CN114102256A - 机床旋转轴几何误差识别方法、装置及存储介质 - Google Patents

机床旋转轴几何误差识别方法、装置及存储介质 Download PDF

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Abstract

本公开提供的机床旋转轴几何误差识别方法、装置及存储介质，包括：安装视觉靶标和单目相机，并对其安装误差进行标定；对C轴几何误差进行识别：测量视觉靶标的刀长和Y偏置；随机选择多个机床程序坐标，在各机床程序坐标处，控制A轴静止，C轴做RTCP运动并进行等间隔停止，采集标志C序列图像，得到各机床程序坐标在每次停止处视觉靶标的三维坐标偏差，以此计算C轴的几何误差；对A轴几何误差进行识别：随机选择多个机床程序坐标，在各机床程序坐标处，控制C轴静止，A轴做RTCP运动并进行等间隔停止，采集标志A序列图像，得到各机床程序坐标在每次停止处视觉靶标的三维坐标偏差，以此计算A轴的几何误差。本公开测量效率和精度高。

Description

机床旋转轴几何误差识别方法、装置及存储介质
技术领域
本公开属于机床几何误差测量领域，针对于五轴数控机床旋转轴的几何误差识别方法、装置及存储介质。
背景技术
根据机床的误差定义，机床理想响应和实际响应的差值即为机床的误差，机床的误差根源有很多，根据机床误差产生的根源不同可以将机床误差分为几何误差、热误差、力误差以及控制误差等，前三种误差源被称为准静态误差源，是机床刀具在工件坐标系中理想位置和实际位置产生差距的根源，准静态误差源会随时间缓慢变化，且取决于机床自身拓扑结构，造成了70％左右的机床误差。
数控机床的几何误差按照性质可分为两类，包括与位置相关的几何误差(Position dependent geometirc errors，以下简记为“PDGEs”)和与位置无关的几何误差(Position independent geometirc errors，以下简记为“PIGEs”)。其中，PDGEs主要是因为制造机床自身的零件的加工精度不高以造成的零部件形状和位置误差，又将旋转轴的PDGEs称为运动误差(motion errors)。PIGEs是由于零部件制造装配缺陷、载荷变化等原因造成的机床安装误差，旋转轴的PIGEs又称为结构误差(structureerrors)。对于五轴数控机床，根据ISO 230-7和GB/T 17421.7中所规定的，旋转轴运动时存在6项PDGES，包括3个平移误差(δxc,δyc,δzc)，(δxa,δya,δza))和3个旋转误差((θxc,θyc,θzc)，(θxa,θya,θza))，详见下表：
Figure BDA0003337981000000011
相比于传统三轴数控机床，五轴数控机床增加了两个旋转轴，在加工精度、质量和加工效率上均有较大的提升。五轴数控机床的平动轴的几何误差标定方法已经比较成熟，旋转轴作为五轴数控机床的重要组成部分，旋转轴的几何误差由于空间多轴联动对于五轴数控机床的影响也更加复杂，更加严重影响机床的加工精度，标定相对于平动轴更加复杂，因此五轴数控机床旋转轴几何误差的标定和补偿具有重要的意义。
现有R-test测量仪和球杆仪主要缺点在于测量成本相对较高，结构相对较为复杂，球杆仪的测量时间长，而视觉测量具有测量成本低，测量精度和测量效率高的优势，可以应用于五轴机床的旋转轴误差测量。
发明内容
本公开旨在解决上述问题之一。
为此，本公开第一方面实施例提供的机床旋转轴几何误差识别方法，采用单目视觉***结合高精度视觉靶标，可以完成检测五轴数控机床的旋转轴几何误差。本公开第一方面实施例提供的机床旋转轴几何误差识别方法包括：
在所述机床的刀柄末端和转台上分别安装视觉靶标和设有低畸变显微镜头的单目相机；所述视觉靶标上设有相互垂直的标志A、标志B和标志C，且分别与A轴、B轴和C轴垂直；
对所述单目相机和所述视觉靶标的安装误差分别进行标定；
对所述C轴的几何误差进行识别，包括：
根据所述机床的行程范围，在加工范围内随机选择所述机床的多个机床程序坐标，在每个所述机床程序坐标处，控制所述A轴静止于A0°位置，所述C轴做刀尖点跟随运动，运动过程中进行等间隔停止，并在各停止处利用所述单目相机采集所述视觉靶标上所述标志C的图像，形成对应的标志C序列图像；根据各测量过程的所述标志C序列图像得到各所述机床程序坐标在每次停止处所述视觉靶标的三维坐标偏差，以此计算所述C轴的几何误差；
对所述A轴的几何误差进行识别，包括：
测量所述视觉靶标的刀长和Y偏置，所述视觉靶标的刀长为机床主轴的端面到所述标志A或者所述标志B的中心的距离，所述视觉靶标的Y偏置为安装所述视觉靶标后所述标志A与所述机床主轴的中心偏差的Y向分量；
根据所述机床的行程范围，在加工范围内随机选择所述机床的多个机床程序坐标，在每个所述机床程序坐标处，控制所述C轴静止于C0°位置，所述A轴做刀尖点跟随运动，运动过程中进行等间隔停止，并在各停止处利用所述单目相机采集所述视觉靶标上所述标志A的图像，形成对应的标志A序列图像；根据各测量过程的所述标志A序列图像得到各所述机床程序坐标在每次停止处所述视觉靶标的三维坐标偏差，以此计算所述A轴的几何误差。
本公开第一方面实施例提供的机床旋转轴几何误差识别方法，具有以下特点及有益效果：
本公开第一方面实施例利用视觉测量精确、高效的优势，提出了一种采用视觉测量的手段实现五轴加工中心旋转轴几何误差的方案，可以快速完成五轴加工中心旋转轴几何误差的补偿。与现有的R-TEST和球杆仪等测量手段相比，本公开简单、低成本、测量效率高，可以达到接近专业测量仪器同等的测量效果。
在一些实施例中，对所述单目相机的安装误差进行标定，包括：
控制所述机床沿平动轴的轴线方向等间隔移动若干次，利用所述单目相机采集所述视觉靶标的序列图像，根据该序列图像计算出相机坐标系中所述视觉靶标的移动位移，并进行拟合得到相机坐标系与机床主轴坐标系的夹角，作为所述单目相机的安装误差。
在一些实施例中，所述拟合方式为最小二乘法线性拟合。
在一些实施例中，对所述视觉靶标的安装误差进行标定，包括：
控制机床各轴不动，使所述机床主轴进行圆周运动，且等间隔停止，在各停止处利用所述单目相机采集所述视觉靶标的图像，获取各图像的中心点进行拟合，获取所述视觉靶标的安装误差。
在一些实施例中，所述拟合方式为最小二乘法圆拟合。
在一些实施例中，所述视觉靶标上的标志选用棋盘格、圆点标定板或二维码标定板，通过所述单目相机进行所述视觉靶标的三维坐标偏差测量，包括：
控制所述单目相机获取全景深图像序列，利用Brenner函数对所述全景深图像序列进行清晰度计算，获取清晰度-图像序列曲线，并拟合出清晰度z向位移函数；控制所述单目相机在最佳清晰度位置成像，对所述视觉靶标的标志特征点进行亚像素识别，进行像素距离与真实位移标定；获取测量过程中的图像序列，实现所述视觉靶标的三维坐标偏差测量。
在一些实施例中，所述机床程序坐标选择两个，利用下式得到所述C轴的几何误差：
Figure BDA0003337981000000031
其中，
Figure BDA0003337981000000032
为选择的两个机床程序坐标；
Figure BDA0003337981000000033
为机床程序坐标xc1,yc1,zc1在第i次停止处所述视觉靶标的三维坐标偏差，
Figure BDA0003337981000000034
为机床程序坐标xc2,yc2,zc2在第i次停止处所述视觉靶标的三维坐标偏差；δxci,δyci分别为C轴运动第i次停止时沿x,y轴的平移误差，θxci,θyci,θzci,分别为C轴运动第i次停止时时沿x,y,z轴的旋转误差。
在一些实施例中，所述机床程序坐标选择两个，利用下式得到所述A轴的几何误差：
Figure BDA0003337981000000041
其中，(xa1,ya1,za1,xa2,ya2,za2)为选择的两个机床程序坐标；
Figure BDA0003337981000000042
为机床程序坐标(xa1,ya1,za1)在第i次停止处所述视觉靶标的三维坐标偏差，
Figure BDA0003337981000000043
为机床程序坐标(xa2,ya2,za2)在第i次停止处所述视觉靶标的三维坐标偏差；δyai,δzai分别为A轴运动第i次停止时沿y,z轴的平移误差，θxai,θyai,θzai分别为A轴运动第i次停止时沿x,y,z轴的旋转误差。
本公开第二方面实施例提供的机床旋转轴几何误差识别装置，包括：
单目视觉测量模块，所述单目视觉测量模块包括设有低畸变显微镜头的单目相机、相机位姿固定件和视觉靶标；所述视觉靶标上设有相互垂直的标志A、标志B和标志C，且分别与A轴、B轴和C轴垂直，所述视觉靶标通过机床刀柄与机床主轴紧密连接；所述单目相机通过所述相机位姿固定件与机床转台固定连接；
安装误差标定模块，用于对单目相机和视觉靶标的安装误差分别进行标定；
C轴几何误差测量模块，用于根据所述机床的行程范围，在加工范围内随机选择所述机床的多个机床程序坐标，在每个所述机床程序坐标处，控制所述A轴静止于A0°位置，所述C轴做刀尖点跟随运动，运动过程中进行等间隔停止，并在各停止处利用所述单目相机采集所述视觉靶标上所述标志C的图像，形成对应的标志C序列图像；根据各测量过程的所述标志C序列图像得到各所述机床程序坐标在每次停止处所述视觉靶标的三维坐标偏差，以此计算所述C轴的几何误差；和
A轴几何误差测量模块，用于测量所述视觉靶标的刀长和Y偏置，所述视觉靶标的刀长为机床主轴的端面到所述标志A或者所述标志B的中心的距离，所述视觉靶标的Y偏置为安装所述视觉靶标后所述标志A与所述机床主轴的中心偏差的Y向分量；根据所述机床的行程范围，在加工范围内随机选择所述机床的多个机床程序坐标，在每个所述机床程序坐标处，控制所述C轴静止于C0°位置，所述A轴做刀尖点跟随运动，运动过程中进行等间隔停止，并在各停止处利用所述单目相机采集所述视觉靶标上所述标志A的图像，形成对应的标志A序列图像；根据各测量过程的所述标志A序列图像得到各所述机床程序坐标在每次停止处所述视觉靶标的三维坐标偏差，以此计算所述A轴的几何误差。
本公开第三方面实施例提供的计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令用于使所述计算机执行上述机床旋转轴几何误差识别方法。
附图说明
图1为本公开第一方面实施例提供的机床旋转轴几何误差识别方法的流程图。
图2的(a)和(b)分别为本公开第一方面实施例提供的方法中单目视觉测量模块及其不同安装状态示意图。
图3为本公开第一方面实施例的单目视觉测量模块中视觉靶标的示意图
图4为本公开第一方面实施例提供的方法中单目相机安装误差标定的示意图。
图5为本公开第一方面实施例提供的方法中对C轴几何误差进行圆拟合的示意图。
图6为本公开第一方面实施例提供的方法中对C轴几何误差识别时利用单目视觉测量模块进行视觉靶标的三维坐标偏差测量的流程图。
图7为本公开第一方面实施例提供的方法中对A轴几何误差进行测量的示意图。
图8为本公开第三方面实施例提供的电子设备的结构示意图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本申请，并不用于限定本申请。
相反，本申请涵盖任何由权利要求定义的在本申请精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本申请有更好的了解，在下文对本申请的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本申请。
参见图1，本公开第一方面实施例提供的机床旋转轴几何误差识别方法，包括：
在五轴数控机床的刀柄末端和转台上分别安装视觉靶标和设有低畸变显微镜头的单目相机，其中，通过视觉靶标上的标志表征机床主轴相对于机床转台的运动位置，视觉靶标上的标志包括三个相互垂直的标志A、标志B和标志C，分别与机床的A轴、B轴和C轴垂直，通过单目相机采集视觉靶标的序列图像；
对单目相机和视觉靶标的安装误差分别进行标定；
对C轴几何误差进行识别，包括：
根据机床的行程范围，在加工范围内随机选择机床的多个机床程序坐标，在每个机床程序坐标处，控制A轴静止于A0°位置(即A轴处于0°位置)，C轴做刀尖点跟随(RotatedToolCenterPoint，RTCP)运动(控制测量进给速度小于F100mm/min)，运动过程中进行等间隔停止，并在各停止处利用单目相机采集视觉靶标上标志C的图像，形成对应的标志C序列图像，根据每次测量过程的标志C序列图像得到各机床程序坐标的每次停止处的视觉靶标的三维坐标偏差，以此计算C轴的几何误差；
对A轴几何误差进行识别，包括：
定义视觉靶标的刀长为机床主轴的端面到标志A或者标志B的中心的距离，定义视觉靶标的Y偏置为安装视觉靶标后标志A与机床主轴的中心偏差的Y向分量，对视觉靶标的刀长和Y偏置进行离线测量，并输入数控机床刀具***参数；
根据机床的行程范围，在加工范围内随机选择机床的多个机床程序坐标，在每个机床程序坐标处，控制C轴静止于C0°位置(即C轴处于0°位置)，A轴做低速RTCP运动(控制测量进给速度小于F100mm/min)，运动过程中进行等间隔停止，并在各停止处利用单目相机采集视觉靶标上标志A的图像，形成对应的标志A序列图像，根据每次测量过程的标志A序列图像得到各机床程序坐标在每次停止处的视觉靶标的三维坐标偏差，以此计算A轴的几何误差。
在一些实施例中，在进行旋转轴几何误差测量前，安装如图2所示的单目视觉测量模块，图2中(a)和(b)分别示出了C轴几何误差测量与A轴几何误差测量时单目视觉测量模块的装配图。参见图2中(a)，单目视觉测量模块包括单目相机1、相机位姿固定件2和高精度的视觉靶标3；其中，参见图3，视觉靶标3装配有高精度的特征标志，包括三个相互垂直的标志A、标志B和标志C，视觉靶标3安装后对应的标志垂直于相应的旋转轴，具体地，标志A垂直于A轴、标志B垂直与B轴、标志C垂直于C轴，视觉靶标3上的标志可选择棋盘格、圆点标定板、二维码标定板等标志，在一个实例中选取标志为棋盘格，单个棋盘格尺寸为0.01mm*0.01mm，数量为10*10个，精度为±0.001mm。视觉靶标3通过机床刀柄4与五轴数控机床的主轴紧密连接，视觉靶标3上的标志表征机床主轴的运动位置，优选地，通过CNC加工制得视觉靶标3以保证加工精度。相机位姿固定件2是设计加工的高精度工装，包括相连接的磁性开关底座2.1和支架2.2，通过磁性开关底座21实现与机床转台5的快速拆装，支架22固定于磁性开关底座21的顶部，单目相机1与支架22固定连接，通过机械配合结构保证单目相机1竖直采集视觉靶标3上标志C的序列图像。单目相机1还配置有环形均匀亮度前向照明LED光源，以保证成像的高均匀性和高稳定性。参见图2中(b)，进行A轴几何误差测量时，相比于C轴，单目相机1由竖直安装变为水平安装，识别视觉靶标3侧面的标志A。
由于视觉靶标3是经过CNC加工制得，且经过刀柄与机床主轴高精度连接，视觉靶标3的位姿误差几乎可以忽略，因此，本公开重点考虑单目相机安装的位姿偏差，即相机坐标系相对于机床主轴坐标系之间的夹角。
在一些实施例中，以C轴测量为例，相机安装的位姿偏差如图4所示，设相机坐标系(xv,yv,zv)和机床主轴坐标系(xs,ys,zs)之间的夹角为θ。测量步骤为：控制机床沿平动轴的某轴线方向(如为C轴测量，沿X/Y方向，如为A轴测量，沿Y/Z方向)等间隔移动若干次，利用单目相机采集视觉靶标序列图像，根据该图像计算出相机坐标系中视觉靶标的移动位移，并进行最小二乘法线性拟合得到夹角θ。
由于视觉靶标的安装误差在XY方向偏离的精度小于0.02mm，但是对于C轴几何误差的测量存在显著的影响，故首先对于视觉靶标的安装误差(Δx,Δy)进行矫正。
在一些实施例中，参见图5，控制机床各轴不动，使得主轴从0位置(即图5中S0°处)开始进行等间隔停止的圆周运动，每30°暂停并利用单目相机拍摄成像一次，获取0～330°范围的12张图像，获取12张图像的中心点，对于误差进行最小二乘法圆拟合，获取视觉靶标的安装误差Δx,Δy。
在一些实施例中，具体按照以下步骤测量C轴的几何误差：
按照测量要求安装单目视觉测量模块，并对单目相机进行高精度对焦。根据机床的行程范围，在加工范围内随机选择机床的两个机床程序坐标。记录数控***当前的机床程序坐标(xc1,yc1,zc1)，开启机床RTCP状态，控制A轴不动，X轴、Y轴、Z轴和C轴进行RTCP运动，且控制C轴进行0～360°等间隔停止运动，每30°暂停一次，控制单目相机成像，形成对应的标志C序列图像，由此计算在第一个机床程序坐标的第i次暂停后视觉靶标的三维坐标偏差为
Figure BDA0003337981000000071
在第二个机床程序坐标(xc2,yc2,zc2)处重复上述步骤，记录第二个机床程序坐标(xc2,yc2,zc2)的每次暂停后视觉靶标的三维坐标偏差
Figure BDA0003337981000000072
C轴几何误差由如下公式计算获得，其中根据机床实际几何误差结果，其中误差δzc对C轴的影响最小，置δzc＝0，求解C轴其余5项PDGES。由于PDGES会随着角度项的位置而变化，为了更好地描述几何误差分量，对C轴的工作行程0～360°进行细分为12部分，每部分30°，每次解方程获取其在该位置的PDGES。
Figure BDA0003337981000000073
其中，δxci,δyci，分别为C轴运动第i次停止时沿x,y轴的平移误差，θxci,θyci,θzci,分别为C轴运动第i次停止时沿x,y,z轴的旋转误差。
在一些实施例中，参见图6，通过设有低畸变显微镜头的单目相机进行视觉靶标的三维坐标偏差测量(其中控制行程在0.1mm，精度在2um)，包括：
控制设有低畸变显微镜头的单目相机获取全景深图像序列，利用Brenner函数对获取的全景深图像序列进行清晰度计算，获取清晰度-图像序列曲线，并拟合出清晰度z向位移函数；控制设有低畸变显微镜头的单目相机在最佳清晰度位置成像，对视觉靶标的标志特征点(即标志C的特征点)进行亚像素识别，进行像素距离与真实位移标定；获取测量过程中的图像序列，实现视觉靶标的三维坐标偏差测量。
在一些实施例中，按照以下步骤测量A轴的几何误差：
A轴RTCP运动需要精确测量视觉靶标的刀长，定义机床主轴的端面到标志中心的距离为视觉靶标刀长，如图7所示。由于视觉靶标中心在安装后与主轴中心在机床Y方向存在偏心，偏心结果<0.02mm，该结果需要精确测量。在数控***刀长设置中写入视觉靶标刀长和刀具的Y向偏置；
按照如图2中(b)所示方案安装单目视觉测量模块，并对单目相机进行高精度对焦。根据机床的行程范围，在加工范围内随机选择机床的两个机床程序坐标。记录数控***当前机床程序坐标(xa1,ya1,za1)，开启机床RTCP状态，控制C轴不动，X轴、Y轴、Z轴和A轴进行RTCP运动，且控制A轴进行-60～60°等间隔停止运动，每10°暂停一次，控制单目相机成像，形成对应的标志A序列图像，由此计算在第一个机床程序坐标的第i次暂停后视觉靶标的三维坐标偏差
Figure BDA0003337981000000081
(该三维坐标偏差的测量过程参见C轴中的三位坐标偏差测量过程)。在第二个机床程序坐标处重复上述步骤，记录第二个机床程序坐标(xa2,ya2,za2)，以及对应的视觉靶标的三维坐标偏差
Figure BDA0003337981000000082
A轴几何误差由如下公式计算获得，其中根据机床实际几何误差结果，其中误差δxa对A轴的影响最小，置δax＝0，求解A轴其余5项PDGES：
Figure BDA0003337981000000083
其中，δyai,δzai分别为A轴运动第i次停止时沿y,z轴的平移误差，θxai,θyai,θzai分别为A轴运动第i次停止时沿x,y,z轴的旋转误差。
本公开第一方面实施例提供的机床旋转轴几何误差识别方法的原理为：
当保持A轴不动，进行C轴RTCP运动时，不需要考虑A轴几何误差的影响，机床的空间误差由下式进行计算，其中E表示五轴机床RTCP运动的空间误差，CEA表示C轴相对于A轴的几何误差矩阵，I4*4为4阶单位矩阵，δx,δy,δz分别为空间误差E沿x,y,z轴的分量，Pt为刀具刀尖点在工件坐标系的位置，Ptx,Pty,Ptz分别为刀具刀尖点在工件坐标系的位置沿x,y,z轴的分量。
Figure BDA0003337981000000091
当保持C轴不动，进行A轴RTCP运动时，则不需要考虑C轴几何误差的影响，机床的空间误差由下式进行计算，其中E表示五轴机床RTCP运动的空间误差，AEO表示A轴相对机床坐标系的几何误差矩阵，I4*4为4阶单位矩阵。
Figure BDA0003337981000000092
对于以上方程，存在6个未知数，根据机床实际几何误差结果，其中误差δzc,δxa对分别对C轴和A轴的几何误差影响最小，置δzc＝0，δxa＝0求解C轴和A轴其余5项PDGES。
在机床的两个程序坐标点进行测量即可获得6个方程，完成对5个未知数的求解。将该未知数补偿至数控***，即可完成旋转轴几何误差的测量。
以下介绍利用单目相机测量三维位置的原理：
1)XY方向位移测量
选取单目相机配合微距镜头对视觉靶标进行测量，用于准确定位机床位置。目前针对于视觉靶标角点的识别方法已经非常成熟，以棋盘格为例，采用opencv的识别方案，可以快速找到棋盘格角点亚像素级精确位置。
通过以上方法，可以理论上将单个角点的像素坐标精确至±0.2像素之内。通过对9*9棋盘格角点平均值的方法可以降低棋盘格中点的测量的不确定度。
以本公开的一个具体实例，根据相机和镜头参数确定图片像素精度，如本实施例中选取的单目相机为500万黑白工业相机，像元为3.45*3.45um，镜头选择0畸变微距测量镜头，放大倍数为3倍，成像视野为2.80x2.40(mmxmm)，镜头畸变<0.01(％)。像素与真实位移的转化关系为：
1pixel＝2400um/2048＝1.1719um
经过实际测量结果标定，确定上述测量数据的准确性。
2)Z方向位移测量
单目相机分辨Z轴距离的原理与自动对焦的原理类似，棋盘格平面在Z轴的微小位移会造成图片中信息量的迅速变化。因此通过清晰度评价函数评价图片中蕴含的信息量，从而推导出靶向棋盘格的离焦量，进而判断棋盘格的Z向变化。采用该种方法精确判断Z轴坐标变化的关键为聚焦评价函数的选取和根据聚焦评价函数准确标定Z轴离焦量的变化。
选择Brenner聚焦评价函数作为Z向辨识聚焦评价函数，该函数具有算法耗时短，抗噪声干扰性强，对焦评估能力强的优势，其函数表达式为：其中f(x,y)为相机在第x行，第y列对应的灰度值，G反映了当前图像的清晰程度。
Figure BDA0003337981000000101
采用Brenner聚焦评价函数对获取的图像序列进行评价，并对于聚焦评价结果进行归一化处理，便于对比，归一化处理公式如下。其中Gmax为当前系列图像的最大清晰程度，Gk为第k次测量后的清晰程度结果，fk为第k次测量的归一化结果。
Figure BDA0003337981000000102
采用多项式拟合的方式对聚焦评价结果进行拟合，根据Z轴聚焦拟合函数形状，以二次函数为模型拟合聚焦函数与Z轴离焦量变化的参数，公式如下。其中a,b,c为拟合二次函数模型的系数，zf为Gmax所对应的Z轴坐标，即最清晰图像所处的Z轴坐标。zk为第k次测量对应的Z轴坐标。
fk＝a(zk-zf)2+b|zk-zf|+c
即可根据fk测量的结果对于Z向的离焦量进行评估，获取精确的Z向变动。
本公开第二方面实施例提供的机床旋转轴几何误差识别装置，包括：
单目视觉测量模块，包括设有低畸变显微镜头的单目相机、相机位姿固定件和视觉靶标；视觉靶标表面设有标定板，视觉靶标通过机床刀柄与机床主轴紧密连接，视觉靶标上的特征表征机床主轴的运动位置；相机位姿固定件包括相连接的磁性开关底座和支架，磁性开关底座与机床转台固定连接，单目相机通过支架与磁性开关底座连接；
安装误差标定模块，用于对单目相机和视觉靶标的安装误差分别进行标定；
C轴几何误差测量模块，用于根据所述机床的行程范围，在加工范围内随机选择所述机床的多个机床程序坐标，在每个所述机床程序坐标处，控制所述A轴静止于A0°位置，所述C轴做RTCP运动，运动过程中进行等间隔停止，并在各停止处利用所述单目相机采集所述视觉靶标上所述标志C的图像，形成对应的标志C序列图像；根据各测量过程的所述标志C序列图像得到各所述机床程序坐标在每次停止处所述视觉靶标的三维坐标偏差，以此计算所述C轴的几何误差；和
A轴几何误差测量模块，用于测量所述视觉靶标的刀长和Y偏置，所述视觉靶标的刀长为机床主轴的端面到所述标志A或者所述标志B的中心的距离，所述视觉靶标的Y偏置为安装所述视觉靶标后所述标志A与所述机床主轴的中心偏差的Y向分量；根据所述机床的行程范围，在加工范围内随机选择所述机床的多个机床程序坐标，在每个所述机床程序坐标处，控制所述C轴静止于C0°位置，所述A轴做RTCP运动，运动过程中进行等间隔停止，并在各停止处利用所述单目相机采集所述视觉靶标上所述标志A的图像，形成对应的标志A序列图像；根据各测量过程的所述标志A序列图像得到各所述机床程序坐标在每次停止处所述视觉靶标的三维坐标偏差，以此计算所述A轴的几何误差。
为了实现上述实施例，本公开实施例还提出一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行，用于执行上述实施例的机床旋转轴几何误差识别方法。
下面参考图8，其示出了适于用来实现本公开实施例的电子设备100的结构示意图。其中，需要说明的是，本公开实施例中的电子设备100可以包括但不限于诸如移动电话、笔记本电脑、数字广播接收器、PDA(个人数字助理)、PAD(平板电脑)、PMP(便携式多媒体播放器)、车载终端(例如车载导航终端)等等的移动终端以及诸如数字TV、台式计算机、服务器等等的固定终端。图8示出的电子设备仅仅是一个示例，不应对本公开实施例的功能和使用范围带来任何限制。
如图8所示，电子设备100可以包括处理装置(例如中央处理器、图形处理器等)101，其可以根据存储在只读存储器(ROM)102中的程序或者从存储装置108加载到随机访问存储器(RAM)103中的程序而执行各种适当的动作和处理。在RAM103中，还存储有电子设备100操作所需的各种程序和数据。处理装置101、ROM102以及RAM103通过总线104彼此相连。输入/输出(I/O)接口105也连接至总线104。
通常，以下装置可以连接至I/O接口105：包括例如触摸屏、触摸板、键盘、鼠标、摄像头、麦克风等的输入装置106；包括例如液晶显示器(LCD)、扬声器、振动器等的输出装置107；包括例如磁带、硬盘等的存储装置108；以及通信装置109。通信装置109可以允许电子设备100与其他设备进行无线或有线通信以交换数据。虽然图8示出了具有各种装置的电子设备100，但是应理解的是，并不要求实施或具备所有示出的装置。可以替代地实施或具备更多或更少的装置。
特别地，根据本公开的实施例，上文参考流程图描述的过程可以被实现为计算机软件程序。例如，本实施例包括一种计算机程序产品，其包括承载在计算机可读介质上的计算机程序，该计算机程序包含用于执行流程图中所示方法的程序代码。在这样的实施例中，该计算机程序可以通过通信装置109从网络上被下载和安装，或者从存储装置108被安装，或者从ROM102被安装。在该计算机程序被处理装置101执行时，执行本公开实施例的方法中限定的上述功能。
需要说明的是，本公开上述的计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质或者是上述两者的任意组合。计算机可读存储介质例如可以是——但不限于——电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的***、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子可以包括但不限于：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机访问存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本公开中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行***、装置或者器件使用或者与其结合使用。而在本公开中，计算机可读信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了计算机可读的程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。计算机可读信号介质还可以是计算机可读存储介质以外的任何计算机可读介质，该计算机可读信号介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行***、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。计算机可读介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括但不限于：电线、光缆、RF(射频)等等，或者上述的任意合适的组合。
上述计算机可读介质可以是上述电子设备中所包含的；也可以是单独存在，而未装配入该电子设备中。
上述计算机可读介质承载有一个或者多个程序，当上述一个或者多个程序被该电子设备执行时，使得该电子设备：对安装于机床的刀柄末端的设有低畸变显微镜头的单目相机和安装与机床转台上的视觉靶标的安装误差分别进行标定；对C轴的几何误差进行识别，包括：根据机床的行程范围，在加工范围内随机选择机床的多个机床程序坐标，在每个机床程序坐标处，控制A轴静止于A0°位置，C轴做RTCP运动，运动过程中进行等间隔停止，并在各停止处利用单目相机采集视觉靶标上标志C的图像，形成对应的标志C序列图像；根据各测量过程的所述标志C序列图像得到各机床程序坐标在每次停止处视觉靶标的三维坐标偏差，以此计算C轴的几何误差；对A轴的几何误差进行识别，包括：测量视觉靶标的刀长和Y偏置，视觉靶标的刀长为机床主轴的端面到标志A或者标志B的中心的距离，视觉靶标的Y偏置为安装视觉靶标后标志A与机床主轴的中心偏差的Y向分量，根据所述机床的行程范围，在加工范围内随机选择所述机床的多个机床程序坐标，在每个机床程序坐标处，控制C轴静止于C0°位置，A轴做RTCP运动，运动过程中进行等间隔停止，并在各停止处利用单目相机采集视觉靶标上标志A的图像，形成对应的标志A序列图像；根据各测量过程的标志A序列图像得到各机床程序坐标在每次停止处视觉靶标的三维坐标偏差，以此计算A轴的几何误差。
可以以一种或多种程序设计语言或其组合来编写用于执行本公开的操作的计算机程序代码，上述程序设计语言包括面向对象的程序设计语言—诸如Java、Smalltalk、C++、python，还包括常规的过程式程序设计语言—诸如“C”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络——包括局域网(LAN)或广域网(WAN)—连接到用户计算机，或者，可以连接到外部计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本申请的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本申请的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行***、装置或设备(如基于计算机的***、包括处理器的***或其他可以从指令执行***、装置或设备取指令并执行指令的***)使用，或结合这些指令执行***、装置或设备而使用。就本说明书而言，“计算机可读介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行***、装置或设备或结合这些指令执行***、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得程序，然后将其存储在计算机存储器中。
应当理解，本申请的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行***执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。
本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤，可以通过程序来指令相关的硬件完成，所开发的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。
此外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种机床旋转轴几何误差识别方法，其特征在于，包括：
在所述机床的刀柄末端和转台上分别安装视觉靶标和设有低畸变显微镜头的单目相机；所述视觉靶标上设有相互垂直的标志A、标志B和标志C，且分别与A轴、B轴和C轴垂直；
对所述单目相机和所述视觉靶标的安装误差分别进行标定；
对所述C轴的几何误差进行识别，包括：
根据所述机床的行程范围，在加工范围内随机选择所述机床的多个机床程序坐标，在每个所述机床程序坐标处，控制所述A轴静止于A0°位置，所述C轴做刀尖点跟随运动，运动过程中进行等间隔停止，并在各停止处利用所述单目相机采集所述视觉靶标上所述标志C的图像，形成对应的标志C序列图像；根据各测量过程的所述标志C序列图像得到各所述机床程序坐标在每次停止处所述视觉靶标的三维坐标偏差，以此计算所述C轴的几何误差；
对所述A轴的几何误差进行识别，包括：
测量所述视觉靶标的刀长和Y偏置，所述视觉靶标的刀长为机床主轴的端面到所述标志A或者所述标志B的中心的距离，所述视觉靶标的Y偏置为安装所述视觉靶标后所述标志A与所述机床主轴的中心偏差的Y向分量；
根据所述机床的行程范围，在加工范围内随机选择所述机床的多个机床程序坐标，在每个所述机床程序坐标处，控制所述C轴静止于C0°位置，所述A轴做刀尖点跟随运动，运动过程中进行等间隔停止，并在各停止处利用所述单目相机采集所述视觉靶标上所述标志A的图像，形成对应的标志A序列图像；根据各测量过程的所述标志A序列图像得到各所述机床程序坐标在每次停止处所述视觉靶标的三维坐标偏差，以此计算所述A轴的几何误差。
2.根据权利要求1所述的机床旋转轴几何误差识别方法，其特征在于，对所述单目相机的安装误差进行标定，包括：
控制所述机床沿平动轴的轴线方向等间隔移动若干次，利用所述单目相机采集所述视觉靶标的序列图像，根据该序列图像计算出相机坐标系中所述视觉靶标的移动位移，并进行拟合得到相机坐标系与机床主轴坐标系的夹角，作为所述单目相机的安装误差。
3.根据权利要求2所述的机床旋转轴几何误差识别方法，其特征在于，所述拟合方式为最小二乘法线性拟合。
4.根据权利要求1所述的机床旋转轴几何误差识别方法，其特征在于，对所述视觉靶标的安装误差进行标定，包括：
控制机床各轴不动，使所述机床主轴进行圆周运动，且等间隔停止，在各停止处利用所述单目相机采集所述视觉靶标的图像，获取各图像的中心点进行拟合，获取所述视觉靶标的安装误差。
5.根据权利要求4所述的机床旋转轴几何误差识别方法，其特征在于，所述拟合方式为最小二乘法圆拟合。
6.根据权利要求1所述的机床旋转轴几何误差识别方法，其特征在于，所述视觉靶标上的标志选用棋盘格、圆点标定板或二维码标定板，通过所述单目相机进行所述视觉靶标的三维坐标偏差测量，包括：
控制所述单目相机获取全景深图像序列，利用Brenner函数对所述全景深图像序列进行清晰度计算，获取清晰度-图像序列曲线，并拟合出清晰度z向位移函数；控制所述单目相机在最佳清晰度位置成像，对所述视觉靶标的标志特征点进行亚像素识别，进行像素距离与真实位移标定；获取测量过程中的图像序列，实现所述视觉靶标的三维坐标偏差测量。
7.根据权利要求1所述的机床旋转轴几何误差识别方法，其特征在于，
选择两个所述机床程序坐标，利用下式得到所述C轴的几何误差：
Figure FDA0003337980990000021
其中，(xc1，yc1，zc1)，(xc2，yc2，zc2)为选择的两个机床程序坐标；
Figure FDA0003337980990000022
为机床程序坐标(xc1，yc1，zc1)在第i次停止处所述视觉靶标的三维坐标偏差，
Figure FDA0003337980990000023
为机床程序坐标(xc2，yc2，zc2)在第i次停止处所述视觉靶标的三维坐标偏差；δxci，δyci分别为C轴运动第i次停止时沿x，y轴的平移误差，θxci，θyci，θzci，分别为C轴运动第i次停止时时沿x，y，z轴的旋转误差。
8.根据权利要求1所述的机床旋转轴几何误差识别方法，其特征在于，选择两个所述机床程序坐标，利用下式得到所述A轴的几何误差：
Figure FDA0003337980990000024
其中，(xa1，ya1，za1)，(xa2，ya2，za2)为选择的两个机床程序坐标；
Figure FDA0003337980990000031
为机床程序坐标(xa1，ya1，za1)在第i次停止处所述视觉靶标的三维坐标偏差，
Figure FDA0003337980990000032
为机床程序坐标(xa2，ya2，za2)在第i次停止处所述视觉靶标的三维坐标偏差；δyai，δzai分别为A轴运动第i次停止时沿y，z轴的平移误差，θxai，θyai，θzai分别为A轴运动第i次停止时沿x，y，z轴的旋转误差。
9.一种机床旋转轴几何误差识别装置，其特征在于，包括：
单目视觉测量模块，所述单目视觉测量模块包括设有低畸变显微镜头的单目相机、相机位姿固定件和视觉靶标；所述视觉靶标上设有相互垂直的标志A、标志B和标志C，且分别与A轴、B轴和C轴垂直，所述视觉靶标通过机床刀柄与机床主轴紧密连接；所述单目相机通过所述相机位姿固定件与机床转台固定连接；
安装误差标定模块，用于对单目相机和视觉靶标的安装误差分别进行标定；
C轴几何误差测量模块，用于根据所述机床的行程范围，在加工范围内随机选择所述机床的多个机床程序坐标，在每个所述机床程序坐标处，控制所述A轴静止于A0°位置，所述C轴做刀尖点跟随运动，运动过程中进行等间隔停止，并在各停止处利用所述单目相机采集所述视觉靶标上所述标志C的图像，形成对应的标志C序列图像；根据各测量过程的所述标志C序列图像得到各所述机床程序坐标在每次停止处所述视觉靶标的三维坐标偏差，以此计算所述C轴的几何误差；和
A轴几何误差测量模块，用于测量所述视觉靶标的刀长和Y偏置，所述视觉靶标的刀长为机床主轴的端面到所述标志A或者所述标志B的中心的距离，所述视觉靶标的Y偏置为安装所述视觉靶标后所述标志A与所述机床主轴的中心偏差的Y向分量；根据所述机床的行程范围，在加工范围内随机选择所述机床的多个机床程序坐标，在每个所述机床程序坐标处，控制所述C轴静止于C0°位置，所述A轴做刀尖点跟随运动，运动过程中进行等间隔停止，并在各停止处利用所述单目相机采集所述视觉靶标上所述标志A的图像，形成对应的标志A序列图像；根据各测量过程的所述标志A序列图像得到各所述机床程序坐标在每次停止处所述视觉靶标的三维坐标偏差，以此计算所述A轴的几何误差。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令用于使所述计算机执行权利要求1-8中任一项所述的机床旋转轴几何误差识别方法。
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