基于等矩策略的自由曲面测量方法误差分析-何改云.pdf
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1、第49卷 第2期 2016年2月 天津大学学报(自然科学与工程技术版) Journal of Tianjin University(Science and Technology) Vol.49 No.2Feb. 2016 收稿日期:2015-09-12;修回日期:2015-11-26. 基金项目:“高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项资助项目(2014ZX04014-031). 作者简介:何改云(1965 ),女,博士,教授. 通讯作者:何改云,hegaiyuntjueducn. 网络出版时间:2015-11-27. 网络出版地址:http:/ DOI:10.11784/tdxbz2015
2、09035 基于等矩策略的自由曲面测量方法误差分析 何改云1,季彩霞1,郭龙真1,郎爱蕾2(1. 天津大学机械工程学院,天津 300072;2. 天津大学理学院,天津 300072) 摘 要:针对数字化测量环境中自由曲面测量点的分布问题,首先提出了 2 点要求:曲率自适应性和分段点之间保持间距据此提出一类曲率自适应度可控的布点策略,称之为等矩法布点策略这种策略是指任意相邻 3 个分段点组成的曲线段中,其左右两曲线段对中间分段点的质量矩大小相等等矩法的矩次越高,曲率自适应度越小最后通过 2个算例,分析了等矩法的曲率自适应度与测量方法误差之间的关系以正弦函数为算例,通过计算得出:当采用等 4.5次
3、矩布点时,测量方法误差取到最小;另以样条曲线为算例,计算得出满足最小测量方法误差的布点策略为均布 关键词:布点策略;自适应分布;测量方法误差;自由曲面;数字化测量 中图分类号:TH161.1 文献标志码:A 文章编号:0493-2137(2016)02-0128-06 Analysis of Measurement Method Error in Freeform Surface Based on Equal Moment Strategy He Gaiyun1,Ji Caixia1,Guo Longzhen1,Lang Ailei2(1. School of Mechanical Engin
4、eering,Tianjin University,Tianjin 300072,China; 2. School of Science,Tianjin University,Tianjin 300072,China) Abstract:In order to distribute measurement points in freeform surface in digital measurement environment,two requirements were put forward:being adaptiveness to curvature and keeping spacin
5、g between pointsA new class of distribution strategies with controllable curvature adaptability was proposed accordingly,which is called equal mo-ment methodsIt means that,in a curve segment composed of any adjacent three points,its left part and its right part have an equal mass moment to the inter
6、mediate pointThe higher order the equal moment method has,the lower its curvature adaptability isFinally,through two examples,the relationship between curvature adaptability and meas-urement method error was analyzedIn the case of sine function,it was obtained by numerical calculations that,when 4.5
7、th equal moment method was chosen in this strategy,the error of measurement method reached the mini-mumTaking a spline curve as an example,the calculation results showed that,the distribution strategy meeting the minimum measurement method error was uniform distribution. Keywords:distribution strate
8、gy;adaptive distribution;measurement method error;freeform surface;digital measurement 自由曲面的数字化测量方法可以概括为非接触式测量和接触式测量两大类1文献2-4中描述了利用基于视觉理论的影像测量技术,采用视觉设备来实现工件非接触测量的方法,但该方法存在一些固有缺陷,例如对复杂型面特别是内孔测量时会出现光路遮挡,测量所能实现的可测深度与宽度有限等5接触式测量则是通过触发式测头或扫描式测头等硬件设备与被测工件相触碰,来获得被测轮廓的空间三维坐标数据 采用接触式测量,涉及到测头按某种布点策略选择若干采样点g64
9、08g5856测量,g2290g2097g1353采样点g6408g5856三g3410 B样g3149g2850g984g2850g984g5098g2630的曲面g890为测量曲面,测量曲面与理论曲面的g6055g2239g2114g890为g6981件的g4971g1355g6055g2239g1060中g1225括测量方法的g4870g4945g6055g2239,g2033可以g4772化g5866g4583为理论曲面g1g1g1 2016年2月 何改云等:基于等矩策略的自由曲面测量方法误差分析 129 g700采样点三g3410样g3149g2850g984g5098g2630的曲
10、面与理论曲面的g991g2239g3052g3944,测量方法g6055g2239g6228g879,g6981件g6055g2239g2114g6228接g6402g4413实g2544g1093g1665g5098布点策略的g1885g1709g4399接g1092g2047了自由曲面的测量g4852度 g6004g1842g2021g5095对布点策略g993过g4496g4674,g2307用g3107g2296g3588的是等间g6255法6,g1060g1299理g4772g1260,g5983g4778方g934g758有g2021g5095g5986为等间g6255法g3556
11、有g5093g5692曲面特g2396的复杂g2476,g2290g2849出了对曲g4106自g6431g2307的布点策略,如g7754Pahk 等7g4496g4674了g3380g1061型面g3292测g6947曲g4106g1322化的布点方法g7755Koster8g4496g4674了g3241据曲面法g1363g1132g4914方g1363g1322化的g6451g4106实现对曲面采样点自g6431g2307g1131布的采样策略g7755g3139g2978等9g2849出了基于g2381g4035特g2396的g1316三g3410 B 样g3149曲面测点自g643
12、1g2307g1131布的g4778法g7755g884g2951g775等10则是采用按曲g4106测度g1194g3134于g2362g6849g1360g6408g5856g6158量等g1131的布点方法(g4772g4645基于曲g4106法) g815工g5351g5959度g5098g5970,曲g4106大的g1244g1770g1322化g1178g3913,g1194工工g5351g2476g2239,g1194工g6055g2239大11,g6985g5941g3101g1842的数据点来g1317g3041g5866面特g2396,g1665g5098在g1131g34
13、55点数g703g1322的g2544g1093g701,g6985g5941g3101g7219的曲g4106自g6431g2307度g7755g5098g815测量方法g6055g2239的g5959度g5098g5970,过g7219的曲g4106自g6431g2307度g1317g5098会g6923g879g1131g3455点的利用g4106,影g1469测量方法g6055g2239,g1665g3428自g6431g2307度g2290非g6228g7219g6228g1885g5098以g700g4496g4674g1704g3122g2849及自g6431g2307度可g28
14、28g6855g7076,g758g3122g2092g2684g3107g903自g6431g2307度本文g2114g3428展开讨论,g2849出了一类曲g4106自g6431g2307度可g2828的布点新策略等矩法布点策略,g2290在g3428基础g700尝试g2092g2684针对测量方法g6055g2239的g3107g903自g6431g2307度 1 等矩法布点策略 在布点策略中,若g1131g3455点能够自发地按照策略规则实现在曲g4106g7219的g1244g1770密集,则g4645该布点策略满足对曲g4106的自g6431g2307密集效果g6228g1885,
15、g4645g1060曲g4106自g6431g2307度g6228g7219g3944g5098如果所有g1131g3455点都密集在曲g4106较大g1244g1770,则大大g6923g879了g1131g3455点利用g4106,对g1360续三g3410样g3149g2850g984的效果g703利所以,希望有这样一个布点策略g7754既能够对曲g4106自g6431g2307,同时又能保持点与点之间的间g6255 1.1 自由曲线等矩法布点策略 “曲面-曲g4914-点集-测点集”的g1131解g3410序是曲面数字化的基本思想g6004g1842g2021g5095以g3428g6
16、408g5856g4496g4674,如g884g2951g775等10详细描述了g2097已知 CAD g3380型的自由曲面g1131解为g1842组平g5856截交g4914,g815g5098g2097自由曲面布点转化为自由曲g4914布点的g6855g7076本文讨论的g2114是三维曲面转化为二维曲g4914g1360的布点g6855g7076 g2097自由曲g4914假想g2630一g3455有g6158量的g4914,曲g4914g700g1353点的g6158量指代自g6431g2307的对象例如若在曲g4914g700对曲g4106g6408g5856自g6431g230
17、7布点,那么曲g4914g700点的g6158量g2114是该点在曲g4914g700的曲g4106g984 ()kx,即 g1g1g1()322()=1+ykxydotnospdotnospdotnospg1(1)存在一g3455连续体AB,g2047义g2033对ABg700一点O的g6158量矩为 () ()dBOOAMAB kx=SS g1g1g1g1g1 ()()()() () ( ) ()dxBxAkx Sx SO Sx xdotnospg1(2)g1g1g12()= 1+ ()dxASx y x xdotnosp g1(3)式中 ()Sxg5866g4583当前点x到起始点A的g
18、2362g6849 等矩法布点g5941求任意相邻 3 个g1131g3455点1iQ-、iQ、+1iQ 组g2630的曲g4914g3455中,1iiQQ-曲g4914g3455对iQ点的g6158量矩与1iiQQ+曲g4914g3455对iQ点的g6158量矩数g984相等,即 g1g1g11+1()=()2,34,iiQii QiiMQQ MQQ i n= midhorizellipsis- (4)式中n为g1131g3455数 g1g1已知的1Q 和1nQ+为自由曲g4914的首尾端点,g509823,nQQ Qmidhorizellipsis 是由1Q、1nQ+g3241据式(4)按
19、等矩法布点所得采用g6158量矩的方式,可以有效保证12,QQmidhorizellipsis1nQ+之间的间g6255g7755等矩法布点时,g1131g3455点左右两边曲g4106()kx较大的一方,g1060布点g6255离Sg6985g5941g3101小才能平衡两边g6158量矩,g815g5098实现了曲g4106g7219的g1244g1770g1842布点(对曲g4106自g6431g2307)满足以g700 2 个g3149件,g1665g5098等矩法是一个可g5856的布点策略 1.2 等r次矩布点策略 如果g2097g700文g2849到的g6158量矩g4645之为
20、一g3410矩,记为1()OMAB,那么连续体AB对点O的rg3410矩g2114是 () ()dBrrOOAMAB kx=SS g1g1g1g1g1 ()()()() () ( ) ()dxBrxAkx Sx SO Sx xdotnospg1(5)g1g1若g2097等矩法g4645为等一g3410矩布点策略,那么等rg3410矩布点策略如g701所述 任意相邻 3 个g1131g3455点1iQ、iQ、1iQ+组g2630的曲g4914g3455中,1iiQQ曲g4914g3455对iQ点的rg3410矩与1iiQQ+曲g4914g3455对iQ点的rg3410矩数g984相等,即 g1g
21、1g111() ()iirrQii QiiMQQ MQQ+= g1(6)g1g111 1 1()()()0irQii Qii QiiMQQ MQQ MQQ+ +=(7)即11iiiQQQ+曲g4914g3455对iQ点的总rg3410矩为0 指数r的g890用在于g2828制对曲g4106的自g6431g2307度rg984g6228大,S相对于 ()kx的g890用效果g2114g6228大,g6228趋g6402于g1704布,对曲g4106的自g6431g2307度g2114g6228g879 1.3 等矩法与基于曲率法之间的联系 g1g1当 0r = 时,等矩法演g1322为 g1g1
22、g1 130 天津大学学报(自然科学与工程技术版) 第 49 卷 第2期 g1g1g11()()()()diixQxQkxSx x=dotnospg1g1g1g1g11()()()()diixQxQkxSx x+dotnospg1(8)去掉绝对g984,有 g1g1g111()d ()diiQQkx kx+=SSg1 (9)g2097 2,3,4, ,in= midhorizellipsis 代入,于是有 g1g123 112()d ()d ()dnnQQ Qkx kx kx+= = midhorizellipsisSS S g1g1g1g1g111()dnQQkxn+Sg1(10)g5098
23、这正是基于曲g4106法10g7754g5983g4778自由曲g4914g1353点曲g4106()kx,g3944g1360以 ()kx为密度对曲g4914g6408g5856g2362g6849积g1131,求得整g3149曲g4914总g6158量,g6408g5098g1704g1131曲g4914g6158量 所以,基于曲g4106法g2114是等 0 g3410矩布点策略,是等矩法的特殊g2544g1093 2 程序实现 通过式(6)联立方程组同时求解 1n- 个g1131g3455点难以实现,但如果 2n = (只求解 1 个g1131g3455点),利用g1244间缩短法搜索
24、则比较容易得解举个例子g775411iii+QQQ-曲g4914g3455通过g1244间缩短法求得的g3107g903g1131g3455点为1iQ-、*1ii+QQ和 ,那么g701一曲g4914g3455g2114是*+1 +2ii iQQ Q ,在g3428基础g700g5983g4778求得的g1131g3455点g2114会是*iQ 、*1iQ+、2iQ+g7755以g3428类推所以这里g2097同时求解 1n- 个g1131g3455点的g6855g7076转化为求 1n- g3410 1 个g1131g3455点的g6855g7076,g2290采用轮换逼g6402法逐g34
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