CN112013797B - 基于圆柱体和线结构光标定空间回转轴线的方法及其应用 - Google Patents

基于圆柱体和线结构光标定空间回转轴线的方法及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于圆柱体和线结构光标定空间回转轴线的方法及其应用，所述空间回转轴线的标定包括：（1）将圆柱体放置于转台上，线结构光传感器获取圆柱体的轮廓数据并根据轮廓数据获得圆心坐标C1；（2）转台转动角度θ后，线结构光传感器再次获取圆柱体的轮廓数据获得圆心坐标C2；（3）通过圆心坐标C1、C2和角度θ计算出回转轴线在初始数据坐标系中的坐标数据L0；沿圆柱体的高度方向移动线结构光传感器，移动距离为z，重复步骤（1）至（3），获取回转轴线在初始数据坐标系下的Li，最后直线拟合得出回转轴线，即实现对回转轴线的标定。通过本发明提供的方法可快速实现对回转轴线的标定，将其应用于叶片检测领域。

Description

基于圆柱体和线结构光标定空间回转轴线的方法及其应用
技术领域
本发明属于线结构光传感器测量领域，具体涉及一种基于圆柱体和线结构光传感器标定回转轴线的方法及其应用。
背景技术
叶片作为航空发动机、燃机、汽轮机等设备中的关键零部件，承担着将热能转化为机械能的重要任务，叶片的形状及质量直接影响整机的能量转换效率和使用寿命。叶片因其三维型面为不规则曲面且每个截面高度的型线轮廓不相同给叶片检测工作增加了难度。
基于线结构光传感器的四轴测量系统需要通过多视角数据拼接检测叶片截面曲线特征的系统，该系统在使用前需要对线结构光传感器的位姿、转台回转轴线、以及待测叶片的轴线等进行标定，以减少检测数据的误差。传统对转台回转轴线的标定是采用引入标准球对转台的回转轴线标定，但是标准球仅能实现对一个截面回转中心的标定，并不能实现对回转轴线的标定，因此在标定过程回转轴线存在一定的误差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于圆柱体和线结构光传感器标定回转轴线的方法，该方法引入标准圆柱体对转台回转轴线进行标定，利用同一截面回转轴线到圆柱体所在圆心距离相同，再配合线结构光传感器Z轴移动，实现对回转轴线的标定。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于圆柱体和线结构光传感器标定空间回转轴线的方法，包括线结构光传感器的位姿标定和空间回转轴线的标定，所述空间回转轴线的标定采用如下步骤实现：
(1)将标准圆柱体放置于转台上，线结构光传感器获取圆柱体的轮廓数据并根据所述轮廓数据进行圆拟合获得在初始数据坐标系下的圆心坐标C1(xc1,yc1)；
(2)转台转动角度θ后，线结构光传感器再次获取圆柱体的轮廓数据并根据所述轮廓数据圆拟合获得移动后数据坐标系下的圆心坐标C2(xc2,yc2)；
(3)通过圆心坐标C1、C2和转动角度θ计算出回转轴线在初始数据坐标系中的坐标数据L0(x0,y0)；
Figure GDA0002826421040000011
式中，L0为回转轴线在初始数据坐标系中的坐标数据；T为转动转台后的旋转矩阵，
Figure GDA0002826421040000021
E2×2为二阶单位矩阵；
Figure GDA0002826421040000022
为圆心C1在初始数据坐标系中的坐标向量；
Figure GDA0002826421040000023
为圆心C2在移动后数据坐标系中的坐标向量；
Figure GDA0002826421040000024
为转台转动前后线结构光传感器的移动向量；
(4)沿圆柱体的高度方向移动线结构光传感器，移动距离为z，重复步骤(1)至(3)，获取回转轴线在初始数据坐标系下的Li(xi,yi,zi)，xi、yi通过步骤(3)计算获得坐标数据，zi为线结构光传感器在Z轴上移动距离，i＝0,1,…,m；对坐标Li(xi,yi,zi)进行直线拟合得出回转轴线，即实现对空间回转轴线的标定。
本发明的基于圆柱体和线结构光传感器标定空间回转轴线的方法可应用于叶片检测领域。
所述叶片的三维轮廓曲线L＝(L1 L′2 … L′k)，L′2…L′k为L2…Lk转换到L1所在数据坐标下的轮廓数据，
Figure GDA0002826421040000025
其中，
Figure GDA0002826421040000026
为第k次的转动矩阵，θk为第k次转台转动角度，Lkx、Lky分别为第k次转动后移动后数据坐标系下的X、Y坐标；
Figure GDA0002826421040000027
为与上一次转台转动前后线结构光传感器相对移动向量；
Figure GDA0002826421040000028
为初始数据坐标系下转动中心坐标向量。
本发明利用圆柱体结构的特性，实现对回转轴线的标定，与现有技术的标准球的标定方法相比，本发明不仅能实现标准球的转动中心的标定，还利用圆柱体高度优势实现对回转轴线的标定，其标定后的测量数据更加精确，适用于高精尖零部件的检测。
将本发明提供的一种基于圆柱体和线结构光传感器标定回转轴线的方法应用于叶片检测领域，能实现对叶片的三维样貌的评价，在此过程中无需对叶片轴线进行标定，减少工作流程，当采集的数据足够多，可通过采集的数据在三维软件内复原叶片三维样貌，然后根据叶片的轴线截取截面曲线特征，也可实现对叶片截面曲线特征的评价。
附图说明
图1为本发明线结构光传感器与圆柱体的位置关系示意图。
图2为本发明标定回转轴线的原理示意图。
图中标记：100、线结构光传感器；200、转台；300、圆柱体。
具体实施方式
实施例1
本实施例提供的一种基于圆柱体和线结构光传感器的标定回转轴线的方法，该方法是基于四轴测量系统实现的，所述四轴测量系统是包括沿X轴平移量X、沿Y轴平移量Y、沿Z轴平移量Z以及绕回转轴线旋转量R，通过控制平移量X、Y和Z实现控制线结构光传感器100与待测物之间的相对位置关系，通过控制旋转量R控制待测物不同周向面。
本实施例所述的基于圆柱体和线结构光传感器的标定回转轴线的方法具体包括如下步骤：
(1)线结构光传感器的位姿标定
通过安装线结构光传感器100所在平面的倾角传感器测量的数据调整线结构光传感器100的位姿，使线结构光传感器100的激光面水平，具体的标定方法与现有技术相同，本实施例将不再赘述；
(2)空间回转轴线的标定
a.将标准圆柱体300放置于转台200上，如图1所示，线结构光传感器100与圆柱体300的位置关系示意图如图1所示，控制平移量Z使线结构光传感器100的激光面与圆柱体300的初始位置相交，本实施例所述圆柱体300的初始位置设置于圆柱体300的下端，也可以设置在圆柱体300的上部或中部，线结构光传感器100获取圆柱体300在初始数据坐标系o1-x1y1下的轮廓数据P1，
Figure GDA0002826421040000031
利用最小二乘法根据所述轮廓数据P1进行圆拟合获得圆心坐标C1(xc1,yc1)；当前线结构光传感器的数据坐标系为初始数据坐标系o1-x1y1；
b.转台转动角度θ后，线结构光传感器再次获取圆柱体在移动后数据坐标系o2-x2y2轮廓数据P2并通过所述轮廓数据P2圆拟合获得圆心坐标C2(xc2,yc2)；
转台转动后可能导致线结构光传感器的激光面与圆柱体没有相交，此时需要控制平移量X、Y，因此数据坐标系也发生了平移，移动向量为
Figure GDA0002826421040000032
若线结构光传感器未产生移动，则移动向量
Figure GDA0002826421040000033
为0；此时，转台转动后和线结构光传感器产生移动后的线结构光传感器的数据坐标系为移动后数据坐标系o2-x2y2
c.通过圆心坐标C1、C2和转动角度θ计算出回转轴线在初始数据坐标系o1-x1y1中的坐标数据L0(x0,y0)；
Figure GDA0002826421040000034
式中，L0为回转轴线在初始数据坐标系o1-x1y1中的坐标数据；T为转动转台后的旋转矩阵，
Figure GDA0002826421040000041
E2×2为二阶单位矩阵；
Figure GDA0002826421040000042
为圆心C1在初始数据坐标系中的坐标向量；
Figure GDA0002826421040000043
为圆心C2在移动后数据坐标系中的坐标向量；
Figure GDA0002826421040000044
为两次线结构光传感器移动向量；
如图2所示，以回转轴线为Z轴，平行于平移量X、Y的向量为X轴和Y轴，建立运动坐标系O-XYZ；转动前后两次，回转轴线到圆心C1和回转轴线到圆心C2的距离相等，可标定回转轴线在初始坐标系下的坐标向量，因此实现对回转轴线(回转中心)标定。
由向量表示关系式：
Figure GDA0002826421040000045
Figure GDA0002826421040000046
可写成如下关系：
Figure GDA0002826421040000047
求解的得出：
Figure GDA0002826421040000048
式中，E2x2为二阶单位矩阵；令
Figure GDA0002826421040000049
向量
Figure GDA00028264210400000410
即表示当前高度上转台回转轴线在线结构光传感器初始数据坐标系下的数据坐标，即回转中心的坐标，进而完成了回转轴线当前截面高度下的标定；
d.沿圆柱体的高度方向移动线结构光传感器，移动距离为z，重复步骤(a)至(c)，获取回转轴线在初始数据坐标系下的Li(xi,yi,zi)，xi、yi是通过步骤(c)计算获得的坐标数据，zi为线结构光传感器在Z轴上移动距离，i＝0,1,…,m；对坐标Li(xi,yi,zi)进行直线拟合得出回转轴线，即实现对空间回转轴线的标定。
本实施例利用圆柱体具有长度且横截面为圆形的特性，可实现对回转轴线的标定，相较于传统的标准球，本实施例标定的回转轴线误差更小，后续的数据测量精度更高。
实施例2
本实施例是将实施例1中标定回转轴线的方法应用于叶片的三维样貌检测以及曲线特征检测，具体地检测步骤如下：
(A)标定：所述标定是指实施例1中的线结构光传感器的位姿标定和回转轴线的标定；
(B)叶片的数据测量：
将待测叶片放置在转台上，控制平移量X、Y、Z使线结构光传感器回到初始位置，所述初始位置是指第一次检测圆柱体轮廓数据的位置，按照先旋转再升降的原理采集待测叶片的轮廓数据，假设经过了k次移动(包括平移和旋转)那么就会采集k个轮廓数据(L1，L2，…，Lk)；
设第2～k段的轮廓相对于第一段的轮廓数据(即初始位置下的轮廓)在测量时进行了平移运动与旋转运动，且运动关系分别为：平移ΔLk＝(dxk dyk)T，旋转θk度，则将轮廓数据L2，…，Lk统一到初始坐标系o1-x1y1下，有：
Figure GDA0002826421040000051
其中，
Figure GDA0002826421040000052
为第k次的转动矩阵，Lkx、Lky分别为第k次转动后移动后数据坐标系下的X、Y坐标，
Figure GDA0002826421040000053
为与上一次转动前后线结构光测量装置相对移动向量；
Figure GDA0002826421040000054
为初始数据坐标系下转动中心坐标向量；
再将所有采集的叶片轮廓数据拼接在一起，得到L＝(L1 L′2 … L′k)，L即是待测叶片的三维样貌轮廓数据。
本实施例实现对叶片的三维样貌的评价，再次过程中无需对叶片轴线进行标定，减少工作流程，当采集的数据足够多，可通过采集的数据在三维软件内复原叶片三维样貌，然后根据叶片的轴线截取截面曲线特征，也可实现对叶片截面曲线特征的评价。
以上所述仅是本发明优选的实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何基于本发明所提供的技术方案和发明构思进行的改造和替换都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种基于圆柱体和线结构光传感器标定空间回转轴线的方法，包括线结构光传感器的位姿标定和空间回转轴线的标定，其特征在于：所述空间回转轴线的标定采用如下步骤实现：
(1)将标准圆柱体放置于转台上，线结构光传感器获取圆柱体的轮廓数据并根据所述轮廓数据进行圆拟合获得在初始数据坐标系下的圆心坐标C1(xc1，yc1)；
(2)转台转动角度θ后，线结构光传感器再次获取圆柱体的轮廓数据并根据所述轮廓数据圆拟合获得移动后数据坐标系下的圆心坐标C2(xc2，yc2)；
(3)通过圆心坐标C1、C2和转动角度θ计算出回转轴线在初始数据坐标系中的坐标数据L0；
Figure FDA0002826421030000011
式中，L0为回转轴线在初始数据坐标系中的坐标数据；T为转动转台后的旋转矩阵，
Figure FDA0002826421030000012
E2×2为二阶单位矩阵；
Figure FDA0002826421030000013
为圆心C1在初始数据坐标系中的坐标向量；
Figure FDA0002826421030000014
为圆心C2在移动后数据坐标系中的坐标向量；
Figure FDA0002826421030000015
为转台转动前后线结构光传感器的移动向量；
(4)沿圆柱体的高度方向移动线结构光传感器，移动距离为z，重复步骤(1)至(3)，获取回转轴线在初始数据坐标系下的Li(xi，yi，zi)，xi、yi是通过步骤(3)计算获得的坐标数据，zi为线结构光传感器在Z轴上移动距离，i＝0，1，…，m；对坐标Li(xi，yi，zi)进行直线拟合得出回转轴线，即实现对空间回转轴线的标定。
2.根据权利要求1所述的基于圆柱体和线结构光传感器标定空间回转轴线的方法在叶片检测领域的应用，其特征在于：所述叶片的三维轮廓曲线L＝(L1 L′2 … L′k)，L′2…L′k为L2…Lk转换到L1所在数据坐标下的轮廓数据，
Figure FDA0002826421030000016
其中
Figure FDA00028264210300000110
为第k次的转动矩阵，θk为第k次转台转动角度，Lkx、Lky分别为第k次转动后移动后数据坐标系下的X、Y坐标；
Figure FDA0002826421030000018
为与上一次转台转动前后线结构光传感器相对移动向量；
Figure FDA0002826421030000019
为初始数据坐标系下转动中心坐标向量。
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