CN116481422A - 一种多自由度靶标装置及基准坐标系的建立方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及影像测量技术领域，具体涉及一种多自由度靶标装置及基准坐标系的建立方法，该靶标装置包括底座、多自由度调整机构和基准靶标，多自由度调整机构安装于底座，基准靶标固定于多自由度调整机构；基准靶标为硬质合金钢材料，其形状为立方体。该多自由度靶标装置及基准坐标系的建立方法的目的是解决标准球无法满足影像坐标测量系统的参考基准的问题。
Description
技术领域
本发明涉及影像测量技术领域，具体涉及一种多自由度靶标装置及基准坐标系的建立方法。
背景技术
近年来，随着科学技术的发展与进步，诸多工业领域对几何量(例如长度、角度等)的测量精度与检测效率的要求不断提高，而这在很大程度上依赖于测量仪器的发展和检测技术的进步。当前，测量技术及相关学科取得了长足进步，影像坐标测量技术作为一种新型的非接触式测量手段，可以解决传统接触式测量方法难以或无法解决的多种问题，已经广泛应用于工业现场。影像坐标测量技术将非接触式的影像测量技术与常规坐标测量技术结合在一起，并应用于几何特征的测量和定位，不仅具有非接触式测量方式的效率高、操作便捷、适应性强以及可靠性高等优点，还具有成本低、机动灵活、信息丰富、实时性强等特点。
影像坐标测量系统以工业影像测头获取到的图像作为获取信息的手段，通过工业影像测头对被测物体进行图像采集，然后通过计算机对获取到的图像进行信息处理和读取而得到被测物体的尺寸、形位等数据。在影像坐标测量系统的应用过程中，通常需要设置基准坐标系。基准坐标系是以影像坐标测量系统工作台上的一个固定不变的点为基准而建立的一个参考基准，使得在变换了工业影像测头，或者在关机后重新启动的情况下，仍然能够根据该参考基准简便、快捷地重新恢复出各个要素之间的相互位置关系。
对于传统的接触式三坐标测量机而言，基准坐标系通常设置在一个固定在工作台上的标准球上，通过测量一个固定在三坐标测量机工作台上的标准球，而后以它的球心为原点来建立基准坐标系。而对于非接触式的影像坐标测量系统而言，其前端传感器为工业影像测头，不同于常规的接触式测头和激光三角法测头，其具有一定的景深范围，并且输出为被测物体的二维图像。同时，在工业影像测头的成像过程中，通过将三维场景投影到二维像面上而形成被测物体的二维图像，丢失了空间深度信息，并且无法使标准球处于工业影像测头的物方焦平面上。因此，具有空间三维特征的标准球等不适合作为影像坐标测量系统的参考基准，无法应用其建立基准坐标系。由于工业影像测头的输出为被测物体的二维图像，并且对被测物体的棱边、尖角等突变部位较为敏感，因而需要根据其自身特点来设置参考基准，以用于确定和建立影像坐标测量系统中的基准坐标系。
在以工业影像测头作为前端传感器的影像坐标测量系统中，需要以一个固定不变的点作为参考基准来建立基准坐标系，从而使得在变换了工业影像测头，或者在关机后重新启动的情况下，仍能根据该参考基准重新恢复出各个要素之间的相互位置关系。影像坐标测量系统通常用于实现二维平面测量，而通用的、具有空间三维特征的标准球等无法处于工业影像测头的物方焦平面上，因而不适合作为此类测量系统的参考基准。
因此，发明人提供了一种多自由度靶标装置及基准坐标系的建立方法。
发明内容
(1)要解决的技术问题
本发明实施例提供了一种多自由度靶标装置及基准坐标系的建立方法，解决了标准球无法满足影像坐标测量系统的参考基准的技术问题。
(2)技术方案
本发明的第一方面提供了一种多自由度靶标装置，包括底座、多自由度调整机构和基准靶标，所述多自由度调整机构安装于所述底座，所述基准靶标固定于所述多自由度调整机构；所述基准靶标为硬质合金钢材料，其形状为立方体。
进一步地，所述基准靶标的各个表面均为光滑、平整、纹理均匀的亚光表面。
进一步地，所述基准靶标的各个表面的平面度误差均≤2μm。
进一步地，所述基准靶标的各条棱边均为锋利、连续且完整的直边。
进一步地，所述多自由度调整机构包括一维手动角位台A、一维手动角位台B、一维手动旋转台、多个锁紧螺母及多个调节手柄，所述基准靶标安装于所述一维手动旋转台；
所述一维手动角位台A、所述一维手动角位台B依次叠加安装且分别用于在对应的所述调节手柄带动下调整所述基准靶标绕X轴的转动角度α和绕Y轴的转动角度β，并通过对应的所述锁紧螺母进行位置锁紧；
所述一维手动旋转台叠加安装于所述一维手动角位台A或所述一维手动角位台B且用于在对应的所述调节手柄带动下调整所述基准靶标绕Z轴的转动角度γ，并通过对应的所述锁紧螺母进行位置锁紧。
进一步地，所述多自由度靶标装置还包括防护罩，所述防护罩罩设于所述底座、所述多自由度调整机构及所述基准靶标。
进一步地，所述防护罩为透明材质的立方体中空壳体。
进一步地，所述防护罩的防护罩前表面上开设有窗口。
进一步地，所述防护罩用于固定在影像坐标测量系统的工作台上。
本发明的第二方面提供了一种基于上述多自由度靶标装置的基准坐标系的建立方法，包括以下步骤：
确定基准坐标系OS-XSYSZS的XS轴、YS轴和ZS轴的正方向分别与影像坐标测量系统的机器坐标系O-XYZ的X轴、Y轴和Z轴的正方向相同；
控制所述影像坐标测量系统的X轴、Y轴和Z轴带动工业影像测头运动，当基准靶标前表面处于所述工业影像测头的物方焦平面上时，确定X直线运动轴的光栅尺读数为基准坐标系OS-XSYSZS原点OS的XS0坐标分量；
锁住X轴并沿Y轴方向移动所述工业影像测头，当基准靶标前棱边处于所述工业影像测头的视场时，依据Y直线运动轴的光栅尺读数、所述绝对位置靶标前棱边的图像坐标与图像中心坐标之间的像素距离，确定基准坐标系OS-XSYSZS原点OS的YS0坐标分量；
锁住X轴并沿Z轴方向移动所述工业影像测头，当基准靶标上棱边出现于所述工业影像测头的视场时，依据Z直线运动轴的光栅尺读数、所述绝对位置靶标上棱边的图像坐标与图像中心坐标之间的像素距离，确定基准坐标系OS-XSYSZS原点OS的ZS0坐标分量；
依据XS轴、YS轴和ZS轴的正方向以及解算出的原点OS的三维坐标(XS0,YS0,ZS0)，建立基准坐标系OS-XSYSZS。
(3)有益效果
综上，本发明通过对多自由度靶标装置中的基准靶标采用特殊设计的几何结构特征，具有光滑、平整、纹理均匀的亚光表面和锋利、连续且完整的棱边，便于工业影像测头的自动对焦及边缘准确识别和提取，并且具有几何特征简单、易于加工、形位精度易于保证的特点，是工业影像测头的最佳测量对象。该方法通过工业影像测头对基准靶标进行自动对焦及边缘准确识别和提取而实现基准坐标系的建立，充分发挥了影像坐标测量系统测量平面特征的优势，并且具有原理简单、使用便捷、易于实现自动化的特点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种多自由度靶标装置的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种多自由度靶标装置的多自由度调整机构的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的一种多自由度靶标装置的基准靶标的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的一种多自由度靶标装置的防护罩的结构示意图；
图5是本发明实施例提供的一种基准坐标系的示意图；
图6是本发明实施例提供的一种建立基准坐标系过程的示意图；
图7是本发明实施例提供的一种基于多自由度靶标装置的基准坐标系的建立方法的流程示意图；
图8是本发明实施例提供的一种采集到的基准靶标前表面的正焦图像示意图；
图9是本发明实施例提供的一种像素距离la的计算示意图；
图10是本发明实施例提供的一种像素距离lb的计算示意图。
图中：
1-底座；11-安装孔；2-多自由度调整机构；21-一维手动角位台A；22-一维手动角位台B；23-一维手动旋转台；24-锁紧螺母；25-调节手柄；3-基准靶标；31-基准靶标前表面；32-基准靶标上表面；33-基准靶标侧表面；34-基准靶标上棱边；35-基准靶标前棱边；4-防护罩；41-防护罩前表面；411-窗口；5-工业影像测头。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的实施例，在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了零件、部件和连接方式的任何修改、替换和改进。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参照附图并结合实施例来详细说明本申请。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”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，或者是本发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备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发明的限制。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
图1是本发明实施例提供的一种多自由度靶标装置的结构示意图，如图1-2所示，该装置可以包括底座1、多自由度调整机构2和基准靶标3，多自由度调整机构2安装于底座1，基准靶标3固定于多自由度调整机构2；基准靶标3为硬质合金钢材料，其形状为立方体。
在上述实施方式中，底座1下部设置有若干个安装孔11，用于通过螺钉将底座1固定和安装在影像坐标测量系统的工作台上。多自由度调整机构2通过螺钉安装在底座1的上端面。基准靶标3通过装夹或粘接方式安装并固定在多自由度调整机构2上。
基准靶标3采用特殊设计的几何结构特征，具有光滑、平整、纹理均匀的亚光表面和锋利、连续且完整的棱边，便于工业影像测头5的自动对焦及边缘准确识别和提取，并且具有几何特征简单、易于加工、形位精度易于保证的特点，是工业影像测头5的最佳测量对象。
作为一种可选的实施方式，基准靶标3的各个表面均为光滑、平整、纹理均匀的亚光表面。
具体地，如图3所示，基准靶标3的材质为硬质合金钢或者特殊合金钢，其形状为长方体，具有良好的形位精度、尺寸精度和表面质量，各个表面均为光滑、平整、纹理均匀的亚光表面，并且各个表面的平面度误差均不大于2μm。相邻的表面之间相互垂直，相对的表面之间相互平行。基准靶标3的各条棱边均为锋利、连续且完整的直边，直线度良好，没有倒角，也未被倒钝。基准靶标前表面31为基准靶标3朝向影像坐标测量系统中的工业影像测头5的表面，基准靶标上表面32为基准靶标3朝向Z轴正方向的表面，基准靶标侧表面33为基准靶标3朝向Y轴正方向或负方向的表面。基准靶标上棱边34为基准靶标前表面31与基准靶标上表面32相交处的棱边，基准靶标前棱边35为基准靶标前表面31与基准靶标侧表面33相交处的棱边。
多自由度靶标装置安装在影像坐标测量系统的工作台上后，应用千分表、电感测微仪等辅助工具并通过多自由度调整机构2对基准靶标3的空间姿态和方位进行调整。首先，使基准靶标前表面31与YOZ面平行，此时需要调整基准靶标3的β角和γ角，调节姿态调整机构2中与之相对应的一维手动角位台B22和一维手动旋转台23的调节手柄25；然后，使基准靶标上表面32与XOY面平行，此时需要调整基准靶标3的α角和β角，调节多自由度调整机构2中与之相对应的一维手动角位台A21、一维手动角位台B22的调节手柄25。交替进行上述步骤，直到基准靶标前表面31与YOZ面平行且基准靶标上表面32与XOY面平行，拧紧各个锁紧螺母24使多自由度调整机构2的状态固定，从而使基准靶标3的状态固定且保持不变。此时，基准靶标上棱边34处于与Y轴平行的方位；基准靶标前棱边35处于与Z轴平行的方位。
作为一种可选的实施方式，多自由度调整机构2包括一维手动角位台A21、一维手动角位台B22、一维手动旋转台23、多个锁紧螺母24及多个调节手柄25，基准靶标3安装于一维手动旋转台23；
一维手动角位台A21、一维手动角位台B22依次叠加安装且分别用于在对应的调节手柄25带动下调整基准靶标3绕X轴的转动角度α和绕Y轴的转动角度β，并通过对应的锁紧螺母24进行位置锁紧；
一维手动旋转台23叠加安装于一维手动角位台A21或一维手动角位台B22且用于在对应的调节手柄25带动下调整基准靶标3绕Z轴的转动角度γ，并通过对应的锁紧螺母24进行位置锁紧。
具体地，如图2所示，一维手动角位台A21、一维手动角位台B22叠加装配在一起且角度调节方向相互垂直，分别用于调整基准靶标3绕X轴的转动角度α和绕Y轴的转动角度β，通过调节手柄25进行-30°～+30°范围内的一维角度位置调节，并且通过锁紧螺母24进行位置锁紧；一维手动旋转台23用于调整基准靶标3绕Z轴的转动角度γ，通过调节手柄25进行0°～360°范围内的一维角度位置调节，并且通过锁紧螺母24进行位置锁紧。
作为一种可选的实施方式，多自由度靶标装置还包括防护罩4，防护罩4罩设于底座1、多自由度调整机构2及基准靶标3。
具体地，如图4所示，多自由度靶标装置位于防护罩4内部，并且与防护罩4的各个内表面均无接触。防护罩4安装并固定在影像坐标测量系统的工作台上，用于多自由度靶标装置的防尘、防碰、防撞及保护。防护罩4是由透明亚克力材料制成的长方体中空壳体，以便于观察和确认多自由度靶标装置的状态。防护罩4能够从多自由度靶标装置的上方、左方、右方、前方和后方5个方向将多自由度靶标装置罩在内部。防护罩前表面41为防护罩4上处于基准靶标3与工业影像测头5之间的表面。在防护罩前表面41上开设有窗口411，以使工业影像测头5能够观测到基准靶标前表面31、基准靶标上棱边34和基准靶标前棱边35。
如图5-6所示，基准靶标3用于作为影像坐标测量系统测量空间内的一个参考基准，从而建立影像坐标测量系统的基准坐标系OS-XSYSZS。基准坐标系OS-XSYSZS为空间直角坐标系，XS、YS和ZS轴的正方向分别与影像坐标测量系统的机器坐标系O-XYZ的X、Y和Z轴的正方向相同，原点OS位于基准靶标上棱边34与基准靶标前棱边35的交点上，其在机器坐标系O-XYZ中的三维坐标为(XS0,YS0,ZS0)。
图7是本发明实施例提供的一种基于上述多自由度靶标装置的基准坐标系的建立方法的流程示意图，如图所示，该方法可以包括以下步骤：
S100、确定基准坐标系OS-XSYSZS的XS轴、YS轴和ZS轴的正方向分别与影像坐标测量系统的机器坐标系O-XYZ的X轴、Y轴和Z轴的正方向相同；
S200、控制影像坐标测量系统的X轴、Y轴和Z轴带动工业影像测头5运动，当基准靶标前表面31处于工业影像测头5的物方焦平面上时，确定X直线运动轴的光栅尺读数为基准坐标系OS-XSYSZS原点OS的XS0坐标分量；
S300、锁住X轴并沿Y轴方向移动工业影像测头5，当基准靶标前棱边35处于工业影像测头5的视场时，依据Y直线运动轴的光栅尺读数、绝对位置靶标前棱边35的图像坐标与图像中心坐标之间的像素距离，确定基准坐标系OS-XSYSZS原点OS的YS0坐标分量；
S400、锁住X轴并沿Z轴方向移动工业影像测头5，当基准靶标上棱边34出现于工业影像测头5的视场时，依据Z直线运动轴的光栅尺读数、绝对位置靶标上棱边34的图像坐标与图像中心坐标之间的像素距离，确定基准坐标系OS-XSYSZS原点OS的ZS0坐标分量；
S500、依据XS轴、YS轴和ZS轴的正方向以及解算出的原点OS的三维坐标(XS0,YS0,ZS0)，建立基准坐标系OS-XSYSZS。
在上述实施方式中，步骤S100中，影像坐标测量系统回零后，将基准坐标系OS-XSYSZS的XS、YS和ZS轴的正方向分别设置为影像坐标测量系统机器坐标系O-XYZ的X、Y和Z轴的正方向相同。
步骤S200中，控制影像坐标测量系统的X、Y和Z轴带动工业影像测头5运动，使基准靶标前表面31进入到工业影像测头5的视场中，设置X轴方向上的对焦区间与步长，通过自动对焦过程使工业影像测头5沿着X轴正确对焦于基准靶标前表面31，此时基准靶标前表面31位于工业影像测头5的物方焦平面上，工业影像测头5能够采集到最清晰的基准靶标前表面31的正焦图像(如图8所示)。记录此时影像坐标测量系统的X、Y和Z三个直线运动轴的光栅尺读数为(X1,Y1,Z1)，解算出OS的XS0坐标分量，公式如下：
XS0＝X1 (1)。
步骤S300中，锁住X轴，使工业影像测头5沿着Y轴正方向或负方向移动，直到基准靶标前棱边35出现在工业影像测头5的视场中，采集此时的图像并记录此时X、Y和Z三个直线运动轴的光栅尺读数为(X2,Y2,Z2)X2＝X1，然后通过图像处理提取出该图像中的基准靶标前棱边35的图像坐标，如图9所示，并计算其与图像中心坐标之间的像素距离la(单位：pixel)，再与物方焦平面上的像素尺寸当量K(单位：mm/pixel)相乘从而将像素距离la转化为物理距离a(单位：mm)，即：
a＝K·la (2)。
解算出OS的YS0坐标分量，公式如下：
YS0＝Y2-a (3)。
步骤S400中，继续锁住X轴，使工业影像测头5沿着Z轴正方向移动，直到基准靶标上棱边34出现在工业影像测头5的视场中，采集此时的图像并记录此时X、Y和Z三个直线运动轴的光栅尺读数为(X3,Y3,Z3)X3＝X1，然后通过图像处理提取出该图像中的基准靶标上棱边34的图像坐标，如图10所示，并计算其与图像中心坐标之间的像素距离lb(单位：pixel)，再与物方焦平面上的像素尺寸当量K(单位：mm/pixel)相乘从而将像素距离lb转化为物理距离b(单位：mm)，即：
b＝K·lb (4)。
解算出OS的ZS0坐标分量，公式如下：
ZS0＝Z3-b (5)。
步骤S500中，完成基准坐标系OS-XSYSZS的建立后，即可确定机器坐标系O-XYZ与基准坐标系OS-XSYSZS之间的相互转换关系，从而将在机器坐标系O-XYZ下的测量数据转换到基准坐标系OS-XSYSZS下，使得在变换了工业影像测头，或者在关机后重新启动的情况下，仍然能够根据该多自由度靶标装置重新恢复出各个要素之间的相互位置关系。
需要明确的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定步骤和结构。并且，为了简明起见，这里省略对已知方法技术的详细描述。
以上仅为本申请的实施例而已，并不限制于本申请。在不脱离本发明的范围的情况下对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围内。
Claims (10)
1.一种多自由度靶标装置，其特征在于，包括底座(1)、多自由度调整机构(2)和基准靶标(3)，所述多自由度调整机构(2)安装于所述底座(1)，所述基准靶标(3)固定于所述多自由度调整机构(2)；所述基准靶标(3)为硬质合金钢材料，其形状为立方体。
2.根据权利要求1所述的多自由度靶标装置，其特征在于，所述基准靶标(3)的各个表面均为光滑、平整、纹理均匀的亚光表面。
3.根据权利要求2所述的多自由度靶标装置，其特征在于，所述基准靶标(3)的各个表面的平面度误差均≤2μm。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的多自由度靶标装置，其特征在于，所述基准靶标(3)的各条棱边均为锋利、连续且完整的直边。
5.根据权利要求1所述的多自由度靶标装置，其特征在于，所述多自由度调整机构(2)包括一维手动角位台A(21)、一维手动角位台B(22)、一维手动旋转台(23)、多个锁紧螺母(24)及多个调节手柄(25)，所述基准靶标(3)安装于所述一维手动旋转台(23)；
所述一维手动角位台A(21)、所述一维手动角位台B(22)依次叠加安装且分别用于在对应的所述调节手柄(25)带动下调整所述基准靶标(3)绕X轴的转动角度α和绕Y轴的转动角度β，并通过对应的所述锁紧螺母(24)进行位置锁紧；
所述一维手动旋转台(23)叠加安装于所述一维手动角位台A(21)或所述一维手动角位台B(22)且用于在对应的所述调节手柄(25)带动下调整所述基准靶标(3)绕Z轴的转动角度γ，并通过对应的所述锁紧螺母(24)进行位置锁紧。
6.根据权利要求1所述的多自由度靶标装置，其特征在于，还包括防护罩(4)，所述防护罩(4)罩设于所述底座(1)、所述多自由度调整机构(2)及所述基准靶标(3)。
7.根据权利要求6所述的多自由度靶标装置，其特征在于，所述防护罩(4)为透明材质的立方体中空壳体。
8.根据权利要求6或7所述的多自由度靶标装置，其特征在于，所述防护罩(4)的防护罩前表面(41)上开设有窗口(411)。
9.根据权利要求6所述的多自由度靶标装置，其特征在于，所述防护罩(4)用于固定在影像坐标测量系统的工作台上。
10.一种基于权利要求1-9中任一项所述的多自由度靶标装置的基准坐标系的建立方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
确定基准坐标系OS-XSYSZS的XS轴、YS轴和ZS轴的正方向分别与影像坐标测量系统的机器坐标系O-XYZ的X轴、Y轴和Z轴的正方向相同；
控制所述影像坐标测量系统的X轴、Y轴和Z轴带动工业影像测头(5)运动，当基准靶标前表面(31)处于所述工业影像测头(5)的物方焦平面上时，确定X直线运动轴的光栅尺读数为基准坐标系OS-XSYSZS原点OS的XS0坐标分量；
锁住X轴并沿Y轴方向移动所述工业影像测头(5)，当基准靶标前棱边(35)处于所述工业影像测头(5)的视场时，依据Y直线运动轴的光栅尺读数、所述绝对位置靶标前棱边(35)的图像坐标与图像中心坐标之间的像素距离，确定基准坐标系OS-XSYSZS原点OS的YS0坐标分量；
锁住X轴并沿Z轴方向移动所述工业影像测头(5)，当基准靶标上棱边(34)出现于所述工业影像测头(5)的视场时，依据Z直线运动轴的光栅尺读数、所述绝对位置靶标上棱边(34)的图像坐标与图像中心坐标之间的像素距离，确定基准坐标系OS-XSYSZS原点OS的ZS0坐标分量；
依据XS轴、YS轴和ZS轴的正方向以及解算出的原点OS的三维坐标(XS0,YS0,ZS0)，建立基准坐标系OS-XSYSZS。
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