三坐標測量機測頭半徑三維智能補償技術(shù)

李皓波 趙金 李芩晚 趙家印

1-2.中核建中核燃料元件有限公司 四川宜賓 644699

3.浙江萬里學(xué)院 浙江寧波 315101

4.南華大學(xué) 湖南衡陽 421001

1 三坐標測量機應(yīng)用

測量機對零件表面數(shù)據(jù)采集方法可以分為非接觸式和接觸式數(shù)據(jù)采集兩類。測量機的使用有重復(fù)性好、精度高、噪聲低等優(yōu)點，是較為廣泛的接觸式測量設(shè)備。這一設(shè)備用于進行連續(xù)掃描、數(shù)據(jù)采集和接觸數(shù)據(jù)采集的主要測量，如點位觸發(fā)是采數(shù)據(jù)采集是和零件表面形狀檢測能夠進行表面的數(shù)字化場合的連續(xù)性掃描。接觸式測量方法可以用于大規(guī)模的數(shù)據(jù)采集，其采集的數(shù)據(jù)速度較快，應(yīng)用于制造零件，測量誤差、側(cè)頭半徑補償?shù)冉佑|和非接觸式測量方法的優(yōu)缺點，經(jīng)過研究主要表現(xiàn)為以下幾點。

（1）接觸式測量方法能夠通過多傳感器進行測量系統(tǒng)的功能發(fā)揮，通過主動視覺系統(tǒng)和接觸是CMM集成，實現(xiàn)了曲面識別和視覺測量后的粗定位。非接觸式測量方法能夠進行激光掃描頭和接觸掃描頭互換的做得測量系統(tǒng)運行，高精度測量功能，在激光測投和接觸式測頭實現(xiàn)優(yōu)勢互補的前提下完成坐標測量。目前CMM測量中，對于一些自由曲面形成的復(fù)合曲面采用二維在線自動補償方法進行側(cè)頭半徑的關(guān)系處理，在測量后自動完成數(shù)據(jù)的側(cè)頭半徑補償，對一些規(guī)則性的形狀進行表面的測量?？紤]到對測量進行離線、側(cè)頭半徑的三維補償，測量點補償方法如不適用于接觸式掃描密集數(shù)據(jù)的采集，可以運用側(cè)頭半徑補償?shù)姆椒ǎ梢赃M行密集數(shù)據(jù)的采集，并且在補償過程中能夠?qū)μ幚頃r間過長和精度不精確的現(xiàn)象進行修正。例如一種四點共求法的應(yīng)用，實現(xiàn)了對測頭半徑的補償，在進行數(shù)據(jù)點的方法運用后，經(jīng)過對補償精度的分析，驗證四點共球法可以滿足大多數(shù)工程測量[1]。

（2）側(cè)頭半徑三位補償模型，采用散亂測量數(shù)據(jù)，建立自組織特征映射SOFM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，在此基礎(chǔ)上接觸掃描密集數(shù)據(jù)。測頭半徑三位智能化采集補償擁有了很好的測量效果。目前線性的測頭半徑補償包含微平面法、直接及算法、三角網(wǎng)格法，擬合補償法等。這些方法中均要應(yīng)對數(shù)據(jù)處理計算量大、不適合現(xiàn)場快速測量等特征，在吸取各項方法的優(yōu)點基礎(chǔ)上，提出新的補償方法四點共球法，這種方法遠離較為簡單，簡單的法矢比就可以對三點進行擬合精度補償。

2 三維智能計算補償模型采集和制作

測頭半徑三維智能補償能夠按照構(gòu)建的訓(xùn)練形式，對包含頂點的幾何信息進行空間位置坐標和頂點法矢量，拓撲信息的位置得到獲取，建立網(wǎng)格對測頭半徑進行三維補償，得到矩形網(wǎng)格，沿網(wǎng)格頂點矢量方向進行修正，使得網(wǎng)格頂點更加趨近于側(cè)頭球面[2]。

（1）微斜切面預(yù)購的曲面用參數(shù)方程進行表示，P為曲面的笛卡爾坐標，Q為曲面參數(shù)，表示矢量。

P=P（Q）

對上述公式進行曲面參數(shù)的獲取，在復(fù)雜的非線性變換中，使用函數(shù)擬合測得的數(shù)字化點數(shù)群數(shù)據(jù)，可展開用于擴展SOFM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)而得，這一公式所構(gòu)造的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)重矢量，能夠在微切平面方程的運行下獲得微切平面曲面精度。

自組織特征映射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)陣列中的神經(jīng)元經(jīng)過SOFM組織學(xué)習(xí)算法，使得空間有序特征映射，通過算法擴展獲得和建立映射關(guān)系。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練和學(xué)習(xí)滿足神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)重矢量。在調(diào)整算法的基礎(chǔ)上，按照ESOFM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)感受也數(shù)字化點群數(shù)據(jù)。分區(qū)的方法為：每組群中各自對應(yīng)相應(yīng)的子區(qū)域負責(zé)，用于計算相應(yīng)子區(qū)域的位置權(quán)重矢量[3]。

（2）構(gòu)建的巨型網(wǎng)絡(luò)模型和訓(xùn)練模式，可用于構(gòu)建微切平面，以及其他巨型網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建壓縮網(wǎng)格化密集散了數(shù)據(jù)并進行改進之后，加大了巨型網(wǎng)格邊的神經(jīng)元和鄰近的神經(jīng)元測點邊界區(qū)進強度，減少了矩形邊緣誤差。

PS=PS’

3 測頭半徑補償?shù)姆抡嬖囼?/h2>

測頭半徑三維補償在被測點的法線上，位于接觸點的法矢關(guān)鍵點是進行側(cè)頭半徑補償?shù)那娼ǔ?，標志被測面的法向方向獲得測出球面的方針密集散亂測量點，進行半徑補償模型的神經(jīng)元陣列的計算，在進行側(cè)頭半徑的補償方針試驗后，根據(jù)測量點信息的計算，ESOFM神經(jīng)網(wǎng)格經(jīng)過訓(xùn)練以后，得到頂點相應(yīng)的法式計算測頭與工件的接觸點及之后，畢竟接觸曲面的巨型網(wǎng)格。側(cè)頭半徑補償仿真實驗分析采用球面分析的密集散亂測量典籍的仿真實驗，進行側(cè)頭半徑補償模型中的神經(jīng)元陣列，側(cè)頭半徑為1mm。

通過仿真實例我們可以看到，球心仿真測量采集點生成的巨型網(wǎng)格，其邊界點包含了165個，存在較為明顯的巨型網(wǎng)格邊緣誤差。經(jīng)過訓(xùn)練模式的仿真實驗測頭球點經(jīng)過巨型網(wǎng)格和網(wǎng)格頂點處的法矢繪制，保證測量點擊邊界點及繪制了仿真接觸點及的邊界典籍，從中可以看到巨型網(wǎng)格邊緣誤差增大或減小，繪制仿真測量點擊的邊界點，即表示巨型網(wǎng)格頂點法矢方向?qū)?cè)頭半徑進行三維補償，求取所有網(wǎng)格邊界頂點和點集中相應(yīng)的距離平均值，對于邊緣誤差進行評估，發(fā)現(xiàn)邊界點集的采樣密度邊緣誤差兩只有較大的影響。

4 結(jié)語

測量機智能三維補償原理簡單、計算速度快、運算小，設(shè)計軟件系統(tǒng)能夠高度進行數(shù)據(jù)集成。傳統(tǒng)的側(cè)頭半徑補償理論基礎(chǔ)上，對側(cè)頭半徑進行補償。通過補償精度和運算量可以較高的補償精度。當(dāng)前采用四點共球法等先進方法，能夠適用于較多數(shù)的工程測量，具有很大的實用價值。測量機測頭半徑三維智能補償技術(shù)根據(jù)網(wǎng)格頂點法式與側(cè)頭半徑指得到頂點偏移點。