CN107741198B - 一种基于四轴光学扫描系统转台标定的方法 - Google Patents

一种基于四轴光学扫描系统转台标定的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于四轴光学扫描系统转台标定方法，按照标定需求安装激光线扫描测头，建立线激光位移传感器和测量机的通讯连接。测量机带动线激光位移传感器回到机床零点，以线激光位移传感器的读数(0,0)处为原点建立基准坐标系O‑XYZ。标定转台中心。转换线激光位移传感器测量数据到转台0°下的基准坐标系中。最终完成了线激光位移传感器测量数据到转台0°下的基准坐标系的转换。本方法利用高低两个标准球标定线激光位移传感器空间位姿，转台中心以及转台法矢量。本方法有效地减小了因线激光位移传感器空间位姿引起的误差，有效地缩减了整个测量方案的成本。

Description

一种基于四轴光学扫描系统转台标定的方法
技术领域：
本发明属于光电领域，涉及一种基于四轴光学扫描系统转台标定的方法，尤其是一种测量数据转换到统一的基准坐标系的方法。
背景技术：
光学测量方式是现代工业检测领域炙手可热的先进测量手段。对于复杂型面物体，其表面特征多样化，且表面曲率变化范围较大，相较于接触式测量方式，采用光学测量手段可以在短时间内迅速完成物体三维形貌的测量，其测量效率高，采样数据量大，不仅在逆向工程领域具有卓越的成就，并且为后续的参数分析提供了高精度的数据支持。
对于传统的激光扫描测量头与三坐标测量机相结合的情况，由于线激光位移传感器每次只能在一个给定方向扫描测量目标工件，这样被测物始终有一个固定面无法被测量。而四轴测量机相对于传统的三坐标测量机添加了一个旋转工作台，测量时，将被测物体置于旋转工作台之上实现360旋转测量。而四轴测量机相对角度更多的五轴测量机，结构简单，价格低廉，既兼顾激光快速扫描的优点，又避免了五轴测量机相对昂贵的成本。
发明内容：
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于四轴光学扫描系统转台标定方法，尤其是一种测量数据转换到统一的基准坐标系的方法。本方法利用高低两个标准球标定转台中心以及转台法矢量，有效地减小了因转台中心引起的误差。该方法包括以下步骤：
步骤一、按照标定需求安装激光线扫描测头，建立线激光位移传感器和测量机的通讯连接。
步骤二、测量机带动线激光位移传感器回到机床零点，以线激光位移传感器的读数(0,0)处为原点建立基准坐标系O-XYZ。
步骤三、标定转台中心。转台带动标准球运动到7个不同位置，扫描得到7个位置处的标准球的点云参数。假设线激光位移传感器激光的出射方向在基准坐标系中为激光的线长方向为用和对标准球的点云数据进行补偿。使用最小二乘法计算补偿后的7个位置处的点云数据，拟合对应位置处标准球的球心。通过这7个球心拟合一个圆，圆心坐标为(c1,c2,c3)。沿Z轴方向加高标准球，重复前述步骤，算出高球拟合的圆心坐标为(c1',c2',c3')。则转台中心坐标为(c1,c2,c3)，转台法矢量为其中
步骤四、转换线激光位移传感器测量数据到转台0°下的基准坐标系中。测点pij在基准坐标系中的坐标为(uijl'+vijl+xi,uijm'+vijm+yi,uijn'+vijn+zi)。
设此时转台角度为θ，则测点在转台为0°时的坐标值为其中
即完成了测头坐标系到机床坐标系的转换。
本发明与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1.本方法利用线激光位移传感器标定四轴测量机转台，方法便捷快速，可操作性强，可直接应用到后续光学测量阶段。
2、本方法中利用准确标定出的线激光位移传感器方向来补偿测量数据，计算精度高，有效降低了转台标定带来的系统误差。
附图说明：
图1：标定转台中心安装图。
其中：1为第一个标准球；2为第二个标准球；3为第三个标准球；4为第四个标准球；5为第五个标准球；6为第六个标准球；7为第七个标准球；8为传感器；9为连接板；10为第一位置；11为第二位置。
图2：线激光位移传感器扫描系统图。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参见图1、图2，一种基于线激光位移传感器转台标定的方法，尤其是一种基于四轴光学扫描系统转台标定的方法，具体包含以下步骤：
步骤一、如图2所示，按照标定需求安装线激光位移传感器8，线激光位移传感器8通过连接板9与测量机的Y轴相连，保证线激光位移传感器的安装平面基本平行于测量机的yoz平面。同时把测量机Z轴的光栅信号一分为二，一路接入测量机控制器，另一路信号连接线激光位移传感器控制器，作为线激光位移传感器的编码器触发信号。
步骤二、如图2，建立机床坐标系O`-XYZ，X,Y,Z方向与机床光栅尺方向相同。设线激光位移传感器读数(0,0)处为o，建立线激光位移传感器坐标系o-xyz，x,y,z方向与机床X,Y,Z方向相同。
测量机带动线激光位移传感器回到机床零点。回零点后，设此时线激光位移传感器的读数(0,0)处为O。以O为原点建立基准坐标系O-XYZ，X,Y,Z的方向与机床坐标系方向相同，把O点，即回零位置处的光栅尺读数置为0。此时，光栅尺读数即为基准坐标系坐标值。
步骤三、标定转台，具体步骤如下：
1.如图1，机床Z轴带动线激光位移传感器沿Z轴方向扫描第一个磨砂标准球1。测量机的Z轴光栅尺每发出一个信号，线激光位移传感器相应的进行一次采集，最终得到标准球的三维点云数据。
设线激光位移传感器的读数为(u,v)，u为激光线长方向的坐标值，v为激光深度方向上的坐标值。扫描一个磨砂标准球过程中，线激光位移传感器跟随机床Z轴光栅尺信号做出相应的触发。线激光位移传感器每触发一次，便有一组(u,v)。则扫描完一个磨砂标准球，线激光位移传感器总测量数据为(uij,vij)，uij为线激光位移传感器第i次触发中第j个点的线长方向的坐标值；vij为线激光位移传感器第i次触发中第j个点的激光深度方向上的坐标值。
假设线激光位移传感器激光的出射方向在基准坐标系中为激光的线长方向为线激光位移传感器每次触发时，对应的机床基准坐标系坐标值为(xi,yi,zi)。用和(xi,yi,zi)对标准球的点云数据进行补偿，得到第一个标准球1在基准坐标系下的经过补偿后的点云数据pij(uijl'+vijl+xi,uijm'+vijm+yi,uijn'+vijn+zi)。
2.通过最小二乘法拟合出第一个标准球1的球心坐标(Xc1,Yc1,Zc1)。工作台逆时针旋转30°得到第二个标准球2。移动传感器到第二个标准球2附近，扫描测量标准球2的点云数据，用与标准球1相同的办法算出标准球2的球心坐标(Xc2,Yc2,Zc2)。工作台逆时针旋转30°得到第三个标准球3。移动传感器到第三个标准球3附近，测量得到第三个标准球3的球心坐标(Xc3,Yc3,Zc3)。工作台逆时针旋转30°得到第四个标准球4。移动传感器到第四个标准球4附近，测量得到第四个标准球4的球心坐标(Xc4,Yc4,Zc4)。工作台逆时针旋转30°得到第五个标准球5。移动传感器到第五个标准球5附近，测量得到第五个标准球5的球心坐标(Xc5,Yc5,Zc5)。工作台逆时针旋转30°得到第六个标准球6。移动传感器到第六个标准球6附近，测量得到第六个标准球6的球心坐标(Xc6,Yc6,Zc6)。工作台逆时针旋转30°得到第七个标准球7。移动传感器到第七个标准球7附近，测量得到第七个标准球7的球心坐标(Xc7,Yc7,Zc7)。根据以上步骤得到的7个球中心，用最小二乘法拟合一个空间圆，得到圆的圆心坐标(c1,c2,c3)。
3.如图1，沿机床Z轴方向加高标准球，重复步骤三的1过程，得到新的7个标准球位置，根据得到的7个高球中心，用最小二乘法拟合一个空间圆，得到圆的圆心坐标(c1',c2',c3')。
4.设低球拟合的圆心(c1,c2,c3)为转台中心坐标，转台法矢量为其中
步骤四、转换线激光位移传感器测量数据到转台0°下的基准坐标系中。
设转台逆时针旋转为正方向，当激光位移传感器测量物体时，转台对应的角度为θ，此时测点pij在基准坐标系中的坐标为pij(uijl'+vijl+xi,uijm'+vijm+yi,uijn'+vijn+zi)。pij绕转台法矢量轴顺时针旋转θ得到转台0°下的坐标值(xij,yij,zij)，
其中
(xij,yij,zij)即为最终结果。此时不同角度下的传感器测量值都可以转换到转台0°下的基准坐标系中，以便于后续分析。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的方法及技术内容作出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (5)

1.一种基于四轴光学扫描系统转台标定的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、按照标定需求安装激光线扫描测头，建立线激光位移传感器和测量机的通讯连接；
步骤二、测量机带动线激光位移传感器回到机床零点，以线激光位移传感器的读数(0,0)处为原点建立基准坐标系O-XYZ；
步骤三、标定转台中心；所述步骤三中，机床Z轴带动线激光位移传感器沿Z轴方向扫描第一个磨砂标准球1；测量机的Z轴光栅尺每发出一个信号，线激光位移传感器相应的进行一次采集，最终得到标准球的三维点云数据；
设线激光位移传感器的读数为(u,v)，u为激光线长方向的坐标值，v为激光深度方向上的坐标值；扫描一个磨砂标准球过程中，线激光位移传感器跟随机床Z轴光栅尺信号做出相应的触发；线激光位移传感器每触发一次，便有一组(u,v)；则扫描完一个磨砂标准球，线激光位移传感器总测量数据为(uij,vij)，uij为线激光位移传感器第i次触发中第j个点的线长方向的坐标值；vij为线激光位移传感器第i次触发中第j个点的激光深度方向上的坐标值；
假设线激光位移传感器激光的出射方向在基准坐标系中为激光的线长方向为线激光位移传感器每次触发时，对应的机床基准坐标系坐标值为(xi,yi,zi)；用和(xi,yi,zi)对标准球的点云数据进行补偿，得到第一个标准球1在基准坐标系下的经过补偿后的点云数据pij(uijl'+vijl+xi,uijm'+vijm+yi,uijn'+vijn+zi)；
通过最小二乘法拟合出第一个标准球1的球心坐标(Xc1,Yc1,Zc1)；工作台逆时针旋转30°得到第二个标准球2；移动传感器到第二个标准球2附近，扫描测量标准球2的点云数据，用与标准球1相同的办法算出标准球2的球心坐标(Xc2,Yc2,Zc2)；工作台逆时针旋转30°得到第三个标准球3；移动传感器到第三个标准球3附近，测量得到第三个标准球3的球心坐标(Xc3,Yc3,Zc3)；工作台逆时针旋转30°得到第四个标准球4；移动传感器到第四个标准球4附近，测量得到第四个标准球4的球心坐标(Xc4,Yc4,Zc4)；工作台逆时针旋转30°得到第五个标准球5；移动传感器到第五个标准球5附近，测量得到第五个标准球5的球心坐标(Xc5,Yc5,Zc5)；工作台逆时针旋转30°得到第六个标准球6；移动传感器到第六个标准球6附近，测量得到第六个标准球6的球心坐标(Xc6,Yc6,Zc6)；工作台逆时针旋转30°得到第七个标准球7；移动传感器到第七个标准球7附近，测量得到第七个标准球7的球心坐标(Xc7,Yc7,Zc7)；根据以上步骤得到的7个球中心，用最小二乘法拟合一个空间圆，得到圆的圆心坐标(c1,c2,c3)；
沿机床Z轴方向加高标准球，重复步骤三的1过程，得到新的7个标准球位置，根据得到的7个高球中心，用最小二乘法拟合一个空间圆，得到圆的圆心坐标(c1',c2',c3')；
设低球拟合的圆心(c1,c2,c3)为转台中心坐标，转台法矢量为其中
步骤四、转换线激光位移传感器测量数据到转台0°下的基准坐标系中。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：
所述步骤一中线激光位移传感器与四轴测量机的通讯连接方式为，把测量机Z轴的光栅信号分为二路，一路接入测量机控制器，另一路信号连接线激光位移传感器控制器作为编码器触发信号，当测量机Z轴发生运动时，激光位移传感器得到相应的触发。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：
所述步骤二中，建立机床坐标系O`-XYZ，X,Y,Z方向与机床光栅尺方向相同；；设线激光位移传感器读数(0,0)处为o，建立线激光位移传感器坐标系o-xyz，x,y,z方向与机床X,Y,Z方向相同；；
测量机带动线激光位移传感器回到机床零点；回零点后，设此时线激光位移传感器的读数(0,0)处为O；以O为原点建立基准坐标系O-XYZ，X,Y,Z的方向与机床坐标系方向相同，把O点，即回零位置处的光栅尺读数置为0；此时，光栅尺读数即为基准坐标系坐标值。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：
所述磨砂标准球为磨砂面陶瓷标准球。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：
所述步骤四中，设转台逆时针旋转为正方向，当激光位移传感器测量物体时，转台对应的角度为θ，此时测点pij在基准坐标系中的坐标为
pij(uijl'+vijl+xi,uijm'+vijm+yi,uijn'+vijn+zi)；
pij绕转台法矢量轴顺时针旋转θ得到转台0°下的坐标值(xij,yij,zij)，
其中
(xij,yij,zij)即为最终结果。
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