梯形钢丝几何尺寸测量方法及装置与流程

1.本发明涉及异型钢丝检测技术领域，尤其涉及一种梯形钢丝几何尺寸测量方法及装置。


背景技术：

2.梯形钢丝由于其截面形状复杂、尺寸精度高和长度无限长等特性具有广泛的用途，如模具簧、电子设备减振簧、武器激发器簧、垫圈等等。随着梯形钢丝在各个行业的发展应用，对其截面几何尺寸的要求显著提高。国内基本都是人工使用游标卡尺来测量梯形钢丝的尺寸。这种方法不仅检测效率低下、数据量少，而且需要从生产线中截取一段钢丝送检，对产品本身和生产的连续性都是一种破坏。
3.线激光传感器以其分辨率高、精度高、测量速度快、操作简单、成本较低等的优点，为梯形钢丝截面尺寸的在线测量提供了新的技术手段。利用新技术实现梯形钢丝的数字化在线检测不仅能提高测量效率、精度，满足24小时连续生产的需求，而且检测数据量大，通过对数据的分析反馈给生产，优化生产工艺和机床参数等，是梯形钢丝从传统制造到智能制造转型的至关重要的一步。


技术实现要素：

4.本发明实施例提供一种梯形钢丝几何尺寸测量方法，用以提高梯形钢丝几何尺寸测量的精度和效率。
5.本发明的具体技术方案为：
6.一种梯形钢丝几何尺寸测量方法，其特征在于，包括：
7.获取传感器坐标系间的转换参数，标定传感器；
8.根据测量系统中传感器与工件的位置关系，确定工件坐标系与传感器坐标系间的转换参数，将传感器与工件坐标统一；
9.根据传感器绕工件坐标系各个轴倾斜的测量情况，建立传感器安装误差模型；
10.测量标准件对测量系统中传感器的安装误差进行校正；
11.测量梯形钢丝，得到截面轮廓尺寸数据。
12.确定传感器坐标系间的转换参数，标定传感器，包括：
13.获取传感器共同测量区域内两个点的坐标；所述两点尽可能相隔远；
14.根据各个传感器中测量到的这两个点坐标值，确定传感器坐标系间的坐标转换参数，将坐标统一转换到某一传感器坐标系下。
15.根据传感器与工件的位置关系，确定工件坐标系与传感器坐标系间的转换参数，包括：
16.根据梯形钢丝纵向在世界坐标系下的方向参数，建立垂直于梯形钢丝纵向的虚拟平面；以梯形钢丝底边中点为原点、底边为x轴，建立工件坐标系；
17.根据传感器与梯形钢丝的位置关系，确定传感器坐标系与工件坐标系的方向参
数；确定工件坐标系原点在传感器坐标系下的坐标值；
18.根据以上信息，确定工件坐标系与传感器坐标系间的转换参数，将传感器坐标系与工件坐标系统一。
19.根据传感器绕工件坐标系各个轴倾斜的测量情况，建立传感器安装误差模型，包括：
20.根据传感器绕工件坐标系x轴倾斜的测量值，传感器坐标系与工件坐标系y轴夹角和测量值之间的数学关系；
21.根据传感器绕工件坐标系y轴倾斜的测量值，传感器坐标系与工件坐标系x轴夹角和测量值之间的数学关系；
22.根据传感器绕工件坐标系x、y轴倾斜的测量值，传感器坐标系与工件坐标系y、x轴夹角和测量值之间的数学关系。
23.测量长方体标准件尺寸对测量系统中传感器的安装误差进行校正，包括：
24.获取标准件各个顶点的坐标值与理论值对比，根据传感器安装误差模型，计算传感器安装倾斜角度；
25.根据传感器安装倾斜角度值，对传感器安装进行调整，校正测量数据值。
26.测量梯形钢丝，得到截面轮廓尺寸数据，包括：
27.将测量数据分段拟合，提取与尺寸相关的点坐标，计算尺寸值。
28.一种实现上述方法所采用的梯形钢丝几何尺寸测量装置，包括：夹具支撑前平板和夹具支撑后平板，梯形钢丝从夹具支撑前平板和夹具支撑后平板中穿过；在梯形钢丝周围对称分布若干个线激光传感器，线激光传感器的激光平面共面安装，分别用于获取梯形钢丝截面轮廓数据，由标定参数将截面轮廓进行拼接，从而得到梯形钢丝完整截面轮廓。
29.在梯形钢丝周围对称分布四个线激光传感器。
30.本发明可以利用平行于梯形钢丝截面的工件坐标系修正四个传感器测量坐标系，因此，不需要传感器激光平面绝对共面，只需大致对齐即可，大大降低了安装要求。同时，给出传感器坐标系与工件坐标系出现夹角和测量数值间的数学关系，即使传感器安装后激光平面与梯形钢丝纵向不垂直，也能通过数据校正保证测量结果是梯形钢丝的横断面轮廓数据而非斜断面轮廓数据。此外，将四个传感器轮廓数据变换到同一参考坐标系下，省去了轮廓拼接步骤。综上，本发明可以提高梯形钢丝几何尺寸测量的精度和效率。
附图说明
31.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：
32.图1为本发明实施例中梯形钢丝几何尺寸测量装置的结构示意图；
33.图2为本发明实例中4个传感器激光平面共面安装示意图；
34.图3为图2的激光平面共面安装的轮廓测量结果示意图；
35.图4为本发明实施例中4个传感器倾斜的一种情况示意图；
36.图5为图4的传感器倾斜的一种情况的轮廓测量结果示意图；
37.图6为本发明实施例中梯形钢丝几何尺寸测量方法的流程示意图；
38.图7是本发明实施例中梯形钢丝几何尺寸测量系统传感器倾斜校正流程图。
具体实施方式
39.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
40.本发明实例提供了一种梯形钢丝几何尺寸在线测量方法及装置，用于解决现有的人工使用游标卡尺测量方法存在的，测量误差大，测量数据少，破坏工件和生产连续性等问题，实现梯形钢丝的数字化在线检测，下通过实例进行说明。
41.线结构光轮廓测量技术基于三角测量原理，可以实时获取被测物的轮廓信息，具有高速、高精度和非接触的特点。图1是梯形钢丝几何尺寸测量装置结构图，测量装置包括夹具支撑前平板1和夹具支撑后平板2，梯形钢丝3从夹具支撑前平板1和夹具支撑后平板2中穿过。在梯形钢丝3周围对称分布四个线激光传感器4，四个线激光传感器4的激光平面共面安装，分别用于获取梯形钢丝截面轮廓数据，由标定参数将截面轮廓进行拼接，从而得到梯形钢丝完整截面轮廓。需要说明的是，安装时，线激光传感器4可以通过传感器固定板5固定在机架上。
42.针对线激光梯形钢丝几何尺寸测量，发明人发现了一个技术问题：
43.在线激光梯形钢丝几何尺寸测量系统中，传感器激光平面的共面程度是影响梯形钢丝几何尺寸测量精度的重要因素。为了使激光平面共面，保证梯形钢丝几何尺寸测量结果的准确度，四个线激光传感器41,42,43,44应当共面安装，如图2和图3所示，这对传感器夹具加工和安装过程提出了较高的要求，然而，由于夹具加工精度和安装环境等方面的限制，很难保证4个激光平面精确共面。当激光不共面时，其测量结果并非是与梯形钢丝垂直的横断面，而是产生了一定的畸变，引起测量误差。图4和图5给出了4个激光不共面的一种情况，其中，第一传感器41、第三传感器43、第四传感器44激光平面与梯形钢丝纵向垂直，但第二传感器42激光平面与梯形钢丝截面不平行，且与其余激光平面不共面，此时第一传感器41、第三传感器43、第四传感器44得到的是与梯形钢丝纵向垂直的横断面轮廓数据，而第二传感器42得到的是与梯形钢丝纵向不垂直的轮廓数据，这里我们称之为斜断面轮廓数据。很明显，梯形钢丝的斜断面轮廓与横断面轮廓相比，在某一个方向上进行了拉伸，拉伸的方向与激光平面和梯形钢丝纵向的夹角有关，这种拉伸导致梯形钢丝测量廓形产生了畸变，畸变的廓形会引起梯形钢丝轮廓特征点的定位出现偏差，最终导致梯形钢丝测量误差增大。更一般的情况，当4个激光平面都不与梯形钢丝纵向垂直时，梯形钢丝的测量廓形均不是梯形钢丝的横断面轮廓，测量结果均发生了畸变，会引起更大的误差。
44.由于发明人发现了上述问题，因此提出了一种梯形钢丝几何尺寸测量方案，该方案对传感器倾斜导致的激光平面不共面进行了校正：首先利用传统多个线激光传感器测量系统标定方法得到传感器坐标系间的转换参数，将测量数据统一到某一传感器坐标系下，得到完整截面轮廓。接着建立平行于梯形钢丝截面的工件坐标系，以底边中点为原点、底边为x轴；然后过传感器与工件位置关系，将传感器坐标系平移旋转与工件坐标系对齐，理论上这两个坐标系重合，但传感器出现倾斜即激光平面不垂直于工件纵向，这两个坐标系将
会出现夹角；根据标准值、测量值与夹角三者的数学关系将梯形钢丝轮廓数据投影到工件坐标系平面上，即可得到梯形钢丝横断面轮廓数据，从而实现多激光传感器安装误差校正。该方法可以利用平行于梯形钢丝截面的工件坐标系修正4个传感器测量坐标系，因此，不需要传感器激光平面绝对共面，只需大致对齐即可，大大降低了安装要求。同时，给出传感器坐标系与工件坐标系出现夹角和测量数值间的数学关系，即使传感器安装后激光平面与梯形钢丝纵向不垂直，也能通过数据校正保证测量结果是梯形钢丝的横断面轮廓数据而非斜断面轮廓数据。此外，将四个传感器轮廓数据变换到同一参考坐标系下，省去了轮廓拼接步骤。下面对该梯形钢丝几何尺寸测量方案进行详细介绍。
45.图6是本发明实施例中梯形钢丝几何尺寸测量方法的流程示意图，该方法包括如下步骤：
46.(1)获取传感器坐标系间的转换参数，标定传感器；
47.(2)根据测量系统中传感器与工件的位置关系，确定工件坐标系与传感器坐标系间的转换参数，将传感器与工件坐标统一；
48.(3)根据传感器绕工件坐标系各个轴倾斜的测量情况，建立传感器安装误差模型；
49.(4)测量标准件对测量系统中传感器的安装误差进行校正；
50.(5)测量梯形钢丝，得到截面轮廓尺寸数据。
51.本发明实施例提出了梯形钢丝几何尺寸测量方法，将各传感器轮廓测量结果修正到与梯形钢丝纵向垂直的平面(工件坐标系xoy平面)上，降低由于激光不共面导致的测量误差。这种方法不需要大大降低了夹具加工精度要求和现场安装环境要求。
52.在一个实施例中，传感器标定可以包括：
53.获取传感器共同测量区域内两个点的坐标；所述两点尽可能相隔远；
54.根据各个传感器中测量到的这两个点坐标值，代入坐标转换公式
[0055][0056]
x
sp
、y
sp
为一传感器下点坐标，x
tp
、y
tp
为目标传感器坐标系下该点坐标。通过两个点就可以确定两传感器坐标系间的坐标转换参数x
to
、y
to
、θ，将坐标统一转换到目标传感器坐标系下。
[0057]
在一个实施例中，根据测量系统中传感器与工件的位置关系，确定工件坐标系与传感器坐标系间的转换参数，将传感器与工件坐标统一，可以包括：
[0058]
建立平行于梯形钢丝截面的工件坐标系，以底边中点为原点、底边为x轴；
[0059]
通过传感器与工件位置关系，将传感器坐标系平移旋转与工件坐标系对齐，理论上这两个坐标系重合，但传感器出现倾斜即激光平面不垂直于工件纵向，这两个坐标系将会出现夹角。
[0060]
在一个实施例中，根据传感器绕工件坐标系各个轴倾斜的测量情况，建立传感器安装误差模型，包括：
[0061]
根据传感器绕工件坐标系x轴倾斜的测量值，传感器坐标系与工件坐标系y轴夹角α和测量值之间的数学关系式：
[0062]
[0063]
根据传感器绕工件坐标系y轴倾斜的测量值，传感器坐标系与工件坐标系x轴夹角β和测量值之间的数学关系式：
[0064]
x1＝x0/cosβ
[0065]
y1＝y0[0066]
根据传感器绕工件坐标系x、y轴倾斜的测量值，传感器坐标系与工件坐标系y、x轴夹角α、β和测量值之间的数学关系式：
[0067][0068]
在一个实施例中，测量标准件对测量系统中传感器的安装误差进行校正，包括：
[0069]
选择与工件尺寸接近的长方体标准件，以底边中点为原点，垂直于底边为y轴建立坐标系，得到四个顶点的理论值；
[0070]
测量长方体四个顶点坐标值，代入误差模型，计算各个传感器倾斜角度。
[0071]
在一个实施例中，测量梯形钢丝，得到截面轮廓尺寸数据，包括：
[0072]
将测量数据分段拟合，得到梯形钢丝各个圆弧大小和圆心位置；
[0073]
提取与尺寸相关的点坐标，计算尺寸值。
[0074]
本发明实施例提供的梯形钢丝几何尺寸测量方案的优点是：通过标定梯形钢丝纵向得到梯形钢丝纵向在世界坐标系下的方向向量，以该向量建立与梯形钢丝纵向垂直的虚拟平面，将左右侧梯形钢丝半断面轮廓测量数据投影到该虚拟平面上，实现梯形钢丝几何尺寸测量系统激光平面对齐修正。
[0075]
本发明实施例中，梯形钢丝几何尺寸测量方案，与现有技术中精度和效率都低的梯形钢丝几何尺寸测量的技术方案相比，通过：获取传感器坐标系间的转换参数，将测量数据统一到某一传感器坐标系下，得到完整截面轮廓。通过传感器与工件位置关系，将传感器坐标系平移旋转与工件坐标系对齐，理论上这两个坐标系重合，但传感器出现倾斜即激光平面不垂直于工件纵向，这两个坐标系将会出现夹角；根据标准值、测量值与夹角三者的数学关系，将梯形钢丝轮廓数据投影到工件坐标系平面上，即可得到梯形钢丝横断面轮廓数据，从而实现多激光传感器安装误差校正。该方法可以利用平行于梯形钢丝截面的工件坐标系修正4个传感器测量坐标系，因此，不需要传感器激光平面绝对共面，只需大致对齐即可，大大降低了安装要求。同时，给出传感器坐标系与工件坐标系出现夹角和测量数值间的数学关系，即使传感器安装后激光平面与梯形钢丝纵向不垂直，也能通过数据校正保证测量结果是梯形钢丝的横断面轮廓数据而非斜断面轮廓数据。本发明可以提高梯形钢丝几何尺寸测量的精度和效率。
[0076]
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。