CN102126162A - 一种数控机床加工在线测量方法 - Google Patents

Abstract

一种数控机床加工在线测量方法，该方法能够实现对大型工件的在线测量。本发明将双目立体视觉测量***与数控机床结合，由数控机床牵引，完成大型工件的整体测量。该方法首先标定摄像机内外参数、将测量***与数控机床结合；然后进行平移标定和旋转标定，标定出数控机床X轴和Y轴的方向向量以及测量***旋转后的旋转矩阵R和平移向量T；进而由数控机床牵引测量***移动，进行单视场扫描，直至遍历被测工件全部表面；最后，根据所有视场点云数据和数控机床主轴读数进行整体拼接，即完成工件整体测量。本发明具有使用灵活、简便、精度高等特点，可用于工业现场对大型工件的在线测量。

Description

一种数控机床加工在线测量方法

技术领域

本发明涉及一种数控机床加工在线测量的方法，本方法可用于工业现场对工业加工品进行非接触在位测量。本发明属于机器视觉领域。

背景技术

大型工件，特别是整体件，由于其相对重量轻，强度高被越来越多地应用在很多场合，但由于其外形尺寸大，待测特征多，使得对它的测量在实践中很难实现。如果利用接触式测量，不仅得不到高密度的数据点云，而且测量效率低下，由于尺寸大也很难测量到工件的整体。随着科学技术的发展，非接触式测量，特别是基于视觉技术的测量方法以其结构简单，价格低，测量效率高等特点得到越来越广的应用。由于非接触测量效率较高，设备简单，非常适合应用于工业现场。

基于视觉技术的测量方法有很多分支，其中基于双目立体视觉技术的加工在线测量方法，具有高精度、非接触、点云稠密等。

现有的在线测量***不足在于：

(1)一般需要借助外部机械设备，如机械臂等，牵引视觉***移动，因此增加了测量***的费用，而且在工作现场增加外部机械可能会影响到车床本身的性能等。

(2)现有的对于大型工件的测量手段，需要粘贴标志点，没有实现大尺寸测量的自动化。

发明内容

本发明的技术解决问题是：提出一种数控机床加工在线测量方法，通过与机床相结合，极大的增加了数控机床的利用效率，并且解决了大尺寸拼接问题。

本发明的技术解决方案为：一种数控机床加工在线测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

准备工作包括标定两摄像机的内外参数、调试准备上位机测量软件等，测量软件指为本在线测量方法开发的数据处理软件。

(1)测量***安装：将机床主轴刀具卸下，把测量***，即双目立体视觉测量***，安装在主轴上，连接数据线，与数控机床相结合。

(2)平移标定：机床平移，标定数控机床的X轴和Y轴在测量***坐标系下的方向向量V_x，V_y。

将一对粘有标志点的标志杆放置在被测工件边上。两个标志杆放置方向分别沿数控机床的X轴和Y轴；控制数控机床分别沿X轴和Y轴移动若干次，移动间隔中拍摄两个标志杆，每次移动间隔一定且每次移动方向一致。依据

(Mx_i-Mx_i-1)V_x＝Px_i-Px_i-1

(My_i-My_i-1)V_y＝Py_i-Py_i-1

其中，Mx_i、My_i为第i次拍摄标志点时机床的X轴读数和Y轴读数，Px_i、Py_i为第i次拍摄后复现出的标志点坐标。

分别求解方程组最优解，即测量***坐标系下数控机床X轴和Y轴的方向向量V_x和V_y。

(3)旋转标定：机床旋转，标定测量***旋转后的旋转矩阵R和平移向量T。

依据路径规划结果，控制机床旋转，分别三维复现基准视场和旋转后视场中的圆形标志点，包括圆心提取、极线匹配和三维复现，进行三维点匹配，利用四元素方法，计算旋转矩阵R_j和平移向量T_j，R_j和T_j为旋转标定时测量***第j次旋转的旋转矩阵和平移向量。

(4)牵引数控机床主轴，将测量***移动至待测部分，待主轴稳定后，对工件进行单视场扫描，得到单视场点云数据；

(5)重复步骤(4)直至将被测工件表面遍历完成，得到所有视场点云数据，完成全视场扫描；

(6)根据步骤(4)、(5)得到的点云数据，进行拼接。

将测量***第一个视场的坐标系作为世界坐标系，并按照以下公式将各个视场点云数据进行拼接：

$P_W=\underset{i,j}{\mathrm{\Σ}}(R_j\·P_i+T_j+(X_i-X_1)V_x+(Y_i-Y_1)V_y),$

其中，P_i、X_i、Y_i分别为第i个测量视场的点云数据、数控机床X轴读数、数控机床Y轴读数，R_j和T_j为第j个旋转测量视场的旋转矩阵和平移向量，V_x和V_y为已标方向向量，P_W为世界坐标系下扫描点云数据。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明给出一种在线测量方法，通过与数控机床结合，提高整个工件的加工检测效率。由于是在线测量，因此工件在加工后不必从机床卸下，大大减少工件由于装配产生的变形，无需将零件搬运到计量室，大幅提高测量效率。

(2)本发明涉及的测量***结构简单，现场标定方法简洁，完全能够适应工业现场环境。与数控机床相结合，充分利用机床的优势，拼接速度快，无需在被测工件上粘贴标志点，可以得到致密的点云数据。

附图说明

图1为本发明在线测量方法的流程图。

图2为本发明标定数控机床运动方向过程示意图。图中单相机表示测量***，图中带箭头的虚线为数控机床牵引测量***的标定路线。

图3为本发明测量路线图。图中单相机表示测量***，图中带箭头的虚线为数控机床牵引测量***的测量路线。

具体实施方式

为了更好的理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作详细的描述。

参照附图1，一种数控机床加工在线测量方法，包含如下步骤：

在将测量***与数控机床结合之前，先将测量***进行必要的准备，测量***指双目立体视觉传感器，包括两个摄像机和一个投射器；所述的必要的准备包括标定两摄像机的内外参数，调试准备上位机测量软件等；

1.测量***安装，将数控机床主轴刀具卸下，把测量***安装在主轴上，连接数据线，与数控机床相结合。

2.平移标定，机床平移，标定数控机床的X轴和Y轴在测量***坐标系下的方向向量V_x，V_y。

将一对粘有标志点的标志杆放置在被测工件边上。放置方式参照附图2，两个标志杆放置方向分别沿数控机床的X轴和Y轴，且两个标志杆的原点处于被测工件的同一角。

依据平移标定路径，控制数控机床分别沿X轴和Y轴移动若干次，移动方法参照附图2，移动间隔中拍摄两个标志杆，每次移动间隔一定且每次移动方向一致。移动间隔不能过大，保持在100mm左右。将每次拍摄时机床的X轴方向和Y轴方向读数记为Mx_i和My_i，三维复现出的标志点圆心坐标为Px_i和Py_i(一个视场中可能有多个点，Px_i和Py_i可能是多个点的集合)。

根据测量数据可以得到：

(Mx_i-Mx_i-1)V_x＝Px_i-Px_i-1

(My_i-My_i-1)V_y＝Py_i-Py_i-1

利用Px_i和Px_i-1中存在的公共点进行计算。取i＝2，3，4...，则上述两式可分别组成方程组，它们均有最优化解V_x和V_y，即在测量***坐标系下，数控机床X轴和Y轴的方向向量。

3.旋转标定，机床旋转，标定测量***旋转后的旋转矩阵R和平移向量T。

依据旋转标定路径，控制机床旋转，进行拍照，获取旋转后图像。分别三维复现基准视场和旋转后视场中的圆形标志点，包括圆心提取、极线匹配和三维复现，进行三维点匹配，利用四元素方法，计算旋转矩阵R_j和平移向量T_j，取j＝2，3，4...，R_j和T_j为旋转标定时测量***第j次旋转的旋转矩阵和平移向量。

4.依据路径规划结果，整体测量路线参照附图3，牵引数控机床主轴，将测量***移动至待测部分，待主轴稳定后，对工件进行扫描，得到单视场点云数据，点云数据记作P_i，此时数控机床X、Y轴读数记作X_i和Y_i。

5.重复步骤4直至将被测工件表面遍历完成，得到所有视场点云数据，完成全视场扫描；

6.根据步骤4、5得到的点云数据，进行拼接。

由步骤4、5，测量***遍历整个被测工件，得到所有视场点云数据。将所有点云数据转换到统一坐标系中，即完成拼接。具体为：将测量***第一个视场的坐标系作为世界坐标系，并按照以下公式将各个视场点云数据进行坐标***一：

$P_W=\underset{i,j}{\mathrm{\Σ}}(R_j\·P_i+T_j+(X_i-X_1)V_x+(Y_i-Y_1)V_y),$

其中，P_i、X_i、Y_i分别为第i个测量视场的点云数据、数控机床X轴读数、数控机床Y轴读数，R_j和T_j为第j个旋转测量视场的旋转矩阵和平移向量，V_x和V_y为已标方向向量，P_W为世界坐标系下扫描点云数据。

则P_W为所有视场点云数据统一坐标系的结果，即完成拼接。

Claims (5)

1.一种数控机床加工在线测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)测量***安装：将测量***安装在数控机床主轴上；

(2)平移标定：机床平移，标定数控机床X轴和Y轴的方向向量V_x，V_y；

(3)旋转标定：机床旋转，标定测量***旋转后的旋转矩阵R和平移向量T；

(4)牵引数控机床主轴，将测量***移动至待测部分，进行扫描，得到单视场点云数据；

(5)重复步骤(4)直至将被测工件表面遍历完成，即完成全视场扫描；

(6)根据步骤(4)、(5)得到的点云数据，进行拼接。

2.根据权利要求1所述的一种数控机床加工在线测量方法，其特征在于：所述的(2)平移标定，机床平移，标定数控机床X轴和Y轴的方向向量V_x，V_y，指控制数控机床分别沿X轴和Y轴平移若干次，移动间隔中拍摄标志杆，每次移动间隔一定且每次移动方向一致；依据

(Mx_i-Mx_i-1)V_x＝Px_i-Px_i-1

(My_i-My_i-1)V_y＝Py_i-Py_i-1

其中，Mx_i、My_i为第i次拍摄标志点时机床的X轴读数和Y轴读数，Px_i、Py_i为第i次拍摄后复现出的标志点坐标；

分别求解方程组最优解V_x和V_y，即测量***坐标系下数控机床X轴和Y轴的方向向量。

3.根据权利要求1所述的一种数控机床加工在线测量方法，其特征在于：所述的(2)平移标定，机床平移，标定数控机床X轴和Y轴的方向向量V_x，V_y，所需的标志杆放置为：将一对粘有标志点的标志杆放置在被测工件边上，两个标志杆放置方向分别沿数控机床的X轴和Y轴。

4.根据权利要求1所述的一种数控机床加工在线测量方法，其特征在于：所述的(3)旋转标定，机床旋转，标定测量***旋转后的旋转矩阵R和平移向量T，对于基准视场和旋转后视场，分别三维复现圆形标志点，包括圆心提取、极线匹配和三维复现，进行三维点匹配，利用四元素方法，计算旋转矩阵R_j和平移向量T_j，R_j和T_j为旋转标定时测量***第j次旋转的旋转矩阵和平移向量。

5.根据权利要求1所述的一种数控机床加工在线测量方法，其特征在于：所述的(6)根据步骤(4)、(5)得到的点云数据，进行拼接，拼接是将测量***第一个视场的坐标系作为世界坐标系，并按照以下公式将各个视场点云数据进行拼接：

$P_W=\underset{i,j}{\mathrm{\Σ}}(R_j\·P_i+T_j+(X_i-X_1)V_x+(Y_i-Y_1)V_y),$

其中，P_i、X_i、Y_i分别为第i个测量视场的点云数据、数控机床X轴读数、数控机床Y轴读数，R_j和T_j为第j个旋转测量视场的旋转矩阵和平移向量，V_x和V_y为已标方向向量，P_W为世界坐标系下扫描点云数据。

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