CN111336919B - 探针标定的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种探针标定的方法,包括如下步骤:在探针工作平台上的两个相互垂直的方向上分别安装激光传感器X‑LS和激光传感器Y‑LS,并在探针工作平台上安装定位仪;通过探针设计图纸或实际测量得到针尖P在探针坐标系下的粗略本地坐标;并测量探针上另一点Q在探针坐标系下的粗略本地坐标;用探针分别确定两个激光传感器的姿态,得到两个激光传感器在定位仪坐标系下的姿态矩阵;多次让探针触碰两个激光传感器发出的激光,通过定位仪获取探针的姿态矩阵;以前述步骤获得的这些信息构建函数约束优化求解标定探针方向;对方向标定后的探针的针尖P的位置进行标定,从而实现探针的方向与位置标定。
Description
技术领域
本发明涉及定位标记技术领域,具体地,涉及一种探针标定的方法。
背景技术
使用探针的加工或测量设备大多多精度要求极高,当精度达不到要求时,往往通过更换探针工具来处理,使得探针工具的加工成本较高,使用寿命也较短。现有探针标定方法多是通过固定探针针尖通过旋转拟合球心或通过双目视觉标定方法,但是对于探针方向不能做到精确标定。
公开号为CN208635788U的专利文献公开了一种视觉定位精密测量辅助标记装置,具体而言,是关于一种坐标测量系统中基于双目视觉测量系统探针辅助标记装置。该装置结构组成包括:双目视觉系统探针、探针旋转插入槽、旋转架固定螺钉、工具固定板、旋转连接螺钉、探针端点位置微调螺钉、旋转支架和螺钉紧固弹簧。可用于双目视觉测量系统辅助探针标记过程,将探针端点插入探针旋转插入槽固定后,可以进行旋转,降低标定误差,提高空间定位精度。该方法采用外部辅助插入槽的方式,对探针的针尖有可能造成损坏。
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探针标定的方法。
根据本发明提供的一种探针标定的方法,包括如下步骤:
步骤1:在探针工作平台上的两个相互垂直的方向上分别安装激光传感器X-LS和激光传感器Y-LS,并在探针工作平台上安装定位仪;
步骤2:通过探针设计图纸或实际测量得到针尖P在探针坐标系下的粗略本地坐标(P_to_Tool);并测量探针上另一点Q在探针坐标系下的粗略本地坐标(Q_to_Tool);
步骤3:用探针分别确定两个激光传感器的姿态,得到两个激光传感器在定位仪坐标系下的姿态矩阵(laser_to_trackingDevice);
步骤4:多次让探针触碰两个激光传感器发出的激光,通过定位仪获取探针的姿态矩阵(Tool_to_trackingDevice);
步骤5:以(P_to_Tool)、(Q_to_Tool)、(laser_to_trackingDevice)以及(Tool_to_trackingDevice)这些信息构建函数约束优化求解标定探针方向;
步骤6:对方向标定后的探针的针尖P的位置进行标定,从而实现探针的方向与位置标定。
优选地,所述步骤1中的激光传感器X-LS和激光传感器Y-LS均包括激光发射端和激光接收端,激光发射端和激光接收端左右布置,激光发射端发射的激光由激光接收端接收,两激光传感器发射的激光相互垂直,定义激光传感器X-LS和激光传感器Y-LS的光路分别为X轴和Y轴。
优选地,所述步骤1中的定位仪为六自由度定位仪,所述两个激光传感器均为红外激光传感器。
优选地,所述步骤3包括如下步骤:
步骤3.1:用探针确定激光传感器X-LS的姿态,得到激光传感器X-LS在定位仪坐标系下的姿态(laser_to_trackingDevice_x);
步骤3.2:用探针确定激光传感器Y-LS的姿态,得到激光传感器Y-LS在定位仪坐标系下的姿态(laser_to_trackingDevice_y);
所述步骤3.1、步骤3.2依次执行或者反向执行。
优选地,所述步骤4包括如下步骤:
步骤4.1:让探针以两个激光传感器发出的激光交点为圆心顺时针或逆时针旋转与两个激光传感器发出的激光相交,通过激光传感器的信号记录探针与激光传感器X-LS相交时,定位仪获取的探针姿态(Tool_to_trackingDevice_X),通过激光传感器的信号记录探针与激光传感器Y-LS相交时,定位仪获取的探针姿态(Tool_to_trackingDevice_Y);
步骤4.2:以与步骤4.1相反的方向重复步骤4.1,并使探针姿态与步骤4.1保持一致;
步骤4.3:改变探针的姿态,重复N次步骤4.1、步骤4.2,其中,N大于等于10,探针与激光传感器X-LS相交时的多个探针姿态(Tool_to_trackingDevice_X)形成探针姿态矩阵探针姿态(Tool_to_trackingDevice_matX),探针与激光传感器Y-LS相交时的多个探针姿态(Tool_to_trackingDevice_Y)形成探针姿态矩阵(Tool_to_trackingDevice_matY)。
优选地,所述步骤5包括如下步骤:
步骤5.1:计算探针与激光传感器X-LS相交时,针尖P在定位仪坐标系下的坐标(P_to_trackingDevice_x)=(P_to_Tool)*(Tool_to_trackingDevice_matX);
步骤5.2:计算探针与激光传感器X-LS相交时,点Q在定位仪坐标系下的坐标(Q_to_trackingDevice_x)=(Q_to_Tool)*(Tool_to_trackingDevice_matX);
步骤5.3:(P_to_trackingDevice_x)和(Q_to_trackingDevice_x)两点构成一条直线,(laser_to_trackingDevice_x)的也是一条直线,计算这条两条直线的距离Dx;
步骤5.4:计算探针与激光传感器Y-LS相交时,针尖P在度定位仪坐标系下的坐标(P_to_trackingDevice_y)=(P_to_Tool)*(Tool_to_trackingDevice_matY);
步骤5.5:计算探针与激光传感器Y-LS相交时,点Q在定位仪坐标系下的坐标(Q_to_trackingDevice_y)=(Q_to_Tool)*(Tool_to_trackingDevice_matY);
步骤5.6:(P_to_trackingDevice_y)和(Q_to_trackingDevice_y)两点构成一条直线,(laser_to_trackingDevice_y)的也是一条直线,计算这两条直线的距离Dy;
步骤5.7:设计fmincon函数F=Σ[(Dx*Dx)+(Dy*Dy)],通过非线性优化求得精确的针尖坐标(P’_to_Tool)和精确的点Q坐标(Q’_to_Tool),通过探针上两点便能够标定探针的方向。
优选地,所述步骤6包括如下步骤:
步骤6.1:对标定方向后的探针进行姿态调整,使探针垂直于两个激光传感器;
步骤6.2:进一步调整探针姿态,使探针或探针延长线同时与激光传感器X-LS、激光传感器Y-LS相交;
步骤6.3:保持探针姿态,延探针方向抬起或下降探针,当两个激光传感器的接收端均刚接收到激光信号时或两个激光传感器的接收端均刚接收不到激光信号时,得到探针针尖P的位置,从而对探针的针尖P进行位置标定。
与现有技术相比,本发明具有如下的有益效果:
本发明通过采用定位仪以及激光传感器重新采集探针姿态信息,对探针方向、探针针尖进行重新标定修正,解决了探针和定位仪之间加工精度有偏差、探针长期使用磨损以及探针误操作导致方向偏移等精度不满足使用条件的问题。
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为本发明的流程框图。
图2为本发明待标定探针与激光传感器的结构示意图。
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。
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。
根据本发明提供的一种探针标定的方法,如图1-2所示,包括如下步骤:
步骤1:在探针工作平台上的两个相互垂直的方向上分别安装激光传感器X-LS和激光传感器Y-LS,并在探针工作平台上安装定位仪;
步骤2:通过探针设计图纸或实际测量得到针尖P在探针坐标系下的粗略本地坐标(P_to_Tool);并测量探针上另一点Q在探针坐标系下的粗略本地坐标(Q_to_Tool);
步骤3:用探针分别确定两个激光传感器的姿态,得到两个激光传感器在定位仪坐标系下的姿态矩阵(laser_to_trackingDevice);
步骤4:多次让探针触碰两个激光传感器发出的激光,通过定位仪获取探针的姿态矩阵(Tool_to_trackingDevice);
步骤5:以(P_to_Tool)、(Q_to_Tool)、(laser_to_trackingDevice)以及(Tool_to_trackingDevice)这些信息构建函数约束优化求解标定探针方向;
步骤6:对方向标定后的探针的针尖P的位置进行标定,从而实现探针的方向与位置标定。
所述步骤1中的激光传感器X-LS和激光传感器Y-LS均包括激光发射端和激光接收端,激光发射端和激光接收端左右布置,激光发射端发射的激光由激光接收端接收,两激光传感器发射的激光相互垂直,定义激光传感器X-LS和激光传感器Y-LS的光路分别为X轴和Y轴。所述步骤1中的定位仪为六自由度定位仪,所述两个激光传感器均为红外激光传感器。
所述步骤3包括如下步骤:
步骤3.1:用探针确定激光传感器X-LS的姿态,得到激光传感器X-LS在定位仪坐标系下的姿态(laser_to_trackingDevice_x);
步骤3.2:用探针确定激光传感器Y-LS的姿态,得到激光传感器Y-LS在定位仪坐标系下的姿态(laser_to_trackingDevice_y);
所述步骤3.1、步骤3.2依次执行或者反向执行。
所述步骤4包括如下步骤:
步骤4.1:让探针以两个激光传感器发出的激光交点为圆心顺时针或逆时针旋转与两个激光传感器发出的激光相交,通过激光传感器的信号记录探针与激光传感器X-LS相交时,定位仪获取的探针姿态(Tool_to_trackingDevice_X),通过激光传感器的信号记录探针与激光传感器Y-LS相交时,定位仪获取的探针姿态(Tool_to_trackingDevice_Y);
步骤4.2:以与步骤4.1相反的方向重复步骤4.1,并使探针姿态与步骤4.1保持一致;
步骤4.3:改变探针的姿态,重复N次步骤4.1、步骤4.2,其中,N大于等于10,探针与激光传感器X-LS相交时的多个探针姿态Tool_to_trackingDevice_X)形成探针姿态矩阵探针姿态(Tool_to_trackingDevice_matX),探针与激光传感器Y-LS相交时的多个探针姿态(Tool_to_trackingDevice_Y)形成探针姿态矩阵(Tool_to_trackingDevice_matY)。
所述步骤5包括如下步骤:
步骤5.1:计算探针与激光传感器X-LS相交时,针尖P在定位仪坐标系下的坐标(P_to_trackingDevice_x)=(P_to_Tool)*(Tool_to_trackingDevice_matX);
步骤5.2:计算探针与激光传感器X-LS相交时,点Q在定位仪坐标系下的坐标(Q_to_trackingDevice_x)=(Q_to_Tool)*(Tool_to_trackingDevice_matX);
步骤5.3:(P_to_trackingDevice_x)和(Q_to_trackingDevice_x)两点构成一条直线,(laser_to_trackingDevice_x)的也是一条直线,计算这条两条直线的距离Dx;
步骤5.4:计算探针与激光传感器Y-LS相交时,针尖P在度定位仪坐标系下的坐标(P_to_trackingDevice_y)=(P_to_Tool)*(Tool_to_trackingDevice_matY);
步骤5.5:计算探针与激光传感器Y-LS相交时,点Q在定位仪坐标系下的坐标(Q_to_trackingDevice_y)=(Q_to_Tool)*(Tool_to_trackingDevice_matY);
步骤5.6:(P_to_trackingDevice_y)和(Q_to_trackingDevice_y)两点构成一条直线,(laser_to_trackingDevice_y)的也是一条直线,计算这两条直线的距离Dy;
步骤5.7:设计fmincon函数F=Σ[(Dx*Dx)+(Dy*Dy)],通过非线性优化求得精确的针尖坐标(P’_to_Tool)和精确的点Q坐标(Q’_to_Tool),通过探针上两点便能够标定探针的方向。
所述步骤6包括如下步骤:
步骤6.1:对标定方向后的探针进行姿态调整,使探针垂直于两个激光传感器;
步骤6.2:进一步调整探针姿态,使探针或探针延长线同时与激光传感器X-LS、激光传感器Y-LS相交;
步骤6.3:保持探针姿态,延探针方向抬起或下降探针,当两个激光传感器的接收端均刚接收到激光信号时或两个激光传感器的接收端均刚接收不到激光信号时,得到探针针尖P的位置,从而对探针的针尖P进行位置标定。
优选实施例:
步骤1:在探针工作平台上的两个相互垂直的方向上分别安装激光传感器X-LS和激光传感器Y-LS,并在探针工作平台上安装定位仪;
步骤2:通过探针设计图纸或实际测量得到探针针尖P在Tool下的大致本地坐标(P_to_Tool),如图1;
步骤3:固定红外激光传感器,用不准确的探针确定红外激光传感器的大致姿态,得到红外激光传感器在六自由度定位仪下的大致姿态矩阵(laser_to_trackingDevice);
步骤4:不停地让探针触碰红外激光传感器,通过六自由度定位仪获取探针的姿态矩阵(Tool_to_trackingDevice);
步骤5:设探针上另一点Q在Tool下的本地坐标(Q_to_Tool),以步骤2、3、4的信息进行构建函数约束优化求解;
步骤6:通过步骤5得到的结果,对探针针尖进行标定,该步骤中可以使用机械臂来辅助固定探针。
所述步骤4包括如下步骤:
步骤4.1:让探针以一个方向(顺时针或逆时针)交于激光传感器X-LS的左半轴和右半轴,Y-LS的左半轴和右半轴,通过激光传感器的信号分别记录探针与X-LS相交时,六自由度定位仪获取的探针姿态矩阵(Tool_to_trackingDevice_matX),与Y-LS相交时探针上光学定位结构的姿态(Tool_to_trackingDevice_matY);
步骤4.2:以与4.1相反的方向重复步骤4.1,探针姿态与步骤4.1保持一致;
步骤4.3:改变探针的姿态,重复步骤3.1、步骤3.2;这一过程持续N次,至少10次以上。
所述步骤5包括如下步骤:
步骤5.1:计算探针与X-LS相交时,P在六自由度定位仪下的坐标(P_to_trackingDevice_x)=(P_to_Tool)*(Tool_to_trackingDevice_matX);
步骤5.2:计算探针与X-LS相交时,Q在六自由度定位仪下的坐标(Q_to_trackingDevice_x)=(Q_to_Tool)*(Tool_to_trackingDevice_matX);
步骤5.3:通过(P_to_trackingDevice_x)和(Q_to_trackingDevice_x)两点可以构成一条直线,(laser_to_trackingDevice)的X轴也是一条直线,计算这两条直线的距离Dx;
步骤5.4:计算探针与Y-LS相交时,P在六自由度定位仪下的坐标(P_to_trackingDevice_y)=(P_to_Tool)*(Tool_to_trackingDevice_matY);
步骤5.5:计算探针与Y-LS相交时,Q在六自由度定位仪下的坐标(Q_to_trackingDevice_y)=(Q_to_Tool)*(Tool_to_trackingDevice_matY);
步骤5.6:通过(P_to_trackingDevice_y)和(Q_to_trackingDevice_y)两点可以构成一条直线,(laser_to_trackingDevice)的Y轴也是一条直线,计算这两条直线的距离Dy;
步骤5.7:设计函数F=Σ[(Dx*Dx)+(Dy*Dy)],通过非线性优化可以求得变量(P_to_Tool)和(Q_to_Tool),如此,便可求的探针的方向;优选地,利用Matlab的fmincon函数求解F的最小值,得到误差允许范围内的激光传感器的姿态,误差允许范围内的探针的方向。
所述步骤6包括如下步骤:
步骤6.1:调整探针姿态使探针垂直于激光传感器;
步骤6.2:调整探针姿态使探针或探针延长线同时与X-LS和Y-LS相交;
步骤6.3:保持探针姿态,延探针方向缓慢抬起或下降探针,当激光传感器给出X-LS和Y-LS给出都不相加信号或都相加信号时,得到探针尖的位置。
本发明通过六自由度定位仪获取针尖六自由度空间定位,通过不停地让探针触碰红外激光传感器,获取多组定位姿态,通过非线性优化迭代,对针尖位置和方向进行标定修正,解决了针尖和六自由度定位仪之间加工精度有偏差、针尖长期使用磨损以及针尖误操作导致方向偏移等精度不满足使用条件的问题。
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 (7)
1.一种探针标定的方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤1:在探针工作平台上的两个相互垂直的方向上分别安装激光传感器X-LS和激光传感器Y-LS,并在探针工作平台上安装定位仪;
步骤2:通过探针设计图纸或实际测量得到针尖P在探针坐标系下的粗略本地坐标(P_to_Tool);并测量探针上另一点Q在探针坐标系下的粗略本地坐标(Q_to_Tool);
步骤3:用探针分别确定两个激光传感器的姿态,得到两个激光传感器在定位仪坐标系下的姿态矩阵(laser_to_trackingDevice);
步骤4:多次让探针触碰两个激光传感器发出的激光,通过定位仪获取探针的姿态矩阵(Tool_to_trackingDevice);
步骤5:以(P_to_Tool)、(Q_to_Tool)、(laser_to_trackingDevice)以及(Tool_to_trackingDevice)这些信息构建函数约束优化求解标定探针方向;
步骤6:对方向标定后的探针的针尖P的位置进行标定,从而实现探针的方向与位置标定。
2.根据权利要求1所述的探针标定的方法,其特征在于,所述步骤1中的激光传感器X-LS和激光传感器Y-LS均包括激光发射端和激光接收端,激光发射端和激光接收端左右布置,激光发射端发射的激光由激光接收端接收,两激光传感器发射的激光相互垂直,定义激光传感器X-LS和激光传感器Y-LS的光路分别为X轴和Y轴。
3.根据权利要求1所述的探针标定的方法,其特征在于,所述步骤1中的定位仪为六自由度定位仪,所述两个激光传感器均为红外激光传感器。
4.根据权利要求1所述的探针标定的方法,其特征在于,所述步骤3包括如下步骤:
步骤3.1:用探针确定激光传感器X-LS的姿态,得到激光传感器X-LS在定位仪坐标系下的姿态(laser_to_trackingDevice_x);
步骤3.2:用探针确定激光传感器Y-LS的姿态,得到激光传感器Y-LS在定位仪坐标系下的姿态(laser_to_trackingDevice_y);
所述步骤3.1、步骤3.2依次执行或者反向执行。
5.根据权利要求4所述的探针标定的方法,其特征在于,所述步骤4包括如下步骤:
步骤4.1:让探针以两个激光传感器发出的激光交点为圆心顺时针或逆时针旋转与两个激光传感器发出的激光相交,通过激光传感器的信号记录探针与激光传感器X-LS相交时,定位仪获取的探针姿态(Tool_to_trackingDevice_X),通过激光传感器的信号记录探针与激光传感器Y-LS相交时,定位仪获取的探针姿态(Tool_to_trackingDevice_Y);
步骤4.2:以与步骤4.1相反的方向重复步骤4.1,并使探针姿态与步骤4.1保持一致;
步骤4.3:改变探针的姿态,重复N次步骤4.1、步骤4.2,其中,N大于等于10,探针与激光传感器X-LS相交时的多个探针姿态(Tool_to_trackingDevice_X)形成探针姿态矩阵(Tool_to_trackingDevice_matX),探针与激光传感器Y-LS相交时的多个探针姿态(Tool_to_trackingDevice_Y)形成探针姿态矩阵(Tool_to_trackingDevice_matY)。
6.根据权利要求5所述的探针标定的方法,其特征在于,所述步骤5包括如下步骤:
步骤5.1:计算探针与激光传感器X-LS相交时,针尖P在定位仪坐标系下的坐标(P_to_trackingDevice_x)=(P_to_Tool)*(Tool_to_trackingDevice_matX);
步骤5.2:计算探针与激光传感器X-LS相交时,点Q在定位仪坐标系下的坐标(Q_to_trackingDevice_x)=(Q_to_Tool)*(Tool_to_trackingDevice_matX);
步骤5.3:(P_to_trackingDevice_x)和(Q_to_trackingDevice_x)两点构成一条直线,(laser_to_trackingDevice_x)的也是一条直线,计算这条两条直线的距离Dx;
步骤5.4:计算探针与激光传感器Y-LS相交时,针尖P在度定位仪坐标系下的坐标(P_to_trackingDevice_y)=(P_to_Tool)*(Tool_to_trackingDevice_matY);
步骤5.5:计算探针与激光传感器Y-LS相交时,点Q在定位仪坐标系下的坐标(Q_to_trackingDevice_y)=(Q_to_Tool)*(Tool_to_trackingDevice_matY);
步骤5.6:(P_to_trackingDevice_y)和(Q_to_trackingDevice_y)两点构成一条直线,(laser_to_trackingDevice_y)的也是一条直线,计算(P_to_trackingDevice_y)和(Q_to_trackingDevice_y)两点构成一条直线与(laser_to_trackingDevice_y)的直线的距离Dy;
步骤5.7:设计fmincon函数F=Σ[(Dx*Dx)+(Dy*Dy)],通过非线性优化求得精确的针尖坐标(P’_to_Tool)和精确的点Q坐标(Q’_to_Tool),通过探针上两点便能够标定探针的方向。
7.根据权利要求1所述的探针标定的方法,其特征在于,所述步骤6包括如下步骤:
步骤6.1:对标定方向后的探针进行姿态调整,使探针垂直于两个激光传感器;
步骤6.2:进一步调整探针姿态,使探针或探针延长线同时与激光传感器X-LS、激光传感器Y-LS相交;
步骤6.3:保持探针姿态,延探针方向抬起或下降探针,当两个激光传感器的接收端均刚接收到激光信号时或两个激光传感器的接收端均刚接收不到激光信号时,得到探针针尖P的位置,从而对探针的针尖P进行位置标定。
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2020
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