CN106247940A - 一种测量刻型线三维位置的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种测量刻型线三维位置的测量方法属于激光测量技术领域，涉及一种测量刻型线三维位置的测量方法。该方法采用线激光进行测量，首先组建复合式线激光测量系统，通过悬吊式安装方式将线激光器测量系统安装在刻型机主轴侧面，通过标准靶球对线激光器坐标系和机床坐标系进行标定，得到坐标转换关系；采集测量数据，并对数据进行处理，提取其刻型线中心位置坐标，得到刻型线的三维位置。该方法位姿调节方便，安装测量系统时不破坏机床原有结构，拆卸方便。测量时间短，效率高，能精确测量刻型线的位置，解决了原有技术测量不方便，测量在位时间长等缺点，能够满足一般刻型线三维位置测量要求。

Description

一种测量刻型线三维位置的测量方法

技术领域

本发明属于激光测量技术领域，涉及一种测量刻型线三维位置的测量方法。

背景技术

在飞机制造工艺中，需要对机身等零部件进行化学铣削，以减轻飞机零部件质量，同时便于装配。在化学铣削之前，零部件表面涂一层化学材料，然后通过刻型机将该层化学材料刻出事先设计的形状，揭掉后放入化铣池中进行化学铣削。化学铣削零件的质量取决于刻型线的位置，从而影响飞机的装配质量，因此刻型线位置的准确性对飞机的质量非常重要。通过刻型线位置测量数据的分析，可获得实际加工位置与理论数模的偏差大小，同时为加工过程中的偏差分析提供数据依据，有效调整激光加工中运动偏差。经过文献检索，陈晓芳、郑伟发表的题为“基于激光跟踪仪T-Probe的数字化装配检测”，航空制造技术2015年第23/24期103-105，的论文中，采用一种手持式可移动无线通讯接触式传感器(T-probe)，对刻型线的质量进行检测，将T-probe的探针手持式放入刻型线的线槽内，并尽量保持与被测零件型面垂直，从而得到单点的测量数据，最终通过测量所有刻型线上的点，并统一到同一坐标系下得到刻型线的位置数据。但是一个被测零件上有很多刻型线，每一条线上都需要测量数据，因此一个零件需要测量很多点，测量时间长，测量效率很低；同时，T-probe的测量方式为在位测量，测量时间长，此时刻型机亦不能加工其他零件，影响刻型机的生产效率。

发明内容

本发明为克服现有技术的缺陷，发明一种测量刻型线三维位置的测量方法，该方法通过悬吊式安装方式将测量系统安装在刻型机上，并调节线激光器的位姿；利用标准靶球分别对线激光传感器缺省轴、线激光测量轴与机床运动轴、激光测量传感器与机床三维运动进行标定，得到测量坐标系和机床坐标系之间的转换关系；并利用测量系统采集测量数据，对数据进行滤波等预处理，提取其刻型线中心位置坐标，最终得到刻型线的三维位置，实现全局测量。测量效率高，时间短。

本发明采用的技术方案是一种测量刻型线三维位置的测量方法，其特性是，该方法采用线激光进行测量，组建复合式线激光测量系统，通过悬吊式安装方式将线激光器测量系统安装在刻型机上，通过标准靶球对线激光器坐标系和机床坐标系进行标定，得到坐标转换关系；采集测量数据，并对数据进行处理，提取其刻型线中心位置坐标，得到刻型线的三维位置。方法的具体步骤如下：

第一步安装刻型线三维位置测量系统

采用悬吊式将测量系统安装在主轴头侧面，测量系统包括机床连接组件Ⅱ、线激光器位姿调节组件Ⅲ以及监控摄像组件Ⅳ三大部分；安装时，首先将上轴套9通过上轴套连接螺栓10安装在主连接板4上，并将上轴心11及上轴扇形块12放入上轴套9的中间，把上轴锁紧螺钉13旋入上轴套9的螺纹孔中并穿过上轴扇形块12顶住上轴心11使其固定；然后将下轴套15通过下轴套连接螺栓14连接至上轴心11上，通过与上轴同样的原理用下轴紧锁螺钉18穿过下轴套15的螺纹孔与下轴扇形块17将下轴心16固定住；通过线激光器连接板连接螺栓19将线激光器连接板20连接在下轴心16上，并将线激光器21通过三个线激光器连接螺栓22固定在线激光器连接板20上；

安装监控摄像组件Ⅳ，将摄像机连接板5通过摄像机连接板螺栓6固定在主连接板4上，摄像机8通过摄像机支架7连接在摄像机连接板5上，从而将监控摄像组件Ⅳ连接在机床连接组件Ⅱ上；最后将组装好的整个系统通过主连接板4上方的长方形孔套入主轴组件Ⅰ上的安装板2上，并用两个紧固螺钉3旋入主连接板4上方的螺纹孔中顶住安装板2，从而将整个系统固定在机床主轴的侧面。

第二步线激光器坐标系和机床坐标系的标定

标定过程分为三步：线激光传感器缺省轴的标定、线激光测量轴与机床运动轴的标定、激光测量传感器与机床三维运动标定；

首先，标定机床运动与激光传感器缺省轴的数值对应关系，在线激光器的测量深度范围内放置一已知直径的标准靶球，并利用机床移动来获得靶球几个测量轮廓数据，并拟合得到轮廓半径，根据轮廓半径求解轮廓之间的距离，即线激光器光平面运动距离，结合机床移动距离求解机床运动轴对应的激光传感器缺省轴测量坐标变化值，从而实现整体的三维数据测量。

在实现激光传感器的缺省轴数值标定之后，由于激光传感器一直随机床做平移运动，还需要将每次的测量坐标统一在初始坐标系下，因此还需标定机床运动与激光位移传感器的初始坐标系的对应位置关系，同样结合标准靶球，根据激光扫描在球上的截面始终是标准圆且圆心的连线始终垂直于扫描平面的特性，根据截面圆的圆心测量坐标变换就可以得到测量坐标系变换的平移矩阵，从而可以将测量值统一到初始测量坐标系内。

在完成机床运动轴与激光测量坐标系的标定后，为了使测量结果可以与零件设计的数模进行比较，必须与机床加工的基准进行统一，这就要求对测量坐标和机床坐标的整体相对变换进行标定，通过机床带动线激光测量传感器进行固定轨迹的运动，可以实现两个坐标系的坐标变换，这样就实现了整体的测量标定工作。

第三步对采集数据进行处理

信息处理模块是整个测量系统的关键模块，其处理速度和精度将直接影响最终的测量效率和测量精度，从而影响整个系统的应用性能。为了提高测量系统的鲁棒性和可靠性，必须对线激光传感器获得的原始信号进行滤波去噪等预处理，获得更接近真实情况的数据信号以进行后续特征信息的提取。因此，本模块的算法主要包括：二维离散信号预处理，特征位置提取，特征三维信息还原等几个主要子模块。

1)二维离散信号预处理

对二维离散信号的预处理主要为滤波，本发明采用中值滤波，其公式如下：

y(i)＝med{x(i-N),...,x(i),...,x(i+N)} (1)

其中，y(i)为滤波后的输出值，med表示取数据序列中的中值，x(i)为原始数据值，N为滤波操作中的窗口大小，且N∈Z。

2)特征位置提取

对去噪后的信号直接提取刻型线的位置，由于刻型线为一凹槽，其边界特征点提取时先识别凹槽左右两个边界位置a,b点坐标(x_a,z_a)和(x_b,z_b)，然后取其中间位置作为刻型线特征位置，其位置的坐标为c(x_c,z_c)，其中

$x_c=\frac{x_a+x_b}{2}---\left(2\right)$

$z_c=\frac{z_a+z_b}{2}---\left(3\right)$

3)特征三维信息还原

通过以上计算，即可获得每个线激光测量位置的刻型线的特征点坐标c(x_c,z_c)，结合线激光传感器安装后的标定结果，以第一个测量位置为初始Y_L轴零点位置建立初始测量坐标系，即第一个位置的测量坐标为c₀(X_L0,0,Z_L0)，此时机床坐标为J₀(X_J0,Y_J0,Z_J0)，则第i个测量位置的特征点在初始坐标系的坐标c_i为

$\left[\begin{array}{c}{x}_{ci}\\ y_{ci}\\ z_{ci}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}\frac{{\mathrm{\ΔX}}_{LX}}{L_X}& \frac{{\mathrm{\ΔX}}_{LY}}{L_X}& \frac{{\mathrm{\ΔX}}_{LZ}}{L_X}& X_{Li}\\ \frac{l_X}{L_X}& \frac{l_Y}{L_Y}& \frac{l_Z}{L_Z}& 0\\ \frac{{\mathrm{\ΔZ}}_{LX}}{L_Z}& \frac{{\mathrm{\ΔZ}}_{LX}}{L_Z}& \frac{{\mathrm{\ΔZ}}_{LX}}{L_Z}& Z_{Li}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{X}_J\\ {\mathrm{\ΔY}}_J\\ {\mathrm{\ΔZ}}_J\\ 1\end{array}\right]---\left(4\right)$

其中，(x_ci,y_ci,z_ci)表示任意位置下在原始测量坐标系下的测量坐标，L_X、L_Y和L_Z分别为机床沿X_J轴、Y_J轴和Z_J轴方向相对于第一个位置的移动距离，l_X、l_Y和l_Z为缺省轴Y_L的对应值，ΔX_LX、ΔX_LY和ΔX_LZ分别为测量坐标系X_L坐标随三轴的变化量，ΔZ_LX、ΔZ_LY和ΔZ_LZ分别为测量坐标系Z_L坐标随三轴的变化量，ΔX_J＝X_Ji-X_J0，ΔY_J＝Y_Ji-Y_J0，ΔZ_J＝Z_Ji-Z_J0，表示机床在运动过程中的三维坐标变化量。由多个特征点便可得到某一刻型线的三维位置。

本发明的有益效果是设计了一种安装方便的刻型线位置测量系统，且可多角度进行位姿调节；利用激光直接测量得到刻型线二维位置数据，测量精度高，响应速度快；并将二维数据通过机床坐标系与测量坐标系的提前标定转化成三维测量数据，测量速度快，时间短，大大提高了现有测量方式的效率，减少了测量时间。

附图说明

图1为刻型线位置测量系统操作流程图。

图2a)为刻型线位置测量系统主视图，图2b)为刻型线位置测量系统左视图，图3a)为图2(b)中Ⅴ的局部放大视图，图3b)为图3(a)的右视图。其中，Ⅰ为主轴组件，Ⅱ为机床连接组件，Ⅲ为线激光器位姿调节组件，Ⅳ为监控摄像组件；1-主轴，2-安装板，3-紧固螺钉，4-主连接板，5-摄像机连接板，6-摄像机连接板螺栓，7-摄像机支架，8-摄像机，9-上轴套，9-A和9-B分别为上轴套9上的两个通孔，10-上轴套连接螺栓，11-上轴心，12-上轴扇形块，13-上轴紧锁螺钉，14-下轴套连接螺栓，15-下轴套，16-下轴心，16-A和16-B分别为下轴心16上的两个通孔，17-下轴扇形块，18-下轴紧锁螺钉，19-线激光器连接板连接螺栓，20-线激光器连接板，21-线激光器，22-线激光器连接螺栓，23-激光线，24-被测物。

图4为刻型线位置测量系统标定流程图。

具体实施方式

下面结合附图和技术方案详细说明本发明的具体实施方式。

测量方法通过悬吊式安装方式将组装好的测量系统安装在刻型机上，通过调节线激光器的位姿；利用标准靶球分别对线激光传感器缺省轴、线激光测量轴与机床运动轴、激光测量传感器与机床三维运动进行标定，得到测量坐标系和机床坐标系之间的转换关系；并利用测量系统采集测量数据，对数据进行滤波等预处理，提取其刻型线中心位置坐标，最终得到刻型线的三维位置，实现全局测量。

实施例1，本发明的被测物24为一块有化学涂料的150X150mm的铝制样板，其上有刻型线；线激光器21采用Gocator 2420，激光为蓝色，安装净距离为60mm，测量深度范围25mm，激光线长为22～32mm。标定用标准靶球为陶瓷标准靶球，其具有超高精度，亚光球面等特点，并具有国家计量部门检测数据，标准直径为10.0134mm。

第一步安装刻型线三维位置测量系统

按照附图2及附图3搭建刻型线三维位置测量系统。首先将上轴套9通过上轴套连接螺栓10安装在主连接板4上，并将上轴心11及上轴扇形块12放入上轴套9的中间，把上轴锁紧螺钉13旋入上轴套9的螺纹孔中并穿过上轴扇形块12顶住上轴心11使其固定；然后将下轴套15通过下轴套连接螺栓14连接至上轴心11上，通过与上轴同样的原理用下轴紧锁螺钉18穿过下轴套15的螺纹孔与下轴扇形块17将下轴心16固定住；通过线激光器连接板连接螺栓19将线激光器连接板20连接在下轴心16上，并将线激光器21通过三个线激光器连接螺栓22固定在线激光器连接板20上；接着安装监控摄像组件Ⅳ，将摄像机连接板5通过摄像机连接板螺栓6固定在主连接板4上，摄像机8通过摄像机支架7连接在摄像机连接板5上，从而将监控摄像组件Ⅳ连接在机床连接组件Ⅱ上；最后将组装好的整个系统通过主连接板4上方的长方形孔套入主轴组件Ⅰ上的安装板2上，并用两个紧固螺钉3旋入主连接板4上方的螺纹孔中顶住安装板2，从而将整个系统固定在机床主轴的侧面。之后将被测物放于线激光器正下方约72.5mm处。然后调节线激光器21的位姿，将上轴锁紧螺钉13和下轴紧锁螺钉18稍微拧松后，手动调节线激光器21至合适位置后，分别拧紧上轴锁紧螺钉13和下轴紧锁螺钉18固定线激光器21的位置。

第二步线激光器坐标系和机床坐标系的标定

按照图1进行测量操作，启动系统后对线激光器测量系统坐标系和机床坐标系进行标定，标定流程如附图4所示。线激光器位于光平面内的二维坐标可直接测量获得，首先，标定机床运动与激光传感器缺省轴的数值对应关系，在线激光器的测量深度范围内放置一已知直径的标准靶球，并利用机床移动来获得靶球几个测量轮廓数据，并拟合得到轮廓半径，根据轮廓半径求解轮廓之间的距离，即线激光器光平面运动距离，结合机床移动距离求解机床运动轴对应的激光传感器缺省轴测量坐标变化值，从而实现整体的三维数据测量。

在实现激光传感器的缺省轴数值标定之后，由于激光传感器一直随机床做平移运动，还需要将每次的测量坐标统一在初始坐标系下，因此还需标定机床运动与激光位移传感器的初始坐标系的对应位置关系，同样结合标准靶球，根据激光扫描在球上的截面始终是标准圆且圆心的连线始终垂直于扫描平面的特性，根据截面圆的圆心测量坐标变换就可以得到测量坐标系变换的平移矩阵，从而可以将测量值统一到初始测量坐标系内。

在完成机床运动轴与激光测量坐标系的标定后，为了使测量结果可以与零件设计的数模进行比较，必须与机床加工的基准进行统一，这就要求对测量坐标和机床坐标的整体相对变换进行标定，通过机床带动线激光测量传感器进行固定轨迹的运动，可以实现两个坐标系的坐标变换，这样就实现了整体的测量标定工作。最终标定的机床坐标系与测量坐标系的比例变换矩阵为：

$\left[\begin{array}{ccc}\frac{{\mathrm{\ΔX}}_{LX}}{L_X}& \frac{{\mathrm{\ΔX}}_{LY}}{L_Y}& \frac{{\mathrm{\ΔX}}_{LZ}}{L_Z}\\ \frac{l_X}{L_X}& \frac{l_Y}{L_Y}& \frac{l_Z}{L_Z}\\ \frac{{\mathrm{\ΔZ}}_{LX}}{L_X}& \frac{{\mathrm{\ΔZ}}_{LY}}{L_Y}& \frac{{\mathrm{\ΔZ}}_{LZ}}{L_Z}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}0.5652& -1.0081& 0.0257\\ 0.8261& 0.5606& 0.0086\\ -0.0188& 0.0184& 1.1496\end{array}\right]$

第三步对采集数据进行处理

最后启动线激光传感器，并将激光线打在被测物上，采集刻型线特征点原始数据，对线激光传感器获得的原始信号进行滤波去噪等预处理，获得更接近真实情况的数据信号以进行后续特征信息的提取。对采集到的数据根据公式(1)进行中值滤波处理，其中N＝2。然后提取刻型线两边界点的位置坐标，并利用公式(2)(3)求取其中间位置做为刻型线位置，最后利用标定结果并结合机床位置坐标根据公式(4)求取刻型线的三维位置。

本发明采用安装在刻型机上的测量系统进行测量，其位姿调节方便，安装时不破坏机床原有结构，拆卸方便。利用测量系统可精确测量刻型线的位置，精度高，测量时间短，效率高，解决了原有技术测量不方便，测量在位时间长等缺点，能够满足一般刻型线三维位置测量要求。

Claims (1)

1.一种测量刻型线三维位置的测量方法，其特性是，该方法采用线激光进行测量，首先组建复合式线激光测量系统，通过悬吊式安装方式将线激光器测量系统安装在刻型机主轴侧面，然后通过标准靶球对线激光器坐标系和机床坐标系进行标定，得到坐标转换关系；采集测量数据，并对数据进行处理，提取其刻型线中心位置坐标，得到刻型线的三维位置；方法的具体步骤如下：

第一步安装刻型线三维位置测量系统

采用悬吊式将测量系统安装在主轴头侧面，测量系统包括机床连接组件(Ⅱ)、线激光器位姿调节组件(Ⅲ)以及监控摄像组件(Ⅳ)三大部分；安装时，首先将上轴套(9)通过上轴套连接螺栓(10)安装在主连接板(4)上，并将上轴心(11)及上轴扇形块(12)放入上轴套(9)的中间，把上轴锁紧螺钉(13)旋入上轴套(9)的螺纹孔中并穿过上轴扇形块(12)顶住上轴心(11)使其固定；然后将下轴套(15)通过下轴套连接螺栓(14)连接至上轴心(11)上，通过与上轴同样的原理用下轴紧锁螺钉(18)穿过下轴套(15)的螺纹孔与下轴扇形块(17)将下轴心(16)固定住；通过线激光器连接板连接螺栓(19)将线激光器连接板(20)连接在下轴心(16)上，并将线激光器(21)通过三个线激光器连接螺栓(22)固定在线激光器连接板(20)上；接着安装监控摄像组件(Ⅳ)，将摄像机连接板(5)通过摄像机连接板螺栓(6)固定在主连接板(4)上，摄像机(8)通过摄像机支架(7)连接在摄像机连接板(5)上，从而将监控摄像组件(Ⅳ)连接在机床连接组件(Ⅱ)上；最后将组装好的整个系统通过主连接板(4)上方的长方形孔套入主轴组件(Ⅰ)上的安装板(2)上，并用两个紧固螺钉(3)旋入主连接板(4)上方的螺纹孔中顶住安装板(2)，从而将整个系统固定在机床主轴的侧面；

第二步对线激光器和机床进行标定

标定过程分为三步：标定机床运动与激光传感器缺省轴的数值对应关系、标定激光测量传感器与机床三维运动、对测量坐标和机床坐标的整体相对变换进行标定；

首先，标定机床运动与激光传感器缺省轴的数值对应关系，在线激光器的测量深度范围内放置一已知直径的标准靶球，并利用机床移动来获得靶球几个测量轮廓数据，并拟合得到轮廓半径，根据轮廓半径求解轮廓之间的距离，即线激光器光平面运动距离；结合机床移动距离求解机床运动轴对应的激光传感器缺省轴测量坐标变化值，从而实现整体的三维数据测量；

接着标定激光测量传感器与机床三维运动；同样结合标准靶球，根据激光扫描在球上的截面始终是标准圆且圆心的连线始终垂直于扫描平面的特性，根据截面圆的圆心测量坐标变换就可以得到测量坐标系变换的平移矩阵，从而可以将测量值统一到初始测量坐标系内；

最后，对测量坐标和机床坐标的整体相对变换进行标定，通过机床带动线激光测量传感器进行固定轨迹的运动，实现两个坐标系的坐标变换，这样就实现了整体的测量标定工作；

第三步对采集数据进行处理

对线激光传感器获得的原始信号进行滤波去噪预处理，获得更接近真实情况的数据信号进行后续特征信息的提取；数据处理包括：二维离散信号预处理，特征位置提取，特征三维信息还原处理；

1)二维离散信号预处理采用中值滤波，其公式如下：

y(i)＝med{x(i-N),...,x(i),...,x(i+N)} (1)

其中，y(i)为滤波后的输出值，med表示取数据序列中的中值，x(i)为原始数据值，N为滤波操作中的窗口大小，且N∈Z；

2)特征位置提取

对去噪后的信号直接提取刻型线的位置，其边界特征点提取时先识别凹槽左右两个边界位置a,b点坐标(x_a,z_a)和(x_b,z_b)，然后取其中间位置作为刻型线特征位置，其位置的坐标为c(x_c,z_c)，其中：

$x_c=\frac{x_a+x_b}{2}---\left(2\right)$

$z_c=\frac{z_a+z_b}{2}---\left(3\right)$

3)特征三维信息还原

通过以上计算，即可获得每个线激光测量位置的刻型线的特征点坐标c(x_c,z_c)，结合线激光传感器安装后的标定结果，以第一个测量位置为初始Y_L轴零点位置建立初始测量坐标系，即第一个位置的测量坐标为c₀(X_L0,0,Z_L0)，此时机床坐标为J₀(X_J0,Y_J0,Z_J0)，则第i个测量位置的特征点在初始坐标系的坐标c_i为

$\left[\begin{array}{c}{x}_{ci}\\ y_{ci}\\ z_{ci}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}\frac{{\mathrm{\ΔX}}_{LX}}{L_X}& \frac{{\mathrm{\ΔX}}_{LY}}{L_X}& \frac{{\mathrm{\ΔX}}_{LZ}}{L_X}& X_{Li}\\ \frac{l_X}{L_X}& \frac{l_Y}{L_Y}& \frac{l_Z}{L_Z}& 0\\ \frac{{\mathrm{\ΔZ}}_{LX}}{L_Z}& \frac{{\mathrm{\ΔZ}}_{LX}}{L_Z}& \frac{{\mathrm{\ΔZ}}_{LX}}{L_Z}& Z_{Li}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ΔX}}_J\\ {\mathrm{\ΔY}}_J\\ {\mathrm{\ΔZ}}_J\\ 1\end{array}\right]---\left(4\right)$

其中，(x_ci,y_ci,z_ci)表示任意位置下在原始测量坐标系下的测量坐标，L_X、L_Y和L_Z分别为机床沿X_J轴、Y_J轴和Z_J轴方向相对于第一个位置的移动距离，l_X、l_Y和l_Z为缺省轴Y_L的对应值，ΔX_LX、ΔX_LY和ΔX_LZ分别为测量坐标系X_L坐标随三轴的变化量，ΔZ_LX、ΔZ_LY和ΔZ_LZ分别为测量坐标系Z_L坐标随三轴的变化量，ΔX_J＝X_Ji-X_J0，ΔY_J＝Y_Ji-Y_J0，ΔZ_J＝Z_Ji-Z_J0，表示机床在运动过程中的三维坐标变化量；由多个特征点得到某一刻型线的三维位置。