[发明专利]一种基于截面线法的光束方向自动标定方法

摘要

本发明一种基于截面线法的光束方向自动标定方法属于检测技术领域，涉及一种基于截面线法的光束方向自动标定方法。该方法先将光谱共焦位移传感器夹持固定在带T形槽的回转工作台上，再将用于校准的标准球装夹在机床主轴上。通过横向与纵向扫描标准球，调整光谱共焦位移传感器相对机床主轴的位置，完成传感器的对中。根据测量时采集的机床坐标和传感器读数值差值建立关于传感器光束矢量方向的方程，利用最小二乘法拟合得到两辅助球心坐标，两球心坐标的空间连线矢量方向即为测量光束矢量方向，完成光谱共焦位移传感器测量光束方向的标定。该方法中，传感器可在一次装夹下完成光束方向标定，标定快速高效，操作方便且标定精确度高。

主权项

1.一种基于截面线法的光束方向自动标定方法，其特征是，标定方法中，先将光谱共焦位移传感器夹持固定在带T形槽的回转工作台上，再将用于校准的标准球装夹在机床主轴上，并保证标准球的轴线与主轴轴线重合；其次，通过横向与纵向扫描标准球，调整光谱共焦位移传感器相对机床主轴的位置，完成传感器的对中；然后，机床工作台带动光谱共焦位移传感器对标准球的两组截面线进行扫描测量，并同时采集传感器读数值与对应的机床坐标值；接着，利用传感器读数值与机床坐标值建立关于光束方向的方程；最后，利用最小二乘法拟合得到两辅助球心坐标，两球心坐标的空间连线矢量方向即为测量光束矢量方向，完成光谱共焦位移传感器测量光束方向的标定；/n方法的具体步骤如下：/n第一步传感器与标准球安装/n将光谱共焦位移传感器探头(8)装夹在传感器安装模块(9)上，安装模块(9)固定在连接板(12)中间，连接板(12)通过压紧螺栓(10)和定位销(11)与固定板(13)连接，固定板(13)安装在四轴精密手动位移台(14)的工作台面上，然后将四轴精密手动位移台(14)固定在支撑座(16)上，最后将支撑座(16)通过T型螺母直接装夹固定在机床工作台(4)上，完成位移传感器的安装；/n将标准球(7)利用螺纹拧紧固定于标准球夹具(6)，然后将其装夹在机床主轴(5)上并完成对中处理，保证标准球(7)连杆中心线过主轴回转轴线，完成标准球的装夹与对中；/n第二步传感器对中处理/n对中过程中，手动操作机床工作台(4)带动光谱共焦位移传感器探头(8)接近标准球(7)，使标准球(7)处于传感器量程范围内，并通过目测使传感器轴线与标准球(7)回转轴线同轴；然后，控制机床沿X轴正反向往复运动，同时采集记录此过程中的传感器读数值及对应的机床坐标值；机床停止后，寻找传感器最小读数值处对应的X坐标记为x₀，移动机床运动轴带动光谱共焦位移传感器探头(8)运动至x₀位置，完成X方向的对中处理；/n在进行Y方向对中时，通过调节四轴精密手动位移台(14)的Y轴旋钮带动光谱共焦位移传感器探头(8)沿Y方向进行扫描测量，观察传感器读数并得到Y方向传感器位移读数值最小处，在最小读数值对应的机床Y向位置处锁紧四轴精密手动位移台(14)，完成Y方向的对中处理；/n第三步截面线测量/n移动机床X轴、Z轴调整传感器与标准球的位置，使标准球处于光谱共焦位移传感器探头(8)的量程范围内且传感器读数值为d₁，d₁取值在量程范围内且尽量小；然后，保持传感器读数值d₁不变，机床C轴以速度n进行回转运动，此时传感器光斑在标准球表面形成的轨迹记为第1截面线Ⅰ；对第1截面线Ⅰ进行扫描测量，传感器以采样频率f₀采集传感器读数值与对应机床坐标值，得到第1截面线Ⅰ的全部测点{I₁，I₂，I₃…I_a}；最后，再次调整机床与传感器的相对位置并使得传感器读数值仍为d₁，保持传感器读数值d₁不变，机床C轴回转运动时传感器光斑在标准球表面形成的轨迹记为第2截面线Ⅱ；采样方法按上述所示得到第2截面线Ⅱ对应的测点{I_a+1，I_a+2，I_a+3…I_b}，采样频率f₀按照下式计算，/n /n其中，n为机床转速，r_m为所测第m条截面线圆的半径，r₀为标准球半径；/n移动机床X轴、Z轴调整传感器与标准球的相对位置，对标准球上另外一组截面线进行标定测量，测量过程中调整传感器读数值d₂，d₂取值在量程范围内且尽量大，并保持恒定不变；测量过程中传感器光斑形成的轨迹记为第3截面线Ⅲ，按照上述采样方法得到第3截面线Ⅲ对应的测点{I_b+1，I_b+2，I_b+3…I_c}；/n第四步求解光束方向矢量/n基于标定测量过程中获得的标准球不同位置的测量数据点(x_n,z_n,c_n)，n＝1,2,…,a,a+1,a+2,...b,b+1,b+2,...c，将柱坐标系(x,z,c)变换为笛卡尔坐标系(u,v,z)下，变换公式如下：/n /n其中，u_n,v_n为第n个测点转换后的笛卡尔坐标，c_n为第n个测点在柱坐标系下对应的C轴转角；/n建立辅助球面1、辅助球面2的方程，两者半径相同，球心坐标不同；求解其对应的球心坐标与半径；/n利用第一组截面线中第1截面线Ⅰ、第2截面线Ⅱ的全部测点{I₁，I₂，I₃…I_a}、{I_a+1，I_a+2，I_a+3…I_b}建立辅助球面1方程为：/n(u_i-u₀)²+(v_i-v₀)²+(z_i-z₀)²＝R²，i＝1,2,...a,a+1,a+2,...b (3)/n其中，O(u₀,v₀,z₀)为辅助球面1的球心坐标，R为辅助球面1半径；/n采用最小二乘法建立辅助球面1的误差函数方程，/n /n令辅助球面1误差F₁最小，则u₀,v₀,z₀,R应满足，/n /n由方程组(5)解得辅助球面1的球心坐标O(u₀,v₀,z₀)，辅助球面1半径R的值，代入式(3)得到拟合的辅助球面1数学表达式；/n利用上述方程(5)求解得到的辅助球面1半径R值及第3截面线Ⅲ的测点{I_b+1，I_b+2，I_b+3…I_c}构建辅助球面2的方程为：/n /n其中，L-测量光束线，α,β,γ-分别为测量光束线L与空间X轴、Y轴、Z轴的夹角，d-传感器读数值差值；/n采用最小二乘法建立辅助球面2的误差函数方程：/n /n令辅助球面2误差F₂最小，则α,β,γ应满足：/n /n由方程组(8)解得α,β,γ的值，即光束方向矢量。/n