[发明专利]一种在机激光测量中测头位姿的线性化标定方法

说明书

本发明公开了一种在机激光测量中测头位姿的线性化标定方法，包括如下步骤：建立激光测头随机床运动的测量模型，通过离线生成机床运动程序，使机床带动测头对标准球进行多角度扫描来拟合球心，得到标准球球心在多个机床转角下与测头安装位姿关系的线性方程组，求解方程组即可得到测头安装位姿参数，而不需要将标定问题表达为带约束的非线性优化问题，避免了非线性优化求解中的大量计算和不稳定问题。

技术领域

本发明属于在机激光测量技术领域，更具体地，涉及一种在机激光测量的测头安装位姿标定和误差补偿的方法。

背景技术

以激光测量为代表的非接触式测量方法，具有速度快、无磨损、不需要进行测头半径补偿等优点，能够在满足测量精度的前提下，大幅提高测量的效率，并且可以获得更详细的曲面信息。在机测量可以及时发现制造工程中的问题，进而可以引入误差补偿等措施及时修正这些问题。在机测量的一种重要形式是将一维测距式激光测头装夹在数控机床的主轴末端，通过机床运动带动激光测头发出的激光线扫描被测工件表面，结合激光测头获得的距离测量值和机床各轴的运动参数计算出各采样时刻激光线与工件表面交点的三维坐标。

激光测头通过机械装夹机构安装在机床的运动主轴上，但激光测头的安装位姿很难精确调整。为了补偿安装位置和偏角引起的测量误差，传统方法是利用位置敏感探测器和特别设计的夹具机构，手动对激光测头光束轴线进行调整，使其通过测头回转体的回转中心，但是手动调节光束方向的操作很不方便，且精度受人为因素比较大。后来出现了使用V型块实现激光测头光束方向的标定，但是该方法只能求解出测头安装姿态，不能确定安装位置。为了得到激光测头光束零点位置，出现了使用标准球进行测头安装位置标定，结合V型块实现激光测头光束方向的标定，但是因为整个标定中要使用两个标定物，使得标定过程比较繁琐。为了进一步改进标定技术，出现了以单个标准球同时标定出激光测头光束方向与光束零点位置的方法，通过建立多个方向下测头与标准球的位置关系求取安装姿态，但是将标定问题表达为带约束的非线性优化问题，通过罚函数建立待标定参数的无约束最优化目标函数，进而采用遗传算法进行非线性搜索寻优，不可避免出现了非线性优化求解中的大量计算和不稳定问题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种在机激光扫描测量中测头安装位姿的线性化标定方法,利用标准球实现测头安装后光束方向和光束零点位置标定的线性化方法，有效地避免了非线性优化求解中的大量计算和不稳定问题。

本发明提供了一种在机激光测量中测头位姿的线性化标定方法，该方法包括以下步骤：

一种在机激光测量中测头位姿的线性化标定方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、预设测头扫描路径；

步骤二、生成机床NC驱动指令：转动机床旋转轴，使激光测头保持在某个姿态下，再根据预设的测头扫描路径与标准球球心之间位置关系计算出测量路径位置，并生成驱动机床的NC驱动指令；

步骤三、数据采集：机床带动测头沿预设扫描路径对标准球扫描，采集激光测头测量值为d_i时所对应的机床主轴平移坐标系下k个机床读数其中，所述测头测量值d_i为测头到标准球球面上某一点的距离值，且可以任意给定，但需要保证d _i在测头测量景深范围内；

步骤四、最小二乘法拟合球心S₁：针对步骤三采集的主轴平移坐标系下机床读数用最小二乘算法拟合对应的测头测量值d_i的球心S ₁；

步骤五、建立在机激光测量的数学模型：根据所使用机床结构的不同，测量数学模型会有所差异，但原理相似，都是通过机床的旋转与平移运动来测量空间某一点。一般数学模型为：