CN108827149B - 一种基于线激光位移传感器和漫反射量块的转台标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于线激光位移传感器和量块的转台标定方法，尤其是一种使用漫反射量块标定转台中心和转台法矢量方向的方法。本方法适用于四轴测量机结构，采用线激光位移传感器测量漫反射量块测量表面，并通过转台旋转，提取转台不同位置下的漫反射量块测量表面重心，根据所测量的一系列重心计算转台中心与转台法向量。本发明利用漫反射量块标定转台，通过拟合测量平面重心的方式，减小了用标准球标定转台时，因为测量标准球面积较小，导致拟合标准球球心不准确引起的转台中心标定偏差。

Description

一种基于线激光位移传感器和漫反射量块的转台标定方法

技术领域：

本发明属于光电领域，一种基于线激光位移传感器和量块的转台标定方法，尤其是一种使用漫反射量块标定转台中心和转台法矢量方向的方法。

背景技术：

坐标测量机是数字化测量领域的基础测量设备之一。传统的三坐标测量机仅有三个自由度，因此只能通过X、Y、Z三直线轴的运动实现对物体表面的测量。四轴测量机相对于传统的三坐标测量机添加了一个旋转工作台，测量时，将被测物体置于旋转工作台之上实现360旋转测量。而四轴测量机相对角度更多的五轴测量机，结构简单，价格低廉，因此在对于复杂型面物体的多角度形貌测量中具有十分重要的应用。

近年来，随着光学测量技术的兴起，将光学传感测头代替接触式测头安装于坐标测量机上已成为一个不容忽视的发展趋势。光学传感测头可以在更短时间内完成复杂物体三维形貌的测量。其测量速度快，测量数据量大，不仅提高了工业测量的效率，并且为后续的数据分析提供了坚实的数据基础。

对于由光学传感测头和四轴坐标测量机相结合的非接触式测量***，应当对其转台轴进行严格标定，保证其回转中心的准确性，并以此作为不同角度测量结果的拼接基准。

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线激光位移传感器和量块的转台标定方法，尤其是一种使用漫反射量块标定转台中心和转台法矢量方向的方法。本方法适用于四轴测量机结构，采用线激光位移传感器测量漫反射量块测量表面，并通过转台旋转，提取转台不同位置下的漫反射量块测量表面重心，根据所测量的一系列重心计算转台中心与转台法向量。

本方法利用漫反射量块标定转台，通过拟合测量平面重心的方式，减小了用标准球标定转台时，因为测量标准球面积较小，导致拟合标准球球心不准确引起的转台中心标定偏差。该方法包括以下步骤：

步骤一、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测量机的通讯连接。

步骤二、放置漫反射量块以及机床回零后建立基准坐标系O'-XYZ与线激光位移传感器坐标系o-xyz。

步骤三、分部分扫描当前位置量块测量表面，通过坐标关系拼接各部分量块测量表面点云数据，最后得到完整的量块测量表面。

步骤四、根据量块测量表面点云的各点间距，设置合适的阈值，进行量块测量表面点云数据的去重。

步骤五、剔除量块倒角点云数据，提取量块测量表面点云数据。

步骤六、计算当前位置量块测量表面的重心坐标值。

步骤七、旋转转台，得到转台角度为30°、-30°、150°、180°、210°下的量块旋转位置，测量并计算这些位置处的量块测量表面的重心坐标值C₂、C₃、C₄、C₅、C₆。因为C₄、C₅、C₆与C₁、C₂、C₃并不是同一测量表面，所以并根据C₄、C₅、C₆所对应的测量表面单位法线向量n₄、n₅、n₆，计算出同一量块测量表面的重心C₄'、C₅'、C₆'，其中C₄'＝C₄+L*n₄,C₅'＝C₅+L*n₅,C₆'＝C₆+L*n₆。

步骤八、计算转台中心和转台法矢量。根据C₁、C₂、C₃、C₄'、C₅'、C₆'计算转台中心坐标值为C＝(C₁+C₂+C₃+C₄'+C₅'+C₆')/6。用SVD分解法计算6个位置重心所构成平面的法向量N，即为转台法矢量方向。

本发明与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1.本方法利用线激光位移传感器和漫反射量块进行四轴测量机转台标定，方法便捷迅速。

2、本方法中利用准确标定出的线激光位移传感器方向来补偿测量数据，计算精度高，有效降低了转台标定带来的***误差。

附图说明：

图1：基于量块的转台标定过程示意图；1是线激光位移传感器，2是连接板，A为量块夹具，B为漫反射量块；

图2：漫反射量块示意图；3漫反射量块左端，4为漫反射量块右端；

图3：转台标定***坐标系建立图；

图4：转台标定的漫反射量块放置图。

C1——转台角度0°下的量块位置；C2——转台角度30°下的量块位置；C3——转台角度-30°下的量块位置；C4——转台角度150°下的量块位置；C5——转台角度180°下的量块位置；C6——转台角度210°下的量块位置。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

一种基于线激光位移传感器和量块的转台标定方法，尤其是一种使用漫反射量块标定转台中心和转台法矢量方向的方法，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、准备如图2的漫反射量块，漫反射量块左端和漫反射量块右端为测量表面。测量表面要求进行磨砂或喷涂处理，以保证良好的漫反射特性。同时要求量块测量表面的平面度小于0.001mm，两测量表面之间的平行度小于0.004mm，且两平面间的距离L经过更高精度校验。

如图3，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，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。

如图4，转台回零，把量块放置在转台上位置C1处。

步骤三、完整扫描量块的测量表面，具体步骤如下：

1.如图1，机床带动线激光位移传感器到量块测量表面的边缘位置，同时使量块的测量表面在线激光位移传感器的测量范围内。机床Z轴带动线激光位移传感器自下而上扫描整个量块，得到量块部分测量表面的轮廓数据。

2.在扫描量块的过程中，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。线激光位移传感器跟随机床Z轴光栅尺信号做出相应的触发。线激光位移传感器每触发一次，便有一组(u,v)。则扫描完一个量块部分时，线激光位移传感器总测量数据为(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。

3.假设，线激光位移传感器激光的出射方向在基准坐标系可用单位向量

表示，激光的线长方向可用单位向量

表示。线激光位移传感器每次触发时，对应的机床基准坐标系坐标值为(x_i,y_i,z_i)。用

和(x_i,y_i,z_i)对量块的点云数据进行补偿，得到量块在基准坐标系下的经过补偿后的点云数据p₁(u_ijl'+v_ijl+x_i,u_ijm'+v_ijm+y_i,u_ijn'+v_ijn+z_i)。

4.移动机床位置，重复上述1-3步骤，对量块的另一部分进行扫描，得到量块其他部分的点云数据p₂、p₃…p_n。p₁、p₂…p_n构成了量块测量表面的完整点云数据。

步骤四、量块测量表面点云数据的去重。

因为在步骤三扫描量块表面的过程中，各个点云之间会有一系列重复的点，这些重复的点会干扰后续量块测量表面重心的提取过程，所以需要过滤掉各个点云之间的重复点。点云数据去重的具体步骤如下：

以点云p₁为基准，计算点云p₂中任意一个点到p₁中所有点的距离d_i。我们设置一个合适的过滤阈值d，如果d_i的最小值小于d，则认为点云p₂中的这个点是重复点，把此点从点云p₂中去除。采用此种方法搜索点云p₂中所有的点，去除所有与点云p₁重复的点，得到一个新的点云p₂`。

之后计算点云p₃中任意一个点到p₁和p₂`中所有点的距离d_i，过滤p₃中的重复点后，得到新的点云数据p₃'。依此类推，过滤完所有量块测量表面的点云片段，得到一系列新的点云p₁、p₂'、p₃'…p_n'。把p₁、p₂'、p₃'…p_n'的坐标值放在一起，合成一个完整的量块测量表面点云p。

步骤五、提取量块测量表面。

在量块测量表面的边缘处可能存在倒角设计，在我们扫描量块数据的过程中，这部分倒角的轮廓也会被线激光位移传感器记录，从而对量块测量表面的重心计算造成影响。所以我们要提取量块测量表面，去除非测量表面数据的干扰，其具体步骤如下：

在扫描量块时，设置线激光位移传感器横坐标(-1,1)处的测量数据为安全数据，即此区间测量值始终为量块表面数据。提取此区间的测量点云，利用此区间的测量点云进行平面拟合，得到量块测量表面的平面方程。选取合适的过滤阈值f₀，把量块测量表面点云p中的点带入平面方程，平面方程得到相应的输出结果f。如果f大于f₀，则把相应的点从点云p中去除。最后得到去除非测量表面数据的干扰的点云数据p'。

步骤六、计算量块当前位置处量块测量表面的重心坐标

其中∑p'代表p'所有坐标值的和，N_p'代表p'包含的点个数。

步骤七、通过旋转转台，得到量块测量表面在转台其他位置处的重心坐标。具体步骤如下：

1.如图4，机床转台旋转30°和-30°处，量块从位置C1处旋转到位置C2和位置C3处，重复上述步骤三至步骤六，测量量块测量表面，经过处理后得到位置C2处和位置C3处的测量表面的重心C₂、C₃。

2.如图4，机床转台旋转到150°、180°和210°处，即量块旋转到位置C4、位置C5和位置C6处。此时，量块第二个测量表面面向传感器。重复上述步骤三至步骤六，得到量块第二个测量表面的点云数据和相应的重心C₄、C₅、C₆。然后根据量块第二个测量表面的点云数据拟合平面。所拟合平面的单位法向量n₄、n₅、n₆为转台150°、180°和210°位置处量块第二个测量表面的法向量，法向量的方向指向量块第一个测量表面。

此时，位置C4、位置C5和位置C6处量块第一个测量表面相应的重心为C₄'、C₅'、C₆'，其中C₄'＝C₄+L*n₄,C₅'＝C₅+L*n₅,C₆'＝C₆+L*n₆

步骤八、计算转台中心和转台法矢量。根据转台6个位置处第一个测量表面相应的重心坐标C₁、C₂、C₃、C₄'、C₅'、C₆'计算转台中心坐标值为C＝(C₁+C₂+C₃+C₄'+C₅'+C₆')/6。

用SVD分解法计算6个位置重心所构成平面的法向量N，即为转台法矢量方向。

本发明由‘高档数控机床与机床制造装备’科技重大专项课题资助。

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 (2)

1.一种基于线激光位移传感器和漫反射量块的转台标定方法，包括以下步骤：

适用于四轴测量机结构，采用线激光位移传感器测量漫反射量块测量表面，并通过转台旋转，提取转台不同位置下的漫反射量块测量表面重心，根据所测量的一系列重心计算转台中心与转台法向量从而标定转台；

步骤一、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测量机的通讯连接；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编码器触发信号，当测量机Z轴发生运动时，激光位移传感器可以得到相应的触发；

步骤二、放置漫反射量块以及机床回零后建立基准坐标系O'-XYZ与线激光位移传感器坐标系o-xyz；

步骤三、分部分扫描当前位置量块测量表面，通过坐标关系拼接各部分量块测量表面点云数据，最后得到完整的量块测量表面；

步骤四、根据量块测量表面点云的各点间距，设置合适的阈值，进行量块测量表面点云数据的去重；

步骤五、剔除量块倒角点云数据，提取量块测量表面点云数据；

步骤六、计算当前位置量块测量表面的重心坐标值；

步骤七、旋转转台，得到转台角度为30°、-30°、150°、180°、210°下的量块旋转位置，测量并计算这些位置处的量块同一个测量表面的重心坐标值；

步骤八、计算转台中心和转台法矢量；

标定使用的标准计量块为漫反射量块，要求量块测量表面的平面度小于0.001mm，两测量表面之间的平行度小于0.004mm，且两平面间的距离L经过更高精度校验。

2.如权利要求1所述的转台标定方法，其特征在于：所述转台角度为150°、180°、210°测量得到的量块重心C₄、C₅、C₆需要通过公式进行处理，得到与转台角度0°、30°、-30°相同测量表面的重心； 即根据C₄、C₅、C₆对应的测量表面单位法线向量n₄、n₅、n₆，计算出C₄'、C₅'、C₆'，

其中，C₄'＝C₄+L*n₄,C₅'＝C₅+L*n₅,C₆'＝C₆+L*n₆。

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