CN107726980B

CN107726980B - 一种基于四轴测量机的线激光位移传感器的标定方法

Info

Publication number: CN107726980B
Application number: CN201710871711.XA
Authority: CN
Inventors: 许畅达; 高晓飞
Original assignee: Xi'an Chishine Optoelectronics Technology Co ltd; Beijing Huarui Shengde Technology Co ltd
Current assignee: Xi'an Chishine Optoelectronics Technology Co ltd; Beijing Huarui Shengde Technology Co ltd
Priority date: 2017-09-25
Filing date: 2017-09-25
Publication date: 2020-04-28
Anticipated expiration: 2037-09-25
Also published as: CN107726980A

Abstract

本发明公开了一种基于四轴测量机的线激光位移传感器的标定方法，完成设备安装，按照标定需求安装激光线扫描测头，建立线激光位移传感器和四轴测量机的通讯连接；建立坐标系，四轴测量机带动线激光位移传感器回到机床零点；使磨砂标准球到达线激光位移传感器的测量范围内，对磨砂标准球进行扫描；对扫描得到的标准球的点云数据进行均匀采样，使后续参数方程的求解结果变得稳定；构造磨砂标准球的球面方程，求解激光器出射向量。本方法便捷，可操作性强，降低了整个测量方案的成本。并且计算精度高，有效降低了由于激光器安装位姿错误带来的***误差。

Description

一种基于四轴测量机的线激光位移传感器的标定方法

技术领域：

本发明属于光电领域，涉及一种基于四轴测量机的线激光位移传感器的标定方法。

背景技术：

激光是20世纪60年代初出现的一种新型光源，与普通光源相比，具有一系列独特的优点。激光作为一种方向性好和单色性好的强光光束一出现就引起人们的普遍重视，并把其运用到生产和科学技术领域。随着科技的不断发展和生产测量领域对测量精度和测量速度要求的不断提高，传统的接触式测量已经无法满足工业界的需求。而非接触测量因为其很好的精确性和快速性，逐渐成为测量领域的发展焦点。而随着光学和微电子学的飞速发展，光电检测包括干涉检测、衍射检测等已经成为测量的一种主要方法。作为光电检测技术的一种，激光测量由于方法结构简单、速度快、实时强、等优点在工业中的长度、距离以及三维形貌等检测中有着广泛的应用。

光学三维测量由于具有非接触、高精高和速度快的优势，已在工业制造、动画特技制作、游戏娱乐和医学等行业崭露头角，显示了巨大的技术先进性和强大的生命力，其应用可谓方兴未艾,并且制造商也在逐渐开发出性能更好的产品。激光线扫描测量法，是以一条或多条激光光线(光刀)图像来重现物体三维形貌，即从光刀图像中提取光刀中心位置，然后利用三角测量原理对光刀中心逐点进行求解，来获得形面三维数据。该技术以其非接触性、灵敏度高、实时性好、抗干扰能力强、对金属物体表面同样可以进行测量等优点，被广泛的应用于工业检测和金属测量领域中。

发明内容：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于四轴测量机的线激光位移传感器的标定方法。本方法利用一个磨砂标准球标定线激光位移传感器空间位姿。本方法有效地减小了因线激光位移传感器空间位姿引起的误差，有效地缩减了整个测量方案的成本。

本发明提供了一种基于四轴测量机的激光线扫描测量***的标定方法。该方法包括以下步骤：

步骤一、完成设备安装，按照标定需求安装激光线扫描测头，建立线激光位移传感器和四轴测量机的通讯连接；

步骤二、建立坐标系，四轴测量机带动线激光位移传感器回到机床零点，以线激光位移传感器的读数(0,0)处为原点建立基准坐标系O-XYZ；

步骤三、进行球面扫描，放置磨砂标准球于转台上，调整四轴测量机到合适位置，使磨砂标准球到达线激光位移传感器的测量范围内，对磨砂标准球进行扫描；

步骤四、对扫描得到的标准球的点云数据进行均匀采样，提取特征较为明显的数据点，使后续参数方程的求解结果变得稳定；

步骤五、构造磨砂标准球的球面方程，并利用牛顿迭代法求解激光器出射向量；此时激光位移传感器测得各点为标准球球面上一点，其坐标值符合球面方程；构造雅可比矩阵J(Δx^(k))，通过牛顿迭代公式迭代计算出线激光位移传感器出射光线方向和线激光位移传感器出射光线线长方向。

所述步骤一中所需的线激光位移传感器与四轴测量机的通讯连接方式为，把四轴测量机Z轴的光栅信号分为二路，一路接入四轴测量机控制器，另一路信号连接线激光位移传感器控制器作为编码器触发信号，当四轴测量机Z轴发生运动时，激光位移传感器得到相应的触发。

所述激光位移传感器为线激光位移传感器。

所述标准球为磨砂面陶瓷标准球。

本发明与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1.本方法利用一个标准球标定线激光位移传感器空间位姿，方法便捷，可操作性强，降低了整个测量方案的成本。

2、本方法中利用牛顿迭代法求解激光器出射方向，计算精度高，有效降低了由于激光器安装位姿错误带来的***误差。

附图说明：

图1：线激光位移传感器扫描***图；

图2：线激光位移传感器标定关系图；

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1、图2，一种基于四轴测量机的激光线扫描测量***的标定方法，以及线激光位移传感器数据转换为机床坐标系数据的方法，具体包含以下步骤：

步骤一、如图1所示，按照标定需求安装线激光位移传感器1，线激光位移传感器1通过连接板2与测量机的Y轴相连，保证线激光位移传感器的安装平面基本平行于测量机的yoz平面。同时把测量机Z轴的光栅信号一分为二，一路接入测量机控制器，另一路信号连接线激光位移传感器控制器，作为线激光位移传感器的编码器触发信号。

步骤二、如图1，建立机床坐标系O`-XYZ，X,Y,Z方向与机床光栅尺方向相同。设线激光位移传感器读数(0,0)处为o，建立线激光位移传感器坐标系o-xyz，x,y,z方向与机床X,Y,Z方向相同。

测量机带动线激光位移传感器回到机床零点。回零点后，设此时线激光位移传感器的读数(0,0)处为O。以O为原点建立基准坐标系O-XYZ，X,Y,Z的方向与机床坐标系方向相同，把O点处，即回零位置处的光栅尺读数置为0。此时，光栅尺读数即为基准坐标系坐标值。

步骤三、标定线激光位移传感器空间位姿。如图2，线激光位移传感器理论位置在第一位置10处，实际位置在第二位置11处，两者因为安装误差，存在一个较小的偏差。设线线激光位移传感器的激光出射方向在基准坐标系O-XYZ中

的方向向量为

线激光位移传感器的激光线长方向在基准坐标系O-XYZ中的方向向量为

放置磨砂标准球于转台上，标准球的半径为R，球心坐标在基准坐标系O-XYZ中的坐标为(a,b,c)。

设线激光位移传感器的读数为(u,v)，u为激光线长方向的坐标值，v为激光深度方向上的坐标值。

标定具体步骤如下：

1.调整测量机到合适位置，使标准球到达线激光位移传感器的测量范围内。移动测量机的Z轴，带动线激光位移传感器对标准球进行三维扫描，测量机的Z轴光栅尺每发出一个信号，线激光位移传感器相应的进行一次采集，最终得到标准球的三维点云数据。

2.在测量过程中，线激光位移传感器各个位置p_i对应的机床光栅尺读数为(x_i,y_i,z_i)。线激光位移传感器运动到位置p_i处时，此时在光位移传感器进行一次触发，在一次触发中所测得各点p_ij在传感器中的读数为(u_ij,v_ij)。u_ij为线激光位移传感器第i次触发中第j个点的线长方向的坐标值；v_ij为线激光位移传感器第i次触发中第j个点的激光深度方向上的坐标值。p_ij在基准坐标系中的坐标值为(u_ijl'+v_ijl+x_i,u_ijm'+v_ijm+y_i,u_ijn'+v_ijn+z_i)，因为p_ij在标准球球面上，其坐标值符合球面方程。则可得到下列公式：

i＝0,1,2,3…j＝0,1,2,3…

u_ij,v_ij,x_i,y_i,z_i,R为已知量，l,m,n,l',m',n',a,b,c为未知量。

3.因为扫描得到的标准球的点云数据远超过待求的未知参数量，需要对点云数据进行优化，从而使未知参数的求取方程变得稳定。优化的方法如下：

假设线激光位移传感器一次触发采集的点数为N，扫描一次标准球的触发次数为M，则扫描一次标准球可以得到NM个点。对NM个点进行均匀采样，先对触发次数进行均匀采样，每隔M/7个触发保留一组触发数据，共保留7组触发数据。然后对每次触发数据点进行均匀采样。7组触发数据，每组依次保留3，2，3，2，3，2，3个点，一共18个测量点。带入公式1得：

4.构造雅可比矩阵J(Δx^(k))，通过牛顿迭代公式

迭代计算出l,m,n,l',m',n',a,b,c。l,m,n,l',m',n',a,b,c的迭代初值为1、0、0、1、0、0、0、0、0。

用牛顿迭代法求解未知参数l,m,n,l',m',n',a,b,c即可标定出线激光位移传感器出射光线方向和线激光位移传感器出射光线线长方向。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的方法及技术内容作出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims

1.一种基于四轴测量机的线激光位移传感器的标定方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤四、对扫描得到的标准球的点云数据进行均匀采样，提取特征较为明显的数据点，使后续参数方程的求解结果变得稳定；假设线激光位移传感器一次触发采集的点数为N，扫描一次标准球的触发次数为M，则扫描一次标准球可以得到NM个点；对NM个点进行均匀采样，先对触发次数进行均匀采样，每隔M/7个触发保留一组触发数据，共保留7组触发数据，然后对每次触发数据点进行均匀采样，7组触发数据，每组依次保留3，2，3，2，3，2，3个点，一共18个测量点；

步骤五、构造磨砂标准球的球面方程，并利用牛顿迭代法求解激光器出射向量；此时激光位移传感器测得各点为标准球球面上一点，其坐标值符合球面方程；构造雅可比矩阵J(△x^(k))，通过牛顿迭代公式迭代计算出线激光位移传感器出射光线方向和线激光位移传感器出射光线线长方向。

2.如权利要求1所述的标定方法，其特征在于：所述步骤一中所需的线激光位移传感器与四轴测量机的通讯连接方式为，把四轴测量机Z轴的光栅信号分为二路，一路接入四轴测量机控制器，另一路信号连接线激光位移传感器控制器作为编码器触发信号，当四轴测量机Z轴发生运动时，激光位移传感器得到相应的触发。

3.如权利要求1所述的标定方法，其特征在于：所述标准球为磨砂面陶瓷标准球。