CN101833304B - 使用光电自准直仪测量数控回转工作台的定位精度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种使用光电自准直仪测量数控回转工作台的定位精度的方法，光电自准直仪包括十字分划板和CCD摄像机，数控回转工作台上同轴地放置了光学多面棱体，所述方法包括：使数控回转工作台与光学多面棱体一起绕数控回转工作台的回转轴同轴旋转；每当光学多面棱体旋转过一个工作角度时，计算由CCD摄像机采集的分划板十字丝图像与经由光学多面棱体的当前工作面返回的十字丝图像之间的像素距离；将所述像素距离代入由双频激光干涉仪对光电自准直仪进行标定而获得的角度标定公式，来计算在当前工作角度处的旋转角度误差，从而获得数控回转工作台在当前工作角度处的定位精度。

Description

使用光电自准直仪测量数控回转工作台的定位精度的方法

技术领域

本发明涉及一种测量数控回转工作台的定位精度的方法，更具体地讲，涉及一种通过使用光电自准直仪来快速自动测量数控回转工作台的定位精度的方法。

背景技术

数控机床是现代制造技术重要的基础装备，数控机床技术水平的高低以及拥有量是衡量一个国家工业制造水平的重要标志。数控机床检测仪器是数控机床设计开发、制造生产、装配检验、使用维护整个过程中的重要组成部分，因此，数控机床位置精度检测系统的开发与应用一直受到国内外相关行业的重视。

然而，对于数控机床的回转工作台的定位精度的检测一直是数控机床生产的一个瓶颈，传统的检测方法效率低下，且极易受人为因素的影响。因此，当前还远不能满足自动化生产的要求。

在现有的检测技术中，英国Renishaw公司将激光干涉仪的小角度附件与端齿盘等结合，采用逆向步进的方法，可用于回转工作台位置精度的检测，但在实际使用中，由于端齿盘的转动需要一个往复上下的运动，测量激光束不宜对准，安装非常困难，且价格十分昂贵，所以还无法广泛应用于数控机床的各种工业现场。

因此，需要一种能够快速自动测量数控回转工作台的定位精度的方法。

发明内容

根据本发明的一方面，提供一种使用光电自准直仪测量数控回转工作台的定位精度的方法，光电自准直仪包括十字分划板和CCD摄像机，数控回转工作台上同轴地放置了光学多面棱体，所述方法包括：使数控回转工作台与光学多面棱体一起绕数控回转工作台的回转轴同轴旋转；每当光学多面棱体旋转过一个工作角度时，计算由CCD摄像机采集的分划板十字丝图像与经由光学多面棱体的当前工作面返回的十字丝图像之间的像素距离；将所述像素距离代入由双频激光干涉仪对光电自准直仪进行标定而获得的角度标定公式，来计算在当前工作角度处的旋转角度误差，从而获得数控回转工作台在当前工作角度处的定位精度。

附图说明

通过结合附图，从下面的实施例的描述中，本发明这些和/或其它方面及优点将会变得清楚，并且更易于理解，其中：

图1是示出根据本发明的标定系统的结构的示意图；

图2示出了CCD摄像机采集的分划板十字丝图像；

图3示出了根据本发明的对光电自准直仪进行标定的用户程序界面；

图4显示了根据本发明的十字丝图像处理的流程图；

图5显示了十字丝图像中十字线的横截面的部分像素的灰度分布图；

图6示出了CCD摄像机的相对安装位置对测量结果的影响；

图7示出了根据本发明的数控回转工作台位置精度检测系统的结构；

图8示出了根据本发明的数控回转工作台位置精度检测系统软件设计的应用程序界面；

图9示出了根据本发明的数控回转工作台位置精度的手动检测方式的流程图；

图10示出了根据本发明的数控回转工作台位置精度的自动检测方式的流程图；

图11示出了根据本发明的数控回转工作台位置误差补偿数据自动传送方法的基本原理；

图12示出了根据本发明的误差补偿数据通信界面程序；以及

图13示出了根据本发明的误差补偿数据自动传送处理的流程图。

具体实施方式

现在将详细描述本发明的实施例，其示例在附图中示出，其中，相同的标号始终表示相同的部件。下面通过参照附图来描述这些实施例以解释本发明。

本发明采用光电自准直仪来快速自动测量数控回转工作台定位精度，总体方案如下：当数控回转工作台旋转到各个目标位置时，光电自准直仪的CCD摄像机将采集的分划板十字丝图像进行处理，求得分划板十字丝图像与经由平面反射镜返回的分划板十字丝图像之间的像素距离；根据该像素距离得出反映数控回转工作台定位精度的微小角度(旋转角度误差)；将旋转角度误差反馈给转台控制系统，从而转台控制系统能够进行误差修正，便于数控回转工作台的精确定位。

为提高测量精度，可使用双频激光干涉仪对光电自准直仪进行标定。双频激光干涉仪能够以很高的精度测量微小角度，由于其角度测量原理是本领域技术人员所熟知的，所以不再对其进行详细描述。

现在描述根据本发明的标定系统和标定过程。图1是示出根据本发明的标定系统的结构的示意图。

标定系统主要包括双频激光干涉仪11、光电自准直仪122和数控回转工作台13。优选的是，可采用由日本骏河精机株式会社提供的精密数控回转工作台和转台控制器D250 Stepping Motor Controller(即，步进电机控制器)；双频激光干涉仪11可采用HP5528A型号，并且可包括He-Ne(氦-氖)激光头111、(偏振)分光镜112和双角锥棱镜113。光电自准直仪122可采用面阵CCD(电荷耦合器件)代替传统自准直仪中的测微目镜来采集分划板十字丝图像，并且可包括十字分划板1221和CCD摄像机1222。

标定系统按功能主要可分为角度校准装置11(即，双频激光干涉仪11)和角度测量装置12(包括平面反射镜121和光电自准直仪122)，如图1所示。其中，以光电自准直仪122中的分划板1221的十字丝的横线、竖线和光电自准直仪122的光轴分别作为X轴、Z轴和Y轴，由此构成空间测量坐标系。

如果需要进行一维测量，则系统标定需要完成绕Z轴或X轴的角度标定；如果需要进行二维测量，则需要完成绕Z轴和X轴的角度标定。由于对于Z轴和X轴二者的测量原理基本相同，下面仅以绕Z轴的角度标定为例进行讨论，围绕X轴的角度标定调整与之类似。当标定绕Z轴的角度时，标定系统的调整主要可分为角度校准装置的调整和角度测量装置的调整两部分。

调整双频激光干涉仪11的测量轴线平行于回转工作台13的表面，从而保证了双频激光干涉仪11的角度示值只表示数控回转工作台13围绕其回转轴(图1中示出为Z轴)的水平旋转角，而排除了由于双频激光干涉仪11的测量轴线与回转工作台13的回转轴不垂直所造成的竖直俯仰角的干扰。将双频激光干涉仪11的双角锥棱镜113以及平面反射镜121重新置于回转工作台13的表面左右两端且背向摆放(如图1所示)，当He-Ne激光头111的Laser on和Signal两个指示灯均点亮时，表明角度校准光路已经调整完毕，可以进行角度测量的校准工作。

角度校准装置11调整完毕后，将光电自准直仪122对准置于数控回转工作台13右端的平面反射镜121，如图1中所示位置。一方面，调节CCD摄像机1222的参数指标，使得分划板1221的十字丝图像在视场内能够达到预定的测量范围，例如±300″(300秒)，并保证面阵CCD能够接收到清晰的、高质量的十字丝图像，从而节省了亮度均匀化、平滑滤波等预处理操作。另一方面，围绕空间测量坐标系的Y轴旋转光电自准直仪122的十字分划板1221，使得当数控回转工作台13围绕其回转轴在±300″的测量范围内旋转时，在CCD摄像机1222采集的图像中，能够观察到分划板1221的十字横线与经由平面反射镜121返回的像的十字横线始终重合，而只有两个十字竖线之间的位移发生改变(如图2所示，图2示出了CCD摄像机采集的分划板十字丝图像)，从而保证了数控回转工作台13的回转轴与空间测量坐标系的Z轴相互平行，有利于实现准确的单轴角度标定。

控制回转工作台13旋转至标定起始点(例如，-300″)，每当双频激光干涉仪11的角度示值增加一微小数值(例如，2″)时，CCD摄像机1222采集相应的十字丝图像输入计算机进行存储和软件处理，求得两个十字像之间的像素距离，重复上述操作直到转台旋转至标定结束点(例如，+300″)，将测得的像素距离与双频激光干涉仪11的角度示值进行比对(随后将进行详细描述)，可最终完成对光电自准直仪122的标定。

可使用Visual C++编写用户界面程序，来实现标定系统的软件设计。图3示出了根据本发明的对光电自准直仪122进行标定的用户程序界面。将分划板1221的十字丝图像动态显示在用户程序界面上，利用高斯曲线拟合和十字丝的精度定位算法，计算出分划板1221的十字丝与经由平面反射镜121返回的十字像对应的十字横线、竖线之间的像素距离，并将像素距离与对应的双频激光干涉仪11的角度示值相结合(随后将进行详细描述)，利用角度标定方法求得待测角度的大小。

下面参照图4来描述处理十字丝图像的过程。图4显示了根据本发明的十字丝图像处理的流程图。

参照图4，在步骤401，对由CCD摄像机1222采集的分划板十字丝图像进行逐行逐列扫描。在步骤402，对扫描的十字丝图像进行灰度阈值比较。在步骤403，对十字丝边界进行快速粗定位。如果需要对绕如前所述的测量坐标系的Z轴的角度进行标定，则在步骤404，判断是否存在一条竖直十字亮线。如果只存在一条竖直十字亮线，则在步骤418得出两条十字竖线之间的像素距离为0，然后在步骤419显示两条十字竖线之间的像素距离。如果存在两条竖直十字亮线，则在步骤405，分离两条竖直十字亮线。

由于十字丝图像中每条十字线的横截面像素灰度均呈近似高斯分布，由此可对各横截面上的像素灰度分布进行高斯曲线拟合；根据拟合曲线的极值点坐标可以确定像素灰度分布中心的亚像素定位；再由一系列灰度分布中心点进行最小二乘直线拟合确定每条十字线的直线方程；最后，通过方程组的求解，可分别得出分划板十字丝图像与经由平面反射镜返回像对应的十字横线、竖线之间的像素距离。

因此，在步骤406，对竖直一线(即，第一竖直线)各横截面的像素灰度分布曲线进行高斯曲线拟合，根据拟合曲线的极值点坐标可以确定像素灰度分布中心的亚像素定位。在步骤407，再由一系列灰度分布中心点进行最小二乘直线拟合确定竖直一线的直线方程。在步骤408，对竖直二线(即，第二竖直线)各横截面的像素灰度分布曲线进行高斯曲线拟合，根据拟合曲线的极值点坐标可以确定像素灰度分布中心的亚像素定位。在步骤409，再由一系列灰度分布中心点进行最小二乘直线拟合确定竖直二线的直线方程。

接着，在步骤416，构建两个丝像的线性方程组。在步骤417，计算两条十字竖线之间的像素距离。在步骤419，显示两条十字竖线之间的像素距离。

如果还需要对绕如前所述的测量坐标系的X轴的角度进行标定，则可执行步骤410-416以及步骤420-422。由于步骤410-416以及步骤420-422是针对十字横线的处理，与前面描述的十字竖线的处理类似，所以这里不再详细描述。

下面参照图5来描述对于十字丝图像中十字线的横截面像素灰度分布曲线的高斯曲线拟合。图5显示了十字丝图像中十字线的横截面的部分像素的灰度分布图。

由CCD摄像机1222采集的分划板十字丝图像中每条十字线的横截面上各像素灰度值分布近似为中心对称的高斯分布(如图5所示)。可以利用最小二乘函数逼近对各横截面上像素的灰度分布曲线进行高斯拟合。

令G(x)表示像素的灰度值，G₀表示算法中设定的灰度阈值，则

$G\left(x\right)-G_0=I\left(x\right)=a\·e^{{b(x-c)}^2}---\left(1\right)$

将公式(1)两边取对数可得公式(2)，如下所示：

对LnI(x)＝Lna+b(x-c)²＝A·x²+B·x+D    (2)

显然，这是一个二次曲线拟合问题。在本发明中，高斯曲线拟合的目的是为了获得各横截面上像素灰度分布极值点的像素坐标，可直接采用二次曲线拟合各横截面上的像素灰度值。为避免在求解方程组过程中出现病态问题，采用离散点正交多项式组P_k(x)(k＝0，1，2)作基底来进行最小二乘高斯曲线拟合。

设所要拟合的二次曲线为：

I(x)＝C₀P₀(x)+C₁P₁(x)+C₂P₂(x)    (3)

P₀(x)＝1，

P₁(x)＝(x-a₁)P₀(x)＝x-a₁，

其中，P₂(x)＝(x-a₂)P₁(x)-β₁，   (4)

如果图5中的横坐标轴上存在n个像素点，x_i上相应有n个灰度值I_i(i＝0，1，2，……，n-1)，则：

$a_{k+1}=\frac{\underset{i=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i{P}_k^2\left(x_i\right)}{\underset{i=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{P}_k^2\left(x_i\right)},(k=\mathrm{0,1})$

${\mathrm{\β}}_k=\frac{\underset{i=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{P}_k^2\left(x_i\right)}{\underset{i=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{k-1}^2\left(x_i\right)},(k=1)---\left(5\right)$

对由最小二乘法可得：

$C_k=\frac{\underset{i=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{I}_i\·P_k\left(x_i\right)}{\underset{i=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{P}_k^2\left(x_i\right)},(k=\mathrm{0,1,2})---\left(6\right)$

对将上述系数代入所要拟合的曲线公式(3)，得出：

I(x)＝C₀·P₀(x)+C₁·P₁(x)+C₂P₂(x)

＝C₀+C₁(x-a₁)+C₂(x-a₁)(x-a₂)-C₂β₁

＝C₂+(C₁-C₂a₁-C₂a₂)x+(C₀-a₁C₁+C₂a₁a₂-C₂β₁)

＝Ax²+Bx+D

当求得该横截面上像素分布的高斯曲线表达式后，可计算出此横截面上高斯曲线顶点即为横截面上具有最大灰度值的像素坐标值，则：

$x_{\max }=-\frac{B}{2A}=-\frac{C_1-C_2{a}_1-C_2{a}_2}{2C_2}---\left(7\right)$

由上述高斯曲线拟合法所求得的灰度极值点处的像素坐标值可以精确到亚像素级。

在标定过程中，CCD摄像机1222的相对安装位置可能会对角度标定结果产生一定的影响。这是因为通常利用光电自准直仪122进行角度测量时，将CCD摄像机自身坐标系与由分划板十字丝横线、竖线所组成的平面坐标系默认为始终保持相互平行，而CCD摄像机1222采集的分划板十字丝图像与经由平面反射镜121返回的十字丝图像均由相互垂直的横线和竖线组成，因此，两条十字竖线间的像素距离可用分划板十字丝图像与经平面反射镜121返回的十字丝图像中心点间的像素距离表示。可对前面所述的直线方程求解，得出分划板十字丝图像与经由平面反射镜返回的十字丝图像的中心点。

图6示出了CCD摄像机1222的相对安装位置对测量结果的影响。如图6所示，图6中的(a)表示当CCD摄像机1222自身坐标系(X-Y轴)与分划板十字丝横线、竖线所组成的平面坐标系平行时，分划板十字丝图像与经由平面反射镜121返回的十字丝图像中心点A与B间的像素距离为：

|AB|＝|x₂-x₁|    (8)

但在实际应用中，CCD摄像机1222自身坐标系与由分划板十字丝横线、竖线所组成的平面坐标系可能无法保证严格平行，往往会存在小角度偏移，如图6中的(b)所示，此时公式(8)计算所得的像素距离将无法准确表示分划板十字丝图像中心点与由平面反射镜121返回的十字丝图像中心点间的像素距离，所以应采用两点间距离公式计算：

$\left|\mathrm{AB}\right|=\sqrt{{(x_2-x_1)}^2+{(y_2-y_1)}^2}---\left(9\right)$

公式(8)实际上是公式(9)的一种特殊情况，公式(9)更适用于一般的情形，无论CCD摄像机1222自身坐标系与由分划板十字丝横、竖线所组成的平面坐标系是否存在角度偏移都不会影响测量结果的准确性。因此，利用两点间距离公式求出的像素距离作为分划板十字丝图像与经由平面反射镜121返回的十字丝图像之间的像素距离，可以有效地消除由于CCD摄像机1222自身坐标系相对于分划板十字丝的横线、竖线所组成的坐标系存在小角度偏移所造成的测量误差，解决了CCD摄像机1222的相对安装位置对于测量结果影响的问题。

下面描述角度标定方法。光电自准直仪122的角度标定在全量程范围(例如，±300″)内完成，当数控回转工作台13围绕其回转轴(Z轴)旋转(例如，顺时针旋转)时，依据双频激光干涉仪11显示的角度值，以一个微小角度(例如，2″)为采样间隔，CCD摄像机1222将采集的分划板十字丝图像输入计算机进行处理，从而求得分划板十字丝图像与经由平面反射镜121返回的十字丝图像之间的像素距离。然后，将所求得的像素距离与双频激光干涉仪11的角度示值进行比对。可以通过下面两种方法(公式法和局部多点线性插值法)建立二者之间的函数关系，由此获得光电自准直仪122的角度标定公式。

公式法是在光学自准直原理的基础上，对实验数据进行最小二乘直线拟合。数字式光电自准直仪122的测角公式(10)如下所示：

$\tan \left(2\mathrm{\α}\right)\≈2\mathrm{\α}=n\×\frac{p}{f}=n\×k---\left(10\right)$

式中，α指待测小角度，f表示光电自准直仪122的物镜焦距，n为像素距离，p为面阵CCD的像素尺寸(即，3.2μm)，k表示p与f之间的比例常数。光电自准直仪122的测量范围为例如±300″，在此范围内，α所表示的待测角度值(以弧度为单位)与其正切值在小数点后七位的数值均完全相同，二者呈现良好的线性关系。考虑到光电自准直仪122具有系统误差，对公式(10)进行修正，增加常数项b，使之变为：

tan(2α)≈2α＝n×k+b    (11)

通过对多个由双频激光干涉仪11显示的角度示值以及多个相应的测量的像素距离进行最小二乘直线拟合，可得出k(即，

)和b的值，然后将公式(11)作为光电自准直仪122的角度标定公式。

由此，可以有效消除双频激光干涉仪11的随机误差，是一种有效的数据处理方法。

另外，还可以采用局部多点线性插值法。在局部测量区间内，从某一待测角度对应的像素距离两侧分别选定三个邻近的像素距离及其对应的干涉仪角度示值作为已知量，将上述六对像素距离与角度示值进行最小二乘曲线拟合，得出拟合的直线方程作为光电自准直仪122的角度标定公式，根据拟合的直线方程最终确定该待测角度值的大小。局部多点线性插值法能够将插值法与最小二乘曲线拟合有机地结合在一起，既可以消除双频激光干涉仪的随机误差和系统误差，同时又极大地减小了运算工作量，同样是一种快捷、便利的实验数据处理方法。

下面描述数控回转工作台位置精度检测系统的设计。

本发明利用光电自准直仪与光学多面棱体结合，实现数控回转工作台小角度位置偏差的测量。光学多面棱体可作为角度校准仪器，其自身的加工误差将会直接影响到测量精度。光学多面棱体的工作角度由各工作面法线对起始工作面间的夹角表示，光学多面棱体的某个工作面的偏差(角度误差)是指该工作面法线对起始工作面法线的夹角与该夹角标称值之差。因此，应尽可能选择精度等级高的光学多面棱体进行测量。

优选的是，本发明选用具有0级精度的光学正12面棱体与光电自准直仪相结合，以检测数控回转工作台的位置精度。在本发明中，这里所述的光学正12面棱体的俯视图为一个正12边形，光学正12面棱体有12个侧面(12个工作面)，每个侧面可用作平面反射镜。正12面棱体各个工作面的角度误差如表1所示。

表1光学正12面棱体的角度误差表

工作面序号	目标角度/°(度)	角度误差/″(秒)
			0	0	0.0
1	30	0.6
			2	60	0.0
3	90	-0.5
			4	120	0.0
5	150	0.0
			6	180	-0.4
7	210	0.6
			8	240	-0.8
9	270	0.5
			10	300	-0.7
11	330	0.6

本发明采用光电自准直仪与光学正12面棱体相结合来测量数控回转工作台在各目标位置的角度偏差，从而实现数控回转工作台位置精度的检测。这里，光学正12面棱体仅仅是光学多面棱体的一个示例，可根据需要被检测的各个目标位置的不同，选用具有其它数目的工作面的光学多面棱体，例如，光学正8面棱体。

下面参照图7来描述数控回转工作台位置精度检测系统的结构。图7示出了根据本发明的数控回转工作台位置精度检测系统的结构。参照图7，数控回转工作台位置精度检测系统包括数控回转工作台、光学正12面棱体、光电自准直仪以及计算机。光学正12面棱体与数控回转工作台同轴地放置并固定在数控回转工作台上。

检测过程中，转台控制器(即，步进电机控制器)使数控回转工作台旋转，从而使得光学正12面棱体随数控回转工作台一起同轴旋转。每当光学正12面棱体旋转过一个工作角度时，计算分划板十字丝图像与经由光学正12面棱体的当前工作面返回的十字丝图像之间的像素距离，根据该像素距离测得该目标位置处的旋转角度误差，计算机可根据国家标准GB/T 17421.2-2000对数控轴线定位精度的检测要求，沿顺时针、逆时针方向各完成5次检测循环，计算出数控回转工作台的单向、双向平均位置偏差和重复定位精度等参数，并以图表的方式给出数控回转工作台的检测结果。

数控回转工作台位置精度检测系统的软件设计可使用Visual C++编写用户界面程序。图8示出了根据本发明的数控回转工作台位置精度检测系统软件设计的应用程序界面。分别设计了手动检测和自动检测两种方式，用于检测数控回转工作台的位置精度和重复定位精度。

手动检测方式是指当数控回转工作台在测量范围内旋转至某一目标位置时，人为控制计算机执行保存和处理十字丝图像等操作，计算出该位置的角度误差。

图9示出了根据本发明的数控回转工作台位置精度的手动检测方式的流程图。如图9所示，在步骤901，打开CCD摄像机执行初始化操作和参数设置，将光电自准直仪的角度标定公式导入测量输入区。在步骤902，当回转工作台旋转至各目标位置处，手动采集十字丝图像。在步骤903，计算分划板十字丝图像与经由光学多面棱体的当前工作面返回的十字丝图像之间的像素距离，将该像素距离代入光电自准直仪的角度标定公式，求得相应的旋转角度误差。在步骤904，根据所有的测量数据计算并显示转台位置精度检测参数。在步骤905，关闭CCD摄像机释放内存资源，恢复初始状态，取消各项参数设置，结束手动测量。

自动检测方式是指当数控回转工作台在测量范围内旋转至某一目标位置时，计算机自动识别分划板十字丝静止图像，并进行相应处理，计算此位置的旋转角度误差。

图10示出了根据本发明的数控回转工作台位置精度的自动检测方式的流程图。如图10所示，在步骤1001，打开CCD摄像机执行初始化操作和参数设置，将光电自准直仪的角度标定公式导入测量输入区。

在步骤1002，当转台旋转至各个目标位置处时，通过将相隔一段时间(例如，3秒)的经由光学正12面棱体的当前工作面返回的前后两帧十字丝图像的灰度分布进行统计，如果两帧图像的像素灰度分布相似度大于或等于预定阈值(例如，98％)，则可认为此时分划板十字丝图像处于静止状态；否则，确定此时十字丝图像处于运动状态，从而实现十字丝图像静止状态的自动识别功能。该项功能对回转工作台控制系统具有自适应性，节省了许多重复性的人为操作。

在步骤1003，自动采集十字丝图像。在步骤1004，计算分划板十字丝图像与经由光学多面棱体的当前工作面返回的十字丝图像之间的像素距离，将该像素距离代入光电自准直仪的角度标定公式，求得相应的旋转角度误差。在步骤1005，根据所有的测量数据计算并显示转台位置精度检测参数。在步骤1006，关闭CCD摄像机释放内存资源，恢复初始状态，取消各项参数设置，结束自动测量。

下面描述数控回转工作台位置误差补偿数据自动传送实现的过程。

数控回转工作台位置误差补偿数据传送是指通过一定的传送方式将所测得的误差补偿数据发送至数控回转工作台的控制系统。下面仅以FANUC数控系统为例，描述位置误差补偿数据的自动传送方法。

图11示出了根据本发明的数控回转工作台位置误差补偿数据自动传送方法的基本原理。如图11所示，计算机利用RS232串口接收FANUC数控系统的参数文件，该参数文件包含数控系统的各项参数指标，根据所测得的旋转角度误差补偿数据来自动修改文件中的相应参数值，并回送给回转工作台控制系统，从而实现数控回转工作台位置误差补偿数据的自动传送。

该误差补偿数据自动传送方法使计算机能够将误差补偿数据转换为FANUC数控系统默认的参数值，工作效率高，节省了大量人为操作，同时可以安全、准确地传送测量数据。

图12示出了根据本发明的误差补偿数据通信界面程序。数控回转工作台位置误差补偿数据自动传送软件设计是根据自动传送方法的操作原理而编写数据通信界面程序，如图12所示。

图13示出了根据本发明的误差补偿数据自动传送处理的流程图。参照图13，在步骤1301，在应用程序中加载MSComm控件，打开串口执行初始化操作，设置相应串口编号、通信波特率、数据位、奇偶校验位和停止位等通信参数。在步骤1302，利用RS232串口接收由回转工作台控制系统发送的参数文件。在步骤1303，按照FANUC数控系统误差补偿参数设置要求，根据误差补偿数据修改文件中的相关参数值。在步骤1304，通过RS232串口将修改后的参数文件发送至控制系统，以执行相应的误差补偿和调整。在步骤1305，在误差补偿数据通信完成之后，关闭串口并释放相应的内存资源。

本发明通过数控回转工作台位置误差补偿数据自动传送软件设计，实现了计算机与FANUC数控系统之间的数据通信，将误差补偿数据通过串口通信反馈至FANUC数控系统，从而实现数控回转工作台位置误差补偿数据的自动传送。

本发明可主要应用于以下几个方面：

1、监控数控机床中回转工作台的生产和调试；

2、数控机床回转工作台出厂精度检测；

3、数控机床中回转工作台在使用过程中定位精度检测与评估，并为数控系统的系统误差修正提供误差补偿数据。

虽然已经参照本发明的示例性实施例具体描述和显示了本发明，但是本领域的普通技术人员应该理解，在不脱离由权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对其进行形式和细节的各种改变。

Claims (12)

1.一种使用光电自准直仪测量数控回转工作台的定位精度的方法，光电自准直仪包括十字分划板和CCD摄像机，数控回转工作台上同轴地放置了光学多面棱体，所述方法包括以下步骤：

使数控回转工作台与光学多面棱体一起绕数控回转工作台的回转轴同轴旋转；

每当光学多面棱体旋转过一个工作角度时，计算由CCD摄像机采集的分划板十字丝图像与经由光学多面棱体的当前工作面返回的十字丝图像之间的像素距离；

将所述像素距离代入由双频激光干涉仪对光电自准直仪进行标定而获得的角度标定公式，来计算在当前工作角度处的旋转角度误差，从而获得数控回转工作台在当前工作角度处的定位精度，

其中，通过以下步骤对光电自准直仪进行标定：调整双频激光干涉仪的测量轴线平行于数控回转工作台的表面，并且将光电自准直仪对准放置在数控回转工作台上的平面反射镜；控制数控回转工作台旋转至光电自准直仪的标定起始点；使数控回转工作台旋转，每当双频激光干涉仪的角度示值增加一微小数值时，计算由CCD摄像机采集的分划板十字丝图像与经由平面反射镜返回的十字丝图像之间的像素距离；重复旋转数控回转工作台以及计算像素距离的步骤，直到数控回转工作台旋转至光电自准直仪的标定结束点；将计算出的像素距离与双频激光干涉仪的角度示值进行比对，获得所述角度标定公式。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括：重复旋转数控回转工作台、计算像素距离以及计算旋转角度误差的操作，直到完成对于各个工作角度的预定次数的循环测量。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，在对光电自准直仪进行标定的过程中，计算所述像素距离的步骤包括：

对由CCD摄像机采集的分划板十字丝图像进行逐行逐列扫描；

对扫描的十字丝图像进行灰度阈值比较；

对十字丝图像边界进行快速粗定位；

对十字丝图像的各横截面上的像素灰度分布进行高斯曲线拟合；

根据拟合曲线的极值点坐标确定像素灰度分布中心点的亚像素定位；

对灰度分布中心点进行最小二乘直线拟合，确定每条十字线的直线方程；

对所述直线方程求解，得出由CCD摄像机采集的分划板十字丝图像与经由平面反射镜返回的十字丝图像之间的像素距离。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，求解所述直线方程，得出分划板十字丝图像与经由平面反射镜返回的十字丝图像的中心点，计算中心点之间的像素距离，作为由CCD摄像机采集的分划板十字丝图像与经由平面反射镜返回的十字丝图像之间的像素距离。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，通过下面的公式对光电自准直仪进行标定：

$\tan \left(2\mathrm{\α}\right)\≈2\mathrm{\α}=n\×\frac{p}{f}+b$

其中，α表示待测小角度，f表示光电自准直仪的物镜焦距，n为像素距离，p为CCD摄像机的像素尺寸，b为一常数，

其中，通过对多个由双频激光干涉仪显示的角度示值以及多个相应的测量的像素距离进行最小二乘直线拟合，得出

和b的值，然后将公式

作为角度标定公式。

6.根据权利要求4所述的方法，通过以下步骤获得角度标定公式：

在光电自准直仪的局部测量区间内，从与一待测角度对应的像素距离两侧分别选择三个邻近的像素距离及其对应的双频激光干涉仪角度示值作为已知量；

将上述六对像素距离与相应的角度示值进行最小二乘曲线拟合，得出拟合的直线方程，作为角度标定公式。

7.根据权利要求2所述的方法，其中，在计算数控回转工作台的当前工作角度处的旋转角度误差的过程中，计算所述像素距离的步骤包括：

对由CCD摄像机采集的分划板十字丝图像进行逐行逐列扫描；

对扫描的十字丝图像进行灰度阈值比较；

对十字丝图像边界进行快速粗定位；

对十字丝图像的各横截面上的像素灰度分布进行高斯曲线拟合；

根据拟合曲线的极值点坐标确定像素灰度分布中心点的亚像素定位；

对灰度分布中心点进行最小二乘直线拟合，确定每条十字线的直线方程；

对所述直线方程求解，得出由CCD摄像机采集的分划板十字丝图像与经由光学多面棱体的当前工作面返回的十字丝图像之间的像素距离。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，求解所述直线方程，得出分划板十字丝图像与经由平面反射镜返回的十字丝图像的中心点，计算中心点之间的像素距离，作为由CCD摄像机采集的分划板十字丝图像与经由光学多面棱体的当前工作面返回的十字丝图像之间的像素距离。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，采用手动检测方式测量数控回转工作台的定位精度，

其中，在手动检测方式中，当数控回转工作台旋转至各个工作角度处时，手动采集分划板十字丝图像，并计算相应的旋转角度误差。

10.根据权利要求8所述的方法，其中，采用自动检测方式测量数控回转工作台的定位精度，

其中，在自动检测方式中，当数控回转工作台旋转至各个工作角度处时，通过将相隔一段时间的经由光学多面棱体的当前工作面返回的前后两帧十字丝图像的灰度分布进行统计，如果两帧图像的像素灰度分布相似度大于或等于预定阈值，则确定分划板十字丝图像处于静止状态；然后自动采集分划板十字丝图像，并计算相应的旋转角度误差。

11.根据权利要求2所述的方法，还包括：将计算的所述旋转角度误差传送给数控回转工作台的控制系统，以便进行数控回转工作台的定位的误差补偿。

12.根据权利要求1-11中任一项所述的方法，其中，光学多面棱体是光学正12面棱体。

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