CN110500978A - 点激光传感器的光束方向矢量和零点位置在线标定方法 - Google Patents

Abstract

一种点激光传感器的光束方向矢量和零点位置在线标定方法，通过在五轴三坐标测量机的Z轴安装点激光传感器，根据三坐标测量机机床结构设置点激光传感器测量路径，保证测量光点始终落在标定平面上，并进行移动和数据采集；然后通过五轴三坐标测量机空间运动变换矩阵将测量坐标系下的激光发射点坐标、光束矢量和被测点坐标转换至工件坐标系；最后建立线性超静定方程组，并利用最小二乘法进行方程组计算得到标定结果。

Description

点激光传感器的光束方向矢量和零点位置在线标定方法

技术领域

本发明涉及的是一种测量领域的技术，具体是一种点激光传感器的光束方向矢量和零点位置在线标定方法。

背景技术

现有的非接触式三坐标测量机的测量原理主要为将三坐标测量机坐标数值(x,y,z)中的z减去点激光传感器测量数据，即三坐标测量机与被测工件之间竖直距离L，来达到获取工件表面被测点坐标(x,y,z-L)的目的。在实际测量过程中，由于缺乏安装基准，存在安装误差，点激光传感器的激光光束与竖直方向之间存在角度偏差，光束零点位置与三坐标测量机的坐标零点间存在固有偏差被测点坐标(x_ct,y_ct,z_ct)与三坐标测量机坐标(x,y,z)之间的关系，如图1所示，包括：

为保证测量精度，非接触式三坐标测量机在进行测量之前，需要确定点激光传感器光束方向矢量、零点位置与三坐标测量机之间的关系，即需要确定点激光传感器发射的光束与三坐标测量机的X、Y、Z轴之间的夹角α、β、γ以及光束零点在三坐标测量机中的相对位置由此，才能够将激光传感器的测量值与三坐标测量机的数据进行融合处理，从而得到被测工件表面形貌的三维点云数据。

现有的标定方法包括采用特制的具有已知角度的平面标定块，利用点激光传感器的光束与平面法向量之间的夹角作为已知几何关系，求解光束方向矢量；但这种方法只能求解点激光传感器的光束矢量，对于光束的零点位置无法进行求解，且对于平面标定块的制作精度要求较高。另一类，是采用标定球作为测量基准，通过拟合球心位置以及球半径的方式，以此确定激光光束的方向矢量和零点位置，但是该方法构建方程组为超静定非线性方程组，需要利用初值进行求解，在实际的工程应用中可操作性较差。

发明内容

针对现有标定技术中存在的上述问题，本发明提出一种点激光传感器的光束方向矢量和零点位置在线标定方法，利用三坐标测量机中EROWA夹具标准侧平面(即标定平面)和机床实际运动结构，推导机床坐标系以及测量坐标系之间的坐标变换矩阵，结合光点坐标在标定平面上的几何约束，构建超静定线性方程组。利用最小二乘法，无需依赖初值即可确定光束方向矢量和零点位置实现精确标定。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明提出一种点激光传感器的光束方向矢量和零点位置在线标定方法，通过在五轴三坐标测量机的Z轴安装点激光传感器，根据三坐标测量机机床结构设置点激光传感器测量路径并进行移动和数据采集；然后通过五轴三坐标测量机空间运动变换矩阵将测量坐标系下的激光发射点坐标、光束矢量和被测点坐标转换至工件坐标系；最后建立线性超静定方程组，并利用最小二乘法进行方程组计算得到标定结果。

优选地，通过杠杆表等仪器调整点激光传感器位姿尽可能保证光束与水平面垂直，其采用但不限于通过打表找正标定点激光传感器平面位置，确保其与三坐标测量机X轴垂直。

所述的测量路径同时满足：整个测量过程中①点激光传感器的投射光点始终落在标定平面上；②点激光传感器进行测量的时刻，所对应的全部投射光点，在标定平面上呈网格状分布；③点激光传感器进行测量的时刻，所处的位姿各不相同，此要求是为了避免后期求解时，由于系数矩阵非满秩而出现无解或者多解的情况；④点激光传感器到待测表面之间的距离始终处于点激光传感器测量量程之内；⑤点激光传感器光束方向矢量与待侧平面法向量之间夹角不超过3°，以保证点激光传感器测量数值的准确性。

所述的测量路径优选为：从标定平面左上角开始，移动三坐标测量机各运动轴使得激光传感器光点在标定平面上按照弓字形移动测量，相邻测量点之间相距2mm。为避免机床运动轴振动带来的误差，点激光传感器测量传感器与工件表明距离前，需要静止等待1秒钟。

所述的数据采集是指：机床带动点激光传感器沿步骤二中设定的测量路径进行移动并记录点激光传感器测量时刻对应的三坐标测量机坐标数值(x_i,y_i,z_i)和测量距离l_i。

所述的五轴三坐标测量机空间运动变换矩阵是指：以工件原点、机床原点、激光器原点、刀尖点四点为坐标系原点建立工件坐标系(x_w,y_w,z_w)、机床坐标系(x_t,y_t,z_t)、测量坐标系(x_m,y_m,z_m)和工具坐标系(x_g,y_g,z_g)。

所述的坐标转换是指：通过光点坐标由工具坐标系转换到机床坐标系时的平移变换矩阵将测量坐标系下的激光发射点坐标(x_lm,y_lm,z_lm)，即光点坐标以及光束矢量，转换到工件坐标系下的坐标(x_lw,y_lw,z_lw)，其中：平移变换矩阵x、y、z为机床坐标系下三坐标测量机刀尖点坐标值。

所述的光点坐标由机床坐标系转换到工件坐标系时B轴的旋转变换矩阵为：

其中：θ为B轴以右手螺旋定则确定正方向的旋转角度；

光点坐标由机床坐标系转换到工件坐标系时C轴的旋转变换矩阵为：

其中：为C轴以右手螺旋定则确定正方向的旋转角度。

所述的坐标转换，得到的五轴三坐标测量机中光点在工件坐标系下的坐标

所述的坐标转换，得到在工件坐标系下的光束矢量N_gO_g＝N_g-O_g，其中：光束的起点终点通过G_wtc*G_wtb*G_tg，将工具坐标系下的光束起点O_g和终点N_g，转换到工件坐标系下的光束起点O_w和终点N_w，则工件坐标系下的光束矢量N_wO_w＝N_w-O_w，其中：N_w＝G_wtc*G_wtb*G_tg*N_g；N_w展开为：

，O_w＝G_wtc*G_wtb*G_tg*O_g；O_w展开为：

所述的坐标转换，得到的被测点坐标在工件坐标系下的坐标(x_cw,y_cw,z_cw)，具体为： 其中：为工件坐标系下的光束矢量N_wO_w。

所述的标定结果包括：α、β、γ以及共计6个标定参数。

所述的最小二乘法进行方程组计算，即计算其中：t代表标定平面位置参数。通过最小二乘法求解的结果，6个参数为一个整体，需要作为一套整体进行使用。

本发明涉及一种实现上述方法的系统，包括：测量轨迹自适应规划模块、防碰撞安全预警模块、数据采集模块、数据计算处理模块以及数控系统模块，其中：测量轨迹自适应规划模块与数控系统模块相连并传输测量轨迹信息，防碰撞安全预警模块与数据采集模块、数控系统模块相连并实时传输测量数据信息，并依此进行碰撞安全预警，数据计算处理模块与数据采集模块相连，从数据采集模块提取测量点坐标数据及测量距离，并计算点激光传感器光束矢量与零点位置，以达到在线标定的目的。

技术效果

与传统的传感器标定方法相比，本发明所提出的一种点激光传感器的光束方向矢量和零点位置在线标定方法，能够取得以下有益效果：(1)可操作性高，无需依赖额外部件即可实现标定。通过利用三坐标测量机自身EROWA夹具侧面作为标定平面，无需额外定制标定块，降低标定过程对外界条件的依赖程度，避免由于标定块制造精度而引入的系统外偏差，标定过程简单，易于操作。

(2)计算求解难度低，工业实用性强。基于空间几何变换与空间机构运动学，构建超静定线性方程组，求解激光传感器光束矢量和零点位置，降低求解难度，避免由于非线性方程组的引入而导致的大量计算和不稳定问题，提高标定过程的实际可操作性。

附图说明

图1为被测点坐标(x_ct,y_ct,z_ct)与三坐标测量机坐标(x,y,z)之间的关系示意图；

图2为本发明标定过程流程图；

图3为五轴三坐标测量机机床结构示意图；

图4为工件坐标系(x_w,y_w,z_w)、机床坐标系(x_t,y_t,z_t)、测量坐标系(x_m,y_m,z_m)和工具坐标系(x_g,y_g,z_g)示意图；

图中：1点激光传感器、2标定平面、3工作台、4数控机床、5旋转轴B轴、6旋转轴C轴。

具体实施方式

如图2所示，本实施例提出的一种点激光传感器的光束方向矢量和零点位置在线标定实现装置，包括：安装于坐标测量机Z轴的点激光传感器1、位于EROWA夹具侧面的标定平面2,、工作台3、三坐标测量机数控机床4、旋转轴B轴5以及旋转轴C轴6。

本实施例通过以下步骤进行标定：

首先建立如图3所示的三坐标测量机中的各个坐标系：工件坐标系(x_w,y_w,z_w)、机床坐标系(x_t,y_t,z_t)、测量坐标系(x_m,y_m,z_m)和工具坐标系(x_g,y_g,z_g)，其中：

(1)机床坐标系(x_t,y_t,z_t)：坐标系的原点为机床回零时旋转轴B轴和C轴轴线的交点。X、Y、Z轴三轴的方向与机床的三个运动导轨的方向保持一致。机床坐标系为固定坐标系，不随机床运动而变化。

(2)工件坐标系(x_w,y_w,z_w)：坐标系的原点为旋转轴B轴和C轴轴线的交点。X、Y、Z轴三轴的方向与机床的三个运动导轨的方向保持一致。工件坐标系的原点随着机床运动而运动。当机床回零时，工件坐标系与机床坐标系重合。

(3)测量坐标系(x_m,y_m,z_m)：坐标系的原点为点激光传感器的光点。X、Y、Z轴三轴的方向与机床的三个运动导轨的方向保持一致。测量坐标系的原点随着机床运动而运动。

(4)工具坐标系(x_g,y_g,z_g)：坐标系的原点为三坐标测量机的刀尖点。X、Y、Z轴三轴的方向与机床的三个运动导轨的方向保持一致。工具坐标系的原点随着机床运动而运动。

步骤一、在一个五轴三坐标测量机的Z轴安装点激光传感器1，通过杠杆表等仪器调整点激光传感器位姿尽可能保证光束与水平面垂直；

步骤二、根据三坐标测量机机床结构，设置点激光传感器测量路径，测量路径要求如上文所示；

步骤三、根据测量路径生成机床运动G代码；

步骤四、数据采集：机床带动点激光传感器1沿步骤二中设定的测量路径进行移动和数据采集。记录点激光传感器测量时刻对应的三坐标测量机坐标数值(x_i,y_i,z_i)和测量距离l_i。

步骤五、依据五轴三坐标测量机空间机构，推导五轴三坐标测量机空间运动变换矩阵。

步骤六、数据处理：通过步骤五中建立的空间变换矩阵，结合工件坐标系、机床坐标系、测量坐标系和工具坐标系，将测量坐标系下的激光发射点坐标(x_lm,y_lm,z_lm)(以下简称光点)，转换到工件坐标系下(x_lw,y_lw,z_lw)。

步骤七、建立超静定线性方程组并计算标定结果：即计算激光传感器光束方向矢量与三坐标测量机X轴、Y轴、Z轴正方向之间夹角α、β、γ，以及光束零点位置与三坐标测量机的坐标零点间偏差

利用空间几何约束关系，即所有光点均位于标定平面上这一几何关系，光点坐标满足标定平面在工件坐标系下的平面方程。利用工件坐标系下光点坐标，建立线性超静定方程组，并利用最小二乘法进行方程组进行求解，得到α、β、γ以及共计6个标定参数。

经过具体实际实验，以五轴三坐标测量机为测量载体实施上述标定方法，可以准确标定得到点激光传感器光束矢量和零点位置，通过拟合标准球半径检验标定精度可得，上述标定方法可以实现±0.01mm的标定精度。与现有技术相比，本方法的性能指标提升在于：无需可操作性高，无需依赖额外部件即可实现标定，此外计算求解难度低，工业实用性强。

本发明中提出的点激光传感器的光束方向矢量和零点位置在线标定方法，最大的贡献在于提出并成功应用一种全新的标定原理，即采用五轴三坐标测量机特定侧平面作为标定平面，根据五轴三坐标测量机具体空间结构推导各坐标系间坐标变换方程，结合被测光点的几何约束建立线性超静定方程组，并利用最小二乘法进行求解。提高标定方法的实用性、降低标定计算求解难度。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (7)

1.一种点激光传感器的光束方向矢量和零点位置标定方法，其特征在于，通过在五轴三坐标测量机的Z轴安装点激光传感器，根据三坐标测量机机床结构设置点激光传感器测量路径并进行进行移动和数据采集；然后通过五轴三坐标测量机空间运动变换矩阵将测量坐标系下的激光发射点坐标、光束矢量和被测点坐标转换至工件坐标系；最后建立线性超静定方程组，并利用最小二乘法进行方程组计算得到标定结果。

2.根据权利要求1所述的标定方法，其特征是，通过杠杆表等仪器调整点激光传感器位姿尽可能保证光束与水平面垂直，其采用打表找正标定平面位置，确保其与三坐标测量机X轴垂直。

3.根据权利要求1所述的标定方法，其特征是，所述的测量路径同时满足：整个测量过程中①点激光传感器的投射光点始终落在标定平面上；②点激光传感器进行测量的时刻，所对应的全部投射光点，在标定平面上呈网格状分布；③点激光传感器进行测量的时刻，所处的位姿各不相同以避免无解或者多解的情况；④点激光传感器到待测表面之间的距离始终处于点激光传感器测量量程之内；⑤点激光传感器光束方向矢量与待侧平面法向量之间夹角不超过3°，以保证点激光传感器测量数值的准确性。

4.根据上述任一权利要求所述的标定方法，其特征是，所述的测量路径为：从标定平面左上角开始，移动三坐标测量机各运动轴使得激光传感器光点在标定平面上按照弓字形移动测量，相邻测量点之间相距2mm。

5.根据权利要求4所述的标定方法，其特征是，为避免机床运动轴振动带来的误差，点激光传感器测量传感器与工件表明距离，前需要静止等待1秒钟。

6.根据权利要求1所述的标定方法，其特征是，所述的数据采集是指：机床带动点激光传感器沿步骤二中设定的测量路径进行移动并记录点激光传感器测量时刻对应的三坐标测量机坐标数值(x_i,y_i,z_i)和测量距离l_i。

7.一种实现上述任一权利要求所述方法的系统，其特征在于，包括：测量轨迹自适应规划模块、防碰撞安全预警模块、数据采集模块、数据计算处理模块以及数控系统模块，其中：测量轨迹自适应规划模块与数控系统模块相连并传输测量轨迹信息，防碰撞安全预警模块与数据采集模块、数控系统模块相连并实时传输测量数据信息，并以此进行碰撞安全预警，数据计算处理模块与数据采集模块相连，从数据采集模块提取测量点坐标数据及测量距离，并计算点激光传感器光束矢量与零点位置，以达到在线标定的目的。