[发明专利]基于空间标准球的机床随动激光扫描坐标标定方法

摘要

本发明基于空间标准球的机床随动激光扫描坐标标定方法属于视觉测量领域，涉及一种基于空间标准球的机床随动激光扫描坐标标定方法。标定方法利用机床的运动模块为线激光测量传感器提供第三维数据，通过对空间已知半径标准球扫描测量拟合圆心实现机床坐标系与线激光测量坐标系的数据统一，根据机床运动与激光平面运动先进行测量坐标系的缺省轴标定，再进行测量轴标定，最后实现三维运动的整体标定，得到机床坐标系与测量坐标系的比例变换矩阵。该标定方法改善了传统激光测量传感器只能测量二维数据的缺陷，有效扩展了线激光测量传感器的测量应用范围,是一种具有广泛应用前景的标定方法。

主权项

1.一种基于空间标准球的机床随动激光扫描坐标标定方法，其特征是，标定方法利用机床的运动模块为线激光测量传感器提供第三维数据，通过对空间已知半径标准球扫描测量拟合圆心实现机床坐标系与线激光测量坐标系的数据统一，根据机床运动与激光平面运动先进行测量坐标系的缺省轴标定，再进行测量轴标定，最后实现三维运动的整体标定，得到机床坐标系与测量坐标系的比例变换矩阵；标定方法的具体标定过程如下：第一步、选取和布置空间标准球将线激光传感器(3)与数控机床主轴(1)通过线激光测量传感器连接板(2)连接，使其随着机床的运动而运动；安装时使激光平面(6)垂直于测量平面，不同型号的线激光测量传感器的激光线长度是不同的，为了便于提取标准球(4)表面的光条信息，选取标准球的直径为激光线长度的一半；将标准球(4)安装在固定板(5)上，并放置在机床工作台(7)上，保证在机床工作范围内沿某一轴运动时，线激光测量传感器(3)的激光线都扫描到整个标准球(4)表面；第二步、线激光测量传感器缺省轴标定首先确定三个坐标系，一是激光刻型机床的坐标系OJXJYJZJ，该坐标系是固定的，不随机床的运动而运动，具体的坐标数值直接从机床数控面板中读出；第二个坐标系是初始位置激光测量传感器的测量坐标系OLXLYLZL，该坐标系固定在测量传感器上，会随着机床的运动而运动，激光测量传感器获得具体的坐标值(XL,ZL)，YL的数值需要通过机床的运动来获得，是需要标定的缺省轴坐标；第三个坐标系是随动坐标系OLnXLYLZL，指的是初始测量坐标系OLXLYLZL随机床运动的变化坐标系；利用机床探头去触碰固定的标准球(4)，获得至少三个非共线的球面点在机床坐标系下的三维坐标，通过这些点拟合球面确定标准球球心O在机床坐标系下的坐标(XJO,YJO,ZJO)，之后调整机床工作台(7)沿单一的YJ轴进行运动，激光测量传感器(3)随动扫描标准球(4)，在扫描标准球的过程中激光传感器获得一系列的二维测量坐标，这些坐标是球面点在测量随动坐标系下的二维测量数据，选取的标准球(4)半径记为R；在标准球面的投影为一系列同心圆，截面的圆心连线DB垂直于激光扫描平面(6)，即为激光测量坐标系YL轴的方向，提取标准球表面的激光光条，得到一系列圆弧，通过拟合截面圆弧的半径，找到激光截面最大圆，这个圆的圆心理论上为标准球的球心O，这样就找到了激光平面在标准球上的最大轮廓位置，拟合该位置的圆弧，得到圆心的二维坐标即为标准球球心在激光测量坐标系OLXLYLZL下的坐标(XLO,ZLO)，假设该位置的YL坐标值为0，那么球心在测量坐标系OLXLYLZL下的坐标为(XLO,0,ZLO)；机床从该位置继续沿YJ轴移动距离为L，得到一个在位置1的激光平面截面圆，位置1激光平面截面圆心为B，位置1激光平面截面圆半径为r，则该截面圆平面与最大轮廓圆平面的间距OB即为YL方向的坐标值，两个圆心的距离即激光测量传感器缺省轴运动距离l，根据空间的三角位置关系得到：那么，有由于机床坐标系Y_J轴与激光测量坐标系Y_L轴的变化为线性的，在机床坐标Y_J变化的时候，对应的测量坐标系的数值变化规则为：即同理，当机床沿机床坐标系X_J轴或者Z_J运动时，分别标定出以及这样当机床工作台(7)在工作范围内做任意平移运动，最大标准圆轮廓平面作为基准平面，则随动的激光测量传感器(3)缺省轴的对应坐标都被标定出来，机床相对于基准平面运动坐标为(ΔX_J,ΔY_J,ΔZ_J)，激光测量二维坐标为(X_L,Z_L)，对应的测量三维坐标为第三步、线激光测量轴与机床运动轴的标定利用标准球(4)进行线激光测量轴与机床运动轴的标定，通过缺省轴标定的分析得知，机床运动轴对于缺省轴的变化影响就是机床运动轴运动距离在激光测量坐标系沿YL轴的投影距离，同理只要找到机床运动轴运动距离在激光测量平面的投影距离在XL和ZL方向的分量就求解出沿测量轴的线性变化比例；观察激光线扫描标准球的截面，激光测量坐标系是沿着每个截面的圆心连线方向运动的，即为OB方向，但激光测量传感器的随动坐标系是沿着机床的运动轴变化的，即为OC方向，因此，每个截面圆拟合圆心的测量坐标相对于随动坐标系就发生了改变，C点相对于截面圆拟合圆心B的坐标变化，变化的相对位移即为BC，二维坐标的变化量对应的ΔXL和ΔZL就是机床运动轴变化量对激光测量坐标系中XL和ZL方向的影响变化量，若同样机床沿着单一方向运动距离为L，即线段OB；机床沿YL轴运动时，对应的线性变化规则为：这样当机床在工作范围内沿着任意方向平移，对应的激光测量的三维坐标也可得到，即完成了线激光测量轴与机床的运动轴进行标定；第四步、激光测量传感器与机床三维运动标定机床坐标系为O_JX_JY_JZ_J，激光测量坐标系为O_LX_LY_LZ_L，由于机床带动激光测量传感器始终做平移运动，所以将二者坐标系原点平移到同一位置并不影响坐标比例变化关系；设机床坐标系Y_J轴相对于激光测量坐标系三轴的夹角分别为(α_Y、β_Y、γ_Y)，机床坐标系的X_J轴和Z_J轴激光测量坐标系三轴的夹角分别为(α_X，β_X，γ_X)和(α_Z，β_Z，γ_Z)；当机床工作台(7)沿Y_J轴移动单位距离，相应的测量坐标变化向量为当机床工作台(7)沿着X_J轴移动单位距离，相应的测量坐标变化向量为由于Z_J轴垂直于X_JY_J平面，当沿着Z_J轴移动单位距离，对应的激光测量坐标变化向量应为：这样就得到了机床沿ZJ轴运动时，激光测量坐标的变化数值，从而完成了激光测量传感器与机床三维运动的标定，线激光测量传感器的测量坐标变换矩阵即为：第五步、测量三维坐标的实时获取通过第四步的计算，得到了测量坐标变换矩阵M，当机床找到最大轮廓位置，记该位置的测量坐标系为初始坐标系，截面圆拟合圆心的测量坐标为(XL0,0,ZL0)，机床坐标为(XJ0,YJ0,ZJ0)；标定时机床沿XJ轴，YJ轴和ZJ轴移动的距离为LX，LY和LZ，此时，测量坐标为(XL1,0,ZL1)，机床坐标为(XJ1,YJ1,ZJ1)，测量坐标系XL坐标随三轴的变化量分别为ΔXLX，ΔXLY和ΔXLZ，测量坐标系ZL坐标随三轴的变化量分别为ΔZLX，ΔZLY和ΔZLZ，那么当机床带动激光测量传感器平移运动到测量空间任意位置，测量坐标为测量坐标为(XLn,0,ZLn)，机床坐标为(XJn,YJn,ZJn)，对应的测量坐标在初始测量坐标系下的对应坐标求解公式即为其中，(Xcn,Ycn,Zcn)表示任意位置下在初始测量坐标系下的测量坐标，ΔXJ＝XJn‑XJ0，ΔYJ＝YJn‑YJ0，ΔZJ＝ZJn‑ZJ0，表示机床在运动过程中的三维坐标变化量；完成了整个激光测量传感器(3)的三维数据实时标定工作。