[发明专利]在机测量系统中的线激光传感器位姿标定方法

说明书

本发明公开了一种在机测量系统中的线激光传感器位姿标定方法，包括以下步骤：将在机测量系统的坐标系划分为传感器测量坐标系O_MX_MY_MZ_M、刀具坐标系O_CX_CY_CZ_C和工件坐标系O_PX_PY_PZ_P；以标准平面和标准球为测量对象，根据机床的多维平移信息和线激光传感器测得的距离信息计算线激光传感器的三维姿态，实现传感器测量坐标系向工件坐标系的转换；利用传感器夹具采用并行调节的方式将线激光传感器的三维姿态调节至理想姿态。本发明适用于三轴、四轴和五轴数控机床，具有低标定误差，能将工件三维轮廓的检测精度提升至几十甚至十几微米的水平，能够提高工件的加工精度和加工效率。

技术领域

本发明涉及数控加工设备技术领域，更具体的说是涉及一种在机测量系统中的线激光传感器位姿标定方法。

背景技术

随着现代制造技术的发展，在数控加工机床中耦合检测装置形成的在机测量系统受到越来越多的研究和应用。在机测量能够实现加工制造现场的产品质量跟踪和反馈，直接指导或修正加工过程，从而提高数控机床的加工精度和加工效率，这对于提高加工制造过程的自动化、信息化和降低废品率都有着十分重要的意义。

在机测量系统主要由传感器单元和信号接收单元组成。针对加工零件的几何信息检测，传感器单元采用的测量技术可分为接触式和非接触式两大类。在非接触式测量中，基于激光三角法原理的点激光或线激光传感技术以其测量精度高、测量速度快、不损伤被测表面等特点，成为在机测量的重要手段。而相比于点激光传感器，线激光传感器能同时获得线状轮廓中多个点的高度信息，具有更高的检测效率，因此采用线激光传感器的检测装置越来越成为在机测量的发展趋势。

在采用线激光传感器进行在机测量时，由机床主轴带动传感器对工件表面进行扫描，传感器测得的线状轮廓与机床运动轴的变化量相结合获得工件表面的三维轮廓。在测量前需要对传感器测量坐标系相对于刀具坐标系的位置、姿态进行标定，标定精度将直接影响到工件三维轮廓的测量精度。

在现有的线激光传感器位姿标定方法中，基于标准球的手眼标定方法是比较典型的一种。该方法通过机床主轴带动传感器相对于标准球作多次平移和旋转运动，建立各个姿态下标准球球心的测量方程，依据球心在工件坐标系中的位置不变性对测量方程进行求解获得传感器测量坐标系相对于刀具坐标系的位姿矩阵。该方法操作简单，能同时获得旋转和平移矩阵；但由于解算位姿矩阵的数学模型对传感器测量误差比较敏感，位姿标定精度较低，三维轮廓测量误差一般在一百微米以上水平。另外由于该标定方法需要进行三维平移和二维旋转运动，只能应用于五轴数控机床的在机测量，不具有普适性。

基于台阶板的手眼标定方法是另外一种位姿标定方法。该方法由传感器对台阶板的拐点和特征点进行测量，结合机床的平移运动，由测量距离和平移距离信息计算获取传感器的姿态，并由三维姿态调整夹具对姿态进行校正。该方法可以应用于三轴、四轴等多轴数控机床，具有普适性，但具有漫反射特性的高精度台阶板不易加工，拐点和特征点的高度测量误差往往较大，传感器的位姿标定精度和工件轮廓的测量精度较低；另外，三维姿态调整夹具一般采用串行调节方式，上一级方向调节误差会传导到下一级，需要经过多次迭代才能将传感器调整到理想姿态，效率较低。

为了进一步提升线激光在机测量中的工件轮廓检测精度，提高数控机床的加工精度和加工效率，需要探寻新的具有普适性和高精度的传感器位姿标定方法。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种在机测量系统中的线激光传感器位姿标定方法，适用于三轴、四轴和五轴数控机床，具有低标定误差，能将工件三维轮廓的检测精度提升至几十甚至十几微米的水平，能够提高工件的加工精度和加工效率。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：