一种在机激光测量中测头位姿的线性化标定方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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。
[0003] 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】
[0004] 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。
[0005] 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：
[0006] 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：
[0007] 步骤一、预设测头扫描路径；
[0008] 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；
[0009] 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 量值为山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 量值山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d1在测头测 量景深范围内；
[0010] 步骤四、最小二乘法拟合球心Si:针对步骤三采集的主轴平移坐标系下机床读数 敗，，用最小二乘算法拟合对应的测头测量值山的球心S1;
[0011] 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：
[0012]
[0013] 其中，Ρ为机床空间上任意一点坐标，RAe为机床旋转矩阵，为测头的光束方向， ^为测头的光学零点安装偏心，Q为机床平移运动读数。因此，标准球球心S。与步骤四中 拟合的机床读数球心足此数学模型。整理成线性方程形式：
[0014]
[0015] 其中，I为3X3的单位矩阵。
[0016] 步骤六、获得测头位姿的标定结果：通过多次改变测头在机床上的姿态，按顺序重 复步骤二至步骤四，将多次拟合的球心Si分别带入线性方程，建立线性方程组，以获得S。、 4、：G的最优解。
[0017] 进一步，其特征在于，还包括在所述步骤一前给所述标准球喷涂显像剂。
[0018] 进一步，所述步骤一中的测头扫描路径为：从激光斑点正对标准球球心开始，移动 测头向8个方向进行往返的直线运动，8个方向在同一个平面上，且相邻两个方向夹角为45 度，扫描路径为对称的"米"字型，8个方向扫描完后，使测头逐渐远离标准球，每隔2_重复 扫描一遍。
[0019] 进一步，所述步骤四中最小二乘拟合方法为：每次最小二乘拟合球心时，求出拟合 的平均误差和标准差，将平均误差与三倍标准差的和设为阈值，剔除误差大于阈值的坐标 点，再次拟合球心计算阈值，一直到所有点合格为止。
[0020] 进一步，所述显像剂厚度小于测头测量误差。
[0021] -种使用测头标定值对测头位姿进行补偿的方法，其特征在于，分别求解出不同 转角下的标准球球心求解值与标定值的差值，将这个差值作为各个方向测量时的补偿值。
[0022] 本发明与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
[0023] 1.将标定问题表达为求解标准球球心与机床位置关系的线性优化问题，进行多角 度拟合机床运动位置球心即可同时求解出激光测头安装的位置和姿态参数，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。
[0024] 2.通过离线生成机床运动程序，使机床自动带动测头对标准球进行多角度扫描测 量，标定过程简单，易于操作。
【附图说明】
[0025]图1是本发明的一种在机激光测量中测头位姿的线性化标定方法流程图；
[0026] 图2是实施例中在机激光测量运动机构示意图；
[0027] 在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1 一工作台、 2 -标准球、3 -激光测头、4 一数控机床、5 -旋转主轴。
【具体实施方式】
[0028] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的在双摆头五轴数控机床上的标定实 施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式 中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0029] 本发明的基本思想是：根据激光测头在机测量数学模型，在多个转角建立标准球 球心与机床坐标拟合球心之间位置关系的线性方程，实现对激光测头安装姿态的标定。
[0030] 下面结合具体实施及附图对本发明作进一步详细说明。
[0031] 如图2所示，一种双摆头机床，工作台相对机床静止。通过设计的装夹机构将一维 测距式激光测头安装在主轴上，并将主轴锁死。在理想情况下，光学测头光束方向与机床Z 轴轴线方向一致，测头的光学零点位置在Z轴轴线上。但由于测头在安装时并没有精确的 定位基准，必然会产生偏心和倾角。这些安装误差将降低测量精度，因此需要一种可靠的测 头位姿标定方法。
[0032] 首先建立图2所示的测头测量模型中的各坐标系。
[0033] 1)机床世界坐标系Cmw:坐标系的原点为机床回零时旋转轴A、C轴线的交点。X、 Y、Z三轴的方向与机床三个运动导轨方向一致。机床世界坐标系不受机床运动的影响，是 一个固定坐标系。
[0034] 2)机床主轴平移坐标系Ct:此坐标系的原点为旋转轴A、C轴线的交点，并随着主 轴一起移动，三个坐标轴方向与机床世界坐标系三轴方向一致。当机床回到零点时，机床主 轴平移坐标系与机床世界坐标系重合。
[0035] 3)机床主轴旋转坐标系Cr:转动机床A、C轴时，坐标系Cr随A、C轴一起转动。机 床旋转轴A、C的转角为0°时，坐标系Cr与坐标系Ct重合。
[0036] 根据机床运动可知，机床主轴平移坐标系Ct与机床世界坐标系C_之间只有平移 关系，表征机床的平移运动，可表示为7T'=e=[m]T。其中，Q为机床坐标读数，可 以从机床直接读取。当机床主轴旋转到任意角度时，机床主轴旋转坐标系(；与机床主轴平 移坐标系仏只有旋转关系，记旋转轴A、C转角分别为Θ θ ε(θΑ、方向满足右手坐标 系），则旋转矩阵为：
[0037]
[0040] 其中RA、RC由机床旋转轴A、c转角θ#Θc计算得到。
[0041] 如图3所示，用简单的直线段替代测头实物。测头的光学零点P点的安装偏心K 在X、Y、Z三轴方向的平移量分别用线段MN、NP、03来表示，且三个线段两两垂直。
[0042]当测头装夹在主轴上时，激光测头的光学零点P点在机床主轴旋转坐标系 (；下存在安装偏心，表示为y| =@;; ，激光测头的光束方