[发明专利]超大型工件圆形截面形状与方位测量装置及方法

权利要求书

1.一种超大型工件圆形截面形状与方位测量的装置，其特征在于它包括：激光跟踪仪、端面几何形状测量网和工件轴线修正测量网，所述的端面几何形状测量网和工件轴线修正测量网分别是由若干视觉传感器构成；视觉传感器是通用的非接触式的坐标测量传感器，它是由半导体激光发射器、CCD传感器和柱面镜组成；

所述的端面几何形状测量网至少具有八个视觉传感器，一组四个用于组成水平测量网，包括两个配对视觉传感器，每个配对视觉传感器由两个视觉传感器以中心对称放置组成，另一组组成与水平测量网相互垂直的垂直测量网，用于同时测量一个圆截面；

所述的轴线修正测量网具有六个视觉传感器，每组三个视觉传感器同时测量一个圆截面所有视觉传感器均基于双目视觉原理采集被测点三坐标，内部包括半导体激光发射器、CCD传感器和柱面镜；

激光跟踪仪作为全局测量设备，每个视觉传感器与激光跟踪仪用于同时测量公共视场内的点。

2.一种利用权利要求1所述的超大型工件圆形截面形状与方位测量装置进行测量的方法，其特征在于它包括的步骤：

1)将视觉传感器放置在距被测工件有效工作距离范围内，经视觉传感器内部的半导体激光器投射点光源到柱面镜，形成线结构光刀到被测物，内部的双目CCD传感器对光刀成像，利用亚像素细分算法细化高斯分布的光刀，提取光刀上特征点像坐标，利用三角测量原理，从两个相机的二维坐标计算被测点三维坐标，可得到整个结构光条上所有点坐标；

2)端面几何形状测量网中的水平测量网和垂直测量网分别测量工件端面圆截面的多条水平弦线和垂直弦线，采用两个视觉传感器以中心对称放置，配对测量每一条弦线，两个视觉传感器发射共面结构光刀，并光切到被测圆形截面上，在圆周处发生光线弯折，弯折点即为两个被测特征点d₁和d₂，从而得到圆截面上两点d₁和d₂的坐标，得到圆的一条弦d₁d₂，并可计算出弦的中点M₁＝(d₁+d₂)/2；

水平测量网由n个平行的配对视觉传感器构成，即每条弦线互相平行，求出n条平行弦的中点M₁，M₂，...M_n，最后将这些中点拟合一条直线l_H；同理，由垂直测量网也测量和计算出一条直线l_V，根据圆中一组平行弦的中点连线必经过圆心定理，两条中点连线的交点就是所求圆心O＝l_H∩l_V；

3)得到圆心后，利用圆心约束，再用最小二乘法拟合圆半径：

minf(a,b,r)=Σi=1N((xi-a)2+(yi-b)2-r)2]]>

其中a，b作为已知量，将上述平行弦法得到的结果代入，从而求解半径r；

4)同时启动工件轴线修正测量网测定，视觉传感器沿被测工件轴线布置，每个视觉传感器发射线结构光刀垂直于工件轴线，照射在圆柱柱面轮廓上，光切得到圆截面的圆弧特征，采集整条结构光线上多点坐标，即可拟合圆截面形状；多个视觉传感器投射的线结构光构成一个统一的光平面，并可在轮廓上光切出多条弧线，通过采集整条弧线上多点的三坐标，可计算出弧线所在截面的中心位置坐标O_i，依次采集多个截面中心的连线，就可以拟合工件轴线l，通过工件轴线方位和被测端面形状的同时测量，可以得出圆柱形工件在测量网中的六维安装位置，以此来修正截面几何形状的测量结果；

5)每个视觉传感器均基于各自的坐标系O_i-X_iY_iZ_i测量三坐标，需要将所有测量数据统一到全局坐标系O_W-X_WY_WZ_W，以激光跟踪仪作为全局测量设备，采用跟踪仪合作目标作为公共点，即角锥棱镜球面反射靶标，跟踪仪测得棱镜顶点坐标F，每个视觉传感器与跟踪仪同时测量公共视场内的3个点，求解旋转矩阵R和平移向量T，再利用公式F＝RM+T即可将局部坐标系数据转换到全局坐标系中；角锥棱镜由三块平面镜互相垂直拼接而成，CCD对三条相交边直接成像，并测量3条直线的交点M，由此得到公共点，利用四元数方法求解转换参数：

重心坐标分别为F‾=ΣF3,]]>M‾=ΣM3]]>

重心化后的坐标分别为

F_C＝F-F，M_C＝M-M

Sab=ΣMCFCT]]>

其中a，b＝x，y，z

P=Sxx+Syy+SzzSyz-SzySzx-SxzSxy-SyxSyz-SzySxx-Syy-SzzSxy+SyxSzx+SxzSzx-SxzSxy+SyxSyy-Sxx-SzzSyz+SzySxy-SyxSzx+SxzSyz+SzySzz-Sxx-Syy]]>

求解P的特征值和特征向量，其中最大特征值对应的特征向量为最佳四元数q，即可按下式计算R：

R=q02+q12-q22-q322(q1q2-q0q3)2(q1q3+q0q2)2(q1q2+q0q3)q02-q12+q22-q322(q2q3-q0q1)2(q1q3-q0q2)2(q2q3+q0q1)q02-q12-q22+q32]]>

然后求解平移向量T＝F_C-R·M_C。