CN110514127B - 一种基于截面线法的光束方向自动标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种基于截面线法的光束方向自动标定方法属于检测技术领域，涉及一种基于截面线法的光束方向自动标定方法。该方法先将光谱共焦位移传感器夹持固定在带T形槽的回转工作台上，再将用于校准的标准球装夹在机床主轴上。通过横向与纵向扫描标准球，调整光谱共焦位移传感器相对机床主轴的位置，完成传感器的对中。根据测量时采集的机床坐标和传感器读数值差值建立关于传感器光束矢量方向的方程，利用最小二乘法拟合得到两辅助球心坐标，两球心坐标的空间连线矢量方向即为测量光束矢量方向，完成光谱共焦位移传感器测量光束方向的标定。该方法中，传感器可在一次装夹下完成光束方向标定，标定快速高效，操作方便且标定精确度高。

Description

一种基于截面线法的光束方向自动标定方法

技术领域

本发明属于检测技术领域，涉及一种基于截面线法的光束方向自动标定方法。

背景技术

光谱共焦位移测量是一种高精度和高稳定性的非接触测量方法，具有更高的分辨力，且对被测目标适应性强。测量过程中由于机械装置的制造、安装误差及传感器本体误差等影响因素，使得测量光束的空间角度难以判断，进而影响测量精度。实际应用中，技术人员往往只进行安装位姿的简单调整或依靠机械结构来保证，可靠性与精度较差。

传统的机械调节方式难以做到精确调节使得传感器的测量光束方向与测量表面绝对垂直，即此时传感器的测量结果已经不能代表测量基准点与测量表面之间的距离，存在测量倾角误差，而且由于测量光束的不可见性、功率极低、超高分辨率等特性，缺乏有效手段对其空间矢量方向进行标定，严重影响测量精度与测量轨迹规划，尤其在复杂曲面的精密测量中无法满足测量要求。因此，测量光束空间矢量标定工作显得尤为重要。

2006年，天津大学房佳威等在《电子测量技术》发表的论文《非接触激光测头测量轴线标定系统》中提出利用位置敏感探测器和特别设计的夹具机构，手动调整激光测头光束轴线使轴线通过测头回转体的回转中心的方法，但标定精度较低。2010年，浙江大学卢科青等在《光学精密工程》发表的论文《点激光测头激光束方向标定》中介绍了用平面方向可调的标定块进行测头姿态的标定，再使用标准球进行测头安装位置标定的标定方法，标定过程繁琐且整体精度不高。2014年，中航工业北京航空精密机械研究所刘勇等在《测控技术》发表的论文《光学测头光束方向多种标定方法的研究与比较》中比较了几种标定算法，其中提到的球七点等值标定法利用标准球与采集到的标准球上的七个测点数据建立方程求解光学测头光束的矢量方向，然而该方法操作过程复杂，难以获得较好的测点数据值，标定效率低且精度较差。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是克服上述方法的不足，针对利用光谱共焦位移传感器测量零件面型轮廓特征时光束方向难以精确判断的难题，发明了一种基于截面线法的光束方向自动标定方法。该方法中，利用光谱共焦位移传感器，对标准球的三组截面线分别采用两个恒定读数进行扫描测量，根据测量时采集的机床坐标和传感器读数值差值建立关于传感器光束矢量方向的方程，通过求解方程完成测量光束空间角度的标定。基于最小二乘法对采集到的机床坐标值进行拟合计算得到辅助球心坐标与半径，实现测量任意截面线时坐标值的误差补偿。传感器可在一次装夹下完成光束方向标定实验，标定过程的快速高效，实用价值高，方便易操作。可实现对传感器任意安装姿态下的测量光束方向的自动标定检测，在保证测量精度的前提下有效提升了测量效率。

本发明所采用的技术方案是一种基于截面线法的光束方向自动标定方法，其特征是，该标定方法先将光谱共焦位移传感器夹持固定在带T形槽的回转工作台上，再将用于校准的标准球装夹在机床主轴上，并保证标准球的轴线与主轴轴线重合；其次，通过横向与纵向扫描标准球，调整光谱共焦位移传感器相对机床主轴的位置，完成传感器的对中；然后，机床工作台带动光谱共焦位移传感器对标准球的三组截面线进行扫描测量，并同时采集传感器读数值与对应的机床坐标值；接着，利用传感器读数值与机床坐标值建立关于光束方向的方程；最后，利用最小二乘法拟合得到两辅助球心坐标，两球心坐标的空间连线矢量方向即为测量光束矢量方向，完成光谱共焦位移传感器测量光束方向的标定。方法的具体步骤如下：

第一步 传感器与标准球安装

将光谱共焦位移传感器探头8装夹在传感器安装模块9上，安装模块9固定在连接板12中间，连接板12通过压紧螺栓10和定位销11与固定板13连接，固定板13安装在四轴精密手动位移台14的工作台面上，然后将四轴精密手动位移台14固定在支撑座16上，最后将支撑座16通过T型螺母直接装夹固定在机床工作台4上，完成位移传感器的安装。

将标准球7利用螺纹拧紧固定于标准球夹具6，然后将其装夹在机床主轴5上并完成对中处理，保证标准球7连杆中心线过主轴回转轴线，完成标准球的装夹与对中。

第二步 传感器对中处理

对中过程中，手动操作机床工作台4带动光谱共焦位移传感器探头8接近标准球7，使标准球7处于传感器量程范围内，并通过目测使传感器轴线与标准球7回转轴线同轴；然后，控制机床沿X轴正反向往复运动，同时采集记录此过程中的传感器读数值及对应的机床坐标值；机床停止后，寻找传感器最小读数值处对应的X坐标记为x₀，移动机床运动轴带动光谱共焦位移传感器探头8运动至x₀位置，完成X方向的对中处理。

在进行Y方向对中时，通过调节四轴精密手动位移台14的Y轴旋钮带动光谱共焦位移传感器探头8沿Y方向进行扫描测量，观察传感器读数并得到Y方向传感器位移读数值最小处，在最小读数值对应的机床Y向位置处锁紧四轴精密手动位移台14，完成Y方向的对中处理。

第三步 截面线测量

移动机床X轴、Z轴调整传感器与标准球的位置，使标准球处于光谱共焦位移传感器探头8的量程范围内，且传感器读数值为d₁(d₁取值在量程范围内且尽量小)；然后，保持传感器读数值d₁不变，机床C轴以速度n进行回转运动，此时传感器光斑在标准球表面形成的轨迹记为第1截面线Ⅰ；对第1截面线Ⅰ进行扫描测量，传感器以采样频率f₀采集传感器读数值与对应机床坐标值，得到第1截面线Ⅰ的全部测点{I₁，I₂，I₃…I_a}；最后，再次调整机床与传感器的相对位置，并使得传感器读数值仍为d₁，保持传感器读数值d₁不变；机床C轴回转运动时，传感器光斑在标准球表面形成的轨迹记为第2截面线Ⅱ；采样方法按上述所示得到第2截面线Ⅱ对应的测点{I_a+1，I_a+2，I_a+3…I_b}，采样频率f₀按照下式计算，

其中，n为机床转速，r_m为所测第m条截面线圆的半径，r₀为标准球半径。

移动机床X轴、Z轴调整传感器与标准球的相对位置，对标准球上另外一组截面线进行标定测量，测量过程中调整传感器读数值d₂(d₂取值在量程范围内且尽量大)并保持恒定不变，测量过程中传感器光斑形成的轨迹记为第3截面线Ⅲ，按照上述采样方法得到第3截面线Ⅲ对应的测点{I_b+1，I_b+2，I_b+3…I_c}。

第四步 求解光束方向矢量

基于标定测量过程中获得的标准球不同位置的测量数据点(x_n,z_n,c_n)，n＝1,2,…,a,a+1,a+2,...b,b+1,b+2,...c，将柱坐标系(x,z,c)变换为笛卡尔坐标系(u,v,z)下，变换公式如下，

其中，u_n,v_n为第n个测点转换后的笛卡尔坐标，c_n为第n个测点在柱坐标系下对应的C轴转角。

建立辅助球面1、辅助球面2的方程，两者半径相同，球心坐标不同；求解其对应的球心坐标与半径。

利用第一组截面线中第1截面线Ⅰ、第2截面线Ⅱ的全部测点{I₁，I₂，I₃…I_a}、{I_a+1，I_a+2，I_a+3…I_b}建立辅助球面1方程为：

(u_i-u₀)²+(v_i-v₀)²+(z_i-z₀)²＝R²，i＝1,2,...a,a+1,a+2,...b (3)

其中，O(u₀,v₀,z₀)为辅助球面1的球心坐标，R为辅助球面1半径。

采用最小二乘法建立辅助球面1的误差函数方程，

令辅助球面1误差F₁最小，则u₀,v₀,z₀,R应满足，

由方程组(5)可解得辅助球面1的球心坐标O(u₀,v₀,z₀)，辅助球面1半径R的值，代入式(3)即可得拟合的辅助球面1数学表达式。

利用上述方程(5)求解得到的辅助球面1半径R值及第3截面线Ⅲ的测点{I_b+1，I_b+2，I_b+3…I_c}构建辅助球面2的方程为，

其中，L-测量光束线，α,β,γ分别为测量光束线L与空间X轴、Y轴、Z轴的夹角，d为传感器读数值差值。

采用最小二乘法建立辅助球面2的误差函数方程，

令辅助球面2误差F₂最小，则α,β,γ应满足，

由方程组(8)解得α,β,γ的值，即光束方向矢量。

本发明的有益效果是：利用光谱共焦位移传感器测量光束方向的标定方法，可实现对传感器任意安装姿态下的测量光束方向的自动标定检测。传感器可在一次装夹下完成光束方向标定实验，标定过程的快速高效，实用价值高，操作方便且标定精确度高。可实现对传感器任意安装姿态下的测量光束方向的自动标定检测，提高了测量精度与测量效率，实现了对复杂面型轮廓特征的高精度测量。

附图说明

附图1-标定方法采用的标定实验装置安装示意图，其中：1-机床本体，2-机床X轴滑台，3-机床Z轴滑台，4-机床旋转工作台，5-机床主轴，6-标准球夹具，7-标准球，8-光谱共焦位移传感器探头，9-传感器安装模块，10-压紧螺栓，11-定位销，12-连接板，13-固定板，14-四轴精密手动位移台，15-连接螺钉，16-支撑座。

附图2-标准球标定测量测点、测量截面线分布示意图，其中，L-测量光束线，α、β、γ-分别为测量光束线L与空间X轴、Y轴、Z轴的夹角，I、II、III-分别为第1、2、3截面线。

附图3-测量标定方法的流程图。

具体实施方式

结合附图和技术方案详细说明本发明的实施方式，说明光谱共焦位移传感器的光束方向标定过程。

根据测量要求及传感器量程确定标准球直径，选择SR30的标准球7，实际直径为29.97038mm，圆度为0.084μm；光谱共焦位移传感器8的量程范围为0～1mm，量程起点约为10mm，位移测量精度0.25μm；四轴精密手动位移台14水平方向的位移分别为13mm/6mm，位移分辨率0.5μm，俯仰与偏摆的调节角度为±5°，角度分辨率1arc sec。

附图3是测量标定方法的流程图，标定方法的具体步骤如下：

第一步，将光谱共焦位移传感器安装固定在机床工作台上并完成标准球的对中。通过螺钉将光谱共焦位移传感器探头8与传感器安装模块9完成安装固定，然后将其安装固定在连接板12上并通过压紧螺栓10和定位销11与固定板13连接，装配完成后整体安装在四轴精密手动位移台14的工作台面上并固定在支撑座16，最后将支撑座16通过T型螺母直接装夹固定在机床工作台4上，完成位移传感器的安装，如图1所示。最后，完成标准球的装夹与对中处理。标准球7安装固定在标准球夹具6上并装夹在机床主轴5上并完成对中处理，保证标准球7连杆中心线过主轴回转轴线，完成标准球的装夹与对中。

第二步，对光谱共焦位移传感器进行对中处理。手轮调整机床X、Z轴位置接近标准球7球面的中心点，并使得标准球处于传感器量程范围内，然后控制机床X轴沿X正反向以速度v₀＝0.5mm/s进行扫描测量，同时位移传感器以采样频率f＝500Hz测量标准球某一截面线并采集此过程中的传感器读数值及对应的机床坐标值，得到最小读数值对应的X坐标记为x₀，实验中得到x₀＝0.054mm，移动机床X轴至x₀＝0.054mm处完成X方向对中；调整四轴精密手动位移台14的Y轴旋钮带动位移传感器进行Y方向测量，得到位移读数值最小的Y的位置并在此位置锁紧手动位移台，完成Y方向对中。

第三步，对标准球截面线进行标定测量。在位移传感器对中完成之后，将主轴设为伺服轴模式即C轴并进行回零操作，移动机床X轴、Z轴调整位移传感器与标准球的位置，使标准球截面线处于光谱共焦位移传感器量程范围，且此时传感器读数值为d₁，取d₁值为0.1mm，主轴回转时传感器光斑形成的轨迹定位为第1截面线Ⅰ；然后进行第1截面线Ⅰ的标定测量实验，保持传感器读数值d₁＝0.1mm不变，机床C轴以速度n＝2r/min进行回转运动，传感器以采样频率f₀采集得到测点的读数值与对应的机床坐标值，依据方程(1)设置采样频率f₀＝500Hz，得到第1截面线Ⅰ处测点{I₁，I₂，I₃…I_a}；再次调整机床与传感器的相对位置并使得传感器读数值仍为d₁＝0.1mm，回转时光斑形成的轨迹定义为第2截面线Ⅱ，位置如附图2所示，按照上述方法对第2截面线Ⅱ进行标定测量，得到第2截面线Ⅱ对应的测点{I_a+1，I_a+2，I_a+3…I_b}；最后调整机床与传感器的相对位置，使得传感器读数值为d₂＝0.8mm，光斑轨迹定义为第3截面线Ⅲ；保持传感器读数值为d₂＝0.8mm不变，按照同样的测点采集方法得到第3截面线Ⅲ对应的测点{I_b+1，I_b+2，I_b+3…I_c}。

第四步，建立辅助球面并求解光束矢量方向。

基于测量标准球不同位置的过程中获得的坐标值(x_n,z_n,c_n)，n＝1,2,…,a,a+1,a+2,...b,b+1,b+2,...c共c组，带入方程(5)、(8)建立辅助球面1、辅助球面2，求解两辅助球面球心坐标、半径，球心坐标连线即为测量光束矢量方向。通过实验可求得测量光束线L与空间X轴、Y轴、Z轴的夹角α＝88.51°,β＝89.24°,γ＝0.81°，实现了测量光束矢量方向的标定。

本发明实现了光谱共焦位移传感器测量光束方向的标定，能够满足传感器在任意安装姿态测量光束矢量方向的输出标定，分析获得由于传感器测量光束矢量方向变化引起的误差变化规律，提高了具有复杂面型轮廓特征零件的测量精度，标定过程准确性高，实用性强。

Claims (1)

1.一种基于截面线法的光束方向自动标定方法，其特征是，标定方法中，先将光谱共焦位移传感器夹持固定在带T形槽的回转工作台上，再将用于校准的标准球装夹在机床主轴上，并保证标准球的轴线与主轴轴线重合；其次，通过横向与纵向扫描标准球，调整光谱共焦位移传感器相对机床主轴的位置，完成传感器的对中；然后，机床工作台带动光谱共焦位移传感器对标准球的三组截面线进行扫描测量，并同时采集传感器读数值与对应的机床坐标值；接着，利用传感器读数值与机床坐标值建立关于光束方向的方程；最后，利用最小二乘法拟合得到两辅助球心坐标，两球心坐标的空间连线矢量方向即为测量光束矢量方向，完成光谱共焦位移传感器测量光束方向的标定；

方法的具体步骤如下：

第一步传感器与标准球安装

将光谱共焦位移传感器探头(8)装夹在传感器安装模块(9)上，安装模块(9)固定在连接板(12)中间，连接板(12)通过压紧螺栓(10)和定位销(11)与固定板(13)连接，固定板(13)安装在四轴精密手动位移台(14)的工作台面上，然后将四轴精密手动位移台(14)固定在支撑座(16)上，最后将支撑座(16)通过T型螺母直接装夹固定在机床工作台(4)上，完成位移传感器的安装；

将标准球(7)利用螺纹拧紧固定于标准球夹具(6)，然后将其装夹在机床主轴(5)上并完成对中处理，保证标准球(7)连杆中心线过主轴回转轴线，完成标准球的装夹与对中；

第二步传感器对中处理

对中过程中，手动操作机床工作台(4)带动光谱共焦位移传感器探头(8)接近标准球(7)，使标准球(7)处于传感器量程范围内，并通过目测使传感器轴线与标准球(7)回转轴线同轴；然后，控制机床沿X轴正反向往复运动，同时采集记录此过程中的传感器读数值及对应的机床坐标值；机床停止后，寻找传感器最小读数值处对应的X坐标记为x₀，移动机床运动轴带动光谱共焦位移传感器探头(8)运动至x₀位置，完成X方向的对中处理；

在进行Y方向对中时，通过调节四轴精密手动位移台(14)的Y轴旋钮带动光谱共焦位移传感器探头(8)沿Y方向进行扫描测量，观察传感器读数并得到Y方向传感器位移读数值最小处，在最小读数值对应的机床Y向位置处锁紧四轴精密手动位移台(14)，完成Y方向的对中处理；

第三步截面线测量

移动机床X轴、Z轴调整传感器与标准球的位置，使标准球处于光谱共焦位移传感器探头(8)的量程范围内且传感器读数值为d₁，d₁取值在量程范围内且尽量小；然后，保持传感器读数值d₁不变，机床C轴以速度n进行回转运动，此时传感器光斑在标准球表面形成的轨迹记为第1截面线Ⅰ；对第1截面线Ⅰ进行扫描测量，传感器以采样频率f₀采集传感器读数值与对应机床坐标值，得到第1截面线Ⅰ的全部测点{I₁，I₂，I₃…I_a}；最后，再次调整机床与传感器的相对位置并使得传感器读数值仍为d₁，保持传感器读数值d₁不变，机床C轴回转运动时传感器光斑在标准球表面形成的轨迹记为第2截面线Ⅱ；采样方法按上述所示得到第2截面线Ⅱ对应的测点{I_a+1，I_a+2，I_a+3…I_b}，采样频率f₀按照下式计算，

其中，n为机床转速，r_m为所测第m条截面线圆的半径，r₀为标准球半径；

移动机床X轴、Z轴调整传感器与标准球的相对位置，对标准球上另外一组截面线进行标定测量，测量过程中调整传感器读数值d₂，d₂取值在量程范围内且尽量大，并保持恒定不变；测量过程中传感器光斑形成的轨迹记为第3截面线Ⅲ，按照上述采样方法得到第3截面线Ⅲ对应的测点{I_b+1，I_b+2，I_b+3…I_c}；

第四步求解光束方向矢量

基于标定测量过程中获得的标准球不同位置的测量数据点(x_n,z_n,c_n)，n＝1,2,…,a,a+1,a+2,...b,b+1,b+2,...c，将柱坐标系(x,z,c)变换为笛卡尔坐标系(u,v,z)下，变换公式如下：

其中，u_n,v_n为第n个测点转换后的笛卡尔坐标，c_n为第n个测点在柱坐标系下对应的C轴转角；

建立辅助球面1、辅助球面2的方程，两者半径相同，球心坐标不同；求解其对应的球心坐标与半径；

利用第一组截面线中第1截面线Ⅰ、第2截面线Ⅱ的全部测点{I₁，I₂，I₃…I_a}、{I_a+1，I_a+2，I_a+3…I_b}建立辅助球面1方程为：

(u_i-u₀)²+(v_i-v₀)²+(z_i-z₀)²＝R²，i＝1,2,...a,a+1,a+2,...b (3)

其中，O(u₀,v₀,z₀)为辅助球面1的球心坐标，R为辅助球面1半径；

采用最小二乘法建立辅助球面1的误差函数方程，

令辅助球面1误差F₁最小，则u₀,v₀,z₀,R应满足，

由方程组(5)解得辅助球面1的球心坐标O(u₀,v₀,z₀)，辅助球面1半径R的值，代入式(3)得到拟合的辅助球面1数学表达式；

利用上述方程(5)求解得到的辅助球面1半径R值及第3截面线Ⅲ的测点{I_b+1，I_b+2，I_b+3…I_c}构建辅助球面2的方程为：

其中，L-测量光束线，α,β,γ-分别为测量光束线L与空间X轴、Y轴、Z轴的夹角，d-传感器读数值差值；

采用最小二乘法建立辅助球面2的误差函数方程：

令辅助球面2误差F₂最小，则α,β,γ应满足：

由方程组(8)解得α,β,γ的值，即光束方向矢量。

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