CN113358025A - 一种线激光传感器空间位姿标定件及标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种线激光传感器空间位姿标定件及标定方法，结合齿轮测量中心接触式测量的优势和简单的几何特征标定件，通过简单易行的标定操作实现线激光传感器的精确标定。在一个标准芯轴基础上，在轴线中间位置布置一个长方体金属块，标准芯轴上下端面中心各设置一个锥形孔用于固定。该标定件的标准芯轴部分的上部分轴段S1与下部分轴段S2要求同轴度和圆柱度均为1μm。平面I与平面II的垂直度为1μm，且平面I与平面II与标准芯轴轴线的平行度均为1μm。该标定件结构简单，现有的制造工艺能够满足高精度几何特征的加工需求，与齿轮测量中心接触式测量的优势相结合，标定操作简单易行，可实现线激光传感器的精确标定。

Description

一种线激光传感器空间位姿标定件及标定方法

技术领域

本发明涉及一种线激光传感器空间位姿标定件及标定方法，特别是涉及一种基于齿轮测量中心的线激光传感器空间位姿标定件及标定方法，属于精密测量领域。

背景技术

线激光传感器在激光三角法测量领域应用广泛，可在一定的量程范围内实时获取到传感器光束零位平面与被测物体表面之间的距离，属于非接触式测量，具有快速、高精度、高效率、操作便捷等特点。线激光传感器的诸多优势方便了工业应用，其高度封装降低了对操作人员的技术要求，更加简单、便捷地实现对被测物体的精密测量。

在进行精密测量之前，精确标定线激光传感器与被测物体所在坐标系的空间位姿关系显得尤为重要，也是实现被测物体进行精确三维重构的前提。线激光传感器的标定方法往往与被测物体的几何形状和测量系统的结构密切相关。对于旋转测量机构与系统，线激光传感器的标定一般借助于标准芯轴或具有复杂几何特征的特制标定件来完成。但是基于标准芯轴的标定方法，需要多次小样本数据的拟合运算，且需要传感器的多次直线运动，都引入了多源误差的叠加；基于复杂几何特征的特制标定件的标定方法，对标定件的加工带来很大的挑战，对关键几何特征的加工精度保证和加工验收都带来了很大的难度。

基于上述线激光传感器标定的现状和问题，提出了一种基于齿轮测量中心的线激光传感器空间位姿标定件及标定方法，结合齿轮测量中心接触式测量的优势和简单的几何特征标定件，通过简单易行的标定操作实现线激光传感器的精确标定。

发明内容

本发明的目的在于针对线激光传感器现有标定方法中存在的问题，提供一种基于齿轮测量中心的线激光传感器空间位姿标定件及标定方法。

本发明所涉及的线激光传感器空间位姿标定件，如图1所示，是在一个标准芯轴基础上，在轴线中间位置布置一个长方体金属块，标准芯轴上下端面中心各设置一个锥形孔用于固定。该标定件的标准芯轴部分的上部分轴段S₁与下部分轴段S₂要求同轴度和圆柱度均为1μm。长方体金属块部分仅对相邻两个平面I和平面II有严格的要求，平面I与平面II的垂直度为1μm，且平面I与平面II与标准芯轴轴线的平行度均为1μm。

一种基于齿轮测量中心的线激光传感器空间位姿标定件进行的标定方法，具体步骤如下：

S1：基于齿轮测量中心确定标定件的位姿关系。

将标定件通过上下端面的锥形孔与齿轮测量中心的上下顶尖相配合固定在回转平台上，标定件可随齿轮测量中心回转平台的旋转随之转动，回转角度为ξ_z0。在标定件上长方体金属块的中心位置建立标定件的坐标系O₀-x₀y₀z₀，齿轮测量中心的机器坐标系为O-xyz，如图2所示。

用齿轮测量中心的接触式测头在标定件平面I中部位置接触进行测量。平面I的位置a为测量的起始点，如图2中A所示。启动测量，接触式测头仅沿齿轮测量中心的y方向移动，平面I的位置b为测量的终止点，如图2中B所示。根据接触式测头在a、b位置返回值的变化量，微动回转平台的角度ξ_z0，直至接触式测头在a、b位置处的返回值以及测量过程中的返回值不变时，固定回转平台的位置。此时，标定件的平面I与齿轮测量中心的y轴平行，标定件的平面II亦与齿轮测量中心的x轴平行。

S2：确定线激光传感器空间中绕z轴偏转的位姿关系。

利用齿轮测量中心的直线运动轴移动线激光传感器，使得测量光束平面照射在标定件的平面II上，且处于传感器的有效测量范围内。此时，线激光传感器可通过角度微动平台绕z轴进行角度ξ_z偏转，如图3所示。

通过线激光传感器获取到被测平面II的一组测点组合L₀＝{l₀，l₁，…，l_i，…，l_n}，其中l_i表示线激光传感器到被测物体表面的距离，n表示测点的点数。计算测点两端的数据的变化ΔL₀＝l_n-[n/N]-l_[n/N]，其中N的取值根据线激光传感器的有效测量区域决定。微调绕z轴偏转角度ξ_z，同时观测ΔL₀的变化，直至ΔL₀等于零为止。此时，线激光传感器空间中绕z轴的偏转位姿即调整至中间零点位置。

S3：确定线激光传感器空间中绕x轴偏转的位姿关系。

在S2基础上固定绕z轴的偏转角度ξ_z，此时线激光传感器可通过角度微动平台绕x轴进行角度ξ_x偏转，如图4所示。

将线激光传感器沿y轴平移固定距离Δy，通过线激光传感器获取到被测平面II的一组测点L₁＝{l₁₀，l₁₁，…，l_1i，…，l_1n}的变化值ΔL₁，比较Δy和ΔL₁的大小，其中l_1i表示线激光传感器到被测物体表面的距离，1n表示测点的点数。根据比较结果，微调绕x轴偏转角度ξ_x，同时再次观测Δy与ΔL₁的大小变化，直至两者相等为止。此时，线激光传感器空间中绕x轴的偏转位姿即调整至中间零点位置。

S4：确定线激光传感器空间中绕y轴偏转的位姿关系。

在S3基础上固定绕x轴的偏转角度ξ_x，将线激光传感器沿z轴平移一段距离，使得传感器测量光束平面照射在标定件的标准芯轴S₁轴段上。此时，线激光传感器可通过角度微动平台绕y轴进行角度ξ_y偏转，如图5所示。

通过线激光传感器获取到被测标准芯轴S₁轴段的一组测点L₂＝{l₂₀，l₂₁，…，l_2i，…，l_2n}，其中l_2i表示线激光传感器到被测物体表面的距离，2n表示测点的点数。根据测点拟合椭圆，计算拟合椭圆的长轴和短轴。根据比较结果，微调绕y轴偏转角度ξ_y，同时观测测点所拟合椭圆长轴和短轴的变化，直至椭圆的长轴和短轴相等为止。此时，线激光传感器空间中绕y轴的偏转位姿即调整至中间零点位置。

至此，线激光传感器空间位姿关系确定，标定完毕。

本发明提供一种基于齿轮测量中心的线激光传感器空间位姿标定件及标定方法。该标定件结构简单，现有的制造工艺能够满足高精度几何特征的加工需求，与齿轮测量中心接触式测量的优势相结合，标定操作简单易行，可实现线激光传感器的精确标定。

附图说明

图1标定件示意图。

图2基于齿轮测量中心的标定件位姿关系示意图。

图3线激光传感器绕z轴偏转的空间位姿调整示意图。

图4线激光传感器绕x轴偏转的空间位姿调整示意图。

图5线激光传感器绕y轴偏转的空间位姿调整示意图。

图中：1、标定件，2、齿轮测量中心的接触式测头，3、线激光传感器，4、连接机构，5、三维角度微动平台，501、绕z轴偏转的角度微动平台，502、绕x轴偏转的角度微动平台，503、绕y轴偏转的角度微动平台。

具体实施方式

以下结合具体加工实例对本发明进行说明：

本发明所涉及的线激光传感器空间位姿标定件，如图1所示，是在一个标准芯轴基础上，在轴线中间位置布置一个长方体金属块，标准芯轴上下端面中心各设置一个锥形孔用于固定。该标定件的标准芯轴部分的上部分轴段S1与下部分轴段S2要求同轴度和圆柱度均为1μm。长方体金属块部分仅对相邻两个平面I和II有严格的要求，平面I与平面II的垂直度为1μm，且平面I与平面II两平面与标准芯轴轴线的平行度均为1μm。

线激光传感器3通过连接机构4与三维角度微动平台5相连接，三维角度微动平台5包括绕z轴偏转的角度微动平台501，绕x轴偏转的角度微动平台502，绕y轴偏转的角度微动平台503。

三维角度微动平台5与齿轮测量中心的直线移动轴相连接，可实现线激光传感器3在空间内的三维直线移动。

一种基于齿轮测量中心的线激光传感器空间位姿标定件及标定方法，具体步骤如下：

S1：基于齿轮测量中心确定标定件的位姿关系。

将标定件1通过上下端面的锥形孔与齿轮测量中心的上下顶尖相配合固定在回转平台上，标定件1可随齿轮测量中心回转平台的旋转随之转动，回转角度为ξ_z0。在标定件1上长方体金属块的中心位置建立标定件的坐标系O₀-x₀y₀z₀，齿轮测量中心的机器坐标系为O-xyz，如图2所示。

用齿轮测量中心的接触式测头2在标定件1的平面I中部位置接触进行测量。平面I的位置a为测量的起始点，如图2中A所示。启动测量，接触式测头2仅沿齿轮测量中心的y方向移动，平面I的位置b为测量的终止点，如图2中B所示。根据接触式测头2在a、b位置返回值的变化量，微动回转平台的角度ξ_z0。重复上述过程，直至接触式测头2在a、b位置返回值以及测量过程中的返回值不变时，固定回转平台的位置。此时，标定件1的平面I与齿轮测量中心的y轴平行，标定件1的平面II亦与齿轮测量中心的x轴平行。

S2：确定线激光传感器空间中绕z轴偏转的位姿关系。

利用齿轮测量中心的直线运动轴移动线激光传感器3，使得测量光束平面照射在标定件1的平面II上，且处于传感器的有效测量范围内。此时，线激光传感器3可通过角度微动平台501绕z轴进行角度ξ_z偏转，如图3所示。

通过线激光传感器3获取到被测平面II的一组测点组合L₀＝{l₀，l₁，…，l_i，…，l_n}，其中l_i表示线激光传感器到被测物体表面的距离，n表示测点的点数。计算测点两端的数据的变化ΔL₀＝l_n-[n/N]-l_[n/N]，其中N的取值根据线激光传感器3的有效测量区域决定。微调绕z轴偏转平台501的角度ξ_z，同时观测ΔL₀的变化，直至ΔL₀等于零为止。此时，线激光传感器3空间中绕z轴的偏转位姿即调整至中间零点位置。

S3：确定线激光传感器空间中绕x轴偏转的位姿关系。

在S2基础上固定建立绕z轴角度微动平台501的偏转角度ξ_z，此时线激光传感器3可通过角度微动平台502绕x轴进行角度ξ_x偏转，如图4所示。

将线激光传感器3沿y轴平移固定距离Δy，通过线激光传感器3获取到被测平面II的一组测点L₁＝{l₁₀，l₁₁，…，l_1i，…，l_1n}的变化值ΔL₁，比较Δy和ΔL₁的大小，其中l_1i表示线激光传感器到被测物体表面的距离，1n表示测点的点数。根据比较结果，微调绕x轴偏转平台502的角度ξ_x，同时观测Δy与ΔL₁的大小变化，直至两者相等为止。此时，线激光传感器3空间中绕x轴的偏转位姿即调整至中间零点位置。

S4：确定线激光传感器空间中绕y轴偏转的位姿关系。

在S3基础上固定建立绕x轴角度微动平台502的偏转角度ξ_x，将线激光传感器3沿z轴平移一段距离，使得传感器测量光束平面照射在标定件1的标准芯轴S₁轴段上。此时，线激光传感器3可通过角度微动平台503绕y轴进行角度ξ_y偏转，如图5所示。

通过线激光传感器3获取到被测标准芯轴S₁轴段的一组测点L₂＝{l₂₀，l₂₁，…，l_2i，…，l_2n}，其中l_2i表示线激光传感器到被测物体表面的距离，2n表示测点的点数。根据测点拟合椭圆，计算拟合椭圆的长轴和短轴。根据比较结果，微调绕y轴偏转平台503的角度ξ_y，同时观测测点所拟合椭圆长轴和短轴的变化，直至椭圆的长轴和短轴相等为止。此时，线激光传感器3空间中绕y轴的偏转位姿即调整至中间零点位置。

至此，线激光传感器空间位姿关系确定，标定完毕。

本发明提供一种基于齿轮测量中心的线激光传感器空间位姿标定件及标定方法。该标定件结构简单，现有的制造工艺能够满足高精度几何特征的加工需求，与齿轮测量中心接触式测量的优势相结合，标定操作简单易行，可实现线激光传感器的精确标定。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (3)

1.一种线激光传感器空间位姿标定件，其特征在于：在一个标准芯轴基础上，在轴线中间位置布置一个长方体金属块，标准芯轴上下端面中心各设置一个锥形孔用于固定；该标定件的标准芯轴部分的上部分轴段S₁与下部分轴段S₂要求同轴度和圆柱度均为1μm。

2.根据权利要求1所述的一种线激光传感器空间位姿标定件，其特征在于：长方体金属块部分仅对相邻两个平面I和平面II垂直度为1μm，且平面I与平面II与标准芯轴轴线的平行度均为1μm。

3.利用权利要求1或2所述标定件进行的一种基于齿轮测量中心的线激光传感器空间位姿标定件进行的标定方法，其特征在于：该方法的具体步骤如下：

S1：基于齿轮测量中心确定标定件的位姿关系；

将标定件通过上下端面的锥形孔与齿轮测量中心的上下顶尖相配合固定在回转平台上，标定件可随齿轮测量中心回转平台的旋转随之转动，回转角度为ξ_z0；在标定件上长方体金属块的中心位置建立标定件的坐标系O₀-x₀y₀z₀，齿轮测量中心的机器坐标系为O-xyz；

用齿轮测量中心的接触式测头在标定件平面I中部位置接触进行测量；平面I的位置a为测量的起始点；启动测量，接触式测头仅沿齿轮测量中心的y方向移动，平面I的位置b为测量的终止点；根据接触式测头在a、b位置返回值的变化量，微动回转平台的角度ξ_z0，直至接触式测头在a、b位置处的返回值以及测量过程中的返回值不变时，固定回转平台的位置；标定件的平面I与齿轮测量中心的y轴平行，标定件的平面II亦与齿轮测量中心的x轴平行；

S2：确定线激光传感器空间中绕z轴偏转的位姿关系；

利用齿轮测量中心的直线运动轴移动线激光传感器，使得测量光束平面照射在标定件的平面II上，且处于传感器的有效测量范围内；线激光传感器可通过角度微动平台绕z轴进行角度ξ_z偏转；

通过线激光传感器获取到被测平面II的一组测点组合L₀＝{l₀，l₁，…，l_i，…，l_n}，其中l_i表示线激光传感器到被测物体表面的距离，n表示测点的点数；计算测点两端的数据的变化ΔL₀＝l_n-[n/N]-l_[n/N]，其中N的取值根据线激光传感器的有效测量区域决定；微调绕z轴偏转角度ξ_z，观测ΔL₀的变化，直至ΔL₀等于零为止；此时，线激光传感器空间中绕z轴的偏转位姿即调整至中间零点位置；

S3：确定线激光传感器空间中绕x轴偏转的位姿关系；

在S2基础上固定绕z轴的偏转角度ξ_z，线激光传感器通过角度微动平台绕x轴进行角度ξ_x偏转；

将线激光传感器沿y轴平移固定距离Δy，通过线激光传感器获取到被测平面II的一组测点L₁＝{l₁₀，l₁₁，…，l_1i，…，l_1n}的变化值ΔL₁，比较Δy和ΔL₁的大小，其中l_1i表示线激光传感器到被测物体表面的距离，1n表示测点的点数；根据比较结果，微调绕x轴偏转角度ξ_x，同时再次观测Δy与ΔL₁的大小变化，直至两者相等为止；此时，线激光传感器空间中绕x轴的偏转位姿即调整至中间零点位置；

S4：确定线激光传感器空间中绕y轴偏转的位姿关系；

在S3基础上固定绕x轴的偏转角度ξ_x，将线激光传感器沿z轴平移一段距离，使得传感器测量光束平面照射在标定件的标准芯轴S₁轴段上；线激光传感器通过角度微动平台绕y轴进行角度ξ_y偏转；

通过线激光传感器获取到被测标准芯轴S₁轴段的一组测点L₂＝{l₂₀，l₂₁，…，l_2i，…，l_2n}，其中l_2i表示线激光传感器到被测物体表面的距离，2n表示测点的点数；根据测点拟合椭圆，计算拟合椭圆的长轴和短轴；根据比较结果，微调绕y轴偏转角度ξ_y，观测测点所拟合椭圆长轴和短轴的变化，直至椭圆的长轴和短轴相等为止；线激光传感器空间中绕y轴的偏转位姿即调整至中间零点位置；

线激光传感器空间位姿关系确定，标定完毕。

Images