CN112729119A - 一种基准坐标动态补偿的测量设备及坐标动态补偿方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基准坐标动态补偿的测量设备及坐标动态补偿方法，设备包括底座、二维基准板、定位影像系统、测量系统和控制器，所述二维基准板、定位影像系统和测量系统自下而上依次设置，所述定位影像系统和测量系统均与所述控制器电讯连接；其中，所述定位影像系统瞄准二维基准板，捕捉二维基准板上的图案，实时获取所述测量系统在二维基准板坐标系中的位置并反馈给控制器，以此实时补偿测量系统的基准坐标；所述测量系统瞄准被测件，基于实时补偿而修正的基准坐标捕捉被测特征，进行几何尺寸测量。以二维基准板为测量基准，利用定位影像系统实时反馈位置信息，测量系统捕捉被测特征，完成几何尺寸测量。
Description
技术领域
本发明属于坐标测量技术领域，具体涉及一种利用二维基准板进行动态实时补偿的坐标测量方法。
背景技术
现代制造业生产过程中，零部件的几何尺寸测量是不可或缺的重要环节。坐标测量仪是广泛应用的几何尺寸测量设备，包括配置接触式探针的三坐标测量仪和配置影像测头的影像测量仪。
其中，XY二维运动系统是坐标测量仪的基本配置，通常为两个一维运动系统的叠加，每个一维运动系统均采用光栅尺或磁栅尺作为反馈元件。
然而，在坐标测量仪的生产过程中，需要对XY运动系统进行精密调整装配，并进行定位精度、直线度、垂直度等几何误差的检定与补偿，延长了生产周期；而且，在影像仪的使用过程中，设备精度可能发生变化，需要对上述几何误差进行重新检定与补偿。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基准坐标动态补偿的测量设备及坐标动态补偿方法，其能解决在坐标测量仪生产及使用过程中需进行几何误差检定与补偿的问题。
本发明的目的采用以下技术方案实现：
一种基准坐标动态补偿的测量设备，设备包括底座、二维基准板、定位影像系统、测量系统和控制器，所述二维基准板、定位影像系统和测量系统自下而上依次设置，所述定位影像系统和测量系统均与所述控制器电讯连接；其中，所述定位影像系统瞄准二维基准板，捕捉二维基准板上的图案，实时获取所述测量系统在二维基准板坐标系中的位置并反馈给控制器，以此实时补偿测量系统的基准坐标；所述测量系统瞄准被测件，基于实时补偿而修正的基准坐标捕捉被测特征，进行几何尺寸测量。
优选的，所述二维基准板采用低温度膨胀系数的玻璃或陶瓷材质。
优选的，所述测量系统包括Y轴导轨、立柱、X轴横梁、Z轴底板、Z轴滑台、和测量相机组件；两根Y轴导轨平行的设置在底座两侧，两根立柱的底部匹配的设置在两根Y轴导轨上；所述X轴横梁的底面两端部固定设置在两根所述立柱的顶部；在所述X轴横梁上设置被控的沿X轴向移动的Z轴底板，在所述Z轴底板上设置被控的沿Z轴向移动的Z轴滑台，所述测量相机组件设置在所述Z轴滑台上；以此实现测量相机组件在X、Y和Z轴向相对于所述二维基准板可控的移动。
优选的，所述Z轴滑台为L型，Z轴滑台的X板的背面通过滑轨和Z轴电机驱动的安装在所述Z轴底板上；Z轴滑台的Y板安装所述测量相机组件。
优选的，所述测量相机组件包括测量相机、微调电机、连接筒、远心镜头和测量光源；其中，在所述测量相机和远心镜头之间设置弹性伸缩的连接筒；所述测量相机由所述微调电机驱动的上下移动以调节与远心镜头之间的距离；所述测量光源设置在所述远心镜头侧边下方。
优选的，所述测量相机组件还包括复检相机，所述复检相机设置在测量相机侧边，并共用所述测量光源。
优选的，所述定位影像系统包括下横梁、下光源和定位相机组件；其中，所述下横梁的两端高度可调的设置在两根立柱之间；所述定位相机组件设置在所述下横梁上，并可控的沿着所述下横梁在X轴向移动；所述下光源移动设置在所述定位相机组件上方的下横梁梁体上。
优选的，所述定位相机组件包括定位相机、伺服电机、丝杆单元，所述丝杆单元水平的设置在所述下横梁上，并由所述伺服电机驱动，所述定位相机设置在所述丝杠单元上驱动的沿丝杆移动。
本发明还提供了一种应用前述测量设备的坐标动态补偿方法，方法包括：
S1获取定位影像坐标系原点Op在二维基准板提供的基准坐标系XsOsYs中的位置Pr，Pr＝n*l；其中n为定位影像系统的伺服电机转动圈数，l为丝杆导程。
S2定位原点修正，定位影像坐标系原点Op的修正坐标为Pa，Pa＝Pr+Par；其中，修正坐标Pa为定位影像坐标系原点Op在基准板坐标系中的矢量坐标，Par为定位影像中一个基准板图案的圆心在定位影像坐标系中的矢量坐标，即定位偏移量。
S3测量坐标转化，包括：
S31标定定位影像系统XpOpYp与测量影像系统XvOvYv的内参和畸变，将图像坐标转化成物理坐标。
S32通过标定获得定位影像系统和测量影像系统之间变换矩阵M1，
其中，Pv为测量影像坐标系XvOvYv中一个测量特征点的坐标，Pp为该点在定位影像坐标系XpOpYp中的坐标，θ为两坐标系XvOvYv与XpOpYp的X轴的夹角，a、b为原点Ov在XpOpYp中的坐标。
S33将Pp点变换到基准板坐标系Ps，从而可获得测量影像系统XvOvYv中被测特征在基准坐标系XsOsYs中的位置，实现几何尺寸测量；
其中，M2为由定位影像坐标系XpOpYp向基准板坐标系XsOsYs的变换矩阵，α为两坐标系偏角，由定位影像坐标系内参标定获得；Pax、Pay为定位影像坐标系原点Op在基准板坐标系中的矢量坐标Pa的x、y分量。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：
1)坐标测量仪在生产过程中，XY系统不需进行几何误差检定及补偿，提高了生产效率；
2)坐标测量仪在使用过程中，XY系统不需进行几何误差检定及补偿，提高了可靠性；
3)所用二维基准板可用玻璃或陶瓷材质，温度膨胀系数低，提高了测量精度的稳定性；
4)用二维基准板替代了XY轴光栅尺、读数头电子器件，简化了系统，降低了生产成本；
5)XY轴可采用开环控制方式，降低了对控制系统的要求，定位时间减少，提高了测量效率；
6)XY轴定位精度、直线度、垂直度要求降低，有利于降低整机成本。
附图说明
图1为本发明测量设备的示意图；
图2为测量影像系统的结构示意图；
图3为二维基准板的一个实例示意图及部分放大图；
图4为基准坐标系XsOsYs、定位坐标系XpOpYp和测量系统图像坐标系XvOvYv的关系示意图。
图中：
1、底座；
2、Y轴导轨；
3、立柱；
4、X轴横梁
5、Z轴底板；
6、Z轴滑台；
7、测量影像系统；71、测量相机；72、微调电机；73、连接筒；74、远心镜头；75、测量光源；
8、测量影像系统的下光源；
9、第二横梁；
10、二维基准板；
11、定位影像系统。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
一种基准坐标动态补偿的测量设备，参见图1设备包括底座1、二维基准板10、定位影像系统、测量系统和控制器。
整体布局或连接关系：二维基准板10、定位影像系统和测量系统自下而上依次设置，所述定位影像系统和测量系统均与所述控制器电讯连接。
其中，所述二维基准板10采用低温度膨胀系数的玻璃或陶瓷材质，提高稳定性和测量精度。
其中，所述定位影像系统瞄准二维基准板，捕捉二维基准板上的图案，实时获取所述测量系统在二维基准板坐标系中的位置并反馈给控制器，以此实时补偿测量系统的基准坐标；
所述测量系统瞄准被测件，基于实时补偿而修正的基准坐标捕捉被测特征，进行几何尺寸测量。
设备以二维基准板10为测量基准，利用定位影像系统实时反馈位置信息，测量系统捕捉被测特征，完成几何尺寸测量。
进一步的，所述测量系统包括Y轴导轨2、立柱3、X轴横梁4、Z轴底板5、Z轴滑台6、和测量相机组件7。
其中，两根Y轴导轨2平行的设置在底座1两侧，两根立柱3的底部匹配的设置在两根Y轴导轨2上；所述X轴横梁4的底面两端部固定设置在两根所述立柱3的顶部；在所述X轴横梁4上设置被控的沿X轴向移动的Z轴底板5，在所述Z轴底板5上设置被控的沿Z轴向移动的Z轴滑台6，所述测量相机组件7设置在所述Z轴滑台6上；以此实现测量相机组件7在X、Y和Z轴向相对于所述二维基准板10可控的移动。
其中，立柱3和X轴横梁4可一体形成，采用大理石、玻璃或陶瓷材质材质等，它们温度系数低，增强系统精度和稳定性。
参见图2，一个实施例中，所述Z轴滑台6为L型，Z轴滑台6的X板的背面通过滑轨和Z轴电机驱动的安装在所述Z轴底板5上；Z轴滑台6的Y板安装所述测量相机组件7。
当然，Z轴滑台6可以为平板式或其他形状，只要利于安装和调整即可。
进一步的，测量相机组件7包括测量相机71、微调电机72、连接筒73、远心镜头74和测量光源75(参见图2)；其中，在所述测量相机71和远心镜头74之间设置弹性伸缩的连接筒73；所述测量相机71由所述微调电机72驱动的上下移动以调节与远心镜头74之间的距离；所述测量光源75设置在所述远心镜头74侧边下方。
其中，测量相机71可以采用CCD相机，TDI(时间延迟积分传感器)集成相机等，并由控制器的图像处理单元进行数据处理。
在控制器控制下，微调电机72驱动测量相机71沿着滑轨上下移动。
连接筒73采用弹性波纹管等，起到防尘避光作用。
进一步的，所述测量相机组件7还包括复检相机，所述复检相机设置在测量相机71侧边，并共用所述测量光源75。
其中，所述二维基准板10采用低温度膨胀系数的玻璃或陶瓷材质，参见图3，图案为间距为0.3mm、直径为0.1mm的圆。
进一步的，所述定位影像系统包括下横梁9、下光源8和定位相机组件11；其中，所述下横梁9的两端高度可调的设置在两根立柱3之间；所述定位相机组件11设置在所述下横梁9上，并可控的沿着所述下横梁9在X轴向移动；所述下光源8移动设置在所述定位相机组件11上方的下横梁9梁体上。
其中，定位相机组件11包括定位相机、伺服电机、丝杆单元(图未示)，所述丝杆单元水平的设置在所述下横梁9上，并由所述伺服电机驱动，所述定位相机设置在所述丝杠单元上驱动的沿丝杆移动。
除了上述丝杠单元驱动，还可以采用直线电机等驱动。
实施例二
针对前述测量设备，其坐标动态补偿方法或原理如下。
XY运动采用开环控制模式，交流伺服电机驱动、滚珠丝杆传统，丝杆导程为l。首先，由交流伺服电机转动圈数n和丝杆导程l粗略得知定位影像坐标系原点Op在基准坐标系XsOsYs中的位置Pr，Pr＝n×l。
再利用定位影像系统进行修正，Pa＝Pr+Par。
其中，Pa为定位影像坐标系原点Op在基准板坐标系中的矢量坐标，Par为定位影像中一个基准板图案的圆心在定位影像坐标系中的矢量坐标，即定位偏移量，由XY定位误差、直线度、垂直度等几何误差引起。
坐标测量仪组装完成后，定位影像系统XpOpYp与测量影像系统XvOvYv的相对位置关系既已固定，首先标定两个影像系统的内参和畸变，将图像坐标转化成物理坐标；在通过标定获得定位影像系统和测量影像系统之间变换矩阵M1，
其中Pv为测量影像坐标系XvOvYv中一个测量特征点的坐标，Pp为该点在定位影像坐标系XpOpYp中的坐标，θ为两坐标系XvOvYv与XpOpYp的X轴的夹角，a、b为原点Ov在XpOpYp中的坐标。
之后，再将Pp点变换到基准板坐标系Ps，
其中，M2为由定位影像坐标系XpOpYp向基准板坐标系XsOsYs的变换矩阵，α为两坐标系偏角，由定位影像坐标系内参标定获得；Pax、Pay为定位影像坐标系原点Op在基准板坐标系中的矢量坐标Pa的x、y分量(参加图4的关系)。
从而可获得测量影像系统XvOvYv中被测特征在基准坐标系XsOsYs中的位置，进而，实现几何尺寸测量。
本设备和方法可广泛应用于坐标测量仪、影像测量仪、影像检测仪等检测或测量设备中。
Claims (9)
1.一种基准坐标动态补偿的测量设备，其特征在于：设备包括底座(1)、二维基准板(10)、定位影像系统、测量系统和控制器，所述二维基准板(10)、定位影像系统和测量系统自下而上依次设置，所述定位影像系统和测量系统均与所述控制器电讯连接；
其中，所述定位影像系统瞄准二维基准板，捕捉二维基准板上的图案，实时获取所述测量系统在二维基准板坐标系中的位置并反馈给控制器，以此实时补偿测量系统的基准坐标；
所述测量系统瞄准被测件，基于实时补偿而修正的基准坐标捕捉被测特征，进行几何尺寸测量。
2.根据权利要求1所述的测量设备，其特征在于：所述测量系统包括Y轴导轨(2)、立柱(3)、X轴横梁(4)、Z轴底板(5)、Z轴滑台(6)、和测量相机组件(7)；
两根Y轴导轨(2)平行的设置在底座(1)两侧，两根立柱(3)的底部匹配的设置在两根Y轴导轨(2)上；所述X轴横梁(4)的底面两端部固定设置在两根所述立柱(3)的顶部；在所述X轴横梁(4)上设置被控的沿X轴向移动的Z轴底板(5)，在所述Z轴底板(5)上设置被控的沿Z轴向移动的Z轴滑台(6)，所述测量相机组件(7)设置在所述Z轴滑台(6)上；以此实现测量相机组件(7)在X、Y和Z轴向相对于所述二维基准板(10)可控的移动。
3.根据权利要求2所述的测量设备，其特征在于：所述Z轴滑台(6)为L型，Z轴滑台(6)的X板的背面通过滑轨和Z轴电机驱动的安装在所述Z轴底板(5)上；Z轴滑台(6)的Y板安装所述测量相机组件(7)。
4.根据权利要求3所述的测量设备，其特征在于：所述测量相机组件(7)包括测量相机(71)、微调电机(72)、连接筒(73)、远心镜头(74)和测量光源(75)；其中，在所述测量相机(71)和远心镜头(74)之间设置弹性伸缩的连接筒(73)；所述测量相机(71)由所述微调电机(72)驱动的上下移动以调节与远心镜头(74)之间的距离；所述测量光源(75)设置在所述远心镜头(74)侧边下方。
5.根据权利要求4所述的测量设备，其特征在于：所述测量相机组件(7)还包括复检相机，所述复检相机设置在测量相机(71)侧边，并共用所述测量光源(75)。
6.根据权利要求1所述的测量设备，其特征在于：所述二维基准板(10)采用低温度膨胀系数的玻璃或陶瓷材质。
7.根据权利要求2所述的测量设备，其特征在于：所述定位影像系统包括下横梁(9)、下光源(8)和定位相机组件(11)；其中，所述下横梁(9)的两端高度可调的设置在两根立柱(3)之间；所述定位相机组件(11)设置在所述下横梁(9)上，并可控的沿着所述下横梁(9)在X轴向移动；所述下光源(8)移动设置在所述定位相机组件(11)上方的下横梁(9)梁体上。
8.根据权利要求7所述的测量设备，其特征在于：所述定位相机组件(11)包括定位相机、伺服电机、丝杆单元，所述丝杆单元水平的设置在所述下横梁(9)上，并由所述伺服电机驱动，所述定位相机设置在所述丝杠单元上驱动的沿丝杆移动。
9.一种应用于权利要求1-8任一项所述测量设备的坐标动态补偿方法，其特征在于，方法包括：
S1获取定位影像坐标系原点Op在二维基准板(10)提供的基准坐标系XsOsYs中的位置Pr，Pr＝n*l；其中n为定位影像系统的伺服电机转动圈数，l为丝杆导程；
S2定位原点修正，定位影像坐标系原点Op的修正坐标为Pa，Pa＝Pr+Par；
其中，修正坐标Pa为定位影像坐标系原点Op在基准板坐标系中的矢量坐标，Par为定位影像中一个基准板图案的圆心在定位影像坐标系中的矢量坐标，即定位偏移量；
S3测量坐标转化，
S31标定定位影像系统XpOpYp与测量影像系统XvOvYv的内参和畸变，将图像坐标转化成物理坐标；
S32通过标定获得定位影像系统和测量影像系统之间变换矩阵M1，
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20210430 |