引出杆5的一端与孔基准引出端头4的后端端面连接，第二引出杆5的另一端安装第二定向反射球。
如图3所示，一种使用上述工装进行用于视觉精密测量的轴孔基准现场快速引出方法，包括如下步骤：
第一步：建立工装坐标系；
以轴基准引出工装的轴基准引出端头前端端面和孔基准引出工装孔基准引出端头4的前段圆环状台面分别为两件工装坐标系的XOY平面，轴基准引出端头的孔或孔基准引出工装孔基准引出端头4的配合销的轴线与基准平面的交点为坐标系原点O，定向反射球的球心在基准平面上的投影点与原点O的连线为坐标系X轴，方向由原点指向投影点，轴基准引出端头的孔或孔基准引出工装孔基准引出端头4的配合销的轴线为坐标系Z轴，方向由原点指向定向反射球所在方向。
第二步：标定定向反射球球心在工装坐标系下的三维坐标值；
在计量型高精度三坐标机上精确标定出定向反射球球心在各自工装坐标系下的三维坐标值。
第三步：安装轴孔基准现场快速引出工装；
将基准引出工装安装到被测机械部件的基准轴或基准孔上。
第四步：测量；
利用视觉精密测量***测量出定向反光球球心的空间坐标；使引出工装分别绕轴基准引出端头的孔或孔基准引出工装孔基准引出端头4的配合销的轴线旋转，利用视觉精密测量***测量定向发光球，再旋转工装，再测量，直至工装旋转一周。
第五步：数据处理；
利用定向反光球的空间三维坐标及其在工装坐标系下的坐标值进行数据处理，求解出工装坐标系原点O在测量坐标系下的三维坐标。具体包括如下步骤：
(1)获得平面法线矢量(A,B,C)；
设基准引出工装整个旋转过程中定向反光球在测量坐标系下的空间坐标为(Xm1,Ym1,Zm1)、(Xm2,Ym2,Zm2)、…、(Xmn,Ymn,Zmn)(n≥4)，定向反光球在工装坐标系下的坐标值为(Xa,0,Za)，上述坐标值通过第二步获得；
由定向反光球球心点坐标测量过程可知，所有点在同一平面内，设其平面方程为AX+BY+CZ+D＝0；将(Xmi,Ymi,Zmi)(i＝1,2,…,n,n≥4)带入方程构成联立方程组，利用最小二乘法可求解出平面方程参数(A,B,C,D)，进而可获得平面法线矢量(A,B,C)；
(2)计算圆心坐标(Xc，Yc，Zc)；
由定向反光球球心点坐标测量过程可知，所有点在同一个圆上，设其方程为(X-Xc)2+(Y-Yc)2+(Z-Zc)2＝R2，将所有点坐标带入方程可求解出未知参数(Xc，Yc，Zc)和R。
(3)计算工作坐标系原点O在测量坐标系下的坐标值(Xo，Yo，Zo)；
利用矢量(A,B,C)和坐标(Xc，Yc，Zc)可得到空间一条过(Xo，Yo，Zo)且矢量方向为(A,B,C)的直线方程，这条直线即是工装坐标系的Z轴，沿直线方向补偿距离Za，可求得工作坐标系原点O在测量坐标系下的坐标值(Xo，Yo，Zo)。
本发明的引出工装和基于该工装的方法能够有效解决应用视觉精密测量***测量以轴或孔的轴线与基准平面的交点作为基准点定义工件坐标系的大型机械部件时，测量坐标系与工件坐标系的现场快速建立问题。

Claims (9)

1.一种用于视觉精密测量的轴孔基准现场快速引出工装，包括轴基准引出工装和孔基准引出工装；所述的轴基准引出工装包括轴基准引出端头、第一引出杆和第一定向反射球；其中，轴基准引出端头(1)为金属制圆环状，轴基准引出端头(1)内部为配合孔，其内径与轴尺寸相匹配，前部端面为基准平面；第一引出杆(2)为短边水平放置的“√”形，第一引出杆的一端与轴基准引出端头的一端连接，另一端安装第一定向反射球(3)。
2.根据权利要求1所述的一种用于视觉精密测量的轴孔基准现场快速引出工装，其特征在于：所述的孔基准引出工装包括孔基准引出端头(4)、第二引出杆(5)和第二定向反射球(6)，孔基准引出端头(4)为阶梯状圆台，前端直径小于后端直径，前端部分作为配合销，第二引出杆(5)的一端与孔基准引出端头(4)的后端端面连接，第二引出杆(5)的另一端安装第二定向反射球。
3.一种基于根据权利要求1-2任意一项所述的用于视觉精密测量的轴孔基准现场快速引出工装的引出方法，包括如下步骤：
第一步：建立工装坐标系；
第二步：标注定向反射球球心在工装坐标系下的三维坐标值；
第三步：安装轴孔基准现场快速引出工装；
第四步：测量；
第五步：数据处理。
4.根据权利要求3所述的一种引出方法，其特征在于：所述的建立工装坐标系步骤，以轴基准引出工装的轴基准引出端头前端端面和孔基准引出工装孔基准引出端头(4)的前段圆环状台面分别为两件工装坐标系的XOY平面，轴基准引出端头的孔或孔基准引出工装孔基准引出端头(4)的配合销的轴线与基准平面的交点为坐标系原点O，定向反射球的球心在基准平面上的投影点与原点O的连线为坐标系X轴，方向由原点指向投影点，轴基准引出端头的孔或孔基准引出工装孔基准引出端头(4)的配合销的轴线为坐标系Z轴，方向由原点指向定向反射球所在方向。
5.根据权利要求3所述的一种引出方法，其特征在于：所述的标注定向反射球球心在工装坐标系下的三维坐标值步骤，在计量型高精度三坐标机上精确标定出定向反射球球心在各自工装坐标系下的三维坐标值。
6.根据权利要求3所述的一种引出方法，其特征在于：所述的安装轴孔基准现场快速引出工装步骤，将基准引出工装安装到被测机械部件的基准轴或基准孔上。
7.根据权利要求3所述的一种引出方法，其特征在于：所述的测量步骤，利用视觉精密测量***测量出定向反光球球心的空间坐标；使引出工装分别绕轴基准引出端头的孔或孔基准引出工装孔基准引出端头(4)的配合销的轴线旋转，利用视觉精密测量***测量定向发光球，再旋转工装，再测量，直至工装旋转一周。
8.根据权利要求3所述的一种引出方法，其特征在于：所述的数据处理步骤，利用定向反光球的空间三维坐标及其在工装坐标系下的坐标值进行数据处理，求解出工装坐标系原点O在测量坐标系下的三维坐标。
9.根据权利要求3所述的一种引出方法，其特征在于：所述的数据处理步骤，具体包括如下步骤：
(1)获得平面法线矢量(A,B,C)；
设基准引出工装整个旋转过程中定向反光球在测量坐标系下的空间坐标为(Xm1,Ym1,Zm1)、(Xm2,Ym2,Zm2)、…、(Xmn,Ymn,Zmn)(n≥4)，定向反光球在工装坐标系下的坐标值为(Xa,0,Za)；
由定向反光球球心点坐标测量过程可知，所有点在同一平面内，设其平面方程为AX+BY+CZ+D＝0；将(Xmi,Ymi,Zmi)(i＝1,2,…,n,n≥4)带入方程构成联立方程组，求解出平面方程参数(A,B,C,D)，获得平面法线矢量(A,B,C)；
(2)计算圆心坐标(Xc，Yc，Zc)；
由定向反光球球心点坐标测量过程可知，所有点在同一个圆上，设其方程为(X-Xc)2+(Y-Yc)2+(Z-Zc)2＝R2，将所有点坐标带入方程可求解出未知参数(Xc，Yc，Zc)和R；
(3)计算工作坐标系原点O在测量坐标系下的坐标值(Xo，Yo，Zo)；
利用矢量(A,B,C)和坐标(Xc，Yc，Zc)得到空间一条过(Xo，Yo，Zo)且矢量方向为(A,B,C)的直线方程，该直线为工装坐标系的Z轴，沿直线方向补偿距离Za，求得工作坐标系原点O在测量坐标系下的坐标值(Xo，Yo，Zo)。
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