一种二维轮廓形状的测量方法及测量装置的制作方法
专利名称：一种二维轮廓形状的测量方法及测量装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及测量领域，更具体地说，涉及一种不依赖坐标的二维轮廓形状的测量
方法及测量装置。
背景技术：
针对一类二维外形轮廓(如平面凸轮、圆盘、法兰盘、冰刀刀刃)的测量，目前国 内外的测量方法较多，其中弧度规测量方式只能得到轮廓某点的局部变形量，在连续的轮 廓测量中无法准确定位每个轮廓点在另一个方向上(非局部变形量方向)的位置，从而无 法进行较精确的连续的轮廓测量；三坐标测量仪及一般轮廓测量仪也可以用来测量二维轮 廓，由于其自身原理的限制，当工件轮廓大于其测量范围后，便不能正确测量工件，而需重 新选用量程更大的三坐标测量机，并且其体积一般比较大，便携性较差；光学比较仪采用相 对测量的方法得到被测物体的轮廓尺寸，其测量同样受测量仪自身的结构尺寸的限制，而 且需要标准件来作比对；光学轮廓仪利用投影等原理结合一定的处理软件得到被测物体的 形状，其价格比较昂贵，对一般的测量而言非常不经济。
发明内容
本文提出了一种不依赖坐标的二维轮廓形状的测量方法并基于此方法实现了一 种不依赖坐标的二维轮廓形状的测量装置，从而解决以上现有技术中存在的测量范围受测 量装置的量程限制、测量准备阶段过长、测量装置体积很大及携带不便及测量装置价格昂 贵等问题。 因此，首先本发明提出了一种不依赖坐标的二维轮廓形状的测量方法，其特征在 于包括下述步骤 步骤a、选择被测物体二维轮廓上的某一点为测量起点； 步骤b、测量被测物体二维轮廓上各点相对所述测量起点的二维累积弧长以及该 二维累积弧长对应的近似曲率； 步骤C、根据步骤a得到的二维累积弧长及其近似曲率之间的关系重构出测量物 体的二维轮廓形状。 本发明提出了一种二维轮廓形状的新的测量方法，可以通过采用基于该方法实现
的测量装置与被测物体轮廓之间的相对运动，得到各位置处的弧长及曲率数据，通过这两
个表征曲线特性的参数重构出测量物体的轮廓形状。所述的近似曲率是指被测物体二维轮
廓的某位置弯曲程度，由被测物体轮廓的局部变形量及基于该方法实现的装置的结构参数
推算的，是实际位置曲率的近似值。本方法的核心是实现一种数学模型，该模型的在重构被
测物体的过程中所需要的关键数据是被测物体轮廓的弧长及曲率数据，这两个数据是与坐
标无关的，这样通过这两个数据可以计算出物体的轮廓形状。 其次，基于该测量方法本发明提出一种测量装置，包括 测量模块，用于与被测物体直接接触，得到各测点的弧长及变形量；
处理模块，用于处理弧长及变形量，重构被测物体的形状，并给出相应的分析图表。 采集模块，用于测量模块与处理模块之间的接口 ，从测量模块获得数据，并将采集 得到的数据发送给处理模块，由数据采集卡或数据采集仪器组成的。 作为一种可选方案，所述的测量模块是由第一传感组件、第二传感器、第一支架、 第二支架、底座组成，所述第一支架、第二支架分别安装在所述底座两端，所述第一传感器 组件安装在所述第二支架下端，所述第二传感器安装所述第一支架、第二支架之间的底座 上，所述第一支架、第二支架、第二传感器均在同一水平面上；所述第一传感器组件包括角 度传感器与滚轮，其中滚轮与传感器的转轴过盈连接，在测量时，所述滚轮与被测物体轮廓 相接触，并沿被测物体轮廓上作无滑动滚动带动角度传感器旋转，所述角度传感器不断采 样得到轮廓上各点的累积弧长值；所述第二传感器为位移传感器，用于测量各点的累积弧 长对应的近似曲率。 作为另一种可选方案，所述的测量模块是由第一传感组件、第二传感器、第一支 架、第二支架、底座组成，所述第一支架、第二支架分别安装在所述底座两端，所述第二传感 器安装所述第一支架、第二支架之间的底座上，所述第一传感器组件安装在所述第二传感 器下端，所述第一支架、第二支架、第二传感器均在同一水平面上；所述第一传感器组件包 括角度传感器与滚轮，其中滚轮与传感器的转轴过盈连接，在测量时，所述滚轮与被测物体 轮廓相接触，并沿被测物体轮廓上作无滑动滚动带动角度传感器旋转，所述角度传感器不 断采样得到轮廓上各点的累积弧长值；所述第二传感器为位移传感器，用于测量各点的累 积弧长对应的近似曲率。 作为第三种可选方案，所述的测量模块是由第一传感组件、第二传感器、第一支 架、第二支架、底座组成，所述第一支架、第二支架分别安装在所述底座两端，所述第一传感 器安装所述第一支架、第二支架之间的底座上，所述第二传感器组件安装在所述第二支架 下端，所述第一支架、第二支架、第二传感器均在同一水平面上；所述第一传感器组件包括 角度传感器与滚轮，其中滚轮与传感器的转轴过盈连接，在测量时，所述滚轮与被测物体轮 廓相接触，并沿被测物体轮廓上作无滑动滚动带动角度传感器旋转，所述角度传感器不断 采样得到轮廓上各点的累积弧长值；所述第二传感器为位移传感器，用于测量各点的累积 弧长对应的近似曲率。 上述三种结构中，所述的滚轮滚轮采用摩擦系数较大，抗压能力强的材料例如尼
龙从而使得在测量时滚轮变形量小，且沿被测物体表面做纯滚动的运动。 所述的曲率是由支架、滚轮及位移传感器三者之间的位置结构设计和标定参数以
及位移传感器的实时变形量计算得到的；弧长是由滚轮带动角度传感器旋转的实时测量数
据计算得到的。滚轮、位移传感器及支架三者之间的间距通过几组圆标准件与三者完全接
触的位移传感器的变形量与圆标准件的直径反算推得，同时滚轮的直径采用游标卡尺测量得到。 所述的处理模块是由计算机及相应的测量数据处理软件构成的，其中计算机可以 为台式电脑或者笔记本电脑，其配置包含处理器、储存器、输入输出设备及通信接口。
所述的测量数据处理软件包含有曲率计算、弧长分析、数据平滑、曲线重构、轮廓 匹配、误差分析、位置标定、测量对象信息显示、修改、删除及保存这些功能。通过对采集的
4位移传感器的电压值的滤波预处理，将电压值和编码器的计数值转换为测头位移与弧长， 将测头位移及标定的装置结构参数和滚轮的测量直径联立方程组，从而得到曲率半径信 息，将曲率半径与测量得到的弧长相对应，从而对测量物体的形状进行拟合重构，得到实际 的轮廓形状，把拟合得到的几何形状的重心与实际的被测形状的重心重合做形状匹配，从 而进行相关性分析和误差分析。该软件同时具有一个显示界面，能实时显示所测量得到的 形状数据。除此之外，该软件还含有用于保存测量数据及分析结果的数据库，从而管理各个 测量对象的测量信息和分析信息。 所述的采集模块是与测量模块及处理模块相连接的。测量得到的每一处的弧长数 据及轮廓变形量都是实时发送给采集装置。与计算机之间通过RS232串口或PCI接口通讯 的，将采集得到的弧长数据及轮廓变形量实时转发给计算机。 因此本发明提出了一种二维轮廓形状的测量方法及测量装置，使得被测对象的尺 寸不受测量装置的量程限制，在二维轮廓形状测量中更加方便快捷。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，其中 图1为基于弧长及曲率的圆弧法逼近重构示意图。
图2为光电编码器前置式测量装置的结构示意图及测量示意图。 图3为光电编码器与线位移传感器叠加式测量装置的结构示意图及测量示意图。 图4为线位移传感器前置式测量装置的结构示意图及测量示意图。
具体实施例方式
下面用举例的方式给出本发明确定的通过测量被测物体轮廓的弧长及曲率数据 来重构物体形状的方法。 如图1所示为基于弧长及曲率的圆弧法逼近重构示意图。 由于圆弧对曲线的逼近阶比直线段对曲线的逼近阶高，从而圆弧对曲线的逼近误 差比直线段小，这里选取圆弧作为曲线重构中的最小单元，从而保证重构后曲线是Gl连 续。 以下是用圆弧重构过程的算法步骤。
步骤l.设定重构过程的坐标系。 为了在数据处理软件中重构曲线，因此必须将测量建立重构坐标系，注意这里的 坐标系与测量过程毫无关系，仅仅是为了满足软件重构中数据点定位及作图过程的需要。
如图1所示，重构出的曲线由!1个圆弧段0。01、0102、…、CVA所构成。以测量起 点0。作为全局坐标系0XY的坐标原点，这是其它所有坐标系的参考原点，每段圆弧均有一 个局部坐标系OiX山，其中局部坐标系的起点分别是0ixiyi坐标系的原点0i，并且局部坐标 系的x轴与对应的圆弧段相切。这样全局坐标系OXY与局部坐标系o。xy(其中o。xy为起始 点的局部坐标系)相重合，即0。在全局坐标系与局部坐标系中的坐标原点。
步骤2.计算各圆弧段端点在全局坐标系中的坐标值，以及各圆弧段的圆弧半径。
由步骤1可知0。在全局坐标系与局部坐标系中的坐标都为(O，O)。
其它点0i的坐标值及0i—工与0i之间圆弧半径计算过程
(1). A Si 其中 (2) 其中 (3)
出相应的第i R,.=
由第一传感器测得的角位移e i值计算出第i段相应的累积弧长Si的值。
=ks9i(i = 1，2，3，…，n) (1)
ks是角位移与弧长之间的换算常数，在测量前由装置结构参数标定。
由Si与Si+1计算出第i段相应的弧长增量A Si的值。
:ASi = Si+1—Sji = 1，2，3， ...，n-l) (2)
由第二传感器测量得到的对应被测物体轮廓各位置的弧顶高Ah的值计算 点的曲率半径Ri。
kr Ahji = 1，2，3，…，n) (3)
ks是弧顶高与曲率半径之间的换算常数，在测量前通过标准件来标定。
射
(4) .根据1和2的计算值，利用公式得到第i段的弧线角度e
1
(5)
乂
(6),
=Ri A Si (4) 计算第i段的圆弧终点在局部坐标系中坐标(Xi， y》，其结果如下 sin《—t
/ = 1,2，'
1 —cos6
， ？7
卜l
(5)
卜l
将第i点的局部坐标转换到以起始点o。的全局坐标系中，其转换矩阵为
MM, = M, fjMj ， M, = W
(6) 其中及，=
COS (9,.
i—1
i o
x,-1
0
X-1
sin《_ 一sin《—j cos《— 0 0 步骤3.圆弧法重构 根据得到的第i-1段及第i段圆弧在全局坐标系中的终点的坐标值，结合步骤2 得到的第i段的圆弧半径，便可得到第i段的弧形。然后依次将这些弧形连接起来，便得到 测量的物体轮廓形状。 需要说明的是，上面仅以举例的方式选取圆弧作为曲线拟合重构的一种方式为示
例，由通过弧长及曲率数据经过一定的数据转换还可以用其它比如直线，双圆弧、多项式、B
样条或NUBRUS样条曲线的方式来拟合重构轮廓形状。 下面举例说明基于本方法实现的测量装置及测量实施例。 如图2所示为光电编码器前置式测量装置的结构示意图及测量示意图。 该测量装置由三个模块组成测量模块101、采集模块102及处理模块103。 其中测量模块101包括一个底座，安装在这个底座上的第一传感器组件20，包括
光电编码器及与之同轴共连的滚轮，安装在固定底座上的支架30，安装在这个底座上的第
二传感器10为线位移传感器，其中第一传感器组件20上的滚轮、支架30及位移传感器10
三者位于同一平面，三者的相对位置是线位移传感器10位于第一传感器组件20及支架30
的中间，第一传感器组件20与支架30的位置可以互相交换。 采集模块102由一个1/0接口板及数据采集卡组成。
处理模块103可以是个人电脑，通过其上安装的分析数据的软件，进行数据处理 从而重构出物体轮廓，其中对软件的操作通过键盘70或鼠标80与数据处理软件的人机界 面进行交互操作。 采集模块102与测量模块之间是由线位移传感器10及第一传感器组件20中的光 电编码器的信号线相连接，采集模块102与处理模块之间可以通过PCI接口或者串口相连。
在这种光电编码器前置式测量结构模式下的测量方法包括以下步骤
步骤一 标定参数 为了能将测量得到的第一传感器组件20中的光电编码器及线位移传感器10的电 信号转换成对应的能表征轮廓特征的弧度及曲率信息，需要对装置的结构参数及转换系数 进行标定。具体方法如下 第一传感器组件20与支架30之间的间距L、线位移传感器10及支架30之间的间 距Ll可以通过几组不同直径的圆标准件分别标定得出。 取其中一个直径的圆标准件，将其同时与第一传感器组件20上的滚轮侧面、支架 30的顶尖及线位移传感器10的顶尖接触，记录下此时的线位移传感器10的读数及所使用 的圆标准件的直径。根据这种方法，用其它几组圆标准件进行标定，通过一系列的记录，建 立方程组来求解装置的结构参数。另外与第一传感器组件20上的滚轮直径采用游标卡尺 测量得到。 这个标定过程只需一次即可，不需要在每次测量物体时都进行标定，除非该测量
装置的结构发生变化。 步骤二 测量形状 测量是使被测物体与测量装置产生相对运动，从而连续得到测量数据的一个过 程。根据相对运动的实现方式，有以下两种方法 a.测量装置运动，被测对象静止对于外形较大的物体，一般采用此方法。其操作 步骤如下 将物体40固定不动，而后用手握着该测量模块101，使得光电编码器20转轴上的 滚轮、支架30的顶尖、线位移传感器10的顶尖三者能同时接触物体40，然后施加一定的压 力，并使测量装置101沿物体表面40运动，同时保证支架30的顶尖和线位移传感器10的 顶尖时刻与物体40相接触而且与第一传感器组件20上的滚轮尽量以纯滚动的方式运动。 在运动的过程中，当滚轮不断滚动时，光电编码器20不断获得滚轮所滚过的距离，即C点在 曲线上相对于滚轮与曲线的初始接触点的路程，同时线位移传感器10不断测得C点所对应 的弧顶高值。 b.被测对象运动，测量装置静止对于较小的物体，比如一般的凸轮，一般采用此
方法。其操作步骤与方法a的区别在于，在测量时，将测量装置固定不动，手动控制被测物
体40，使其外轮廓时刻与第一传感器组件20上的滚轮、支架30的顶尖、线位移传感器10的
顶尖三者时刻接触。 步骤三数据平滑处理 在测量模块101得到数据后，通过采集模块102将数据传递给处理模块，处理模块
103对采集得到的数据要进行适当的处理，才能得到较理想的轮廓曲线。 为了减小测量过程中由于操作测量装置及线位移传感器或光电编码器带来的波
7动误差，需要对测量得到的数据进行平滑滤波处理，这里采用多项式或其它滤波器进行平 滑处理。
步骤四重构二维轮廓形状 利用图1的圆弧重构算法，选取一定的分段长度，对经过步骤三处理后的数据进 行曲线重构，得到第一次处理后的测量形状。同时对起始滚轮未接触到的部分，利用起始与 第一传感器组件20上的滚轮接触点的位置及切矢、起始线位移传感器10的读数、结构标定 的参数L、L1，即可确定。
步骤五显示结果 通过重构后的形状，直接显示在处理模块的显示器50上。 如图3所示为光电编码器与线位移传感器叠加式测量装置的结构示意图及测量 示意图。 该测量装置由三个模块组成测量模块101、采集模块102及处理模块103。
其结构与图1中不同的是第一传感器组件20的滚轮转轴与线位移传感器10的移 动顶尖相连。同时与图1相比，其支架顶尖30左右各一个。其它部分的结构与滚轮前置式 相同。 在这种光电编码器与线位移传感器叠加式下的测量方法包括以下步骤
步骤一 标定参数 为了能将测量得到的第一传感器组件20中的光电编码器及线位移传感器10的电 信号转换成对应的能表征轮廓特征的弧度及曲率信息，需要对装置的结构参数及转换系数 进行标定。具体方法如下 左支架30与右支架30之间的间距L、线位移传感器10 (或第一传感器组件20)及 支架30之间的间距Ll可以通过几组不同直径的圆标准件分别标定得出。
其标定方法与滚轮前置法相同。
步骤二 测量形状 测量是使被测物体与测量装置产生相对运动，从而连续得到测量数据的一个过 程。根据相对运动的实现方式，有以下两种方法 a.测量装置运动，被测对象静止对于外形较大的物体，一般采用此方法。其操作 步骤如下 将物体40固定不动，而后用手握着该测量模块101，使得第一传感器组件20中的 滚轮、左支架30的顶尖、右支架30的顶尖三者能同时接触物体40，然后施加一定的压力，并 使测量装置101沿物体表面40运动，同时保证左右支架30的顶尖时刻与物体40相接触而 且与第一传感器组件20中的滚轮尽量以纯滚动的方式运动。在运动的过程中，当滚轮不断 滚动时，第一传感器组件20中的光电编码器不断获得滚轮所滚过的距离，即C点在曲线上 相对于滚轮与曲线的初始接触点的路程，同时线位移传感器10不断测得C点所对应的弧顶 高值。 b.被测对象运动，测量装置静止对于较小的物体，比如一般的凸轮，一般采用此 方法。其操作步骤与方法a的区别在于，在测量时，将测量装置固定不动，手动控制被测物 体40，使其外轮廓时刻与左右支架30的顶尖、线位移传感器10的顶尖三者时刻接触。
步骤三平滑数据
8
与滚轮前置式结构的方法相同。
步骤四重构形状 与滚轮前置式重构不同的是在重构形状中对于最后的测量起始部分与结束部分 的边界处理。在本方案中需要补全首尾两个部分的滚轮未接触过的曲线部分。
步骤五结果显示 通过重构后的形状，直接显示在处理模块的显示器50上。 如图4所示为线位移传感器前置式测量装置的结构示意图及测量示意图。 该测量装置由三个模块组成测量模块101、采集模块102及处理模块103。 其结构与图1中不同的是第一传感器组件20与线位移传感器10的位置对调，其
它部分的结构与滚轮前置式相同。
在这种线位移传感器叠加式下的测量方法包括以下步骤
步骤一 标定参数 为了能将测量得到的第一传感器组件20中的光电编码器及线位移传感器10的电 信号转换成对应的能表征轮廓特征的弧度及曲率信息，需要对装置的结构参数及转换系数 进行标定。具体方法如下 支架30与线位移传感器10之间的间距L、支架30及第一传感器组件20之间的间
距Ll可以通过几组不同直径的圆标准件分别标定得出。 其标定方法与滚轮前置法相同。
步骤二 测量形状 与滚轮前置式结构的方法相同。 步骤三平滑数据 与滚轮前置式结构的方法相同。 步骤四重构形状 与滚轮前置式重构不同的是在重构形状中对于最后的测量起始部分与结束部分 的边界处理。在本方案中需要补全起始部分的滚轮未接触过的曲线部分。
步骤五结果显示 通过重构后的形状，直接显示在处理模块的显示器50上。 上面仅以举例的方式说明了根据基于被测物体轮廓弧长及曲率重构物体轮廓的 两种装置及各自的测量步骤，但对业内人士显而易见的是，累积弧长或近似曲率的测量方 法不限于上述装置所描述的，而是可以根据被测对象的轮廓的复杂程度、测量精度和应用 环境等多项指标，采用多种传感器、多种滚轮如滚珠、多种材料等以达到所要求的测量要 求。换句话说，上述实施例所列举的方法是示例性的而非限制性的，在不背离本发明精神和 范围的条件下，可采用多种不同的测量方法，而这些测量方法均在本发明的范畴之内。
权利要求
一种二维轮廓形状的测量方法，其特征在于包括下述步骤步骤a、选择被测物体二维轮廓上的某一点为测量起点；步骤b、测量被测物体二维轮廓上各点相对所述测量起点的二维累积弧长以及该二维累积弧长对应的近似曲率；步骤c、根据步骤a得到的二维累积弧长及其近似曲率之间的关系重构出测量物体的二维轮廓形状。
2. —种二维轮廓形状的测量装置，其特征在于包括 测量模块，用于与被测物体直接接触，得到各测点的弧长及变形量； 处理模块，用于处理弧长及变形量，重构被测物体的形状； 采集模块，用于测量模块与处理模块之间的接口 ，采集测量的数据。
3. 根据权利要求2所述的二维轮廓形状测量装置，其特征在于所述的测量模块是由第 一传感组件、第二传感器、第一支架、第二支架、底座组成，所述第一支架、第二支架分别安 装在所述底座两端，所述第一传感器组件安装在所述第二支架下端，所述第二传感器安装 所述第一支架、第二支架之间的底座上，所述第一支架、第二支架、第二传感器均在同一水 平面上；所述第一传感器组件包括角度传感器与滚轮，其中滚轮与传感器的转轴过盈连接， 在测量时，所述滚轮与被测物体轮廓相接触，并沿被测物体轮廓上作无滑动滚动带动角度 传感器旋转，所述角度传感器不断采样得到轮廓上各点的累积弧长值；所述第二传感器为 位移传感器，用于测量各点的累积弧长对应的近似曲率。
4. 根据权利要求2所述的二维轮廓形状测量装置，其特征在于所述的测量模块是由第 一传感组件、第二传感器、第一支架、第二支架、底座组成，所述第一支架、第二支架分别安 装在所述底座两端，所述第二传感器安装所述第一支架、第二支架之间的底座上，所述第一 传感器组件安装在所述第二传感器下端，所述第一支架、第二支架、第二传感器均在同一水 平面上；所述第一传感器组件包括角度传感器与滚轮，其中滚轮与传感器的转轴过盈连接， 在测量时，所述滚轮与被测物体轮廓相接触，并沿被测物体轮廓上作无滑动滚动带动角度 传感器旋转，所述角度传感器不断采样得到轮廓上各点的累积弧长值；所述第二传感器为 位移传感器，用于测量各点的累积弧长对应的近似曲率。
5. 根据权利要求2所述的二维轮廓形状测量装置，其特征在于所述的测量模块是由第 一传感组件、第二传感器、第一支架、第二支架、底座组成，所述第一支架、第二支架分别安 装在所述底座两端，所述第一传感器安装所述第一支架、第二支架之间的底座上，所述第二 传感器组件安装在所述第二支架下端，所述第一支架、第二支架、第二传感器均在同一水平 面上；所述第一传感器组件包括角度传感器与滚轮，其中滚轮与传感器的转轴过盈连接，在 测量时，所述滚轮与被测物体轮廓相接触，并沿被测物体轮廓上作无滑动滚动带动角度传 感器旋转，所述角度传感器不断采样得到轮廓上各点的累积弧长值；所述第二传感器为位 移传感器，用于测量各点的累积弧长对应的近似曲率。
6. 根据权利要求2所述的二维轮廓形状测量装置，其特征在于所述处理模块是由计算 机及相应的测量数据处理软件构成的；采集模块是由数据采集卡或数据采集仪器组成的， 且与测量模块及处理模块相连接。
全文摘要
本发明公开一种不依赖坐标的二维轮廓形状的测量方法及测量装置，根据本发明，首先通过基于该测量方法实现的测量装置与物体之间的相对运动测得轮廓各处的累积弧长及近似曲率之间的关系数据，然后根据所测量的关系数据重构出物体的二维轮廓形状。本发明提出了一种不依赖坐标的测量方法及测量装置，使得被测对象的尺寸不受测量装置自身的量程限制，并且在二维轮廓形状测量中，更加方便快捷。
文档编号G01B11/24GK101750031SQ20091027316
公开日2010年6月23日 申请日期2009年12月9日 优先权日2009年12月9日
发明者仰敬, 任清荣, 吴卫东, 周会成, 唐小琦, 宋宝, 黄东兆 申请人:华中科技大学;武汉华中数控股份有限公司
技术领域：
本发明涉及测量领域，更具体地说，涉及一种不依赖坐标的二维轮廓形状的测量
方法及测量装置。
背景技术：
针对一类二维外形轮廓(如平面凸轮、圆盘、法兰盘、冰刀刀刃)的测量，目前国 内外的测量方法较多，其中弧度规测量方式只能得到轮廓某点的局部变形量，在连续的轮 廓测量中无法准确定位每个轮廓点在另一个方向上(非局部变形量方向)的位置，从而无 法进行较精确的连续的轮廓测量；三坐标测量仪及一般轮廓测量仪也可以用来测量二维轮 廓，由于其自身原理的限制，当工件轮廓大于其测量范围后，便不能正确测量工件，而需重 新选用量程更大的三坐标测量机，并且其体积一般比较大，便携性较差；光学比较仪采用相 对测量的方法得到被测物体的轮廓尺寸，其测量同样受测量仪自身的结构尺寸的限制，而 且需要标准件来作比对；光学轮廓仪利用投影等原理结合一定的处理软件得到被测物体的 形状，其价格比较昂贵，对一般的测量而言非常不经济。
发明内容
本文提出了一种不依赖坐标的二维轮廓形状的测量方法并基于此方法实现了一 种不依赖坐标的二维轮廓形状的测量装置，从而解决以上现有技术中存在的测量范围受测 量装置的量程限制、测量准备阶段过长、测量装置体积很大及携带不便及测量装置价格昂 贵等问题。 因此，首先本发明提出了一种不依赖坐标的二维轮廓形状的测量方法，其特征在 于包括下述步骤 步骤a、选择被测物体二维轮廓上的某一点为测量起点； 步骤b、测量被测物体二维轮廓上各点相对所述测量起点的二维累积弧长以及该 二维累积弧长对应的近似曲率； 步骤C、根据步骤a得到的二维累积弧长及其近似曲率之间的关系重构出测量物 体的二维轮廓形状。 本发明提出了一种二维轮廓形状的新的测量方法，可以通过采用基于该方法实现
的测量装置与被测物体轮廓之间的相对运动，得到各位置处的弧长及曲率数据，通过这两
个表征曲线特性的参数重构出测量物体的轮廓形状。所述的近似曲率是指被测物体二维轮
廓的某位置弯曲程度，由被测物体轮廓的局部变形量及基于该方法实现的装置的结构参数
推算的，是实际位置曲率的近似值。本方法的核心是实现一种数学模型，该模型的在重构被
测物体的过程中所需要的关键数据是被测物体轮廓的弧长及曲率数据，这两个数据是与坐
标无关的，这样通过这两个数据可以计算出物体的轮廓形状。 其次，基于该测量方法本发明提出一种测量装置，包括 测量模块，用于与被测物体直接接触，得到各测点的弧长及变形量；
处理模块，用于处理弧长及变形量，重构被测物体的形状，并给出相应的分析图表。 采集模块，用于测量模块与处理模块之间的接口 ，从测量模块获得数据，并将采集 得到的数据发送给处理模块，由数据采集卡或数据采集仪器组成的。 作为一种可选方案，所述的测量模块是由第一传感组件、第二传感器、第一支架、 第二支架、底座组成，所述第一支架、第二支架分别安装在所述底座两端，所述第一传感器 组件安装在所述第二支架下端，所述第二传感器安装所述第一支架、第二支架之间的底座 上，所述第一支架、第二支架、第二传感器均在同一水平面上；所述第一传感器组件包括角 度传感器与滚轮，其中滚轮与传感器的转轴过盈连接，在测量时，所述滚轮与被测物体轮廓 相接触，并沿被测物体轮廓上作无滑动滚动带动角度传感器旋转，所述角度传感器不断采 样得到轮廓上各点的累积弧长值；所述第二传感器为位移传感器，用于测量各点的累积弧 长对应的近似曲率。 作为另一种可选方案，所述的测量模块是由第一传感组件、第二传感器、第一支 架、第二支架、底座组成，所述第一支架、第二支架分别安装在所述底座两端，所述第二传感 器安装所述第一支架、第二支架之间的底座上，所述第一传感器组件安装在所述第二传感 器下端，所述第一支架、第二支架、第二传感器均在同一水平面上；所述第一传感器组件包 括角度传感器与滚轮，其中滚轮与传感器的转轴过盈连接，在测量时，所述滚轮与被测物体 轮廓相接触，并沿被测物体轮廓上作无滑动滚动带动角度传感器旋转，所述角度传感器不 断采样得到轮廓上各点的累积弧长值；所述第二传感器为位移传感器，用于测量各点的累 积弧长对应的近似曲率。 作为第三种可选方案，所述的测量模块是由第一传感组件、第二传感器、第一支 架、第二支架、底座组成，所述第一支架、第二支架分别安装在所述底座两端，所述第一传感 器安装所述第一支架、第二支架之间的底座上，所述第二传感器组件安装在所述第二支架 下端，所述第一支架、第二支架、第二传感器均在同一水平面上；所述第一传感器组件包括 角度传感器与滚轮，其中滚轮与传感器的转轴过盈连接，在测量时，所述滚轮与被测物体轮 廓相接触，并沿被测物体轮廓上作无滑动滚动带动角度传感器旋转，所述角度传感器不断 采样得到轮廓上各点的累积弧长值；所述第二传感器为位移传感器，用于测量各点的累积 弧长对应的近似曲率。 上述三种结构中，所述的滚轮滚轮采用摩擦系数较大，抗压能力强的材料例如尼
龙从而使得在测量时滚轮变形量小，且沿被测物体表面做纯滚动的运动。 所述的曲率是由支架、滚轮及位移传感器三者之间的位置结构设计和标定参数以
及位移传感器的实时变形量计算得到的；弧长是由滚轮带动角度传感器旋转的实时测量数
据计算得到的。滚轮、位移传感器及支架三者之间的间距通过几组圆标准件与三者完全接
触的位移传感器的变形量与圆标准件的直径反算推得，同时滚轮的直径采用游标卡尺测量得到。 所述的处理模块是由计算机及相应的测量数据处理软件构成的，其中计算机可以 为台式电脑或者笔记本电脑，其配置包含处理器、储存器、输入输出设备及通信接口。
所述的测量数据处理软件包含有曲率计算、弧长分析、数据平滑、曲线重构、轮廓 匹配、误差分析、位置标定、测量对象信息显示、修改、删除及保存这些功能。通过对采集的
4位移传感器的电压值的滤波预处理，将电压值和编码器的计数值转换为测头位移与弧长， 将测头位移及标定的装置结构参数和滚轮的测量直径联立方程组，从而得到曲率半径信 息，将曲率半径与测量得到的弧长相对应，从而对测量物体的形状进行拟合重构，得到实际 的轮廓形状，把拟合得到的几何形状的重心与实际的被测形状的重心重合做形状匹配，从 而进行相关性分析和误差分析。该软件同时具有一个显示界面，能实时显示所测量得到的 形状数据。除此之外，该软件还含有用于保存测量数据及分析结果的数据库，从而管理各个 测量对象的测量信息和分析信息。 所述的采集模块是与测量模块及处理模块相连接的。测量得到的每一处的弧长数 据及轮廓变形量都是实时发送给采集装置。与计算机之间通过RS232串口或PCI接口通讯 的，将采集得到的弧长数据及轮廓变形量实时转发给计算机。 因此本发明提出了一种二维轮廓形状的测量方法及测量装置，使得被测对象的尺 寸不受测量装置的量程限制，在二维轮廓形状测量中更加方便快捷。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，其中 图1为基于弧长及曲率的圆弧法逼近重构示意图。
图2为光电编码器前置式测量装置的结构示意图及测量示意图。 图3为光电编码器与线位移传感器叠加式测量装置的结构示意图及测量示意图。 图4为线位移传感器前置式测量装置的结构示意图及测量示意图。
具体实施例方式
下面用举例的方式给出本发明确定的通过测量被测物体轮廓的弧长及曲率数据 来重构物体形状的方法。 如图1所示为基于弧长及曲率的圆弧法逼近重构示意图。 由于圆弧对曲线的逼近阶比直线段对曲线的逼近阶高，从而圆弧对曲线的逼近误 差比直线段小，这里选取圆弧作为曲线重构中的最小单元，从而保证重构后曲线是Gl连 续。 以下是用圆弧重构过程的算法步骤。
步骤l.设定重构过程的坐标系。 为了在数据处理软件中重构曲线，因此必须将测量建立重构坐标系，注意这里的 坐标系与测量过程毫无关系，仅仅是为了满足软件重构中数据点定位及作图过程的需要。
如图1所示，重构出的曲线由!1个圆弧段0。01、0102、…、CVA所构成。以测量起 点0。作为全局坐标系0XY的坐标原点，这是其它所有坐标系的参考原点，每段圆弧均有一 个局部坐标系OiX山，其中局部坐标系的起点分别是0ixiyi坐标系的原点0i，并且局部坐标 系的x轴与对应的圆弧段相切。这样全局坐标系OXY与局部坐标系o。xy(其中o。xy为起始 点的局部坐标系)相重合，即0。在全局坐标系与局部坐标系中的坐标原点。
步骤2.计算各圆弧段端点在全局坐标系中的坐标值，以及各圆弧段的圆弧半径。
由步骤1可知0。在全局坐标系与局部坐标系中的坐标都为(O，O)。
其它点0i的坐标值及0i—工与0i之间圆弧半径计算过程
(1). A Si 其中 (2) 其中 (3)
出相应的第i R,.=
由第一传感器测得的角位移e i值计算出第i段相应的累积弧长Si的值。
=ks9i(i = 1，2，3，…，n) (1)
ks是角位移与弧长之间的换算常数，在测量前由装置结构参数标定。
由Si与Si+1计算出第i段相应的弧长增量A Si的值。
:ASi = Si+1—Sji = 1，2，3， ...，n-l) (2)
由第二传感器测量得到的对应被测物体轮廓各位置的弧顶高Ah的值计算 点的曲率半径Ri。
kr Ahji = 1，2，3，…，n) (3)
ks是弧顶高与曲率半径之间的换算常数，在测量前通过标准件来标定。
射
(4) .根据1和2的计算值，利用公式得到第i段的弧线角度e
1
(5)
乂
(6),
=Ri A Si (4) 计算第i段的圆弧终点在局部坐标系中坐标(Xi， y》，其结果如下 sin《—t
/ = 1,2，'
1 —cos6
， ？7
卜l
(5)
卜l
将第i点的局部坐标转换到以起始点o。的全局坐标系中，其转换矩阵为
MM, = M, fjMj ， M, = W
(6) 其中及，=
COS (9,.
i—1
i o
x,-1
0
X-1
sin《_ 一sin《—j cos《— 0 0 步骤3.圆弧法重构 根据得到的第i-1段及第i段圆弧在全局坐标系中的终点的坐标值，结合步骤2 得到的第i段的圆弧半径，便可得到第i段的弧形。然后依次将这些弧形连接起来，便得到 测量的物体轮廓形状。 需要说明的是，上面仅以举例的方式选取圆弧作为曲线拟合重构的一种方式为示
例，由通过弧长及曲率数据经过一定的数据转换还可以用其它比如直线，双圆弧、多项式、B
样条或NUBRUS样条曲线的方式来拟合重构轮廓形状。 下面举例说明基于本方法实现的测量装置及测量实施例。 如图2所示为光电编码器前置式测量装置的结构示意图及测量示意图。 该测量装置由三个模块组成测量模块101、采集模块102及处理模块103。 其中测量模块101包括一个底座，安装在这个底座上的第一传感器组件20，包括
光电编码器及与之同轴共连的滚轮，安装在固定底座上的支架30，安装在这个底座上的第
二传感器10为线位移传感器，其中第一传感器组件20上的滚轮、支架30及位移传感器10
三者位于同一平面，三者的相对位置是线位移传感器10位于第一传感器组件20及支架30
的中间，第一传感器组件20与支架30的位置可以互相交换。 采集模块102由一个1/0接口板及数据采集卡组成。
处理模块103可以是个人电脑，通过其上安装的分析数据的软件，进行数据处理 从而重构出物体轮廓，其中对软件的操作通过键盘70或鼠标80与数据处理软件的人机界 面进行交互操作。 采集模块102与测量模块之间是由线位移传感器10及第一传感器组件20中的光 电编码器的信号线相连接，采集模块102与处理模块之间可以通过PCI接口或者串口相连。
在这种光电编码器前置式测量结构模式下的测量方法包括以下步骤
步骤一 标定参数 为了能将测量得到的第一传感器组件20中的光电编码器及线位移传感器10的电 信号转换成对应的能表征轮廓特征的弧度及曲率信息，需要对装置的结构参数及转换系数 进行标定。具体方法如下 第一传感器组件20与支架30之间的间距L、线位移传感器10及支架30之间的间 距Ll可以通过几组不同直径的圆标准件分别标定得出。 取其中一个直径的圆标准件，将其同时与第一传感器组件20上的滚轮侧面、支架 30的顶尖及线位移传感器10的顶尖接触，记录下此时的线位移传感器10的读数及所使用 的圆标准件的直径。根据这种方法，用其它几组圆标准件进行标定，通过一系列的记录，建 立方程组来求解装置的结构参数。另外与第一传感器组件20上的滚轮直径采用游标卡尺 测量得到。 这个标定过程只需一次即可，不需要在每次测量物体时都进行标定，除非该测量
装置的结构发生变化。 步骤二 测量形状 测量是使被测物体与测量装置产生相对运动，从而连续得到测量数据的一个过 程。根据相对运动的实现方式，有以下两种方法 a.测量装置运动，被测对象静止对于外形较大的物体，一般采用此方法。其操作 步骤如下 将物体40固定不动，而后用手握着该测量模块101，使得光电编码器20转轴上的 滚轮、支架30的顶尖、线位移传感器10的顶尖三者能同时接触物体40，然后施加一定的压 力，并使测量装置101沿物体表面40运动，同时保证支架30的顶尖和线位移传感器10的 顶尖时刻与物体40相接触而且与第一传感器组件20上的滚轮尽量以纯滚动的方式运动。 在运动的过程中，当滚轮不断滚动时，光电编码器20不断获得滚轮所滚过的距离，即C点在 曲线上相对于滚轮与曲线的初始接触点的路程，同时线位移传感器10不断测得C点所对应 的弧顶高值。 b.被测对象运动，测量装置静止对于较小的物体，比如一般的凸轮，一般采用此
方法。其操作步骤与方法a的区别在于，在测量时，将测量装置固定不动，手动控制被测物
体40，使其外轮廓时刻与第一传感器组件20上的滚轮、支架30的顶尖、线位移传感器10的
顶尖三者时刻接触。 步骤三数据平滑处理 在测量模块101得到数据后，通过采集模块102将数据传递给处理模块，处理模块
103对采集得到的数据要进行适当的处理，才能得到较理想的轮廓曲线。 为了减小测量过程中由于操作测量装置及线位移传感器或光电编码器带来的波
7动误差，需要对测量得到的数据进行平滑滤波处理，这里采用多项式或其它滤波器进行平 滑处理。
步骤四重构二维轮廓形状 利用图1的圆弧重构算法，选取一定的分段长度，对经过步骤三处理后的数据进 行曲线重构，得到第一次处理后的测量形状。同时对起始滚轮未接触到的部分，利用起始与 第一传感器组件20上的滚轮接触点的位置及切矢、起始线位移传感器10的读数、结构标定 的参数L、L1，即可确定。
步骤五显示结果 通过重构后的形状，直接显示在处理模块的显示器50上。 如图3所示为光电编码器与线位移传感器叠加式测量装置的结构示意图及测量 示意图。 该测量装置由三个模块组成测量模块101、采集模块102及处理模块103。
其结构与图1中不同的是第一传感器组件20的滚轮转轴与线位移传感器10的移 动顶尖相连。同时与图1相比，其支架顶尖30左右各一个。其它部分的结构与滚轮前置式 相同。 在这种光电编码器与线位移传感器叠加式下的测量方法包括以下步骤
步骤一 标定参数 为了能将测量得到的第一传感器组件20中的光电编码器及线位移传感器10的电 信号转换成对应的能表征轮廓特征的弧度及曲率信息，需要对装置的结构参数及转换系数 进行标定。具体方法如下 左支架30与右支架30之间的间距L、线位移传感器10 (或第一传感器组件20)及 支架30之间的间距Ll可以通过几组不同直径的圆标准件分别标定得出。
其标定方法与滚轮前置法相同。
步骤二 测量形状 测量是使被测物体与测量装置产生相对运动，从而连续得到测量数据的一个过 程。根据相对运动的实现方式，有以下两种方法 a.测量装置运动，被测对象静止对于外形较大的物体，一般采用此方法。其操作 步骤如下 将物体40固定不动，而后用手握着该测量模块101，使得第一传感器组件20中的 滚轮、左支架30的顶尖、右支架30的顶尖三者能同时接触物体40，然后施加一定的压力，并 使测量装置101沿物体表面40运动，同时保证左右支架30的顶尖时刻与物体40相接触而 且与第一传感器组件20中的滚轮尽量以纯滚动的方式运动。在运动的过程中，当滚轮不断 滚动时，第一传感器组件20中的光电编码器不断获得滚轮所滚过的距离，即C点在曲线上 相对于滚轮与曲线的初始接触点的路程，同时线位移传感器10不断测得C点所对应的弧顶 高值。 b.被测对象运动，测量装置静止对于较小的物体，比如一般的凸轮，一般采用此 方法。其操作步骤与方法a的区别在于，在测量时，将测量装置固定不动，手动控制被测物 体40，使其外轮廓时刻与左右支架30的顶尖、线位移传感器10的顶尖三者时刻接触。
步骤三平滑数据
8
与滚轮前置式结构的方法相同。
步骤四重构形状 与滚轮前置式重构不同的是在重构形状中对于最后的测量起始部分与结束部分 的边界处理。在本方案中需要补全首尾两个部分的滚轮未接触过的曲线部分。
步骤五结果显示 通过重构后的形状，直接显示在处理模块的显示器50上。 如图4所示为线位移传感器前置式测量装置的结构示意图及测量示意图。 该测量装置由三个模块组成测量模块101、采集模块102及处理模块103。 其结构与图1中不同的是第一传感器组件20与线位移传感器10的位置对调，其
它部分的结构与滚轮前置式相同。
在这种线位移传感器叠加式下的测量方法包括以下步骤
步骤一 标定参数 为了能将测量得到的第一传感器组件20中的光电编码器及线位移传感器10的电 信号转换成对应的能表征轮廓特征的弧度及曲率信息，需要对装置的结构参数及转换系数 进行标定。具体方法如下 支架30与线位移传感器10之间的间距L、支架30及第一传感器组件20之间的间
距Ll可以通过几组不同直径的圆标准件分别标定得出。 其标定方法与滚轮前置法相同。
步骤二 测量形状 与滚轮前置式结构的方法相同。 步骤三平滑数据 与滚轮前置式结构的方法相同。 步骤四重构形状 与滚轮前置式重构不同的是在重构形状中对于最后的测量起始部分与结束部分 的边界处理。在本方案中需要补全起始部分的滚轮未接触过的曲线部分。
步骤五结果显示 通过重构后的形状，直接显示在处理模块的显示器50上。 上面仅以举例的方式说明了根据基于被测物体轮廓弧长及曲率重构物体轮廓的 两种装置及各自的测量步骤，但对业内人士显而易见的是，累积弧长或近似曲率的测量方 法不限于上述装置所描述的，而是可以根据被测对象的轮廓的复杂程度、测量精度和应用 环境等多项指标，采用多种传感器、多种滚轮如滚珠、多种材料等以达到所要求的测量要 求。换句话说，上述实施例所列举的方法是示例性的而非限制性的，在不背离本发明精神和 范围的条件下，可采用多种不同的测量方法，而这些测量方法均在本发明的范畴之内。
权利要求
一种二维轮廓形状的测量方法，其特征在于包括下述步骤步骤a、选择被测物体二维轮廓上的某一点为测量起点；步骤b、测量被测物体二维轮廓上各点相对所述测量起点的二维累积弧长以及该二维累积弧长对应的近似曲率；步骤c、根据步骤a得到的二维累积弧长及其近似曲率之间的关系重构出测量物体的二维轮廓形状。
2. —种二维轮廓形状的测量装置，其特征在于包括 测量模块，用于与被测物体直接接触，得到各测点的弧长及变形量； 处理模块，用于处理弧长及变形量，重构被测物体的形状； 采集模块，用于测量模块与处理模块之间的接口 ，采集测量的数据。
3. 根据权利要求2所述的二维轮廓形状测量装置，其特征在于所述的测量模块是由第 一传感组件、第二传感器、第一支架、第二支架、底座组成，所述第一支架、第二支架分别安 装在所述底座两端，所述第一传感器组件安装在所述第二支架下端，所述第二传感器安装 所述第一支架、第二支架之间的底座上，所述第一支架、第二支架、第二传感器均在同一水 平面上；所述第一传感器组件包括角度传感器与滚轮，其中滚轮与传感器的转轴过盈连接， 在测量时，所述滚轮与被测物体轮廓相接触，并沿被测物体轮廓上作无滑动滚动带动角度 传感器旋转，所述角度传感器不断采样得到轮廓上各点的累积弧长值；所述第二传感器为 位移传感器，用于测量各点的累积弧长对应的近似曲率。
4. 根据权利要求2所述的二维轮廓形状测量装置，其特征在于所述的测量模块是由第 一传感组件、第二传感器、第一支架、第二支架、底座组成，所述第一支架、第二支架分别安 装在所述底座两端，所述第二传感器安装所述第一支架、第二支架之间的底座上，所述第一 传感器组件安装在所述第二传感器下端，所述第一支架、第二支架、第二传感器均在同一水 平面上；所述第一传感器组件包括角度传感器与滚轮，其中滚轮与传感器的转轴过盈连接， 在测量时，所述滚轮与被测物体轮廓相接触，并沿被测物体轮廓上作无滑动滚动带动角度 传感器旋转，所述角度传感器不断采样得到轮廓上各点的累积弧长值；所述第二传感器为 位移传感器，用于测量各点的累积弧长对应的近似曲率。
5. 根据权利要求2所述的二维轮廓形状测量装置，其特征在于所述的测量模块是由第 一传感组件、第二传感器、第一支架、第二支架、底座组成，所述第一支架、第二支架分别安 装在所述底座两端，所述第一传感器安装所述第一支架、第二支架之间的底座上，所述第二 传感器组件安装在所述第二支架下端，所述第一支架、第二支架、第二传感器均在同一水平 面上；所述第一传感器组件包括角度传感器与滚轮，其中滚轮与传感器的转轴过盈连接，在 测量时，所述滚轮与被测物体轮廓相接触，并沿被测物体轮廓上作无滑动滚动带动角度传 感器旋转，所述角度传感器不断采样得到轮廓上各点的累积弧长值；所述第二传感器为位 移传感器，用于测量各点的累积弧长对应的近似曲率。
6. 根据权利要求2所述的二维轮廓形状测量装置，其特征在于所述处理模块是由计算 机及相应的测量数据处理软件构成的；采集模块是由数据采集卡或数据采集仪器组成的， 且与测量模块及处理模块相连接。
全文摘要
本发明公开一种不依赖坐标的二维轮廓形状的测量方法及测量装置，根据本发明，首先通过基于该测量方法实现的测量装置与物体之间的相对运动测得轮廓各处的累积弧长及近似曲率之间的关系数据，然后根据所测量的关系数据重构出物体的二维轮廓形状。本发明提出了一种不依赖坐标的测量方法及测量装置，使得被测对象的尺寸不受测量装置自身的量程限制，并且在二维轮廓形状测量中，更加方便快捷。
文档编号G01B11/24GK101750031SQ20091027316
公开日2010年6月23日 申请日期2009年12月9日 优先权日2009年12月9日
发明者仰敬, 任清荣, 吴卫东, 周会成, 唐小琦, 宋宝, 黄东兆 申请人:华中科技大学;武汉华中数控股份有限公司
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