CN116736797A - 四轴设备插补标定方法、装置、计算机设备及其存储介质 - Google Patents

四轴设备插补标定方法、装置、计算机设备及其存储介质 Download PDF

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CN116736797A CN202310546210.XA CN202310546210A CN116736797A CN 116736797 A CN116736797 A CN 116736797A CN 202310546210 A CN202310546210 A CN 202310546210A CN 116736797 A CN116736797 A CN 116736797A
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Abstract

本发明公开了一种四轴设备插补标定方法、装置、计算机设备及其存储介质，该标定方法包括：控制四轴设备的旋转轴旋转，并使执行件对准至标定件上的特征点，所述标定件安装在所述旋转轴上；获取旋转轴每次旋转后执行件对准特征点时的坐标数据，并根据所述坐标数据确定所述旋转轴的中心坐标和旋转矢量，其中，所述旋转轴旋转至少三次，以采集所述特征点的至少三个坐标数据；根据所述坐标数据、旋转轴的中心坐标和旋转矢量进行插补坐标计算，得到每个插补线段的实际坐标。根据本发明实施例提供的四轴设备插补标定方法、实现了数控***旋转轴的自动标定，该标定方法可以实现快速、自动化的标定过程，标定结果准确可靠。

Description

四轴设备插补标定方法、装置、计算机设备及其存储介质
技术领域
本发明涉及多轴加工技术领域，尤其涉及一种四轴设备插补标定方法、装置、计算机设备及其存储介质。
背景技术
四轴加工设备是一种先进的数控加工设备，它具有三个线性轴和一个旋转轴，这种设备可以在多个方向上进行加工或点胶，从而实现更复杂、更精细的加工需求。然而，要充分发挥四轴加工设备的潜力，需要对其进行精确的标定，这就是旋转轴标定技术的重要性所在。
旋转轴标定的目的是找出单旋转轴的旋转中心和旋转矢量，从而实现RTCP功能。RTCP，即Rotated Tool Center Point，是一种刀尖点跟随功能。在四轴加工过程中，追求刀尖点轨迹和刀具与工件间的姿态。由于回转运动，刀尖点会产生附加运动，数控***控制点往往与刀尖点不重合，因此，数控***要自动修正控制点，以保证刀尖点按指令既定轨迹运动。为了实现RTCP功能必须知道四轴设备的各种参数。
在四轴加工设备的旋转轴标定领域，有几种主要的标定方法。
直接测量法：这种方法是通过直接测量旋转轴的位置和方向来进行标定。这通常需要使用高精度的测量设备，如激光干涉仪或球栅分度头。直接测量法的优点是简单直观，但缺陷在于测量误差可能较大，尤其是在测量大型机床时。此外，这种方法可能受到环境因素的影响，如温度、湿度等。
间接测量法：这种方法是通过测量刀尖点在工件上的轨迹来间接确定旋转轴的位置和方向。这通常需要使用触发式探针或光学测量***。间接测量法的优点是可以在实际加工过程中进行标定，但缺陷在于可能受到刀具磨损、探针误差等因素的影响。
基于机器视觉的标定方法：这种方法是通过安装摄像头或其他视觉传感器来捕捉刀尖点在工件上的轨迹，然后利用计算机视觉算法进行标定。基于机器视觉的标定方法的优点是可以实现非接触式、实时的标定过程，但缺陷在于可能受到光照条件、摄像头分辨率等因素的影响，此外，标定复杂、时间长。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的目的在于提出一种四轴设备插补标定方法、装置、计算机设备及其存储介质。
为实现上述目的，第一方面，根据本发明实施例的四轴设备插补标定方法，包括：
控制四轴设备的旋转轴旋转，并使执行件对准至标定件上的特征点，所述标定件安装在所述旋转轴上；
获取旋转轴每次旋转后执行件对准特征点时的坐标数据，并根据所述坐标数据确定所述旋转轴的中心坐标和旋转矢量，其中，所述旋转轴旋转至少三次，以采集所述特征点的至少三个坐标数据；
根据所述坐标数据、旋转轴的中心坐标和旋转矢量进行插补坐标计算，得到每个插补线段的实际坐标。
根据本发明的一个实施例，根据所述坐标数据确定所述旋转轴的中心坐标包括：
根据所述坐标数据，采用最小二乘法拟合球面；
根据拟合球面计算球体的球心坐标；
其中，空间球方程：(X-a)2+(Y-b)2+(Z-c)2＝R2，R为球体半径；
将所述空间球方程展开得：X2+Y2+Z2-2aX-2bY-2cZ+a2+b2+c2＝R2；
设：A＝2a；B＝2b；C＝2c；D＝a2+b2+c2-R2；
则：X2+Y2+Z2-AX-BX-CX+D＝0；
最小二乘法拟合球面：V＝Σ(X2+Y2+Z2-AX-BX-CX+D)2，计算V为最小值，求得A、B、C的值，则得到球心坐标：a＝A/2；b＝B/2；c＝C/2。
根据本发明的一个实施例，所述旋转矢量采用如下公式计算：
旋转矢量IJK＝
Vector A1(X1-centerX,Y1-centerY,Z1-centerZ)；
Vector A2(X2-centerX,Y2-centerY,Z2-centerZ)；
Vector A3(X3-centerX,Y3-centerY,Z3-centerZ)；
Vector A5＝A2-A1；
Vector A6＝A3-A1；
Vector A7＝A5.CROSS(A6)；//叉乘
Double len＝sqrt(A7.X^+A7.Y^+A7.Z^)；
Double i＝A7.X/len；
Double j＝A7.Y/len；
Double k＝A7.Z/len；
其中centerX，centerY，centerZ是计算出的球心坐标a、b、c，X1、X2、X3 Y1、Y2、Y3、Z1、Z2、Z3为球体上不共线的三个点的坐标。
根据本发明的一个实施例，根据所述坐标数据、旋转轴的中心坐标和旋转矢量进行插补坐标计算，得到每个插补线段的实际坐标包括：
根据所述坐标数据、旋转轴的中心坐标及旋转矢量，通过如下运动学公式求出逆解；
Quaterniond q(rotation_vector)；
Vector target＝q*(rotationPos-centerV)+centerV；
其中，rotation_vector是旋转向量IJK，包括指定的角度姿态，q是以rotation_vector包含的旋转向量及角度姿态的四元数；
target是逆解后的实际坐标点，rotationPos是逆解前的插补点向量，centerV是球心坐标。
第二方面，根据本发明实施例的四轴设备插补标定装置，包括：
控制单元，用于控制四轴设备的旋转轴旋转，并使执行件对准至标定件上的特征点，所述标定件安装在所述旋转轴上；
确定单元，用于获取旋转轴每次旋转后执行件对准特征点时的坐标数据，并根据所述坐标数据确定所述旋转轴的中心坐标和旋转矢量，其中，所述旋转轴旋转至少三次，以采集所述特征点的至少三个坐标数据；
插补计算单元，用于根据所述坐标数据、旋转轴的中心坐标和旋转矢量进行插补坐标计算，得到每个插补线段的实际坐标。
根据本发明的一个实施例，所述确定单元包括：
拟合模块，用于根据所述坐标数据，采用最小二乘法拟合球面；
计算模块，用于根据拟合球面计算球体的球心坐标；
其中，空间球方程：(X-a)2+(Y-b)2+(Z-c)2＝R2，R为球体半径；
将所述空间球方程展开得：X2+Y2+Z2-2aX-2bY-2cZ+a2+b2+c2＝R2；
设：A＝2a；B＝2b；C＝2c；D＝a2+b2+c2-R2；
则：X2+Y2+Z2-AX-BX-CX+D＝0；
最小二乘法拟合球面：V＝Σ(X2+Y2+Z2-AX-BX-CX+D)2，计算V为最小值，求得A、B、C的值，则得到球心坐标：a＝A/2；b＝B/2；c＝C/2。
根据本发明的一个实施例，所述旋转矢量采用如下公式计算：
旋转矢量IJK＝
Vector A1(X1-centerX,Y1-centerY,Z1-centerZ)；
Vector A2(X2-centerX,Y2-centerY,Z2-centerZ)；
Vector A3(X3-centerX,Y3-centerY,Z3-centerZ)；
Vector A5＝A2-A1；
Vector A6＝A3-A1；
Vector A7＝A5.CROSS(A6)；//叉乘
Double len＝sqrt(A7.X^+A7.Y^+A7.Z^)；
Double i＝A7.X/len；
Double j＝A7.Y/len；
Double k＝A7.Z/len；
其中centerX，centerY，centerZ是计算出的球心坐标a、b、c，X1、X2、X3 Y1、Y2、Y3、Z1、Z2、Z3为球体上不共线的三个点的坐标。
根据本发明的一个实施例，所述插补计算单元具体用于根据所述坐标数据、旋转轴的中心坐标及旋转矢量，通过如下运动学公式求出逆解；
Quaterniond q(rotation_vector)；
Vector target＝q*(rotationPos-centerV)+centerV；
其中，rotation_vector是旋转向量IJK，包括指定的角度姿态，q是以rotation_vector包含的旋转向量及角度姿态的四元数；
target是逆解后的实际坐标点，rotationPos是逆解前的插补点向量，centerV是球心坐标。
第三方面，本发明实施例提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上所述的四轴设备插补标定方法。
第四方面，本发明实施例提供的计算机存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上所述的四轴设备插补标定方法。
根据本发明实施例提供的四轴设备插补标定方法、装置、计算机设备及其存储介质，通过在旋转轴上安装标定件，标定件上具有至少三个特征点，获取执行件在至少三个特征点的坐标数据，并根据坐标数据确定所述旋转轴的中心坐标和旋转矢量，再根据坐标数据、旋转轴的中心坐标和旋转矢量进行插补坐标计算，得到每个插补线段的实际坐标，如此，实现了数控***旋转轴的自动标定，该标定方法可以实现快速、自动化的标定过程，并且，只需要配置标定块，不需要配置其他检测工具，不容易受到其他因素的影响，因此，标定结果准确可靠。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中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示出的结构获得其他的附图。
图1是本发明四轴设备插补标定方法一个实施例的流程图；
图2是本发明四轴设备插补标定方法中执行件与标定件对准的示意图；
图3是本发明四轴设备插补标定装置一个实施例的流程图；
图4是本发明计算机设备一个实施例的结构示意图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
参照图1所示，图1示出了本发明实施例提供的四轴设备插补标定方法一个实施例的流程图，为了便于描述，仅示出了与本发明实施例相关的部分。具体的，该四轴设备插补标定方法包括：
S101、控制四轴设备的旋转轴R旋转，并使执行件11对准至标定件10上的特征点101，所述标定件10安装在所述旋转轴R上。
该步骤的目的是将执行件11对准至标定件10上的特征点101，以便后续获取坐标数据和确定旋转轴R的中心坐标和旋转矢量。标定件10需要安装在旋转轴R上，标定件10上具有特征点101，控制旋转轴R旋转，标定件10上的特征点101随之转动，在不同的位置，特征点101的坐标数据不同，通过控制执行件11依次对准这些不同位置的特征点101，从而获取特征点101在不同位置的坐标数据。
需要说明的是，执行件11根据四轴加工设备的用途不同，该执行件11也不同，例如该执行件11可以为刀具或者点胶针头，刀具用于机械加工，点胶针头用于在产品预定位置点胶。执行件11通常安装在三轴机械手或其他多轴运动机构上，以驱动执行件11运动至目标位置，执行加工或点胶操作。
S102、获取旋转轴R每次旋转后执行件11对准特征点101时的坐标数据，并根据所述坐标数据确定所述旋转轴R的中心坐标和旋转矢量，其中，所述旋转轴R旋转至少三次，以采集所述特征点101的至少三个坐标数据。
示例性地，旋转轴R转动第一角度，则特征点101位于第一位置，此时，控制执行件11与第一位置的特征点101对准，则根据执行件11在X、Y、Z轴上数据即可获取特征点101在第一位置的坐标数据。接着，旋转轴R转动第二角度，则特征点101位于第二位置，此时，控制执行件11与第二位置的特征点101对准，即可获取特征点101在第二位置的坐标数据，进一步，旋转轴R转动第三角度，则特征点101位于第三位置，此时，控制执行件11与第三位置的特征点101对准，即可获取特征点101在第三位置的坐标数据，如此，即可获取特征点101的三个位置的坐标数据，且三个位置不共线。
由于获得的至少三个坐标数据，是由旋转轴R旋转至少三个不同位置时采集特征点101得到的，所以，可以使用三维坐标系和旋转矩阵来描述旋转轴R的运动轨迹和旋转角度，进而求旋转轴R的中心坐标点、旋转矢量等。
可以理解的是，采集的位置越多，获得的特征点101的坐标数据越多，则得到的旋转轴R的中心坐标和旋转矢量的结果越准确。
S103、根据所述坐标数据、旋转轴R的中心坐标和旋转矢量进行插补坐标计算，得到每个插补线段的实际坐标。
该步骤中，通过上一步获取的四轴结构参数(包括旋转轴R的中心坐标、旋转矢量、不同位置的特征点101的坐标数据等)，可以通过运动学算法求出逆解。将一条长线段(包括曲线、圆弧)拆分成N个微小线段进行插补，只需要将每次插补的坐标及姿态信息通过运动学算法求出逆解，即可得到设备实际要走的位置，也即是实际坐标。
根据本发明实施例提供的四轴设备插补标定方法，通过在旋转轴R上安装标定件10，标定件10上具有至少三个特征点101，获取执行件11在至少三个特征点101的坐标数据，并根据坐标数据确定所述旋转轴R的中心坐标和旋转矢量，再根据坐标数据、旋转轴R的中心坐标和旋转矢量进行插补坐标计算，得到每个插补线段的实际坐标，如此，实现了数控***旋转轴R的自动标定，该标定方法可以实现快速、自动化的标定过程，并且，只需要配置标定块，不需要配置其他检测工具，不容易受到其他因素的影响，因此，标定结果准确可靠。
在本发明的一个实施例中，步骤S102中根据所述坐标数据确定所述旋转轴R的中心坐标包括：
根据所述坐标数据，采用最小二乘法拟合球面；
根据拟合球面计算球体的球心坐标；
其中，空间球方程：(X-a)2+(Y-b)2+(Z-c)2＝R2，R为球体半径；
将所述空间球方程展开得：X2+Y2+Z2-2aX-2bY-2cZ+a2+b2+c2＝R2；
设：A＝2a；B＝2b；C＝2c；D＝a2+b2+c2-R2；
则：X2+Y2+Z2-AX-BX-CX+D＝0；
最小二乘法拟合球面：V＝Σ(X2+Y2+Z2-AX-BX-CX+D)2，计算V为最小值，求得A、B、C的值，则得到球心坐标：a＝A/2；b＝B/2；c＝C/2。
在该实施例中，根据给定的坐标数据，使用最小二乘法来拟合一个球面。最小二乘法是一种数学优化技术，它通过最小化预测值与实际值之间的平方差来找到最佳拟合曲线或曲面。再根据拟合球面，计算球体的球心坐标。球心坐标是球面上所有点到球心的距离相等的点，可以通过求解空间球方程来获得。
本实施例中采用最小二乘法计算旋转轴R中心坐标具有以下优点：1)准确性：最小二乘法通过最小化预测值与实际值之间的平方差来找到最佳拟合曲线或曲面，因此在计算旋转轴R中心坐标时，它能够提供较高的准确性。这对于精确加工或点胶操作至关重要。2)稳定性：最小二乘法是一种稳定的数学优化方法，它可以在存在噪声或数据不完整的情况下仍然提供可靠的结果。这意味着即使输入数据存在一定程度的误差，最小二乘法仍能够找到一个相对稳定的旋转轴R中心坐标。3)计算效率：最小二乘法的计算过程相对简单，可以通过矩阵运算和迭代求解等方法高效地求解。这使得最小二乘法在计算旋转轴R中心坐标时具有较高的计算效率，有助于提高整个加工或点胶过程的速度。4)容错性：最小二乘法具有一定的容错性，即使输入数据中存在一些异常值，它仍然可以找到一个合理的旋转轴R中心坐标。这有助于提高加工或点胶操作的鲁棒性。
总之，最小二乘法计算旋转轴R中心坐标具有准确性高、稳定性好、适用性广泛、计算效率高和容错性强等优点。这些优点使得最小二乘法成为计算旋转轴R中心坐标的较佳方法，有助于实现精确的加工或点胶操作。
在本本发明的一个实施例中，步骤S102中所述旋转矢量采用如下公式计算：
旋转矢量IJK＝
Vector A1(X1-centerX,Y1-centerY,Z1-centerZ)；
Vector A2(X2-centerX,Y2-centerY,Z2-centerZ)；
Vector A3(X3-centerX,Y3-centerY,Z3-centerZ)；
Vector A5＝A2-A1；//计算A2相对于A1的相对向量；
Vector A6＝A3-A1；//计算A3相对于A1的相对向量；
Vector A7＝A5.CROSS(A6)；//叉乘，使用叉积计算A5和A6的叉积,得到垂直于A5和A6的向量；
Double len＝sqrt(A7.X^+A7.Y^+A7.Z^)；//计算A7的向量长度；
Double i＝A7.X/len；//通过单位化得到i单位向量；
Double j＝A7.Y/len；//通过单位化得到j单位向量；
Double k＝A7.Z/len；//通过单位化得到k单位向量；
i，j，k构成了IJK坐标轴系，原点为A1点。
Ijk为旋转单位矢量。
其中centerX，centerY，centerZ是计算出的球心坐标a、b、c，X1、X2、X3 Y1、Y2、Y3、Z1、Z2、Z3为球体上不共线的三个点的坐标。
该实施例中，定义三个空间矢量A1，A2，A3，计算A2-A1和A3-A1得到两个相对向量A5和A6，使用叉积计算A5和A6得到垂直于A5和A6的单位向量A7，通过A7的坐标算出i，j，k单位向量。i，j，k单位向量构成了以A1为原点的IJK轴系。该过程的作用是通过三个空间点A1，A2，A3构建一个以A1为原点，IJK为轴向的坐标轴系。
需要说明的是，通过计算不共线的三个点在球体上的旋转关系，可以找到一个垂直于这些点所在平面的旋转轴R，该旋转轴R是关键，因为它允许在三维空间中精确地执行旋转操作。而通过将旋转矢量归一化，得到了一个旋转单位矢量。这个单位矢量具有长度为1，方向与旋转轴R相同的特点，使得可以更方便地处理旋转操作，同时避免了因为矢量长度的变化而导致的计算误差。
此外，上述旋转矢量的算法为提供了一种简便的方法来处理三维空间中的旋转操作。通过计算旋转矢量，可以更容易地理解和实现旋转操作，从而提高了插补标定的准确性。
在本发明的一个实施例中，根据所述坐标数据、旋转轴R的中心坐标和旋转矢量进行插补坐标计算，得到每个插补线段的实际坐标包括：
根据所述坐标数据、旋转轴R的中心坐标及旋转矢量，通过如下运动学公式求出逆解；
Quaterniond q(rotation_vector)；
Vector target＝q*(rotationPos-centerV)+centerV；
其中，rotation_vector是旋转向量IJK，包括指定的角度姿态，q是以rotation_vector包含的旋转向量及角度姿态的四元数；
target是逆解后的实际坐标点，rotationPos是逆解前的插补点向量，centerV是球心坐标。
在本实施例中，使用四元数(Quaternion)来表示旋转操作，以便在三维空间中进行插补坐标计算。首先，需要根据给定的旋转矢量IJK和角度姿态创建一个四元数q。四元数是一种用于表示和操作三维旋转的数学表示法，它具有更好的数值稳定性和避免万向节锁的优点。接下来，需要计算逆解前的插补点向量(rotationPos)相对于球心坐标(centerV)的向量。这可以通过将rotationPos减去centerV来实现。然后，使用四元数q来旋转这个相对向量。四元数旋转操作可以通过将四元数与向量相乘来实现。在该示例中，将q乘以(rotationPos-centerV)。最后，将旋转后的向量加上球心坐标(centerV)，得到逆解后的实际坐标点(target)，这个坐标点表示了插补线段的实际位置。
采用上述运动学公式进行插补坐标计算具有如下效果：1)高效的旋转操作：通过使用四元数表示旋转操作，可以更高效地进行插补坐标计算。四元数具有数值稳定性和避免万向节锁的优点，从而提高了计算效率和准确性。2)简化坐标变换：通过将逆解前的插补点向量相对于球心坐标的向量进行旋转，简化了坐标变换过程，使得我们可以更容易地理解和实现插补坐标计算。3)插补结果精确：通过使用四元数进行旋转操作，可以获得更精确的插补结果。这种方法可以有效地减少计算误差，从而提高了插补坐标计算的准确性。
参照图3所示，图3示出了本发明实施例提供的四轴设备插补标定装置一个实施例的结构示意图，为了便于描述，仅示出了与本发明实施例相关的部分。具体的，该四轴设备插补标定装置包括：
控制单元201，用于控制四轴设备的旋转轴R旋转，以使执行件11对准至标定件10上的特征点101，所述标定件10安装在所述旋转轴R上，且所述标定件10具有至少三个不共线的所述特征点101。
确定单元202，用于获取执行件11在至少三个所述特征点101的坐标数据，并根据所述坐标数据确定所述旋转轴R的中心坐标和旋转矢量。
插补计算单元203，用于根据所述坐标数据、旋转轴R的中心坐标和旋转矢量进行插补坐标计算，得到每个插补线段的实际坐标。
在本发明的一个实施例中，确定单元包括：
拟合模块，用于根据所述坐标数据，采用最小二乘法拟合球面。
计算模块，用于根据拟合球面计算球体的球心坐标。
其中，空间球方程：(X-a)2+(Y-b)2+(Z-c)2＝R2，R为球体半径；
将所述空间球方程展开得：X2+Y2+Z2-2aX-2bY-2cZ+a2+b2+c2＝R2；
设：A＝2a；B＝2b；C＝2c；D＝a2+b2+c2-R2；
则：X2+Y2+Z2-AX-BX-CX+D＝0；
最小二乘法拟合球面：V＝Σ(X2+Y2+Z2-AX-BX-CX+D)2，计算V为最小值，求得A、B、C的值，则得到球心坐标：a＝A/2；b＝B/2；c＝C/2。
在本发明的一个实施例中，旋转矢量采用如下公式计算：
旋转矢量IJK＝
Vector A1(X1-centerX,Y1-centerY,Z1-centerZ)；
Vector A2(X2-centerX,Y2-centerY,Z2-centerZ)；
Vector A3(X3-centerX,Y3-centerY,Z3-centerZ)；
Vector A5＝A2-A1；
Vector A6＝A3-A1；
Vector A7＝A5.CROSS(A6)；//叉乘
Double len＝sqrt(A7.X^+A7.Y^+A7.Z^)；
Double i＝A7.X/len；
Double j＝A7.Y/len；
Double k＝A7.Z/len；
其中centerX，centerY，centerZ是计算出的球心坐标a、b、c，X1、X2、X3 Y1、Y2、Y3、Z1、Z2、Z3为球体上不共线的三个点的坐标。
在本发明的一个实施例中，插补计算单元具体用于根据所述坐标数据、旋转轴R的中心坐标及旋转矢量，通过如下运动学公式求出逆解；
Quaterniond q(rotation_vector)；
Vector target＝q*(rotationPos-centerV)+centerV；
其中，rotation_vector是旋转向量IJK，包括指定的角度姿态，q是以rotation_vector包含的旋转向量及角度姿态的四元数；
target是逆解后的实际坐标点，rotationPos是逆解前的插补点向量，centerV是球心坐标。
根据本发明实施例提供的四轴设备插补标定装置，通过在旋转轴R上安装标定件10，标定件10上具有至少三个特征点101，获取执行件11在至少三个特征点101的坐标数据，并根据坐标数据确定所述旋转轴R的中心坐标和旋转矢量，再根据坐标数据、旋转轴R的中心坐标和旋转矢量进行插补坐标计算，得到每个插补线段的实际坐标，如此，实现了数控***旋转轴R的自动标定，该标定方法可以实现快速、自动化的标定过程，并且，只需要配置标定块，不需要配置其他检测工具，不容易受到其他因素的影响，因此，标定结果准确可靠。
参照图4所示，本发明实施例还提供了一种计算机设备300，包括存储器302、处理器301以及存储在所述存储器302上并可在所述处理器301上运行的计算机程序3021，所述处理器301执行所述计算机程序3021时实现如上所述的四轴设备插补标定方法。
示例性的，所述计算机程序3021可以被分割成一个或多个模块/单元，所述一个或者多个模块/单元被存储在所述存储器中，并由所述处理器301执行，以完成本发明。所述一个或多个模块/单元可以是能够完成特定功能的一系列计算机程序指令段，该指令段用于描述所述计算机程序在所述计算机设备中的执行过程。
本发明实施例还提供了一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上所述的四轴设备插补标定方法。
需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。对于装置或***类实施例而言，由于其与方法实施例基本相似，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种四轴设备插补标定方法，其特征在于，包括：
控制四轴设备的旋转轴旋转，并使执行件对准至标定件上的特征点，所述标定件安装在所述旋转轴上；
获取旋转轴每次旋转后执行件对准特征点时的坐标数据，并根据所述坐标数据确定所述旋转轴的中心坐标和旋转矢量，其中，所述旋转轴旋转至少三次，以采集所述特征点的至少三个坐标数据；
根据所述坐标数据、旋转轴的中心坐标和旋转矢量进行插补坐标计算，得到每个插补线段的实际坐标。
2.根据权利要求1所述的四轴设备插补标定方法，其特征在于，根据所述坐标数据确定所述旋转轴的中心坐标包括：
根据所述坐标数据，采用最小二乘法拟合球面；
根据拟合球面计算球体的球心坐标；
其中，空间球方程：(X-a)2+(Y-b)2+(Z-c)2＝R2，R为球体半径；
将所述空间球方程展开得：X2+Y2+Z2-2aX-2bY-2cZ+a2+b2+c2＝R2；
设：A＝2a；B＝2b；C＝2c；D＝a2+b2+c2-R2；
则：X2+Y2+Z2-AX-BX-CX+D＝0；
最小二乘法拟合球面：V＝Σ(X2+Y2+Z2-AX-BX-CX+D)2，计算V为最小值，求得A、B、C的值，则得到球心坐标：a＝A/2；b＝B/2；c＝C/2。
3.根据权利要求2所述的四轴设备插补标定方法，其特征在于，所述旋转矢量采用如下公式计算：
旋转矢量IJK＝
Vector A1(X1-centerX,Y1-centerY,Z1-centerZ)；
Vector A2(X2-centerX,Y2-centerY,Z2-centerZ)；
Vector A3(X3-centerX,Y3-centerY,Z3-centerZ)；
Vector A5＝A2-A1；
Vector A6＝A3-A1；
Vector A7＝A5.CROSS(A6)；//叉乘
Double len＝sqrt(A7.X^+A7.Y^+A7.Z^)；
Double i＝A7.X/len；
Double j＝A7.Y/len；
Double k＝A7.Z/len；
其中centerX，centerY，centerZ是计算出的球心坐标a、b、c，X1、X2、X3 Y1、Y2、Y3、Z1、Z2、Z3为球体上不共线的三个点的坐标。
4.根据权利要求1所述的四轴设备插补标定方法，其特征在于，根据所述坐标数据、旋转轴的中心坐标和旋转矢量进行插补坐标计算，得到每个插补线段的实际坐标包括：
根据所述坐标数据、旋转轴的中心坐标及旋转矢量，通过如下运动学公式求出逆解；
Quaterniond q(rotation_vector)；
Vector target＝q*(rotationPos-centerV)+centerV；
其中，rotation_vector是旋转向量IJK，包括指定的角度姿态，q是以rotation_vector包含的旋转向量及角度姿态的四元数；
target是逆解后的实际坐标点，rotationPos是逆解前的插补点向量，centerV是球心坐标。
5.一种四轴设备插补标定装置，其特征在于，包括：
控制单元，用于控制四轴设备的旋转轴旋转，并使执行件对准至标定件上的特征点，所述标定件安装在所述旋转轴上；
确定单元，用于获取旋转轴每次旋转后执行件对准特征点时的坐标数据，并根据所述坐标数据确定所述旋转轴的中心坐标和旋转矢量，其中，所述旋转轴旋转至少三次，以采集所述特征点的至少三个坐标数据；
插补计算单元，用于根据所述坐标数据、旋转轴的中心坐标和旋转矢量进行插补坐标计算，得到每个插补线段的实际坐标。
6.根据权利要求6所述的四轴设备插补标定装置，其特征在于，所述确定单元包括：
拟合模块，用于根据所述坐标数据，采用最小二乘法拟合球面；
计算模块，用于根据拟合球面计算球体的球心坐标；
其中，空间球方程：(X-a)2+(Y-b)2+(Z-c)2＝R2，R为球体半径；
将所述空间球方程展开得：X2+Y2+Z2-2aX-2bY-2cZ+a2+b2+c2＝R2；
设：A＝2a；B＝2b；C＝2c；D＝a2+b2+c2-R2；
则：X2+Y2+Z2-AX-BX-CX+D＝0；
最小二乘法拟合球面：V＝Σ(X2+Y2+Z2-AX-BX-CX+D)2，计算V为最小值，求得A、B、C的值，则得到球心坐标：a＝A/2；b＝B/2；c＝C/2。
7.根据权利要求6所述的四轴设备插补标定装置，其特征在于，所述旋转矢量采用如下公式计算：
旋转矢量IJK＝
Vector A1(X1-centerX,Y1-centerY,Z1-centerZ)；
Vector A2(X2-centerX,Y2-centerY,Z2-centerZ)；
Vector A3(X3-centerX,Y3-centerY,Z3-centerZ)；
Vector A5＝A2-A1；
Vector A6＝A3-A1；
Vector A7＝A5.CROSS(A6)；//叉乘
Double len＝sqrt(A7.X^+A7.Y^+A7.Z^)；
Double i＝A7.X/len；
Double j＝A7.Y/len；
Double k＝A7.Z/len；
其中centerX，centerY，centerZ是计算出的球心坐标a、b、c，X1、X2、X3 Y1、Y2、Y3、Z1、Z2、Z3为球体上不共线的三个点的坐标。
8.根据权利要求5所述的四轴设备插补标定装置，其特征在于，所述插补计算单元具体用于根据所述坐标数据、旋转轴的中心坐标及旋转矢量，通过如下运动学公式求出逆解；
Quaterniond q(rotation_vector)；
Vector target＝q*(rotationPos-centerV)+centerV；
其中，rotation_vector是旋转向量IJK，包括指定的角度姿态，q是以rotation_vector包含的旋转向量及角度姿态的四元数；
target是逆解后的实际坐标点，rotationPos是逆解前的插补点向量，centerV是球心坐标。
9.一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至4任意一项所述的四轴设备插补标定方法。
10.一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1至4任意一项所述的四轴设备插补标定方法。
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