CN114111578A - 一种大口径元件的位姿自动确定方法 - Google Patents

Abstract

一种大口径元件的位姿自动确定方法，涉及工程光学技术领域，用以解决由于机床上元件夹具的定位精度有限导致元件位姿不确定的问题。本发明的技术要点包括：对机床上当前位姿的元件采集多个图像，并对多个图像进行处理，获得元件上任意点相对于机床坐标系下其标定位姿的平移误差和偏转误差，其中，平移误差包括X、Y、Z轴平移误差，偏转误差包括X、Y轴偏转误差；根据平移误差和偏转误差计算获得元件的标定位姿。本发明解决了由于夹具定位精度有限造成的元件位姿不确定的问题，获取了元件上的点移动到机床上任意工位的标定坐标，为后续缺陷点的定位和修复提供了准确的位置参考。

Description

一种大口径元件的位姿自动确定方法

技术领域

本发明涉及工程光学技术领域，具体涉及一种大口径元件的位姿自动确定方法。

背景技术

高功率固体激光装置中的大口径光学元件在强激光辐照下很容易产生表面损伤，这些损伤如果不能得到及时修复就会在后续激光辐照下加速扩展，最终导致元件报废。为提高元件的使用寿命，工程上采用CO₂激光修复方式对受损伤元件进行离线修复，研究表明该修复方式能够有效提高材料的损伤阈值、抑制表面缺陷的增长，而且不影响元件的通光性能。修复后的元件可装载到回路中继续使用，节约了装置的维护成本。

在进行离线修复时，需要将元件下架并安装到检测修复平台上。由于装夹精度有限，元件每次安装后的位姿不固定，存在一定的平移和偏转，如图1所示。而检测和修复过程对元件表面位置的精度要求很高，因此在完成元件的安装后需要对元件的位姿进行重新确定。

位姿检测方法有接触式和非接触式两种，高功率激光装置对元件表面质量要求很高，接触式测量会对元件产生二次损伤，因此工程上一般采用非接触方式对光学元件位姿进行检测。机器视觉是非接触式位姿检测的常用方法，包括单目相机检测、多目相机检测、三维激光雷达点云检测等。单目相机检测结构简单、易于标定、成本低，但无法获取深度信息；多目相机和激光雷达检测虽然可以获得元件的三维信息，但结构复杂、效率低且成本较高。

发明内容

鉴于以上问题，本发明提出一种大口径元件的位姿自动确定方法，用以解决由于机床上元件夹具的定位精度有限导致元件位姿不确定的问题，本发明用于确定机床上元件安装的标定位姿。

一种大口径元件的位姿自动确定方法，包括以下步骤：

步骤一、对机床上当前位姿的元件采集多个图像，并对多个图像进行处理，获得元件上任意点相对于机床坐标系下其标定位姿的平移误差和偏转误差；

步骤二、根据所述平移误差和偏转误差计算获得元件的标定位姿。

进一步地，所述元件包括平面元件和非球面元件两类，元件的横截面为规则矩形，以元件几何中心为原点建立标准坐标系；其中，平面元件对应建立的标准坐标系坐标轴方向为：X、Y轴互相垂直且平行于元件的横截面矩形边缘，Z轴垂直于元件表面；其对应的标准方程为：

z＝0

非球面元件对应建立的标准坐标系坐标轴方向为：X、Y轴互相垂直且平行于元件的横截面矩形边缘，Z轴方向为原点法线方向；其对应的标准方程为：

式中，c表示顶点曲率；k表示圆锥度。

进一步地，所述平移误差包括X、Y、Z轴平移误差；所述偏转误差包括X、Y轴偏转误差。

进一步地，步骤一中获得元件上任意点相对于机床坐标系下其标定位姿的X、Y轴平移误差的过程包括：

步骤一一、将元件的多个边缘部位分别移动到相机采集范围内，采集多个边缘部位对应的多个边缘图像；

步骤一二、对多个边缘图像分别进行图像处理和坐标转换处理，获取元件多个边缘中点在机床坐标系下的坐标；

步骤一三、根据多个边缘中点在机床坐标系下的坐标计算获得元件几何中心点坐标，即为元件上任意点相对于机床坐标系下其标定位姿的X、Y轴平移误差。

进一步地，步骤一二中元件多个边缘中点在机床坐标系下的坐标包括：

左边缘中点在机床坐标系下X轴坐标X'_L为：

X'_L＝X_L+k_pixel△X_L

式中，X_L为预先标定的左边缘中点的X轴坐标；k_pixel为标定后图像中单个像素所代表的实际尺寸；△X_L为左边缘中点与图像中心线之间的像素距离；

右边缘中点在机床坐标系下X轴坐标X'_R为：

X'_R＝X_R+k_pixel△X_R

式中，X_R为预先标定的右边缘中点的X轴坐标；△X_R为右边缘中点与图像中心线之间的像素距离；

上边缘中点在机床坐标系下Y轴坐标Y'_T为：

Y'_T＝Y_T+k_pixel△Y_T

式中，Y_T为预先标定的上边缘中点的Y轴坐标；△Y_T为上边缘中点与图像中心线之间的像素距离；

下边缘中点在机床坐标系下Y轴坐标Y'_D为：

Y'_D＝Y_D+k_pixel△Y_D

式中，Y_D为预先标定的下边缘中点的Y轴坐标；△Y_D为下边缘中点与图像中心线之间的像素距离。

进一步地，步骤一三中按照下式计算获得元件几何中心点坐标(x₀,y₀)：

进一步地，步骤一中获得元件上任意点相对于机床坐标系下其标定位姿的Z轴平移误差的过程包括：

首先，通过测距仪对元件几何中心点进行测距，获得中心点距离值l；

然后，根据下式计算获得元件上任意点相对于机床坐标系下其标定位姿的Z轴平移误差t_z：

t_z＝l+z₀-l₀

式中，z₀表示测距仪测距时在机床坐标系下的Z轴坐标；l₀表示相机和测距仪在Z轴方向的距离差。

进一步地，步骤一中获得元件上任意点相对于机床坐标系下其标定位姿X、Y轴偏转误差的过程包括：

首先，通过测距仪对元件的多个边缘角点进行测距，获得多个边缘角点测距值；

然后，根据多个边缘角点测距值，采用最小二乘法拟合获得元件上任意点相对于机床坐标系下其标定位姿X轴的偏转误差α、Y轴的偏转误差β。

进一步地，步骤一中元件上任意点相对于机床坐标系X、Y轴的偏转误差α和β由下式计算获得：

式中，i＝1、2、3、4表示四个边缘角点；m、n分别表示边缘角点在水平和竖直方向偏离元件几何中心点的距离；(x_i,y_i)表示边缘角点相对于元件几何中心点的坐标；z₁、z₂、z₃、z₄表示四个边缘角点的测距值。

进一步地，步骤二中根据下式计算获得元件的标定位姿(x,y,z)：

式中，(x′,y′)表示元件在标准坐标系下的坐标；(x₀,y₀)表示元件上任意点相对于机床坐标系下其标定位姿的X、Y轴平移误差；t_z表示元件上任意点相对于机床坐标系下其标定位姿的Z轴平移误差；f(x′,y′)表示元件的标准方程。

本发明的有益技术效果是：

本发明提出一种大口径元件的位姿自动确定方法，该方法采用单目相机寻边与光谱共焦测距相结合的方法对大口径元件进行位姿检测，弥补了单目相机无法获取深度信息的不足，提高了检测精度。

本发明首先通过自动寻边获得了元件几何中心坐标，实现了安装过程中X、Y轴方向平移误差的获取；然后通过测距拟合获取安装过程中X、Y轴方向的偏转误差和Z轴方向的平移误差，实现了元件表面方程的拟合。本发明解决了由于夹具定位精度有限造成的元件位姿不确定的问题，获取了元件上的点移动到各工位的机床坐标，为后续缺陷点的定位和修复提供了准确的位置参考；通过和电控的运动平台结合实现了位姿的自动化确定，避免了人工干预，位姿确定效率大大提升且有效避免了人工操作易出错的问题。

附图说明

本发明可以通过参考下文中结合附图所给出的描述而得到更好的理解，所述附图连同下面的详细说明一起包含在本说明书中并且形成本说明书的一部分，而且用来进一步举例说明本发明的优选实施例和解释本发明的原理和优点。

图1是元件安装过程中位姿变化示意图；

图2是本发明实施例中元件位姿确定装置结构示意图；

图3是本发明实施例中平面元件和非球面元件三维模型示意图；其中，图(a)对应平面元件，图(b)对应非球面元件；

图4是本发明实施例中元件的寻边路径示例图；

图5是本发明实施例中元件边缘显微图像示意图；

图6是本发明实施例中元件左边缘检测结果示例图；

图7是本发明实施例中元件拟合测距示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，在下文中将结合附图对本发明的示范性实施方式或实施例进行描述。显然，所描述的实施方式或实施例仅仅是本发明一部分的实施方式或实施例，而不是全部的。基于本发明中的实施方式或实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式或实施例，都应当属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供一种大口径元件的位姿自动确定方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、对机床上当前位姿的元件采集多个图像，并对多个图像进行处理，获得元件上任意点相对于机床坐标系下其标定位姿的平移误差和偏转误差；

步骤二、根据平移误差和偏转误差计算获得元件的标定位姿。

本实施例中，可选的，元件包括平面元件和非球面元件两类，元件的横截面为规则矩形，以元件几何中心为原点建立标准坐标系；其中，

平面元件对应建立的标准坐标系坐标轴方向为：X、Y轴互相垂直且平行于元件的横截面矩形边缘，Z轴垂直于元件表面；其对应的标准方程为：

z＝0

非球面元件对应建立的标准坐标系坐标轴方向为：X、Y轴互相垂直且平行于元件的横截面矩形边缘，Z轴方向为原点法线方向；其对应的标准方程为：

式中，c表示顶点曲率；k表示圆锥度。

本实施例中，可选的，平移误差包括X、Y、Z轴的平移误差；偏转误差包括X、Y轴的偏转误差。

本实施例中，可选的，步骤一中获得元件上任意点相对于机床坐标系下其标定位姿的X、Y轴平移误差的过程包括：

步骤一一、将元件的多个边缘部位分别移动到相机采集范围内，采集多个边缘部位对应的多个边缘图像；

步骤一二、对多个边缘图像分别进行图像处理和坐标转换处理，获取元件多个边缘中点在机床坐标系下的坐标；

步骤一三、根据多个边缘中点在机床坐标系下的坐标计算获得元件几何中心点坐标，即为元件上任意点相对于机床坐标系下其标定位姿的X、Y轴的平移误差。

本实施例中，可选的，步骤一二中元件多个边缘中点在机床坐标系下的坐标包括：

左边缘中点在机床坐标系下X轴坐标X'_L为：

X'_L＝X_L+k_pixel△X_L

式中，X_L为预先标定的左边缘中点的X轴坐标；k_pixel为标定后图像中单个像素所代表的实际尺寸；△X_L为左边缘中点与图像中心线之间的像素距离；

右边缘中点在机床坐标系下X轴坐标X'_R为：

X'_R＝X_R+k_pixel△X_R

式中，X_R为预先标定的右边缘中点的X轴坐标；△X_R为右边缘中点与图像中心线之间的像素距离；

上边缘中点在机床坐标系下Y轴坐标Y'_T为：

Y'_T＝Y_T+k_pixel△Y_T

式中，Y_T为预先标定的上边缘中点的Y轴坐标；△Y_T为上边缘中点与图像中心线之间的像素距离；

下边缘中点在机床坐标系下Y轴坐标Y'_D为：

Y'_D＝Y_D+k_pixel△Y_D

式中，Y_D为预先标定的下边缘中点的Y轴坐标；△Y_D为下边缘中点与图像中心线之间的像素距离。

本实施例中，可选的，步骤一三中按照下式计算获得元件几何中心点坐标(x₀,y₀)：

本实施例中，可选的，步骤一中获得元件上任意点相对于机床坐标系下其标定位姿的Z轴平移误差的过程包括：

首先，通过测距仪对元件几何中心点进行测距，获得中心点距离值l；

然后，根据下式计算获得元件上任意点相对于机床坐标系下其标定位姿的Z轴平移误差t_z：

t_z＝l+z₀-l₀

式中，z₀表示测距仪测距时在机床坐标系下的Z轴坐标；l₀表示相机和测距仪在Z轴方向的距离差。

本实施例中，可选的，步骤一中获得元件上任意点相对于机床坐标系下其标定位姿X、Y轴偏转误差的过程包括：

首先，通过测距仪对元件的多个边缘角点进行测距，获得多个边缘角点测距值；

然后，根据多个边缘角点测距值，采用最小二乘法拟合获得元件上任意点相对于机床坐标系下其标定位姿X轴的偏转误差α、Y轴的偏转误差β。

本实施例中，可选的，步骤一中元件上任意点相对于机床坐标系X、Y轴的偏转误差α和β由下式计算获得：

式中，i＝1、2、3、4表示四个边缘角点；m、n分别表示边缘角点在水平和竖直方向偏离元件几何中心点的距离；(x_i,y_i)表示边缘角点相对于元件几何中心点的坐标；z₁、z₂、z₃、z₄表示四个边缘角点的测距值。

本实施例中，可选的，步骤二中根据下式计算获得元件的标定位姿(x,y,z)：

式中，(x,y,z)表示元件在机床坐标系下标定位置的坐标；(x′,y′)表示元件在标准坐标系下的坐标；(x₀,y₀)表示元件上任意点相对于机床坐标系下其标定位姿的X、Y轴的平移误差；t_z表示元件上任意点相对于机床坐标系下其标定位姿的Z轴的平移误差；f(x′,y′)表示元件的标准方程。

本发明另一实施例提供一种大口径元件的位姿自动确定方法，该方法首先利用显微相机采集元件上、下、左、右四个边缘的图像，之后对图像进行处理获得边缘的精确位置，通过边缘位置计算元件的几何中心，再对元件表面进行测距拟合，最后根据元件几何中心坐标和测距拟合结果确定元件在机床中的位姿，该过程使用的硬件装置如图2所示，包括运动平台、显微检测系统、光谱共焦测距系统(即光谱共焦测距仪)。运动平台的定位精度为±10μm，包含X、Y、Z三个运动轴，X、Y、Z运动轴的运动方向分别和机床坐标系的X、Y、Z坐标轴方向一致；运动平台可搭载光学大口径元件实现沿X、Y轴方向的移动，搭载显微检测系统和光谱共焦测距系统实现沿Z轴方向的移动。显微检测系统由面阵CCD相机、可变焦显微镜头、同轴光源和环形光源组成；显微检测系统的检测范围为1.5mm×1.3mm，检测精度为0.63μm/pixel。光谱共焦测距仪的工作距离为222.3mm，有效量程为24mm，轴向测量精度为3μm。

大口径元件包括平面元件和非球面元件两类，元件的加工精度很高，两种元件都有准确的表面方程，以光学元件检测面的几何中心为原点建立如图3所示的标准坐标系，则平面元件和非球面元件的标准方程分别为：

平面:z＝0,非球面:

式中，c、k是非球面系数，c代表顶点曲率，k代表圆锥度，这两个参数在元件加工时就已经确定。在检测前给出这两个参数变量的具体值。

具体地，大口径元件位姿自动确定方法包括以下步骤：

步骤1、运动平台进行初始化，通过回零建立机床坐标系原点；

根据本发明实施例，运动平台初始化需要自动确定机床原点并对各轴进行误差补偿，其具体过程为：运动平台首先按照特定的速度和加速度沿指定方向进行寻零，当各轴均运动到原点开关位置后将机床坐标归零，完成寻零操作；寻零完毕自动运动到指定坐标位置进行误差补偿，最后运动平台运动到安装工位等待光学元件安装。

步骤2、通过控制运动平台沿X、Y轴运动将元件上、下、左、右四个边缘移动到显微相机视野范围，通过控制运动平台沿Z轴运动调整相机物距使边缘清晰成像，采集四个边缘对应的边缘图像；

根据本发明实施例，由于光学元件的夹具具有定位功能，因此元件每次安装后的位置相对固定，根据一次位置标定，即可确定元件边缘的大致位置。根据标定的位置自动移动运动平台将元件四个边缘分别移动到显微检测视野范围，即可获取边缘的显微图像。由于安装时装配调整精度有限，元件每次的聚焦位置不一致，在采集图像之前还需要对其进行自动聚焦。如图4所示，按照图4所示路径①、②、③、④依次将左、上、右、下边缘移动到显微视野。为减少寻边时间和提高图像采集质量，对寻边路径进行如下规划：运动平台在未运动到拍照位置时以较大速度运动；当移动到拍照位置时运动速度减到零，图像采集完成后平台继续运动；为提高边缘定位精度，运动平台运动到拍照位置时始终保持X、Y轴的运动方向为正向，如图4中所示的路径③。当运动平台到达拍照位置后，控制运动平台沿Z轴运动，通过改变显微检测系统中相机物距来调整焦平面以实现边缘的自动聚焦，待聚焦清晰后控制相机自动采集边缘图像。

步骤3、对边缘图像进行处理并转换，获取元件四个边缘移动到显微视野中心的机床坐标X'_L、X'_R、Y'_T、Y'_D；

根据本发明实施例，如图5(a)～(d)所示，依次为显微检测系统采集的元件上、下、左、右四个边缘的图像，边缘图像分为三个区域：区域Ⅰ为背景，区域Ⅱ为边缘倒角，区域Ⅲ为元件表面，区域Ⅰ和区域Ⅱ的交界位置即为所求边缘。根据边缘显微图像不同区域的成像特点对所采集的图像进行二值化处理，并通过二值化图提取边缘轮廓线，如图6所示。然后，根据提取的边缘线计算边缘中点位置。以图5所示的左边缘为例，通过图像处理得到了左边缘的边缘线，计算左边缘中点与图像十字中心线之间的像素距离ΔX_L，则左边缘中点移到显微视野中心时的机床坐标为：

X'_L＝X_L+k_pixel△X_L (2)

式中，X_L为预先标定的左边缘中点的坐标，k_pixel为标定后图像中单个像素所代表的实际尺寸，该系数可由标准刻度板进行标定得到。

右边缘中点移到显微视野中心时的机床坐标为：

X'_R＝X_R+k_pixel△X_R (3)

式中，X_R为预先标定的右边缘中点的坐标；△X_R为右边缘中点与图像中心线之间的像素距离。

上边缘中点移到显微视野中心时的机床坐标为：

Y'_T＝Y_T+k_pixel△Y_T (4)

式中，Y_T为预先标定的上边缘中点的坐标；△Y_T为上边缘中点与图像中心线之间的像素距离。

下边缘中点移到显微视野中心时的机床坐标为：

Y'_D＝Y_D+k_pixel△Y_D (5)

式中，Y_D为预先标定的下边缘中点的坐标；△Y_D为下边缘中点与图像中心线之间的像素距离。

然后，通过下式计算元件中心点移动到显微视野中心的机床坐标(x₀,y₀)，从而获取元件在X、Y轴方向的偏移。

式中，X′_L、X′_R分别是元件左、右边缘移动到显微视野中心时的机床坐标系下X轴坐标；Y′_T、Y′_D分别是元件上、下边缘移动到显微视野中心时的机床坐标系下Y轴坐标。

步骤4、通过测距仪对元件中心点及四个边缘角点进行测距，获得测距值；根据测距值、元件中心点移动到显微视野中心的机床坐标，计算获得元件上任意点移动到显微视野中心时的机床坐标系下X、Y、Z轴坐标。

根据本发明实施例，由于夹具定位精度有限，元件安装后位姿不确定，存在平移和偏转。假设元件检测面上的点在标准坐标系下的坐标为(x',y',z')，该点移动到显微检测视野中心时的机床坐标为(x,y,z)，则根据平移旋转矩阵即转换矩阵M可知两个坐标系下坐标之间存在如下转换关系：

式中，α、β、γ表示工件沿X、Y、Z轴的偏转角度，t_x、t_y、t_z为工件沿X、Y、Z轴的偏移，M(α,β,γ,t_x,t_y,t_z)表达式为：

求解M则需求解α、β、γ、t_x、t_y、t_z。首先，由于Z轴偏转方向由平面定位，偏转很小，因此可令γ＝0；偏移量t_x、t_y即为上述步骤3获得的x₀、y₀。此时

表达式可化简为：

由此，方程(9)中包含α、β、t_z三个未知量，本发明采用五点测距法对这三个未知量进行拟合，该过程如图7所示。

首先，通过对元件中心点O进行测距来获得t_z，设元件中心点O测距值为l，则

t_z＝l+z₀-l₀ (10)

式中，z₀为光谱共焦测距仪测距时在机床坐标系下的Z轴坐标；l₀为显微检测系统和光谱共焦测距系统在Z轴方向的距离差。

然后，采用最小二乘法拟合获得α、β；具体为：当有n个拟合点时，要使式(11)最小，需要满足式(12)。

由式(1)可知，元件标准方程关于X、Y轴对称，为计算方便选取图7所示的点1、2、3、4作为拟合点，这四个点分布在以工件坐标系原点为中心的矩形的四个边缘角点上，通过光谱共焦测距仪对这四个点进行测距，将点1、2、3、4的测距值代入式(11)获得元件安装时在X、Y轴的偏转角度，并利用角点的对称性对式(12)进行化简，最终得到α、β的拟合值为：

式中，i＝1,2,3,4代表四个测距点，这四个点分布在以光学元件几何中心为中心的矩形的四个角点上，该矩形边缘与元件边缘平行，m、n分别代表该矩形角点在水平和竖直方向偏离中心点的距离，(x_i,y_i)代表四个角点相对于矩形中心点的坐标。在本实施例中，对430mm×430mm元件在实际应用时可取m＝200mm，n＝200mm，这时，(x₁,y₁)＝(m,n),(x₂,y₂)＝(-m,n)),(x₃,y₃)＝(-m,-n)),(x₄,y₄)＝(m,-n))。z₁、z₂、z₃、z₄表示四个边缘角点测距值。

进一步地，在测距过程中按照图7所示路径①、②、③、④、⑤对5个点进行逐个测距，可采用与上述步骤2中寻边过程相似的方式对测距路径进行规划：为缩短测距时间，控制平台以较大速度运动到测距点；为保证测距过程的平稳，运动到测距点后速度减小为0后再进行测量。

由于绕X、Y轴偏转角度较小且主要关注z值的变化，为计算方便，近似认为cosα＝1，cosθ＝1，x＝x′+x₀，y＝y′+y₀，由上述公式即可得元件检测面上的任意点移动到显微视野中心时的机床坐标(即机床坐标下坐标)为：

本发明另一实施例提供一种大口径元件位姿自动确定方法的实例分析，利用本发明方法对某批次大口径元件进行检测，该元件口径为430mm×430mm，检测面为曲面(非球面)。使用自主开发的“大口径元件表面缺陷自动化检测与修复控制软件”实现元件位姿的自动确定，其具体过程为：

(1)对位姿确定过程中使用的参数进行标定，这些参数通过一次标定即可重复使用，参数包括：寻边参数和测距拟合参数，各参数的标定结果如表1所示。元件上、下、左、右四个边缘的大致位置的标定过程为：首先安装标准元件，之后人工将元件四个边缘移至显微视野中心，最后读取机床坐标值作为标定值。表1中X、Y方向工位差是显微检测系统视野中心与光谱共焦测距系统中心的距离值，Z方向工位差是显微相机聚焦清晰后保持Z轴坐标不变将目标点移至测距工位时测距仪的测量值。

表1参数标定值

(2)按照标定的边界坐标自动将上、下、左、右四个边界移动到显微视野，对其进行自动聚焦获取边缘清晰图像，通过图像处理获取边缘偏离视野中心的距离，确定元件几何中心移至显微视野中心时的坐标为(158.939mm,0.902mm)。

(3)根据获得的中心坐标与标定的工位差，可以获得机床移动至测距点O的坐标为(61.199,0.777,0)，该点测距值为17.428，从而可得tz＝0.258mm。以该点为中心对矩形的四个角点进行测距拟合，获得的拟合值为：

(4)将元件中心坐标与拟合值带入式(14)即可获取元件上的点移动到显微检测工位的机床坐标。

进一步地，若有其他工位，则以上述方法为基准，获得元件移动到其他工位的机床坐标。本发明通过上述过程实现了大口径元件位姿的自动确定，为后续缺陷点的定位提供了准确的位置参考。

尽管根据有限数量的实施例描述了本发明，但是受益于上面的描述，本技术领域内的技术人员明白，在由此描述的本发明的范围内，可以设想其它实施例。对于本发明的范围，对本发明所做的公开是说明性的，而非限制性的，本发明的范围由所附权利要求书限定。

Claims (10)

1.一种大口径元件的位姿自动确定方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、对机床上当前位姿的元件采集多个图像，并对多个图像进行处理，获得元件上任意点相对于机床坐标系下其标定位姿的平移误差和偏转误差；

步骤二、根据所述平移误差和偏转误差计算获得元件的标定位姿。

2.根据权利要求1所述的一种大口径元件的位姿自动确定方法，其特征在于，所述元件包括平面元件和非球面元件两类，元件的横截面为规则矩形，以元件几何中心为原点建立标准坐标系；其中，

平面元件对应建立的标准坐标系坐标轴方向为：X、Y轴互相垂直且平行于元件的横截面矩形边缘，Z轴垂直于元件表面；其对应的标准方程为：

z＝0

非球面元件对应建立的标准坐标系坐标轴方向为：X、Y轴互相垂直且平行于元件的横截面矩形边缘，Z轴方向为原点法线方向；其对应的标准方程为：

式中，c表示顶点曲率；k表示圆锥度。

3.根据权利要求2所述的一种大口径元件的位姿自动确定方法，其特征在于，所述平移误差包括X、Y、Z轴平移误差；所述偏转误差包括X、Y轴偏转误差。

4.根据权利要求3所述的一种大口径元件的位姿自动确定方法，其特征在于，步骤一中获得元件上任意点相对于机床坐标系下其标定位姿的X、Y轴平移误差的过程包括：

步骤一一、将元件的多个边缘部位分别移动到相机采集范围内，采集多个边缘部位对应的多个边缘图像；

步骤一二、对多个边缘图像分别进行图像处理和坐标转换处理，获取元件多个边缘中点在机床坐标系下的坐标；

步骤一三、根据多个边缘中点在机床坐标系下的坐标计算获得元件几何中心点坐标，即为元件上任意点相对于机床坐标系下其标定位姿的X、Y轴平移误差。

5.根据权利要求4所述的一种大口径元件的位姿自动确定方法，其特征在于，步骤一二中元件多个边缘中点在机床坐标系下的坐标包括：

左边缘中点在机床坐标系下X轴坐标X′_L为：

X′_L＝X_L+k_pixel△X_L

式中，X_L为预先标定的左边缘中点的X轴坐标；k_pixel为标定后图像中单个像素所代表的实际尺寸；△X_L为左边缘中点与图像中心线之间的像素距离；

右边缘中点在机床坐标系下X轴坐标X′_R为：

X′_R＝X_R+k_pixel△X_R

式中，X_R为预先标定的右边缘中点的X轴坐标；△X_R为右边缘中点与图像中心线之间的像素距离；

上边缘中点在机床坐标系下Y轴坐标Y′_T为：

Y′_T＝Y_T+k_pixel△Y_T

式中，Y_T为预先标定的上边缘中点的Y轴坐标；△Y_T为上边缘中点与图像中心线之间的像素距离；

下边缘中点在机床坐标系下Y轴坐标Y′_D为：

Y′_D＝Y_D+k_pixel△Y_D

式中，Y_D为预先标定的下边缘中点的Y轴坐标；△Y_D为下边缘中点与图像中心线之间的像素距离。

6.根据权利要求5所述的一种大口径元件的位姿自动确定方法，其特征在于，步骤一三中按照下式计算获得元件几何中心点坐标(x₀,y₀)：

7.根据权利要求6所述的一种大口径元件的位姿自动确定方法，其特征在于，步骤一中获得元件上任意点相对于机床坐标系下其标定位姿的Z轴平移误差的过程包括：

首先，通过测距仪对元件几何中心点进行测距，获得中心点距离值l；

然后，根据下式计算获得元件上任意点相对于机床坐标系下其标定位姿的Z轴平移误差t_z：

t_z＝l+z₀-l₀

式中，z₀表示测距仪测距时在机床坐标系下的Z轴坐标；l₀表示相机和测距仪在Z轴方向的距离差。

8.根据权利要求7所述的一种大口径元件的位姿自动确定方法，其特征在于，步骤一中获得元件上任意点相对于机床坐标系下其标定位姿X、Y轴偏转误差的过程包括：

首先，通过测距仪对元件的多个边缘角点进行测距，获得多个边缘角点测距值；

然后，根据多个边缘角点测距值，采用最小二乘法拟合获得元件上任意点相对于机床坐标系下其标定位姿X轴的偏转误差α、Y轴的偏转误差β。

9.根据权利要求8所述的一种大口径元件的位姿自动确定方法，其特征在于，步骤一中元件上任意点相对于机床坐标系X、Y轴的偏转误差α和β由下式计算获得：

式中，i＝1、2、3、4表示四个边缘角点；m、n分别表示边缘角点在水平和竖直方向偏离元件几何中心点的距离；(x_i,y_i)表示边缘角点相对于元件几何中心点的坐标；z₁、z₂、z₃、z₄表示四个边缘角点的测距值。

10.根据权利要求9所述的一种大口径元件的位姿自动确定方法，其特征在于，步骤二中根据下式计算获得元件的标定位姿(x,y,z)：

式中，(x′,y′)表示元件在标准坐标系下的坐标；(x₀,y₀)表示元件上任意点相对于机床坐标系下其标定位姿的X、Y轴平移误差；t_z表示元件上任意点相对于机床坐标系下其标定位姿的Z轴平移误差；f(x′,y′)表示元件的标准方程。

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