CN105606046A - 一种复合式坐标测量机融合标定器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合式坐标测量机融合标定器，包括标准球和球座，标准球设置在球座上，其中标准球整体为球状，在其上设置有一圆环状的环带；环带设置在标准球的上半球部分，其包括环带本体和设置在环带本体两侧的内侧壁和外侧壁，其中内侧壁和外侧壁与水平线的夹角在60°-120°之间。本发明用一个标定器可实现探针、影像、光谱共焦传感器的两两融合标定或三者融合标定，操作简单方便，标定效率高。融合标定器的加工精度很高，可用于高精度复合测量机的融合标定。另外利用多个本发明标定器，进行空间排布，形成组合标定器，可完成整个测量空间内的多传感器融合标定。

Description

一种复合式坐标测量机融合标定器

技术领域

本发明涉及一种复合式坐标测量机融合标定器，特别适用于复合了探针、影像、光谱共焦传感器的高精度坐标测量机的融合标定。

背景技术

测量机已成为标准尺寸检测工具，有着广泛的应用。随着零部件几何特征的复杂化、加工尺寸的精密化，出现了复合多种传感器的坐标测量机，用以获取全部几何特征的测量并提高测量数据的可靠性。例如，复合传统接触式探针、影像传感器和光谱共焦传感器的坐标测量机。传统的接触式探针，适用范围广，但测量分辨率取决于探针半径，对尺寸较小的孔洞、台阶不能测量，也不能完成边缘点的测量，同时，测量速度较慢；影像测量适合边缘点的检测，光谱共焦方法适于孔洞、台阶测量，且测量速度快。因此，三种传感器形成互补，可大幅提高坐标测量机的测量能力和测量速度。

实际上，复合多种传感器已经成为坐标测量机的重要发展趋势。复合坐标测量机的关键技术之一是：多传感器的数据融合，即使各传感器的测量数据可统一在同一坐标系下，完成被测件几何特征的真实再现。融合标定是多传感器数据融合的主要手段，利用标准器确定各传感器的相对位置关系，通过坐标变换将各传感器测量数据统一到一个坐标系。融合标定技术，特别是标准器的设计，是复合坐标测量机厂家的关键技术，一直处于保密状态。

因此，本发明的发明人亟需构思一种新技术以改善其问题。

发明内容

本发明旨在提供一种复合式坐标测量机融合标定器，其可以实现探针、影像、光谱共焦三种传感器的两两融合标定或三者融合标定，实现高精度、高效率的坐标测量。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：

一种复合式坐标测量机融合标定器，包括水平工作台、标准球和球座，所述标准球通过所述球座设置在所述水平工作台上，其中所述标准球整体为球状，在其上设置有一圆环状的环带；所述环带设置在所述标准球的上半球部分，其包括环带本体和设置在所述环带本体两侧的内侧壁和外侧壁，其中所述内侧壁和/或所述外侧壁与水平线的夹角在60°-120°之间。

优选地，所述环带的半径为标准球半径的0％-80％之间，该环带的半径指内侧壁所在的圆形的半径。

优选地，还包括水平工作台、底座、龙门架立柱、龙门架横梁、升降Z轴和传感器模组，其中所述球座设置在所述水平工作台上，所述水平工作台设置在所述底座上，所述龙门架立柱分立设置在所述水平工作台的两侧；所述龙门架横梁水平设置在所述龙门架立柱上方，并与所述水平工作台所在的平面平行；所述升降Z轴滑动设置在所述龙门架横梁上，所述传感器模组通过升降Z轴活动设置在所述标准球的上方，所述传感器模组包括影像传感器、探针传感器和距离传感器中的至少两种。

优选地，所述环带本体凹向所述球体的内部，其具有一定的凹向深度。

优选地，所述环带本体沿着所述球体的外表面突起，其具有一定的突起高度。

优选地，所述标准球的材质为玻璃、碳化硅、氮化硅、蓝宝石中的一种或者多种。

优选地，所述环带通过激光直写技术加工而成。

优选地，所述标准球的轴心与所述球座的轴心一致。

优选地，所述距离传感器为光谱共焦传感器、激光三角测距传感器、激光聚焦传感器中的一种或者多种。

采用上述技术方案，本发明至少包括如下有益效果：

本发明所述的复合式坐标测量机融合标定器，利用传统坐标测量机常用的标准球，在其顶部用MEMS技术制作一道圆环状的环带，即形成融合标定器，制作方便，成本低。用一个标定器可实现探针、影像、光谱共焦传感器的两两融合标定或三者融合标定，操作简单方便，标定效率高。融合标定器的加工精度很高，可用于高精度复合测量机的融合标定。另外利用多个本发明所述标定器，进行空间排布，形成组合标定器，可完成整个测量空间内的多传感器融合标定。

附图说明

图1为本发明所述的复合式坐标测量机融合标定器的结构示意图(略去标准球)；

图2为本发明所述的标准球的结构示意图；

图3为标准球的俯视图；

图4为图3的局部放大图；

图5为探针传感器位置标定方法示意图；

图6为影像传感器位置标定方法示意图；

图7为光谱共焦传感器位置标定方法示意图；

图8为探针、影像、激光传感器位置的两两对应关系示意图。

其中：1底座，2龙门架立柱，3龙门架横梁，4升降z轴，5影像传感器，51环带上的一个圆,52影像传感器位置，6探针传感器，61探针传感器位置，7距离传感器，71距离传感器信号，72距离传感器位置，8水平工作台，9标准球，91环带，92球座，93环带的半径，94环带的宽度，95环带的深度，96内侧壁与水平线的夹角。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1至图4所示，为符合本发明的一种复合式坐标测量机融合标定器，包括标准球9和球座92，所述标准球9设置在所述球座92上，所述标准球9整体为球状，在其上设置有一圆环状的环带91；所述环带91设置在所述标准球9的上半球部分，其包括环带本体和设置在所述环带本体两侧的内侧壁和外侧壁，其中所述内侧壁和/或所述外侧壁与水平线的夹角在60°-120°之间。

优选地，所述环带的半径93为标准球9半径的0％-80％之间，该环带的半径93指内侧壁所在的圆形的半径。

优选地，本实施例还包括底座1、水平工作台8、龙门架立柱2、龙门架横梁3、升降z轴4和传感器模组，其中所述球座92设置在所述水平工作台8上，所述水平工作台8设置在所述底座1上，所述龙门架立柱2分立设置在所述水平工作台8的两侧；所述龙门架横梁3水平设置在所述龙门架立柱2上方，并与所述水平工作台8所在的平面平行；所述升降z轴4滑动设置在所述龙门架横梁3上，所述传感器模组通过升降z轴4活动设置在所述标准球9的上方，所述传感器模组包括影像传感器5、探针传感器6和距离传感器7中的至少两种。优选地，所述传感器模组包括影像传感器5、探针传感器6和距离传感器7，其中所述影像传感器5的位置通过获取所述标准球9上的环带的圆心确定，所述探针传感器6的位置用标准球9的水平方向大圆确定，所述距离传感器7的位置通过xy方向独立扫描分别确定。如在x方向上扫描标准球9顶部环带，在环带边缘处光谱共焦传感器信号有突变，左右两个突变的中间位置即距离传感器7的x位置。

优选地，所述环带本体凹向所述球体的内部，其具有一定的凹向深度。

优选地，所述环带本体沿着所述球体的外表面突起，其具有一定的突起高度。优选地，所述凹向深度或所述突起高度为影像传感器5或距离传感器7分辨率的1倍以上。

所述环带的宽度为坐标测量机横向分辨率的1倍以上，环带的深度为影像或光谱共焦传感器的1倍以上。如在一优选实施例中，所述标准球9的直径为10mm，所述环带的半径93为1mm，所述环带的宽度94为3μm，所述环带凹向深度或突起高度(即为环带的深度95)为3微米，所述内侧壁和/或所述外侧壁96与水平线的夹角为90°。上述数据的选择旨在为了可以充分说明本实施例，并非用于对本实施例的限制，本领域技术人员完全可以根据实际的使用情况和测量机精度的不同进行相应的调整。

优选地，所述距离传感器7为光谱共焦传感器、激光三角测距传感器、激光聚焦传感器中的一种或者多种。本实施例优选采用光谱共焦传感器。

优选地，所述标准球9的材质为玻璃、碳化硅、氮化硅、蓝宝石中的一种或者多种。所述标准球9的表面可以是粗糙的，也可以是光滑的。

优选地，所述环带通过激光直写等MEMS技术加工而成。

优选地，所述标准球9的轴心与所述球座92的轴心一致。

本实施例的工作原理在于：如图5至图8所示，将标定器竖直固定在水平工作台8上，首先用探针传感器6在标准球9水平方向大圆上均匀采集8个点，用最小二乘方法拟合标准球9球心P_O(x，y)，标准球9球心即为探针传感器位置61。再将影像传感器5对准标定器的环带，调整z轴使聚焦清晰，调整影像系统的x、y位置，使环带总是处于视场内，沿环带均匀分布取环带内圆或外圆的8段圆弧(如图6中的环带上的一个圆51)，同样，用最小二乘法拟合环带水平中心V_O(x，y)，即为影像传感器位置52。P_O、V_O都是建立在测量机的机器坐标系内，进而可以获取P_O、V_O的相对位置a_VP、b_VP。在测量过程中，影像传感器5获取数据建立在以影像中心为坐标原点的影像坐标系内，这些数据的x、y坐标分别加和a_VP、b_VP后，即转换到探针坐标系，从而，实现影像测量数据与探针测量数据的融合。

同样，将光谱共焦传感器沿x、y方向分别扫描环带，在环带内外边沿处，由于被扫描表面已经不是光滑球面，因此，光谱共焦传感器信号(即为图7中距离传感器信号71)会出现跳变，获取环带内侧或外侧两个跳变信号的对称中心，即光谱共焦传感器在机器坐标中的位置L_O(x，y)。据此，可获得光谱共焦传感器与探针传感器6的相对位置a_PL、b_PL，光谱共焦传感器的测量数据的x、y坐标加和a_PL、b_PL后，可转换到探针坐标系，实现与探针测量数据的融合；同理，也可以获取光谱共焦传感器与影像系统的相对位置a_VL、b_VL，实现与影像测量数据的融合。具体地如图8中所示，其中，XOY为机器坐标系，P_O、V_O、L_O分别为探针、影像、距离传感器7通过图5、6、7确定的位置；a_VL、a_VP、a_PL分别为影像传感器5与距离传感器7、影像传感器5与探针传感器6、探针传感器6与距离传感器7的X轴相对位置，b_VL、b_VP、b_PL分别为影像传感器5与距离传感器7、影像传感器5与探针传感器6、探针传感器6与距离传感器7的Y轴相对位置。

此外，使标定器绕标准球9竖直回转中心转动若干角度，在每个角度下，进行融合标定，获得多组标定结果，即aⁱ、bⁱ，i＝1,2,3,…,n，n为标定器转动次数，以多组结果的平均值作为最终标定结果，可降低标定器环带中心与标准球9竖直回转轴不共线引起的误差，提高标定精度。

本实施例利用传统坐标测量机常用的标准球9，在其顶部用MEMS技术制作一道圆环状的环带，即形成融合标定器，制作方便，成本低。用一个标定器可实现探针、影像、光谱共焦传感器的两两融合标定或三者融合标定，操作简单方便，标定效率高。融合标定器的加工精度很高，可用于高精度复合测量机的融合标定。另外利用多个本实施例所述标定器，进行空间排布，形成组合标定器，可完成整个测量空间内的多传感器融合标定。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种复合式坐标测量机融合标定器，其特征在于：包括标准球和球座，所述标准球设置在所述球座上，其中所述标准球整体为球状，在其上设置有一圆环状的环带；所述环带设置在所述标准球的上半球部分，其包括环带本体和设置在所述环带本体两侧的内侧壁和外侧壁，其中所述内侧壁和/或所述外侧壁与水平线的夹角在60°-120°之间。

2.如权利要求1所述的复合式坐标测量机融合标定器，其特征在于：所述环带的半径为标准球半径的0％-80％之间，该环带的半径指内侧壁所在的圆形的半径。

3.如权利要求1或2所述的复合式坐标测量机融合标定器，其特征在于：还包括水平工作台、底座、龙门架立柱、龙门架横梁、升降Z轴和传感器模组，其中所述球座设置在所述水平工作台上，所述水平工作台设置在所述底座上，所述龙门架立柱分立设置在所述水平工作台的两侧；所述龙门架横梁水平设置在所述龙门架立柱上方，并与所述水平工作台所在的平面平行；所述升降Z轴滑动设置在所述龙门架横梁上，所述传感器模组通过升降Z轴活动设置在所述标准球的上方，所述传感器模组包括影像传感器、探针传感器和距离传感器中的至少两种。

4.如权利要求1-3任一所述的复合式坐标测量机融合标定器，其特征在于：所述环带本体凹向所述球体的内部，其具有一定的凹向深度。

5.如权利要求1-3任一所述的复合式坐标测量机融合标定器，其特征在于：所述环带本体沿着所述球体的外表面突起，其具有一定的突起高度。

6.如权利要求1-5任一所述的复合式坐标测量机融合标定器，其特征在于：所述标准球的材质为玻璃、碳化硅、氮化硅、蓝宝石中的一种或者多种。

7.如权利要求1-6任一所述的复合式坐标测量机融合标定器，其特征在于：所述环带通过激光直写技术加工而成。

8.如权利要求3所述的复合式坐标测量机融合标定器，其特征在于：所述标准球的轴心与所述球座的轴心一致。

9.如权利要求3所述的复合式坐标测量机融合标定器，其特征在于：所述距离传感器为光谱共焦传感器、激光三角测距传感器、激光聚焦传感器中的一种或者多种。