CN105823411B - 一种曲面轮廓测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种曲面轮廓测量方法，包括将矩阵电路贴附在待测曲面上，通过侦测矩阵电路上相邻两根电场通道之间的距离值，还原各根电场通道的位置数据；沿垂直于所述待测曲面的表面方向改变所述矩阵电路的驱动位置至少一次，采集到多组电场通道的位置数据；根据所述多组电场通道的位置数据，判断各根电场通道的位置状态，并还原待测曲面的形状。本发明相较传统的曲面测量方式，具有测量速度快、测量精度高、生产成本低等优点。

Description

一种曲面轮廓测量方法

技术领域

本发明涉及一种曲面轮廓测量技术，尤其是涉及一种快速、精确的曲面轮廓测量方法。

背景技术

三坐标测量机的发展历经半个多世纪，它的出现是工业化发展的历史必然。一方面是由于自动机床、数控机床等高效率加工的发展以及越来越多复杂形状零件加工需要有快速可靠的测量设备与之配套；另一方面是由于电子技术、计算机技术、数控技术以及精密加工技术的发展为其提供了技术基础。三坐标测量机的出现使得测量仪器从手动方式向现代化自动测量的转变成为可能。

与传统测量仪器是将被测量和机械基准进行比较测量不同的是，坐标测量机的测量实际上是基于空间点坐标的采集和计算。虽然现代的测量机比早期的功能要高级很多，但基本原理是相同的，即建一个刚性的结构，此结构有三个互相垂直的轴，每个轴向安装光栅尺，并分别定义为X、Y、Z轴。为了让每个轴能够移动，每个轴向装有空气轴承或机械轴承。在垂直轴上的探测系统记录测量点任一时刻的位置。探测系统一般是由测头和接触式探针构成，探针与被测工件的表面轻微接触，获得测量点的坐标。在测量过程中，坐标测量机将工件的各种几何元素的测量转化为这些几何元素上点的坐标位置，再由软件根据相应几何形状的数学模型计算出这些几何元素的尺寸、形状、相对位置等参数。

由上述介绍可知，现有对曲面尺寸、形状等的测量主要依赖于三坐标测量机完成，我们知道现有三坐标测量机的结构比较复杂，生产成本比较高，且由于其计算过程主要依赖于软件工具实现，因此，在测量速度和效率上还有很大的提升空间。因此有必要研究一种新型的曲面轮廓尺寸测量方式，来改进现有技术存在的结构复杂、成本高、测量速度慢等问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种曲面轮廓测量方法，基于柔性矩阵电路，并通过改变曲面上矩阵电路的驱动位置，来采集足够多的电路上电场通道的位置数据，以快速、精确地测量出曲面轮廓尺寸。

为实现上述目的，本发明提出如下技术方案：一种曲面轮廓测量方法，包括以下步骤：

将矩阵电路贴附在待测曲面上，通过侦测矩阵电路上相邻两根电场通道之间的距离值，还原各根电场通道的位置数据；

沿垂直于所述待测曲面的表面方向改变所述矩阵电路的驱动位置至少一次，采集到多组电场通道的位置数据；

根据所述多组电场通道的位置数据，判断各根电场通道的位置状态，并还原待测曲面的形状。

优选地，将矩阵电路贴附在待测曲面上时，保持电场通道与待测曲面平行。

优选地，根据得到的多组电场通道的位置数据，以函数y＝f(x)形式来描述待测曲面弧度变化规律，并用傅里叶变换，还原所述函数的轨迹，即可还原待测曲面的形状。

优选地，每改变驱动一次所述矩阵电路中电场通道的位置，得到一组电场通道的位置数据，每组电场通道的位置数据同样通过侦测矩阵电路上相邻两根电场通道之间的距离值还原。

优选地，所述矩阵电路上相邻两根电场通道之间距离值的计算过程包括：

根据起始电场通道的坐标，结合电容测距原理，依次计算得到相邻两根电场通道之间的距离值。

优选地，所述电容测距原理所采用的计算公式为：C＝εS/d，其中，C表示电场通道电容，ε为介电常数，S为相邻两电场通道之间形成的电场面积，d为相邻两电场通道之间的距离。

优选地，所述判断各根电场通道的位置状态包括：判断各根电场通道是否在同一平面上。

优选地，若△d1＝△d2＝0，则判断相邻三根电场通道在同一个平面上；若△d1≠0和/或△d2≠0，则判断相邻三根电场通道不在同一个平面上，其中△d1＝D1-D、△d2＝D2-D，△d1、△d2为相邻三个通道的每相邻的两根通道之间的距离变化值，D1、D2表示相邻两根电场通道间的直线距离，D表示相邻两根电场通道间的基材距离。

优选地，所述判断各根电场通道的位置状态还包括：根据多个电场通道间的直线距离，判断电场通道的排列趋势方向。

优选地，所述矩阵电路包括柔性基材和均匀分布在柔性基材中的多根电场通道。

优选地，每根电场通道均由复数根柔性保护体和至少一根导体组成，所述导体以编织的方式均匀排布在柔性保护体中。

本发明的有益效果是：

1、本发明基于传感电路，通过电场感应的方式，采集电路上电场通道的位置数据，并通过改变曲面上传感电路的驱动位置，采集到足够多的数据，从而能更加精确地得到曲面真实的轮廓外形。

2、本发明相较传统的曲面测量方式，具有测量速度快、测量精度高、生产成本低等优点。

附图说明

图1是本发明曲面轮廓测量方法的流程示意图；

图2是本发明矩阵电路的结构示意图；

图3是本发明实施例拱形物体的结构示意图；

图4是本发明实施例电场电路在拱形物体上的原理示意图；

图5是本发明判断各根电场通道是否在同一平面上的原理示意图；

图6是本发明判断电场通道的排列趋势方向的原理示意图。

附图标记：

1、柔性基材，2、电场通道。

具体实施方式

下面将结合本发明的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整的描述。

本发明所揭示的一种曲面轮廓测量方法，基于柔性矩阵电路，依次驱动电路上的电路通道，并通过电场感应的方式得到电路通道的位置数据，根据这些数据来真实还原曲面形状。

下面以测量拱形不规则曲面为例来详细描述本发明曲面轮廓测量的原理，当然，本发明不限于测量拱形曲面，其他不规则形状的曲面本发明同样适用。

如图1所示，本发明实施例所揭示的一种曲面轮廓测量方法，包括以下步骤：

步骤1，将矩阵电路贴附在待测曲面上，通过侦测矩阵电路上相邻两根电场通道之间的距离值，还原各根电场通道的位置数据。

如图2所示，本实施例中的矩阵电路包括柔性基材1和分布在柔性基材中的多根电场通道2，且基材中的电场通道是均匀排列、间距相等、材料统一、尺寸一样的，其中，每根电场通道均由复数根柔性保护体和至少一根导体组成，导体以编织的方式均匀排布在柔性保护体中，优选地，本实施例中的每根电场通道均呈压缩状。因此本实施例中的矩阵电路整体是柔性、可拉伸的，可以贴附在不规则形状的曲面上。

具体地，在将矩阵电路贴附在待测曲面上之前，依次驱动电路上的电场通道(C1，C2……Cn)，通过电磁感应的方式取得相邻两根电场通道(C12，C23……Cn-1Cn)之间的距离D1、D2……Dn-1，此时，相邻两个电场通道之间的距离应该是相等的，即D1＝D2……＝Dn-1＝D。其中，n为大于2的整数。当然，具体实施时，这里不一定限定取相邻两根电场通道的距离，也可以取相邻三根(即通道C1和C3、通道C4和C6……通道Cn-2和Cn之间的距离)或相连其他数目根通道之间的距离。

将矩阵电路的柔性基材无缝贴合在拱形物体表面，拱形物体的形状如3所示，保持电场通道和平行拱形曲面平行，此时，柔性基材只有形变，没有拉伸。此时，根据起始电场通道的坐标，结合电容测距原理，依次计算得到相邻两根电场通道之间的距离值D1、D2……Dn-1，再根据这些距离值，还原各根电场通道的位置数据。具体地，电容测距原理采用的计算公式为：C＝εS/d，其中，C表示电场通道电容，ε为介电常数，S为相邻两电场通道之间形成的电场面积，d为相邻两电场通道之间的距离。即根据电场通道C1的坐标(X1，Y1)，可得到通道C1和通道C2之间的距离D12，根据该距离值，可得到电场通道C2的坐标，依次类推，最后可得到所有电场通道的位置数据。当电场通道C1、C2……Cn处于统一平面，待测物体表面平整，即C2坐标为(X1+D，Y1)，C3坐标为(X1+2D，Y1)，待测物体表面长度即为N*D，单独对C1C3通道进行电场感测，得出D13距离为2D距离。

另外，通过电场通道之间的距离值，可判断电场通道所在物体表面的情况。以图4中的电场通道C1、C2、C3为例，这三个通道在物体表面的位置一处时，有D1＝D2＝D，说明电场通道C1、C2、C3处于同一平面，且待测物体表面平整；而这三个通道在物体表面的位置二处时，此时有D1＜D，D2＜D，此时说明从通道C1到C2处、从通道C2到C3处发生了弯折。

步骤2，沿垂直于待测曲面的表面方向改变矩阵电路的驱动位置至少一次，采集到多组电场通道的位置数据。

考虑到步骤1采集的数据有限，还不能无限贴近待测物体的实际外形数据，因此，本发明通过沿垂直于待测曲面的表面方向改变矩阵电路的驱动位置至少一次的方式，来采集足够多的数据。每改变一次矩阵电路的驱动位置，电路上相应的电场通道的位置数据即会发生改变，此时同样需要通过起始电场通道的坐标，结合电容测距原理，依次计算得到相邻两根电场通道之间的距离值，再还原得到各根电场通道的位置数据。具体计算过程这里不再赘述，可参照步骤1中的具体描述。

步骤3，根据多组电场通道的位置数据，判断各根电场通道的位置状态，并还原待测曲面的形状。

具体地，通过多次改变矩阵电路中电场通道的位置，就可以得到多组电场通道的位置数据，根据这些数据，本发明以函数y＝f(x)形式来描述待测曲面弧度变化规律，并用傅里叶变换，还原函数的轨迹，从而得到待测拱形表面的真实外形。

更进一步地是，通过多次改变矩阵电路的驱动位置，还可以判断各根电场通道的位置状态，如各根电场通道是否在同一平面上。因为各电场通道C1，C2……Cn的相对位置一般会有两种可能，一种是沿纵向(可以理解为Y轴方向)上升，另一种就是沿纵向下降。

具体地，判断各根电场通道是否在同一平面上的条件为：若△d1＝△d2＝0，则判断相邻三根电场通道在同一个平面上；若△d1≠0和/或△d2≠0，则判断相邻三根电场通道不在同一个平面上，其中△d1＝D1-D、△d2＝D2-D，△d1、△d2为相邻三个通道的每相邻的两根通道之间的距离变化值，D1、D2表示相邻两根电场通道间的直线距离，D表示相邻两根电场通道间的基材距离。结合图5所示，图中的通道C1、通道C2和C3之间，△d1＝D1-D＜0且△d2＝D2-D＜0，则判断通道C1、通道C2和C3不在同一平面上，通道Cn-2、通道Cn-1、通道Cn之间，△dn-2＝Dn-2-D＝0，△dn-1＝Dn-1-D＝0，则判断通道Cn-2、通道Cn-1、通道Cn在同一平面上。

更进一步地，通过多次改变矩阵电路中电场通道的位置，并根据多个电场通道间的直线距离，还可判断电场通道的排列趋势方向，如是沿Y轴方向是向上还是向下的趋势。具体地，如图6所示，以图中相邻的四根电场通道C0、C1、C2和C3为例，如要判断通道C2到通道C3的趋势方向，以起始通道C0为判断基础，假设通道C2到通道C3为向上的趋势，则测量得到通道C3到通道C0的直线距离为L；假设通道C2到通道C3为向下的趋势，则测量得到通道C3′到通道C0的直线距离为L′，因为有距离值L′肯定大于距离值L，所以通过测量得到的直线距离的大小来判断通道C2到通道C3的趋势方向：若测量得到的直线距离值较大，则为向下的趋势；反之，则为向上趋势。

本发明的技术内容及技术特征已揭示如上，然而熟悉本领域的技术人员仍可能基于本发明的教示及揭示而作种种不背离本发明精神的替换及修饰，因此，本发明保护范围应不限于实施例所揭示的内容，而应包括各种不背离本发明的替换及修饰，并为本专利申请权利要求所涵盖。

Claims (6)

1.一种曲面轮廓测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

将矩阵电路贴附在待测曲面上，通过侦测矩阵电路上相邻两根电场通道之间的距离值，还原各根电场通道的位置数据；

沿垂直于所述待测曲面的表面方向改变所述矩阵电路的驱动位置至少一次，采集到多组电场通道的位置数据；

根据所述多组电场通道的位置数据，判断各根电场通道的位置状态，并还原待测曲面的形状；

所述矩阵电路包括柔性基材和均匀分布在柔性基材中的多根电场通道，每根电场通道均由复数根柔性保护体和至少一根导体组成，所述导体以编织的方式均匀排布在柔性保护体中；

所述矩阵电路上相邻两根电场通道之间距离值的计算过程包括：

根据起始电场通道的坐标，结合电容测距原理，依次计算得到相邻两根电场通道之间的距离值；

所述判断各根电场通道的位置状态包括：判断各根电场通道是否在同一平面上；若△d1＝△d2＝0，则判断相邻三根电场通道在同一个平面上；若△d1≠0和/或△d2≠0，则判断相邻三根电场通道不在同一个平面上，其中△d1＝D1-D、△d2＝D2-D，△d1、△d2为相邻三个通道的每相邻的两根通道之间的距离变化值，D1、D2表示相邻两根电场通道间的直线距离，D表示相邻两根电场通道间的基材距离。

2.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，将矩阵电路贴附在待测曲面上时，保持电场通道与待测曲面平行。

3.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，根据得到的多组电场通道的位置数据，以函数y＝f(x)形式来描述待测曲面弧度变化规律，并用傅里叶变换，还原所述函数的轨迹，即可还原待测曲面的形状。

4.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，每改变一次所述矩阵电路的驱动位置，得到一组电场通道的位置数据，每组电场通道的位置数据同样通过侦测矩阵电路上相邻两根电场通道之间的距离值还原。

5.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述电容测距原理所采用的计算公式为：C＝εS/d，其中，C表示电场通道电容，ε为介电常数，S为相邻两电场通道之间形成的电场面积，d为相邻两电场通道之间的距离。

6.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述判断各根电场通道的位置状态还包括：根据多个电场通道间的直线距离，判断电场通道的排列趋势方向。