CN109520420A - 一种转台回转中心的空间坐标确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种转台回转中心的空间坐标确定方法，该方法所基于的视觉坐标测量系统由工作台、转台、成像装置、姿态调整机构和三维移动桥架组成，具有三个直线运动轴X、Y、Z和一个回转运动轴A。该方法借助于由硬质合金钢制成的长方体标定块，并通过三维移动桥架的空间直线运动和转台的回转运动，完成不同角度位置处的标定块边缘的图像采集，同时记录各个直线运动轴的光栅尺读数，最后通过图像处理技术并结合标定块的厚度和高度尺寸，解算得到转台的回转中心在多轴视觉坐标测量系统的机器坐标系中的三维空间坐标。本发明原理简单、应用方便，解决了回转体零件的多轴视觉坐标测量中的关键问题，具有很大的可实施性和实际应用价值。

Description

一种转台回转中心的空间坐标确定方法

技术领域

本发明是一种转台回转中心的空间坐标确定方法，属于测量与测试技术领域。

背景技术

在航空、航天、兵器和船舶等众多工业领域中，回转体零件在各类零件中占有很大的比重。一般说来，回转体零件是指其形状特征符合回转体特点的机械零件，尽管回转体零件的结构与尺寸因其用途不同而各异，但对其结构与尺寸参数的检测和控制却具有很高的要求，这是因为许多回转体零件都是机械设备中的关键组成部分，它们的形位误差和制造精度会对其装配和使用性能产生很大影响，不仅会影响到接触表面的配合性质，还会影响到旋转部件的振动、噪声、回转精度和使用寿命等。

因此，对回转体零件进行高精度、高效率和高一致性的检测，已经成为众多工业领域的迫切需求。目前，对于回转体零件的形位误差和制造精度的检测和控制，通常采用接触式的三坐标测量机来进行，虽然能够达到很高的检测精度，但由于采用了接触式的测量方式，导致效率低下，无法满足变批量回转体零件的检测需求。近年来，随着测量技术及其它相关学科的发展，机器视觉测量作为一种非接触式的测量手段和方法，可以解决传统测量手段难以或无法解决的多种问题，已经广泛应用于现代工业的各个领域。

机器视觉测量是将计算机视觉应用于几何元素与特征的测量和定位，把图像作为获取信息的手段，不仅具有非接触式测量技术的效率高、操作简便、机动灵活以及适应性强等优点，还具有成本低、可靠性高、信息丰富和实时性强等独特优点，因而被广泛应用于工业现场，现已成为工业测量领域研究的重要内容。同时，三坐标测量系统具有移动范围大、定位精确、通用性强等优点，可以作为机器视觉装置的移动载体，通过三个直线轴的移动来实现机器视觉装置的运动轨迹，从而将新型的机器视觉测量技术与传统的三坐标测量技术结合在一起，完成测量数据的获取。针对回转体零件的结构特点，单一方位的成像系统只能完成某一部分测量数据的获取，而要获取全部的测量数据，就需要在三个直线运动轴的基础上增加一个回转运动轴(第四轴)，即转台。通过转台的配合来实现被测物体的不同方位的测量，以获得完整的测量数据，并提高测量效率。在实际应用过程中，首先通过机械调整使转台的回转轴线与三坐标测量系统的Z轴之间相互平行，因而转台每旋转到一个角度位置，被测回转体零件上的这一部分测量数据只需要经过简单的平移、旋转等坐标变换就可以得出该数据在旋转之前的数值。通过转台的连续旋转，最终可以拼接出被测回转体零件的全部测量数据。这个过程主要通过对转台进行实际回转轴线的原点位置参数的标定并辅以准确的数据整合算法来实现，这就需要确定出转台的回转中心在三坐标测量系统的机器坐标系中的空间位置，即确定出转台的回转中心的三维空间坐标。目前，对于四轴视觉坐标测量系统中的转台回转中心的空间坐标确定这个难题，尚无有效且可靠的解决方法。

发明内容

本发明正是针对上述现有技术中存在的不足而设计并提供了一种转台回转中心的空间坐标确定方法，其目的是确定转台2的回转中心O_R在视觉坐标测量系统的机器坐标系O-XYZ中的三维空间坐标(X₀,Y₀,Z₀)。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

该种转台回转中心的空间坐标确定方法所针对的视觉坐标测量系统的机器坐标系O-XYZ为空间直角坐标系，其X、Y和Z坐标轴的方向分别与该系统的三个直线运动轴的方向相同，而原点O则位于各个直线运动轴的回零位置；视觉坐标测量系统具有四个运动轴，分别为X、Y、Z三个直线运动轴和回转运动轴A。其中，X、Y、Z三个直线运动轴的运动方向相互正交，X轴和Y轴的运动方向位于水平面内，而Z轴的运动方向位于竖直方向，并且符合右手定则；A轴的回转轴线方向与Z轴的运动方向平行。在该视觉坐标测量系统的四轴布局中，X、Y、Z三个直线运动轴集成在一起，而回转运动轴A单独布置。通过机械调整，使转台2的回转轴线7与视觉坐标测量系统的Z轴方向平行，即其在O-XYZ中的单位方向向量为(0,0,1)。

进一步，所述视觉坐标测量系统包括：工作台1、转台2、成像装置3、姿态调整机构4和三维移动桥架5。视觉坐标测量系统的X、Y、Z三个直线运动轴的运动由三维移动桥架5来实现，而回转运动轴A的运动由转台2来实现。三维移动桥架5安装在工作台1上，能够产生X、Y和Z三个方向上的直线运动，并且各个直线运动轴均配备有气浮导轨和高精度的直线光栅尺，从而确保各个直线运动轴的运动平稳性和位移精度。姿态调整机构4安装在三维移动桥架5的Z轴末端上，并将成像装置3固定在姿态调整机构4上，并且通过调节姿态调整机构4使成像装置3的成像光轴方向与三维移动桥架5的X轴方向平行。转台2的底部固定在工作台1上，并使转台2位于三维移动桥架5的Y轴行程的中间位置。通过机械调整使转台2的回转轴线7与视觉坐标测量系统的Z轴方向平行。转台2内置高精度的圆光栅尺，可以精确转动到所设定的角度位置，并且转台2的台面足够平整，从而使台面平面度对标定结果的影响可以忽略不计。

进一步，所述工作台1采用具有良好热稳定性的大理石或天然花岗岩制作而成，能够承受一定的外部冲击和干扰，并且其上表面经过网格法检验后，表面平整度达到00级标准。

进一步，所述成像装置3由工业相机8和光学镜头9构成，光学镜头9为工业远心镜头，通过标准接口安装到工业相机8上。

进一步，所述三维移动桥架5可以实现X、Y和Z三个方向上的直线运动，从而通过姿态调整机构4带动成像装置3进行空间移动和位置变换，以使成像装置3到达正确的测量方位，一方面可以实现成像装置3的测量轨迹，另一方面也可以使该视觉坐标测量系统适应于不同形状和大小的被测物体的测量需求，从而增强整个系统的柔性和灵活性。

进一步，所述姿态调整机构4由两个一维俯仰台10和一个一维旋转台11装配而成，可以对绕X、Y和Z坐标轴的三个转动自由度进行调整；一维俯仰台10能够进行-15°～+15°范围内的角度位置调节，并且能够实现锁紧，两个一维俯仰台10分别用于调整绕X坐标轴和绕Y坐标轴的转动自由度；一维旋转台11能够进行0°～360°范围内的角度位置调节，并且能够实现锁紧，用于调整绕Z坐标轴的转动自由度。

进一步，所述标定块6具有良好的形状精度、尺寸精度和表面质量；标定块6的各个表面均非常光滑和平整，表面粗糙度Ra值≤0.025μm，表面平整度达到00级标准，并且各条棱边均为锋利直边，没有倒角，也未被倒钝；标定块6的厚度L和高度H的值均为已知，精度达到微米级以上。

该方法的步骤如下：

步骤一、转台2转动到0°位置，将由硬质合金钢制成的长方体标定块6放置在转台2的台面上，并借助于千分表或者电感测微仪对标定块6的位置进行机械调整，使标定块6的厚度L所在的方向与机器坐标系O-XYZ的X坐标轴方向平行，高度H所在的方向与机器坐标系O-XYZ的Z坐标轴方向平行，调整好标定块6的位置后将标定块6固定；

步骤二：由三维移动桥架5带动成像装置3对焦于标定块6的表面，然后沿着Y轴移动，使标定块6的一侧边缘出现在成像装置3的视场中，采集该边缘在视场中的图像，并记录此时X、Y两个直线运动轴的光栅尺读数为(X₁,Y₁)，再通过图像处理提取出图像中标定块6的该边缘在图像坐标系中的像素坐标，并计算出标定块6的该边缘的像素坐标与图像中心的像素坐标之间的像素距离l_a单位：像素，再与像素尺寸当量k单位：毫米/像素相乘，将像素距离l_a转化为物理距离a单位：毫米；

a＝k·l_a

步骤三：转台2转动到180°位置，由三维移动桥架5带动成像装置3对焦于标定块6的表面，然后沿着Y轴移动，使与步骤二中标定块6的那一侧边缘相对应的边缘出现在成像装置3的视场中，采集该边缘在视场中的图像，并记录此时X、Y两个直线运动轴的光栅尺读数为(X₂,Y₂)，再通过图像处理提取出图像中标定块6的该边缘在图像坐标系中的像素坐标，并计算出标定块6的该边缘的像素坐标与图像中心的像素坐标之间的像素距离l_b单位：像素，再与像素尺寸当量k单位：毫米/像素相乘，将像素距离l_b转化为物理距离b单位：毫米；

b＝k·l_b

步骤四：通过L、H、(X₁,Y₁)、(X₂,Y₂)、a和b计算出转台2的回转中心O_R在视觉坐标测量系统的机器坐标系O-XYZ中的X₀坐标和Y₀坐标；

步骤五：由三维移动桥架5带动成像装置3沿着Z轴向上移动，直到标定块6的上边缘出现在成像装置3的视场中，采集标定块6的上边缘在视场中的图像，并记录此时Z直线运动轴的光栅尺读数为Z₃，再通过图像处理提取出图像中标定块6的上边缘在图像坐标系中的像素坐标，并计算出标定块6的上边缘的像素坐标与图像中心的像素坐标之间的像素距离l_h单位：像素，再与像素尺寸当量k单位：毫米/像素相乘，将像素距离l_h转化为物理距离h单位：毫米；

h＝k·l_h

步骤六：通过H、Z₃和h计算出转台2的回转中心O_R在视觉坐标测量系统的机器坐标系O-XYZ中的Z₀坐标；

Z₀＝Z₃-h-H

本发明针对多轴视觉坐标测量系统的特点，应用特殊设计的由硬质合金钢制成的长方体标定块，并结合图像处理技术，通过解算得到了转台回转中心在多轴视觉坐标测量系统的机器坐标系终的空间三维坐标，从而解决了多轴视觉坐标测量技术中的关键问题，具有很大的可实施性和应用价值。

附图说明

图1为实现本发明的视觉坐标测量系统的整体结构示意图；

图2为标定块的结构示意图；

图3为转台与标定块的相互位置关系示意图；

图4为成像装置的结构示意图；

图5为姿态调整机构的结构示意图；

图6为转台转动到0°位置的示意图；

图7为转台转动到180位置的示意图；

图8为转台回转中心O_R的X₀坐标和Y₀坐标的计算示意图；

图9为转台回转中心O_R的Z₀坐标的计算示意图；

图10为像素距离l_a的计算示意图；

图11为像素距离l_b的计算示意图；

图12为像素距离l_h的计算示意图。

具体实施方式

以下将结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步地详述：

参见附图1所示，该视觉坐标测量系统包括工作台1、回转台2、成像装置3、姿态调整机构4和三维移动桥架5。视觉坐标测量系统的机器坐标系O-XYZ为空间直角坐标系，其X、Y和Z坐标轴的方向分别与该系统的三个直线运动轴的方向相同，而原点O则位于各个直线运动轴的回零位置；通过机械调整，使转台2的回转轴线7与视觉坐标测量系统的Z轴方向平行，即其在O-XYZ中的单位方向向量为(0,0,1)。

工作台1与三维移动桥架5采用三坐标测量机框架实现，三坐标测量机为北京航空精密研究所生产的Pearl型三坐标测量机，该型三坐标测量机能够产生X、Y和Z三个方向上的直线运动，并且各轴均配备有气浮导轨和高精度的直线光栅尺，从而确保各轴的运动平稳性和位移精度；转台2采用伺服电机实现，选用日本Yaskawa公司的SGMCS型直接驱动伺服电机，该型伺服电机可以在不带减速器的状态下直接驱动负载，能够实现从低速到高速的强力平滑运行，并且内置高分辨率编码器，可以实现精确分度和定位；通过机械调整，使伺服电机的回转轴线与三坐标测量机框架的Z轴平行，即在O-XYZ中的单位方向向量为(0,0,1)。成像装置3由工业相机8和光学镜头9构成，光学镜头9为工业远心镜头，通过标准接口安装到工业相机8上；工业相机8可以选用大恒图像视觉有限公司的MER-125-30GM型工业相机，光学镜头9可以选用日本Moritex公司的MML3型高分辨率定倍工业远心镜头。姿态调整机构4安装在三坐标测量机框架的Z轴末端上，再将成像装置固定在姿态调整机构4上，并且通过调节姿态调整机构4使成像装置3的成像光轴与三坐标测量机框架的X轴方向平行。姿态调整机构4由两个一维俯仰台10和一个一维旋转台11叠加装配组成，可以对绕X、Y和Z坐标轴的三个转动自由度进行调整，从而实现成像装置3的空间姿态调整。一维俯仰台10采用北京微纳光科仪器有限公司的WN04GM15型手动角位台，而一维旋转台11采用北京微纳光科仪器有限公司的WNBS43-60型手动旋转台。

在该方法的实现过程中，需要借助于由硬质合金钢制成的长方体标定块6。标定块6具有良好的形状精度、尺寸精度和表面质量；标定块6的各个表面均非常光滑和平整，表面粗糙度Ra值≤0.025μm，表面平整度达到00级标准，并且各条棱边均为锋利直边，没有倒角，也未被倒钝；标定块6的厚度L和高度H的值均为已知，精度达到微米级以上。

该方法是通过如下步骤实现的：

步骤一：转台2转动到0°位置，将由硬质合金钢制成的长方体标定块6放置在转台2的台面上，并借助于千分表或者电感测微仪对标定块6的位置进行机械调整，使标定块6的厚度L所在的方向与机器坐标系O-XYZ的X坐标轴方向平行，高度H所在的方向与机器坐标系O-XYZ的Z坐标轴方向平行，调整好标定块6的位置后将标定块6固定；

步骤二：由三坐标测量机框架带动成像装置3对焦于标定块6的表面，然后沿着Y轴移动，使标定块6的一侧边缘出现在成像装置3的视场中，采集该边缘在视场中的图像，并记录此时X、Y两个直线运动轴的光栅尺读数为(X₁,Y₁)，再通过图像处理提取出图像中标定块6的该边缘在图像坐标系中的像素坐标，并计算出标定块6的该边缘的像素坐标与图像中心的像素坐标之间的像素距离l_a单位：像素，再与像素尺寸当量k单位：毫米/像素相乘，将像素距离l_a转化为物理距离a单位：毫米；

a＝k·l_a

步骤三：转台2转动到180°位置，由三坐标测量机框架带动成像装置3对焦于标定块6的表面，然后沿着Y轴移动，使步骤二中标定块6的那一侧边缘相对应的边缘出现在成像装置3的视场中，采集该边缘在视场中的图像，并记录此时X、Y两个直线运动轴的光栅尺读数为(X₂,Y₂)，再通过图像处理提取出图像中标定块6的该边缘在图像坐标系中的像素坐标，并计算出标定块6的该边缘的像素坐标与图像中心的像素坐标之间的像素距离l_b单位：像素，再与像素尺寸当量k单位：毫米/像素相乘，将像素距离l_b转化为物理距离b单位：毫米；

b＝k·l_b

步骤四：通过L、H、(X₁,Y₁)、(X₂,Y₂)、a和b计算出转台2的回转中心O_R在视觉坐标测量系统的机器坐标系O-XYZ中的X₀坐标和Y₀坐标；

步骤五：由三坐标测量机框架带动成像装置3沿着Z轴向上移动，直到标定块6的上边缘出现在成像装置3的视场中，采集标定块6的上边缘在视场中的图像，并记录此时Z直线运动轴的光栅尺读数为Z₃，再通过图像处理提取出图像中标定块6的上边缘在图像坐标系中的像素坐标，并计算出标定块6的上边缘的像素坐标与图像中心的像素坐标之间的像素距离l_h单位：像素，再与像素尺寸当量k单位：毫米/像素相乘，将像素距离l_h转化为物理距离h单位：毫米；

h＝k·l_h

步骤六：通过H、Z₃和h计算出转台2的回转中心O_R在视觉坐标测量系统的机器坐标系O-XYZ中的Z₀坐标；

Z₀＝Z₃-h-H

通过以上步骤，即可确定伺服电机的回转中心O_R在视觉坐标测量系统的机器坐标系O-XYZ中的三维空间坐标(X₀,Y₀,Z₀)。本发明原理简单、使用方便，解决了回转体零件的多轴视觉坐标测量中的关键问题，具有很强的可实施性和应用价值。

Claims (3)

1.一种转台回转中心的空间坐标确定方法，该方法所基于的视觉坐标测量系统包括工作台(1)、转台(2)、成像装置(3)、姿态调整机构(4)和三维移动桥架(5)。该视觉坐标测量系统具有四个运动轴，分别为三个直线运动轴X、Y和Z以及一个回转运动轴A，并且X、Y和Z三个直线运动轴集成在一起，而回转运动轴A单独布置。所述视觉坐标测量系统的X、Y和Z三个直线运动轴的运动由三维移动桥架(5)实现，而回转运动轴A的运动由转台(2)实现。

三维移动桥架(5)安装在工作台(1)上，X轴和Y轴的运动方向位于水平面内，而Z轴的运动方向位于竖直方向，并且符合右手定则；各个直线运动轴均配备有气浮导轨和光栅尺，以确保各个直线运动轴的运动平稳性和位移精度。

姿态调整机构(4)安装在三维移动桥架(5)的Z轴的移动末端上，并将成像装置(3)固定在姿态调整机构(4)上，并且通过调节姿态调整机构(4)使成像装置(3)的成像光轴方向与三维移动桥架(5)的X轴方向平行。

转台(2)的底座固定在工作台(1)上，并使转台(2)位于三维移动桥架(5)的Y轴行程的中间位置；转台(2)内置圆光栅尺，以实现各个转角位置的精确测量和反馈。

所述视觉坐标测量系统的机器坐标系O-XYZ为空间直角坐标系，其X、Y和Z坐标轴的方向分别与该系统的三个直线运动轴的方向相同，而原点O则位于视觉坐标测量系统的各个直线运动轴的回零位置；通过机械调整，使转台(2)的回转轴线(7)与视觉坐标测量系统的Z轴方向平行，即其在O-XYZ中的单位方向向量为(0,0,1)。

一种转台回转中心的空间坐标确定方法，其特征在于，该方法的步骤如下：

步骤一、转台(2)转动到0°位置，将由硬质合金钢制成的长方体标定块(6)放置在转台(2)的台面上，并对标定块(6)的位置进行机械调整，使标定块(6)的厚度L所在的方向与机器坐标系O-XYZ的X坐标轴方向平行，高度H所在的方向与机器坐标系O-XYZ的Z坐标轴方向平行，调整好标定块(6)的位置后将标定块(6)固定；

步骤二：由三维移动桥架(5)带动成像装置(3)对焦于标定块(6)的表面，然后沿着Y轴移动，使标定块(6)的一侧边缘出现在成像装置(3)的视场中，采集该边缘在视场中的图像，并记录此时X、Y两个直线运动轴的光栅尺读数为(X₁,Y₁)，再通过图像处理提取出图像中标定块(6)的该边缘在图像坐标系中的像素坐标，并计算出标定块(6)的该边缘的像素坐标与图像中心的像素坐标之间的像素距离l_a(单位：像素)，再与像素尺寸当量k(单位：毫米/像素)相乘，将像素距离l_a转化为物理距离a(单位：毫米)；

a＝k·l_a

步骤三：转台(2)转动到180°位置，由三维移动桥架(5)带动成像装置(3)对焦于标定块(6)的表面，然后沿着Y轴移动，使与步骤二中标定块(6)的那一侧边缘相对应的边缘出现在成像装置(3)的视场中，采集该边缘在视场中的图像，并记录此时X、Y两个直线运动轴的光栅尺读数为(X₂,Y₂)，再通过图像处理提取出图像中标定块(6)的该边缘在图像坐标系中的像素坐标，并计算出标定块(6)的该边缘的像素坐标与图像中心的像素坐标之间的像素距离l_b(单位：像素)，再与像素尺寸当量k(单位：毫米/像素)相乘，将像素距离l_b转化为物理距离b(单位：毫米)；

b＝k·l_b

步骤四：通过L、H、(X₁,Y₁)、(X₂,Y₂)、a和b计算出转台(2)的回转中心O_R在视觉坐标测量系统的机器坐标系O-XYZ中的X₀坐标和Y₀坐标；

步骤五：由三维移动桥架(5)带动成像装置(3)沿着Z轴向上移动，直到标定块(6)的上边缘出现在成像装置(3)的视场中，采集标定块(6)的上边缘在视场中的图像，并记录此时Z直线运动轴的光栅尺读数为Z₃，再通过图像处理提取出图像中标定块(6)的上边缘在图像坐标系中的像素坐标，并计算出标定块(6)的上边缘的像素坐标与图像中心的像素坐标之间的像素距离l_h(单位：像素)，再与像素尺寸当量k(单位：毫米/像素)相乘，将像素距离l_h转化为物理距离h(单位：毫米)；

h＝k·l_h

步骤六：通过H、Z₃和h计算出转台(2)的回转中心O_R在视觉坐标测量系统的机器坐标系O-XYZ中的Z₀坐标；

Z₀＝Z₃-h-H。

2.根据权利要求1所述的一种转台回转中心的空间坐标确定方法，其特征在于：所述标定块(6)的各条棱边均为锋利直边，没有倒角，也未被倒钝；标定块(6)的厚度L和高度H的值均为已知，精度达到微米级以上。

3.根据权利要求1所述的一种转台回转中心的空间坐标确定方法，其特征在于：姿态调整机构(4)由两个一维俯仰台(10)和一个一维旋转台(11)装配而成，可以对绕X、Y和Z坐标轴的三个转动自由度进行调整；一维俯仰台(10)能够进行-15°～+15°范围内的角度位置调节，并且能够实现锁紧，两个一维俯仰台(10)分别用于调整绕X坐标轴和绕Y坐标轴的转动自由度；一维旋转台(11)能够进行0°～360°范围内的角度位置调节，并且能够实现锁紧，用于调整绕Z坐标轴的转动自由度。