CN111060025B - 五轴机床原位安装线激光传感器的位姿标定方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种五轴机床原位安装线激光传感器的位姿标定方法及系统，包括：安装步骤：安装线激光传感器和标定块，并连接线激光通信系统；偏差值β补偿步骤：根据激光线方向的斜度计算偏差值β，并对偏差值β进行补偿；偏差值α补偿步骤：旋转A轴，计算偏差值α，并对偏差值α进行补偿；提取特征点步骤：平移机床Y轴对标定块的圆形特征进行扫描，提取圆边缘特征点；五轴补偿步骤：调整机床X、Y、Z、A、B五轴的零位来补偿位置偏差δx，δy，δz和姿态偏差α、β。本发明解决了原位安装线激光测量方法中激光器主轴安装初始位置和姿态偏差难以标定进而影响线激光原位测量精度的问题；解决了单次测量偶然误差对分析结果的影响过大的问题。

Description

五轴机床原位安装线激光传感器的位姿标定方法及系统

技术领域

本发明涉及测量技术领域，具体地，涉及一种五轴机床原位安装线激光传感器的位姿标定方法及系统。

背景技术

机床主轴原位安装激光器位姿标定系统中最关键的技术是激光器安装位姿的获取方法，目前主要有机械标定校准、试块整体标定和标定块标定三种方法。

机械标定校准主要利用百分表等机械测量方法配合机床运动推算激光器安装的位姿偏差，并通过旋转平移各轴反复测量直至位姿偏差消除的方法。该方法的优势在于理论成本低、操作直接，但由于需要大量人力操作，不仅效率低下，不利于激光原位测量整个系统的自动化和标准化，而且忽略了激光本身的测量作用和激光器外形与激光坐标系并非完全一致的误差，导致标定效果不佳。

试块整体标定方法主要利用已知形状外形的试块，通过原位安装的激光器对其进行测量，测量结果与理论模型匹配的偏差可以反推出激光器安装的位姿偏差。该方法的优势在于试块的设计难度较小，所需特征少，但由于需要一次扫描对比，各个偏差耦合度高，分析软件的设计和计算成本较大，解耦计算中产生的误差都导致了标定精度有待提高。

本发明提出一种通过线激光测量加工试块来标定原位安装在五轴机床主轴的线激光传感器后的位姿的方法。

申请号为CN201610420487.8的中国专利公开了一种用于线激光位置标定的标定板及线激光相机测量系统标定方法，其技术方案中使用线激光进行三维测量是使用结构光机器视觉的方法进行的，明显区别于本发明中利用激光几何光路测量激光到被测点位移配合机床位置进行三维原位测量的方法，其通过涉及视觉标定板进行坐标系转换的结算得到线激光坐标系与相机坐标系之间的偏置，效率较高但理论相对复杂，各个偏置值在计算中的耦合度高。

专利文献CN107726980A(申请号：201710871711.X)公开了一种基于四轴测量机的线激光位移传感器的标定方法，完成设备安装，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四轴测量机的通讯连接；建立坐标系，四轴测量机带动线激光位移传感器回到机床零点；使磨砂标准球到达线激光位移传感器的测量范围内，对磨砂标准球进行扫描；对扫描得到的标准球的点云数据进行均匀采样，使后续参数方程的求解结果变得稳定；构造磨砂标准球的球面方程，求解激光器出射向量。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种五轴机床原位安装线激光传感器的位姿标定方法及系统。

根据本发明提供的一种五轴机床原位安装线激光传感器的位姿标定方法，包括：

安装步骤：安装线激光传感器和标定块，并连接线激光通信系统；

偏差值β补偿步骤：根据激光线方向的斜度计算偏差值β，并对偏差值β进行补偿；

偏差值α补偿步骤：旋转A轴，计算偏差值α，并对偏差值α进行补偿；

提取特征点步骤：平移机床Y轴对标定块的圆形特征进行扫描，提取圆边缘特征点；

五轴补偿步骤：调整机床X、Y、Z、A、B五轴的零位来补偿位置偏差δx，δy，δz和姿态偏差α、β。

优选地，所述安装步骤包括：将线激光传感器安装至机床主轴，连接线激光通信系统，将标定块安装至机床工作台，调节标定块上平面与机床XOY平面平行。

优选地，所述偏差值β补偿步骤包括：调整B轴零位补偿偏差值β，β表示激光器初始姿态下与中心激光方向垂直的激光等距线与机床XOY平面的偏角，数值上等于中心激光方向与XOY平面偏角的余角。

优选地，所述偏差值α步骤包括：旋转A轴，得到不同

下的参数h值，计算公式为：

通过最小二乘法拟合出偏差值α，并通过调整A轴零位补偿偏差值α；

其中，h表示：线激光中心沿激光线方向到被测平面的直线距离，即线激光中心到平面的激光测距距离，由激光器读数获取，A轴旋转中为因变量；

l表示：机床A轴旋转中心到被测平面的直线距离；

n表示：机床A轴旋转中心到激光器激光发射原点的直线距离；

σ表示：A轴零位即激光器安装原始位姿状态下，激光线方向与XOZ平面的偏角；

表示：X轴正向视角，A轴顺时针旋转的旋转角度；

α表示：当前激光线方向与机床Z轴的夹角。

优选地，所述提取特征点步骤包括：根据圆边缘特征点，得到如下公式：

其中，x表示：线激光与圆槽边界的交点在工件坐标系坐标的X分量；

y表示：线激光与圆槽边界的交点在工件坐标系坐标的Y分量；

x₀、y₀表示：圆槽中心在激光坐标系的X、Y坐标；

x′、y′表示：线激光与圆槽边界的交点在激光坐标系的坐标，由机床位置与线激光读数计算得到；

r表示：标定块圆槽的半径，根据线激光测量范围设计尺寸，实际尺寸由三坐标测量机给出；

θ表示：线激光与圆槽边界的交点与圆心连线与X轴的偏角；

γ表示：当前激光线方向与机床X轴的夹角；

根据标定块的圆方程得到：

r²＝(x′-x₀)²+(y′-y₀)²+2(x′-x₀)(y′-y₀)sin(γ)

根据获得的特征点坐标(x’,y’)，使用最小二乘法拟合参数x₀,y₀,γ，标定块的圆孔中心理论位置由三坐标机测量给出为，其与x₀,y₀的差值即为δx，δy。

优选地，所述五轴补偿步骤包括：通过机床运动学变换，加入γ角度，并对姿态偏差γ进行补偿。

根据本发明提供的五轴机床原位安装线激光传感器的位姿标定系统，包括：

安装模块：将线激光传感器安装至机床主轴，连接线激光通信系统，将标定块安装至机床工作台，调节标定块上平面与机床XOY平面平行；

偏差值β补偿模块：根据激光线方向的斜度计算偏差值β，调整B轴零位补偿偏差值β，β表示激光器初始姿态下与中心激光方向垂直的激光等距线与机床XOY平面的偏角，数值上等于中心激光方向与XOY平面偏角的余角；

偏差值α补偿模块：旋转A轴，计算偏差值α，并对偏差值α进行补偿；

提取特征点模块：平移机床Y轴对标定块的圆形特征进行扫描，提取圆边缘特征点；

五轴补偿模块：调整机床X、Y、Z、A、B五轴的零位来补偿位置偏差δx，δy，δz和姿态偏差α、β。

优选地，所述偏差值α模块包括：旋转A轴，得到不同

下的参数h值，计算公式为：

通过最小二乘法拟合出偏差值α，并通过调整A轴零位补偿偏差值α；

其中，h表示：线激光中心沿激光线方向到被测平面的直线距离，即线激光中心到平面的激光测距距离，由激光器读数获取，A轴旋转中为因变量；

l表示：机床A轴旋转中心到被测平面的直线距离；

n表示：机床A轴旋转中心到激光器激光发射原点的直线距离；

σ表示：A轴零位即激光器安装原始位姿状态下，激光线方向与XOZ平面的偏角；

表示：X轴正向视角，A轴顺时针旋转的旋转角度；

α表示：当前激光线方向与机床Z轴的夹角。

优选地，所述提取特征点模块包括：根据圆边缘特征点，得到如下公式：

其中，x表示：线激光与圆槽边界的交点在工件坐标系坐标的X分量；

y表示：线激光与圆槽边界的交点在工件坐标系坐标的Y分量；

x₀、y₀表示：圆槽中心在激光坐标系的X、Y坐标；

x′、y′表示：线激光与圆槽边界的交点在激光坐标系的坐标，由机床位置与线激光读数计算得到；

r表示：标定块圆槽的半径，根据线激光测量范围设计尺寸，实际尺寸由三坐标测量机给出；

θ表示：线激光与圆槽边界的交点与圆心连线与X轴的偏角；

γ表示：当前激光线方向与机床X轴的夹角；

根据标定块的圆方程得到：

r²＝(x′-x₀)²+(y′-y₀)²+2(x′-x₀)(y′-y₀)sin(γ)

根据获得的特征点坐标(x’,y’)，使用最小二乘法拟合参数x₀,y₀,γ，标定块的圆孔中心理论位置由三坐标机测量给出为，其与x₀,y₀的差值即为δx，δy。

优选地，所述五轴补偿模块包括：通过机床运动学变换，加入γ角度，并对姿态偏差γ进行补偿。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、通过采用扫描标定块的方式，解决了原位安装线激光测量方法中激光器主轴安装初始位置和姿态偏差难以标定进而影响线激光原位测量精度的问题；

2、通过扫描结果最小二乘拟合的分析方法，解决了单次测量偶然误差对分析结果的影响过大的问题；

3、通过采用调整机床各轴零位和补偿激光测量结果中的机床运动学传递链的方法，解决了线激光原位测量主轴安装初始偏差难以补偿的问题。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为原位线激光安装标定系统结构图；

图2为标定块零件图；

图3为传感器安装位姿偏差参数定义图；

图4为姿态偏移角β示意图；

图5为姿态偏移角α示意图；

图6为线激光扫描圆孔示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

根据本发明提供的五轴机床原位安装线激光传感器的位姿标定方法，包括：

步骤一、将线激光传感器安装至机床主轴，并将线激光控制通信系统连接好，将标定块安装至机床工作台，调平并确保标定块上平面与机床XOY平面平行；

步骤二、如图4所示，通过激光线方向的斜度来计算偏差值β，即激光线在测量理论XOY平面时测量结果直线与水平线的偏角；

步骤三、如图5所示，旋转A轴，可以得到不同φ下的参数h值通过几何关系可知图中参数满足等式：

通过最小二乘法拟合出偏差值α；

步骤四、如图6所示，平移机床Y轴对标定块的圆形特征进行扫描，提取圆边缘特征点，由于偏置的存在，特征点近似一个椭圆，有几何关系可以得到以下等式：

基于标定板的理论圆方程可以得到：

r²＝(x′-x₀)²+(y′-y₀)²+2(x′-x₀)(y′-y₀)sin(γ)

根据获得的一系列特征点坐标(x’,y’)，使用最小二乘法拟合参数x0,y0,γ，又标定板的圆孔中心理论位置由三坐标机测量给出为，其与x0,y0的差值即为δx，δy；如图3所示，为传感器安装位姿偏差参数定义图；

步骤五、通过调整机床X、Y、Z、A、B五轴的零位来补偿位置偏差x、y、z和姿态偏差α、β，通过机床运动学变换中将γ角度加入来补偿姿态偏差γ。

线激光原位安装位姿标定系统，包括：五轴机床、线激光传感器(又名2D激光轮廓仪)、标定块、标定块安装装置，线激光控制通信系统。

所述五轴机床1为X-Y-Z-A-B传动形式的五轴机床，为原位测量提供支持平台；所属线激光传感器包括市面可购的2D激光轮廓仪201和为配合将激光器安装到五轴机床主轴的支架零件202，202的设计与加工需要保证与201的安装接口和与1的主轴的安装接口；如图2所示，为标定块零件图，标定块3为加工零件，其整体形状为长方体铝块，一面上通过铣削加工产生图示特征；标定块安装装置4为标准夹持工具，目的是稳固安装标定块3；线激光控制通信系统5包括数控系统501、线激光控制器502和交换机503，其中线激光控制器502与线激光传感器201通过线缆连接并采集201的测量数据，502与501通过以太网线进行连接，通过以太网协议进行通信，将201的测量数据转发给501，501记录502发来的激光数据并与其记录的1的位置信息进行同步整合，形成机床位置和激光测量数据一一对应的记录文件。通过设计标定块的特征和激光扫描的方式，分析系统记录的文件结果，最终得到如图1所示表征线激光传感器在五轴机床上原位安装的相对位置和姿态的各个变量的值，并通过机床零点设置与运动学变换补偿这些偏置量。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (8)

1.一种五轴机床原位安装线激光传感器的位姿标定方法，其特征在于，包括：

安装步骤：安装线激光传感器和标定块，并连接线激光通信系统；

偏差值β补偿步骤：根据激光线方向的斜度计算偏差值β，并对偏差值β进行补偿；

偏差值α补偿步骤：旋转A轴，计算偏差值α，并对偏差值α进行补偿；

提取特征点步骤：平移机床Y轴对标定块的圆形特征进行扫描，提取圆边缘特征点；

五轴补偿步骤：调整机床X、Y、Z、A、B五轴的零位来补偿位置偏差δx，δy，δz和姿态偏差α、β；

所述偏差值α步骤包括：旋转A轴，得到不同

下的参数h值，计算公式为：

通过最小二乘法拟合出偏差值α，并通过调整A轴零位补偿偏差值α；

其中，h表示：线激光中心沿激光线方向到被测平面的直线距离，即线激光中心到平面的激光测距距离，由激光器读数获取，A轴旋转中为因变量；

l表示：机床A轴旋转中心到被测平面的直线距离；

n表示：机床A轴旋转中心到激光器激光发射原点的直线距离；

σ表示：A轴零位即激光器安装原始位姿状态下，激光线方向与XOZ平面的偏角；

表示：X轴正向视角，A轴顺时针旋转的旋转角度；

α表示：当前激光线方向与机床Z轴的夹角；

β表示激光器初始姿态下与中心激光方向垂直的激光等距线与机床XOY平面的偏角，数值上等于中心激光方向与XOY平面偏角的余角；

x表示：线激光与圆槽边界的交点在工件坐标系坐标的X分量；

y表示：线激光与圆槽边界的交点在工件坐标系坐标的Y分量；

z表示：线激光与圆槽边界的交点在工件坐标系坐标的Z分量。

2.根据权利要求1所述的五轴机床原位安装线激光传感器的位姿标定方法，其特征在于，所述安装步骤包括：将线激光传感器安装至机床主轴，连接线激光通信系统，将标定块安装至机床工作台，调节标定块上平面与机床XOY平面平行。

3.根据权利要求1所述的五轴机床原位安装线激光传感器的位姿标定方法，其特征在于，所述偏差值β补偿步骤包括：调整B轴零位补偿偏差值β，β表示激光器初始姿态下与中心激光方向垂直的激光等距线与机床XOY平面的偏角，数值上等于中心激光方向与XOY平面偏角的余角。

4.根据权利要求1所述的五轴机床原位安装线激光传感器的位姿标定方法，其特征在于，所述提取特征点步骤包括：根据圆边缘特征点，得到如下公式：

其中，x表示：线激光与圆槽边界的交点在工件坐标系坐标的X分量；

y表示：线激光与圆槽边界的交点在工件坐标系坐标的Y分量；

x₀、y₀表示：圆槽中心在激光坐标系的X、Y坐标；

x′、y′表示：线激光与圆槽边界的交点在激光坐标系的坐标，由机床位置与线激光读数计算得到；

r表示：标定块圆槽的半径，根据线激光测量范围设计尺寸，实际尺寸由三坐标测量机给出；

θ表示：线激光与圆槽边界的交点与圆心连线与X轴的偏角；

γ表示：当前激光线方向与机床X轴的夹角；

根据标定块的圆方程得到：

r²＝(x′-x₀)²+(y′-y₀)²+2(x′-x₀)(y′-y₀)sin(γ)

根据获得的特征点坐标(x’,y’)，使用最小二乘法拟合参数x₀,y₀,γ，标定块的圆孔中心理论位置由三坐标机测量给出为，其与x₀,y₀的差值即为δx，δy。

5.根据权利要求1所述的五轴机床原位安装线激光传感器的位姿标定方法，其特征在于，所述五轴补偿步骤包括：通过机床运动学变换，加入γ角度，并对姿态偏差γ进行补偿。

6.一种五轴机床原位安装线激光传感器的位姿标定系统，其特征在于，包括：

安装模块：将线激光传感器安装至机床主轴，连接线激光通信系统，将标定块安装至机床工作台，调节标定块上平面与机床XOY平面平行；

偏差值β补偿模块：根据激光线方向的斜度计算偏差值β，调整B轴零位补偿偏差值β，β表示激光器初始姿态下与中心激光方向垂直的激光等距线与机床XOY平面的偏角，数值上等于中心激光方向与XOY平面偏角的余角；

偏差值α补偿模块：旋转A轴，计算偏差值α，并对偏差值α进行补偿；

提取特征点模块：平移机床Y轴对标定块的圆形特征进行扫描，提取圆边缘特征点；

五轴补偿模块：调整机床X、Y、Z、A、B五轴的零位来补偿位置偏差δx，δy，δz和姿态偏差α、β；

所述偏差值α模块包括：旋转A轴，得到不同

下的参数h值，计算公式为：

通过最小二乘法拟合出偏差值α，并通过调整A轴零位补偿偏差值α；

其中，h表示：线激光中心沿激光线方向到被测平面的直线距离，即线激光中心到平面的激光测距距离，由激光器读数获取，A轴旋转中为因变量；

l表示：机床A轴旋转中心到被测平面的直线距离；

n表示：机床A轴旋转中心到激光器激光发射原点的直线距离；

σ表示：A轴零位即激光器安装原始位姿状态下，激光线方向与XOZ平面的偏角；

表示：X轴正向视角，A轴顺时针旋转的旋转角度；

α表示：当前激光线方向与机床Z轴的夹角。

7.根据权利要求6所述的五轴机床原位安装线激光传感器的位姿标定系统，其特征在于，所述提取特征点模块包括：根据圆边缘特征点，得到如下公式：

其中，x表示：线激光与圆槽边界的交点在工件坐标系坐标的X分量；

y表示：线激光与圆槽边界的交点在工件坐标系坐标的Y分量；

x₀、y₀表示：圆槽中心在激光坐标系的X、Y坐标；

x′、y′表示：线激光与圆槽边界的交点在激光坐标系的坐标，由机床位置与线激光读数计算得到；

r表示：标定块圆槽的半径，根据线激光测量范围设计尺寸，实际尺寸由三坐标测量机给出；

θ表示：线激光与圆槽边界的交点与圆心连线与X轴的偏角；

γ表示：当前激光线方向与机床X轴的夹角；

根据标定块的圆方程得到：

r²＝(x′-x₀)²+(y′-y₀)²+2(x′-x₀)(y′-y₀)sin(γ)

根据获得的特征点坐标(x’,y’)，使用最小二乘法拟合参数x₀,y₀,γ，标定块的圆孔中心理论位置由三坐标机测量给出为，其与x₀,y₀的差值即为δx，δy。

8.根据权利要求6所述的五轴机床原位安装线激光传感器的位姿标定系统，其特征在于，所述五轴补偿模块包括：通过机床运动学变换，加入γ角度，并对姿态偏差γ进行补偿。

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