专利名称：一种平面形状误差在线测量系统和方法
技术领域：
本发明涉及一种平面形状误差在线测量技术，特别是一种平面形状误差在线测量系统和方法。
背景技术：
精密加工能力是最为重要的现代工业能力之一，而高精度测量能力又是精密加工能力不可或缺的重要组成部分，高精度测量能力能够提高加工精度、简化流程控制、提高生产效率。其中，平面形状误差的测量与评定对于生产有平面形状误差要求的工件有着重要的意义，在船舶和机床等大型机械制造等领域，一套简单高效的平面形状误差测量系统和方法可以显著地提高产品性能、生产效率、良品率和可靠性。平面形状误差测量技术分为在线测量技术和离线测量技术。 现有的离线平面形状误差测量方法，主要有拉钢丝法、平板测微仪法、间隙法、液面法、水平仪法和激光准直扫描法六种。前三种方法仅适用于测量小平面的平面形状且存在精度较低的问题，后三种方法测量周期长、速度慢，因此效率低下，以上几种方法均存在对测量人员依赖程度高、测量速度慢、自动化程度低的问题，无法满足加工现场高速测量的要求，特别是大平面的平面形状误差的高速测量。现有平面形状误差在线测量方法通常基于误差分离技术，这类方法只能在采样点数较小的情况下对简单的连续平面进行测量。当测量面积较大或采样点分布密集这类采样点较多的平面时，其运算量会增加到不切实际的程度，同时测量方法无法测量不规则平面和非连续平面。
发明内容
为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种既能够有效地提高采样点的分布密度、增加测量系统反映被测面平面形状误差的能力，又能够适用于非连续、不规则、超大型平面形状误差测量的平面形状误差在线测量系统和方法。为了实现上述目的，本发明的技术方案如下一种平面形状误差在线测量系统，包括传感器阵列、数据采集和模数转换模块、数据处理与显示模块，所述的传感器阵列通过导线与数据采集和模数转换模块连接，所述的数据采集和模数转换模块通过无线网络连接数据处理与显示模块；所述的数据处理与显示模块的处理软件使用改进型最小二乘逐次两点法平面形状误差分离算法，并引入数据拼接拟合技术；所述的传感器阵列由四个电涡流距离传感器、传感器前置器及位置传感器组成，其中四个电涡流距离传感器呈正方形配置，电涡流距离传感器位于正方形的顶点，四个电涡流距离传感器分别连接到各自的传感器前置器，传感器前置器连接到数据采集和模数转换模块的16位A/D采集电路上，向数据采集和模数转换模块发送电压信号；位置传感器直接连接数据采集和模数转换模块的DSP处理器，向数据采集和模数转换模块发送传感器阵列当前位置数据；
所述数据采集和模数转换模块基于DSP处理器的嵌入式系统，具有采集控制、模数转换、粗差剔除及数据上传功能，并通过无线局域网向数据处理与显示模块发送经过初步处理的采样数据；所述的数据处理与显示模块使用智能手机或平板电脑，数据处理与显示模块接收来自数据采集和模数转换模块的采样数据，并对采样数据进行误差分离和平面度的评定，并在屏眷上显不。一种平面形状误差在线测量系统的测量方法，包括以下步骤A、对被测面进行分割操作人员在数据处理与显示模块上对被测面进行分割并对子平面编号，相 邻的子平面应有公共部分以便于拼接，数据处理与显示模块将自动保存各个非连续子平面的位置信息，以便将从数据采集和模数转换模块接收到的采样数据分别输入不同的非连续子平面并对这些非连续子平面分别进行误差分离；分割时，每个非连续子平面的大小和形状应遵循如下原则非连续子平面应为矩形或者能够被矩形网格完全覆盖；分割出的非连续子平面之间应有足够的公共区域用于拼接拟合；采样点数量不应对运算速度产生明显影响；子平面间的公共区域应尽量避开被测面上的镂空部分；非连续子平面的形状应保证满足改进型最小二乘逐次两点法平面形状误差分离算法的要求，即保证每个非连续子平面上的三个基准点都存在于被测面上；根据经验法则，两个子平面间的公共区域的宽度应至少包含三行采样点；当非连续子平面之间的公共区域中存在镂空部分时，三行采样点难以达到最佳拼接拟合效果，这时应当适当增加公共区域的面积以提高拼接拟合效果，实验显示当公共区域中的采样点达到需要拼接的子平面的采样点数的30%时可以很好的实现子平面拼接拟合；B、扫描覆盖子平面的被测网格记电涡流距离传感器所构成的正方形边长为A，以A长度为间隔构造分成(M-I)行(N-I)列的矩形网格，所述的矩形网格覆盖一个被测子平面，记矩形网格左上角的顶点为Z11,以Z11为原点形成坐标系，处于矩形网格其它顶点上的点记为Zxy，这些点是子平面上的采样点；当被测面被划分为两个或两个以上的子平面时，两个相邻子平面的公共区域中的采样点应重合，所有子平面上的矩形网格的总和称为被测网格；所述的四个电涡流距离传感器呈正方形配置，四个电涡流距离传感器位于正方形的四个顶点。测量时，传感器阵列位于网格的一个正方形格上，四个电涡流距离传感器分别位于这一正方形格的四个顶点即四个采样点上，这时传感器阵列所处的位置称为采样位置。传感器阵列在单个子平面运动方式为电涡流距离传感器始终位于每行采样点的连线上，传感器阵列自左向右依次扫描当前子平面上的网格的第一行，然后回到最左端，扫描网格的下一行，依此类推扫描当前子平面上的整个网格；传感器阵列的位置由位置传感器确定，每当传感器阵列到达采样位置时由电涡流距离传感器进行采样；在大型不规则平面上时，传感器阵列自上而下依次扫描被测网格的每一行；电涡流距离传感器测量值由导轨运动误差、被测面的形状误差、电涡流距离传感器的初始位置偏差和随机误差这四种因素构成，用式(I)表示；将四个电涡流距离传感器分别标为(k，I) (k, 1=1，2);位于一个子平面上的第i行j列网格上的采样位置标记为(i，j);以电涡流距离传感器(1，I)的作为基准点，对于四个电涡流距离传感器布置，电涡流距离传感器(1，2)、(2，I)、(2，2)的初始位置偏差分别记为A12, A21, A24 ;记电涡流距离传感器(k，I) (k, 1=1，2)在一个子平面的矩形网格上的第i行j列时的采样数据为Sijkl，则Sijkl — Z(J^1)(J+1_1)-dij+ 8 kl Akl+ e iJkl(I)这里i = 1,2— (M-I) ;j=l，2…(N-I)；
5(f+E_D表示被测面的形状误差，是每个采样点Zxy经过误差分离得到的相对于由Zn、Z1N, Zm三点确定的基准面的距离，dif为导轨运动误差，Akl为电涡流距离传感器的初始位置偏差，eijkl是随机误差，Skl是电涡流距离传感器(1，I)作为基准点的参数；由于电涡流距离传感器扫描到被测面上的镂空区域时会得到超出量程，故当一个采样点的测量值高于一定门限值时，该采样点会被赋予一个代表采样点不存在的值。C、对各非连续子平面分别进行误差分离在一个非连续子平面中，式(I)用矩阵的形式表示，则S=BU+e(2)上式中S为四个传感器采样数据构成的4 (M-I) (N-I)列向量，S的形式为S- (S1111, S1112, S1121, S1122…S(H) (H)11, Sm (H)12, S(J^1) (H)21, Sm (H)22)U中包含以下三个部分导轨运动误差、被测面的形状误差、电涡流距离传感器的初始位置偏差；以上三个部分构成了 MN+(M-I) (N-I)+3元的列向量，其形式为U-(Z11, Z12... Z1N, Z21... Z丽，dn, d12... (!(n) m，A 12, A21, A22)填充矩阵B是一个矩阵，其行数为4 (M-I) (N-I)，列数为MN+(M-I) (N-I)+3 ;根据式
(2)，填充矩阵B的由S、U的形式决定；e为随机误差。由于填充矩阵B列满秩是矩阵最小二乘解存在的条件，故必须保证填充矩阵B列满秩，但实际上填充矩阵B的秩数比列数少三，为保证矩阵最小二乘解存在，并确定基准平面，指定任意不在一条直线上的Zn、Z1N、ZM1三点所在的平面作为分离的基准平面，由此确定这三个自由度；令Z11 = Zin = Zml = 0, U变换为以下形式
U — (Z12 ■ . -^K1V-D 5 ^21 -^(M-V)N ■> hlN,dn 為 2^21 . , 1X.V—1” Au , A21, A22 )f为MN+(M-I) (N-I)元的列向量，作为基准点Zn、Z1N、ZM1的三点必须存在于被测平面上被测面上，故选择网格时应注意这一点；建立的各采样数据与被测面形状误差、导轨运动误差及电涡流距离传感器安装初始位置误差的关系填充矩阵B。填充矩阵B前(M+1)*(N+1)列对应于被测面测量点的实际形状误差；填充矩阵B中间M*N列对应于导轨运动误差；填充矩阵B最后3列对应于电涡流距离传感器的初始位置偏差 a12、a21、A22 ；当有一个子平面是非连续平面时，在其镂空处的部分采样点Zxy不存在于被测面上，这些采样点的测量值会接近电涡流距离传感器的最大测量值，这些采样点会在数据采集和数模转换模块中被识别，并被赋予一个代表采样点不存在的值，误差分离算法将识别这些采样点，并找出中对应位于镂空区域的Zxy，在p,S中去掉对应的元素，得到U5 ,S'；—个采样点Zxy位于被测面上的镂空处，则需要删去填充矩阵B中的以下四行4[(x-2)N+(y-2)]+4、4[(x_l)N+(y-2)]+3、4[(x_2)N+(y-1)]+2、4[(x_l)N+ (y-1)]+1，当上述行数大于MN+(M-I) (N-I)+3或小于O时该行原本就不存在，故不予考虑，同时去掉如下一列xN+y ;当镂空处的Zxy采样点中有四点相邻且组成一个正方形时，这个正方形所在的轨道误差对应的列应该从填充矩阵B中去掉。又由于Z11-Zin-Zmi-O,故去掉填充矩阵B中对应的三行，这样就将填充矩阵B变化为填充矩阵f 1，填充矩阵吞 >去掉了位于镂空区域的 采样点，并且列满秩，使用最小二乘法求近似解，这时式(I)变化为S，=旮 ir+e利用矩阵的最小二乘法求解上式，IJZ的表达式为W' =「互^T1 J'T S 'O)解出即一次性得到非连续子平面的平面形状误差、导轨运动误差及电涡流距离传感器安装初始位置偏差；重复步骤C对每个非连续子平面进行误差分离。D、非连续子平面的数据拼接通过误差分离过程分离出各个子平面的平面形状误差后，为了进行整体平面的平面度评定需要对所有子平面数据进行拼接；公共区域中的采样点在两个相邻子平面坐标系中的X、Y坐标值在对被测面进行分割时就已经确定，同时由于分离出的被测面的平面形状误差值即为Z值，故依此得相邻两个子平面间的坐标系变换公式；假设公共区域中P点，在子平面C1、子平面C2的坐标系C1与C2中的坐标值分别为(X1, Y1, Z1)、(X1, Y1, Z1),则令C1与C2间旋转矩阵为正交矩阵R
、 auR= 2i aH aH
Va31 fl32 “33 /(4)平移向量为t = (t” t2, t3)T(5)则有C1=R(C^t)(6)引入辅助矩阵旋转正交矩阵
权利要求
1.ー种平面形状误差在线测量系统，其特征在于包括传感器阵列(4)、数据采集和模数转换模块(7)和数据处理与显示模块(10)，所述的传感器阵列(4)通过数据线与数据采集和模数转换模块(7 )连接，所述的数据采集和模数转换模块(7 )通过无线网络(9 )连接数据处理与显示模块(10);所述的数据处理与显示模块(10)的处理软件使用改进型最小ニ乘逐次两点法平面形状误差分离算法，并引入数据拼接拟合技木； 所述的传感器阵列(4)由四个电涡流距离传感器(I)、传感器前置器(5)及位置传感器(12)组成，其中四个电涡流距离传感器(I)呈正方形配置，电涡流距离传感器(I)位于正方形的顶点，四个电涡流距离传感器(I)分别连接到各自的传感器前置器(5)，传感器前置器(5)连接到数据采集和模数转换模块(7)的16位A/D采集电路(6)上，向数据采集和模数转换模块(7)发送电压信号；位置传感器(12)直接连接数据采集和模数转换模块(7)的DSP处理器(8)，向采集系统发送传感器阵列(4)当前位置数据； 所述数据采集和模数转换模块(7)为基于DSP处理器(8)的嵌入式系统，具有采集控 制、模数转换、粗差剔除及数据上传功能，并通过无线局域网向数据处理与显示模块(10)发送经过初步处理的采样数据； 所述的数据处理与显示模块(10)使用平板电脑或智能手机(11)，数据处理与显示模块(10)接收来自数据采集和模数转换模块(7)的采样数据，并对采样数据进行误差分离和平面度的评定，并在屏幕上显示。
2.ー种平面形状误差在线测量系统的测量方法，其特征在于包括以下步骤 A、对被测面(13)进行分割 操作人员在数据处理与显示模块(10)上对被测面(13)进行分割并对子平面编号，相邻的子平面应有公共部分以便于拼接，数据处理与显示模块(10)将自动保存各个非连续子平面的位置信息，以便将从数据采集和模数转换模块(7)接收到的采样数据分别输入不同的非连续子平面并对这些非连续子平面分别进行误差分离； 分割吋，每个非连续子平面的大小和形状应遵循如下原则非连续子平面应为矩形或者能够被矩形网格完全覆盖；分割出的非连续子平面之间应有足够的公共区域用于拼接拟合；采样点数量不应对运算速度产生明显影响；子平面间的公共区域应尽量避开被测面(13)上的镂空部分；非连续子平面的形状应保证满足改进型最小ニ乘逐次两点法平面形状误差分离算法的要求，即保证每个非连续子平面上的三个基准点都存在于被测面(13)上；根据经验法则，两个子平面的公共区域应的宽度应至少包含三行采样点； 当非连续子平面之间的公共区域中存在镂空部分时，三行采样点难以达到最佳拼接拟合效果，这时应当适当増加公共区域的面积以提高拼接拟合效果，实验显示当公共区域中的采样点达到需要拼接的子平面的采样点数的30%时可以很好的实现子平面拼接拟合； B、扫描覆盖子平面的被测网格 记电涡流距离传感器(I)所构成的正方形边长为A，这样以A长度为间隔构造分成(M-I)行(N-I)列的矩形网格，所述的矩形网格覆盖ー个被测子平面，记矩形网格左上角的顶点为Z11,以Z11为原点形成坐标系，处于矩形网格其它顶点上的点记为Zxy，这些点是子平面上的采样点；当被测面(13)被划分为两个或两个以上的子平面时，两个相邻子平面的公共区域中的采样点应重合，所有子平面上的矩形网格的总和称为被测网格； 所述的四个电涡流距离传感器(I)呈正方形配置，四个电涡流距离传感器(I)位于正方形的四个顶点；测量时，传感器阵列(4)位于网格的ー个正方形格上，四个电涡流距离传感器(I)分别位于这一正方形格的四个顶点即四个采样点上，这时传感器阵列(4)所处的位置称为采样位置； 传感器阵列(4)在单个子平面运动方式为电涡流距离传感器(I)始終位于每行采样点的连线上，传感器阵列(4)自左向右依次扫描当前子平面上的网格的第一行，然后回到最左端，扫描网格的下一行，以此类推扫描当前子平面上的整个网格； 传感器阵列(4)的位置由位置传感器(12)确定，每当传感器阵列(4)到达采样位置时由电涡流距离传感器(I)进行采样；在大型非规则平面上时传感器阵列(4)自上而下依次扫描被测网格的姆一行； 电涡流距离传感器(I)测量值由导轨运动误差、被测面(13)的形状误差、电涡流距离传感器(I)的初始位置偏差和随机误差这四种因素构成，用式(I)表示； 若电涡流距离传感器(I)分别标为(k，I) (k, 1=1，2);位于ー个子平面上的第i行j列网格上的采样位置标记为(i，j);以电涡流距离传感器(I) (1，I)的作为基准点，对于四个电涡流距离传感器(I)布置，电涡流距离传感器(I) (1,2),(2, 1),(2,2)的初始位置偏差分别记为Λ12、Λ21、Λ22;记电涡流距离传感器(I) (k, I) (k, 1=1,2)在ー个子平面的矩形网格上的第i行j列时的采样值为Sukl，则Sijki — Z(i+k-D (J^1-D-Clij+ δ kl · Δ kl+ ε iJkl(I) 这里i = 1,2- (M-I) ;j=l，2... (N-I)；δ O (k = l = l)k! 一 |l Z(i+k-1) (j+E-1)表示被测面(13)的形状误差，是每个采样点Zxy经过误差分离得到的相对于由Zn、Z1N, Zm三点确定的基准面的距离，Clij为导轨运动误差，Akl为电涡流距离传感器(1)的初始位置偏差，しポ是随机误差，Skl用于令电涡流距离传感器(I)(1，I)作为基准点的參数； 由于电涡流距离传感器(I)扫描到被测面(13)上的镂空区域时会得到超出量程，故当一个采样点的測量值高于一定门限值吋，该采样点会被赋予ー个代表采样点不存在的值； C、对各非连续子平面分别进行误差分离 在ー个非连续子平面中，式(I)用矩阵的形式表示，则 S = BU+e(2) 上式中S为四个传感器采样数据构成的4 (M-I) (N-I)列向量，S的形式为 S-(S1111, S1112, S1121, S1122*** S(M_!) (N_J) n, (M-I) (N-I) 12，S(M-I) (N-l)21，0 (Μ_1) (Ν_1) 22) U中包含以下三个部分导轨运动误差、被测面(13)的形状误差、电涡流距离传感器(O的初始位置偏差；以上三个部分构成了 MN+(M-I) (N-I)+3元的列向量，其形式为 U-、厶η，Z12.../i1N，/21...厶丽，(I11, d12... (!(M—i) (N—i)，Δ 12, Δ 21, Δ 22) 填充矩阵B是ー个矩阵，其行数为4(M-1) (N-I)，列数为MN+(M-I) (N-I)+3 ;根据式(2)，填充矩阵B的由S、U的形式决定；e为随机误差； 由于填充矩阵B列满秩是矩阵最小ニ乘解存在的条件，故必须保证填充矩阵B列满秩，但实际上填充矩阵B的秩数比列数少三，为保证矩阵最小ニ乘解存在，并确定基准平面，指定任意不在一条直线上的三远点zn、Z1N, Zmi的坐标值所在的平面作为分离的基准平面，由此确定这3个自由度； 令Z11 = Zin = Zmi = O, U变换为以下形式
全文摘要
本发明公开了一种平面形状误差在线测量系统和方法，所述的系统包括传感器阵列、数据采集和模数转换模块和数据处理与显示模块，所述的数据处理与显示模块的处理软件使用改进型最小二乘逐次两点法平面形状误差分离算法，并引入数据拼接拟合技术。本发明基于改进型最小二乘逐次两点法平面形状误差分离算法，通过被测面的整体采样数据进行分区处理，利用在线分区算法来实现数据矩阵的降维处理以达到提高数据处理速度、增加采样点容量的目的，主要包括数据的误差分离、拟合等过程。由于本发明采用了数据拼接拟合技术，能够有效地提高采样点的分布密度、增加测量系统反映被测面平面形状误差的能力。
文档编号G01B7/28GK102853757SQ201210359669
公开日2013年1月2日 申请日期2012年9月24日 优先权日2012年9月24日
发明者熊木地, 陈东岳, 王文超 申请人:大连海事大学