在机测量系统中的线激光传感器位姿标定方法与流程

1.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：

2.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。
3.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。
4.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。
5.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。
6.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。
7.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。


技术实现要素：

8.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。
9.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
10.一种在机测量系统中的线激光传感器位姿标定方法，所述在机测量系统包括机床、线激光传感器、传感器夹具、工件台和待加工工件；所述线激光传感器通过所述传感器夹具装载于所述机床的主轴末端；所述标定方法包括以下步骤：
11.将在机测量系统的坐标系划分为传感器测量坐标系o
m
x
m
y
m
z
m
、刀具坐标系o
c
x
c
y
c
z
c
和工件坐标系o
p
x
p
y
p
z
p
；其中，刀具坐标系和工件坐标系的三个坐标轴方向均与机床平移轴的移动方向平行；刀具坐标系的原点o
c
在刀具控制点，工件坐标系的原点o
p
为刀具控制点在工件台上x
p
‑
y
p
平面的投影点；传感器测量坐标系x
m
轴垂直于传感器的光平面，y
m
轴和z
m
轴与光平面平行；
12.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；
13.利用所述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。
14.优选的，在上述一种在机测量系统中的线激光传感器位姿标定方法中，所述线激光传感器测得的轮廓数据在工件坐标系中的表示如下：
[0015][0016]
其中，r1和t1表示传感器测量坐标系相对于刀具坐标系的旋转矩阵和平移矩阵；r2和t2表示刀具坐标系相对于工件坐标系的旋转矩阵和平移矩阵，由机床运动轴的读数和机床各轴间标定的参数获知；t1通过比较某一标志点在传感器测量坐标系中的坐标与在刀具坐标系中的坐标得到。
[0017]
优选的，在上述一种在机测量系统中的线激光传感器位姿标定方法中，所述线激光传感器的三维姿态的计算及调节过程包括以下步骤：
[0018]
引入标准平面，调整标准平面姿态，直至其与所述机床的平移轴x轴和y轴平行；
[0019]
计算传感器测量坐标系y
m
轴与标准平面之间的夹角α
y
，调整所述线激光传感器姿态，直至夹角α
y
趋近于0
°
；
[0020]
计算传感器测量坐标系z
m
轴与所述机床z轴之间的夹角α
z
，调整所述线激光传感器姿态，直至夹角α
z
趋近于0
°
；
[0021]
以标准球为测量对象，计算传感器测量坐标系x
m
轴与所述机床x轴之间的夹角α
x
，调整所述线激光传感器姿态，直至夹角α
x
趋近于0
°
。
[0022]
优选的，在上述一种在机测量系统中的线激光传感器位姿标定方法中，标准平面
姿态的调节过程包括以下步骤：
[0023]
将一个标准平面连同可调整其二维俯仰姿态的支撑平台一起放置于工件台上；对所述机床沿x轴移动位移s
x
，计算获得移动前后所述线激光传感器某个像素点探测到的两个高度之间的差值h
dx
，按照下式计算标准平面与机床x轴间的夹角θ
x
：
[0024][0025]
调整标准平面的支撑平台的姿态，多次迭代直到θ
x
趋近于0；同理，按照调整θ
x
的方法调整标准平面与机床y轴间的夹角θ
y
，多次迭代直到θ
y
趋近于0。
[0026]
优选的，在上述一种在机测量系统中的线激光传感器位姿标定方法中，标准平面采用陶瓷表面，或采用在高精度光学平面元件上喷涂钛粉制成的表面；标准球采用哑光陶瓷表面球体。
[0027]
优选的，在上述一种在机测量系统中的线激光传感器位姿标定方法中，夹角α
y
的计算步骤为：
[0028]
利用所述线激光传感器采集标准平面的某条线轮廓，采用最小二乘法对其进行直线拟合，计算公式如下：
[0029]
[a b]
t
＝(c
t
c)
‑1c
t
h；
[0030]
其中，a和b分别为拟合直线一次项和常数项的系数，矩阵c和h分别表示为：
[0031][0032]
h＝[z
m1
…
z
mi
…
z
mn
]
t
；
[0033]
其中，y
mi
和z
mi
分别表示线轮廓数据点的坐标值；
[0034]
按照下式计算传感器测量坐标系y
m
轴与标准平面的夹角α
y
；
[0035]
α
y
＝arctan(a)；
[0036]
使用所述传感器夹具调整所述线激光传感器的姿态，多次迭代直到α
y
趋近于0
°
。
[0037]
优选的，在上述一种在机测量系统中的线激光传感器位姿标定方法中，α
z
的计算步骤为：
[0038]
以标准平面为测量对象，使机床z轴带动线激光传感器移动距离l
z
，计算移动前后的所述线激光传感器某个像素点探测到的两个高度之间的差值h
dz
，利用下式计算传感器测量坐标系z
m
轴与机床z轴间的夹角α
z
：
[0039][0040]
使用所述传感器夹具调整所述线激光传感器的姿态，多次迭代直到α
z
趋近于0
°
。
[0041]
优选的，在上述一种在机测量系统中的线激光传感器位姿标定方法中，α
x
的计算步骤为：
[0042]
以标准球为测量对象，并在标准球表面指定两个位置，分别作为位置1和位置2，位置1和位置2分别位于球心两侧；
[0043]
利用所述线激光传感器获取球表面位置1的线轮廓，再对机床沿x轴移动位移l
x
，
由所述线激光传感器获取球表面位置2的线轮廓，分别对位置1和位置2的线轮廓采用最小二乘法进行圆心拟合，获取圆心坐标(y
mp1
,z
mp1
)和(y
mp2
,z
mp2
)，计算公式如下：
[0044][0045]
按照下式计算传感器测量坐标系x
m
轴与机床x轴的夹角α
x
：
[0046][0047]
使用所述传感器夹具调整所述线激光传感器的姿态，多次迭代直到α
x
趋近于0
°
。
[0048]
优选的，在上述一种在机测量系统中的线激光传感器位姿标定方法中，所述传感器夹具采用并行调节方式对各个方向的姿态进行单独调节；所述传感器夹具为中空的四面体结构，且其前端面和左右侧端面由铜片组成，后端面由橡胶垫组成；所述线激光传感器夹设于所述传感器夹具的四个端面内部；所述传感器夹具的前端面设置有旋钮k
x
、旋钮k
y
和旋钮ks；旋钮k
x
用于调整所述线激光传感器的x
m
轴方向，旋钮k
y
用于调整所述线激光传感器的y
m
轴方向；所述传感器夹具的左侧端面设置有旋钮k
z1
和k
z4
，右侧端面设置有旋钮k
z2
和k
z3
；旋钮k
z1
和k
z3
呈对角设置，且组成一组旋钮对，旋钮k
z2
和k
z4
呈对角设置，且组成另一组旋钮对；对所述线激光传感器的z
m
轴方向进行调节时，同一组旋钮对朝同一方向转动，另一组旋钮对朝相反方向转动；所述线激光传感器z
m
轴的偏转角度与旋钮的进给长度成非线性关系，采用迭代逼近的方式调定旋钮的进给长度。
[0049]
优选的，在上述一种在机测量系统中的线激光传感器位姿标定方法中，所述传感器夹具后端面的橡胶垫的伸缩长度决定所述线激光传感器的x
m
轴和y
m
轴的偏转角度，偏转角度的计算公式如下：
[0050][0051][0052]
其中，l
fx
、l
fy
分别为橡胶垫在传感器x
m
轴和y
m
轴方向的伸缩长度，d
x
、d
y
分别为旋钮k
x
和k
y
与旋钮ks之间的距离。
[0053]
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开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，具有以下有益效果：
[0054]
1、以标准平面和标准球为测量对象，由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获取线激光传感器的三维姿态。姿态标定的数学模型简单，姿态与测距信息形成直接的映射关系，测量对象的低形貌误差和测距信息的高精度保证了姿态标定的高精度。
[0055]
2、将传感器夹具的三维姿态调整方式设计成并行方式，采用旋钮进给的方式在线激光传感器正面实现二维俯仰调节，在侧面实现一维倾斜调节。设计的并行调节方式不会
形成不同方向间的串扰，不需要多次迭代就能快速收敛至理想姿态，调整过程简单高效。
[0056]
3、本发明具有较低的标定误差，可以将工件轮廓的检测精度提升至几十微米的水平，在标定过程中只使用了数控机床的三个平移轴，并没有使用旋转轴，因此适用于包含三维平移轴的三轴、四轴及五轴数控机床，具有普适性。
附图说明
[0057]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
[0058]
图1附图为本发明提供的在机测量系统中的线激光传感器位姿标定方法的流程图；
[0059]
图2附图为本发明提供的五轴数控机床的在机测量系统的结构示意图；
[0060]
图3附图为本发明提供的α
y
求解原理示意图；
[0061]
图4附图为本发明提供的α
z
求解原理示意图；
[0062]
图5附图为本发明提供的α
x
求解原理示意图；
[0063]
图6附图为本发明提供的传感器夹具的结构示意图。
具体实施方式
[0064]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0065]
本发明实施例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，如图2所示，所述在机测量系统包括机床、线激光传感器1、传感器夹具2、工件台3和待加工工件4；所述线激光传感器1通过所述传感器夹具2装载于机床主轴末端，具有机床进给机构的全部自由度，实现对工件加工区域的轮廓测量；刀具5安装在机床主轴，用于加工待加工工件。
[0066]
如图1所示，所述标定方法包括以下步骤：
[0067]
将在机测量系统的坐标系划分为传感器测量坐标系o
m
x
m
y
m
z
m
、刀具坐标系o
c
x
c
y
c
z
c
和工件坐标系o
p
x
p
y
p
z
p
；其中，刀具坐标系和工件坐标系的三个坐标轴方向均与机床平移轴的移动方向平行；刀具坐标系的原点o
c
在刀具控制点，工件坐标系的原点o
p
为刀具控制点在工件台上x
p
‑
y
p
平面的投影点；传感器测量坐标系x
m
轴垂直于传感器的光平面，y
m
轴和z
m
轴与光平面平行；
[0068]
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；
[0069]
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。
[0070]
具体的，在机测量过程中，线激光传感器测得的轮廓数据是基于传感器测量坐标系，而最终加工时需使用基于工件坐标系的检测数据，因此需要实现传感器测量坐标系向
工件坐标系的转换。分别定义传感器测量坐标系o
m
x
m
y
m
z
m
、刀具坐标系o
c
x
c
y
c
z
c
和工件坐标系o
p
x
p
y
p
z
p
；其中，刀具坐标系和工件坐标系的三个坐标轴方向均与机床平移轴的移动方向平行，刀具坐标系的原点o
c
在刀具控制点，工件坐标系的原点o
p
为刀具控制点在工件台上x
p
‑
y
p
平面的投影点；传感器测量坐标系x
m
轴垂直于传感器的光平面，y
m
轴和z
m
轴与光平面平行。传感器测得的轮廓数据在工件坐标系中表示为：
[0071][0072]
公式(1)中，r1和t1表示传感器测量坐标系相对于刀具坐标系的旋转矩阵和平移矩阵；r2和t2表示刀具坐标系相对于工件坐标系的旋转矩阵和平移矩阵，由机床运动轴的读数和机床各轴间标定的参数获知；t1通过比较某一标志点在传感器测量坐标系中的坐标与在刀具坐标系中的坐标得到。
[0073]
采用下面方法分别获取传感器测量坐标系与刀具坐标系对应坐标轴之间的夹角，然后采用传感器夹具将对应坐标轴调整至相互平行的状态，使得r1为单位矩阵，具体方法步骤如下：
[0074]
1)调整标准平面姿态至其与机床平移轴x轴和y轴平行。
[0075]
具体方法为：将一个标准平面连同可调整其二维俯仰姿态的支撑平台一起放置于机床工件台上，移动机床x轴位移s
x
，计算获得移动前后传感器某个像素点探测到的两个高度之间的差值h
dx
，按照以下公式计算标准平面与机床x轴间的夹角θ
x
：
[0076][0077]
调整标准平面支撑平台的姿态，多次迭代直到θ
x
接近于0，同理可调整标准平面与机床y轴间的夹角θ
y
接近于0。标准平面可采用平面度很小的陶瓷表面，也可以采用在高精度光学平面元件上喷涂钛粉制成的表面。
[0078]
2)获取传感器测量坐标系y
m
轴与标准平面的夹角，调整传感器姿态至该夹角接近于0
°
。
[0079]
具体方法为：线激光传感器采集标准平面的某条线轮廓，采用最小二乘法对其进行直线拟合，算法如下：
[0080]
[a b]
t
＝(c
t
c)
‑1c
t
h
ꢀꢀꢀꢀ
(3)；
[0081]
公式(3)中，a和b分别为拟合直线一次项和常数项的系数，矩阵c和h分别表示为：
[0082][0083]
h＝[z
m1
…
z
mi
…
z
mn
]
t
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)；
[0084]
公式(4)和公式(5)中，y
mi
和z
mi
表示线轮廓数据点的坐标值。
[0085]
计算传感器测量坐标系y
m
轴与标准平面的夹角α
y
，公式如下：
[0086]
α
y
＝arctan(a)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)；
[0087]
α
y
求解原理示意图如图3所示。使用三维姿态调整夹具调整传感器姿态，多次迭代直到α
y
接近于0
°
。
[0088]
3)获取传感器测量坐标系z
m
轴与机床主轴(z轴)的夹角，调整传感器姿态至该夹角接近于0
°
。
[0089]
具体方法如下：以标准平面为测量对象，机床主轴带动传感器移动距离l
z
，计算获得移动前后传感器某个像素点探测到的两个高度之间的差值h
dz
，由下列公式计算传感器测量坐标系z
m
轴与机床z轴间的夹角α
z
，公式如下：
[0090][0091]
α
z
求解原理示意图如图4所示。使用三维姿态调整夹具调整传感器的姿态，多次迭代直到α
z
接近于0
°
。
[0092]
4)获取传感器测量坐标系x
m
轴与机床x轴的夹角，调整传感器姿态至该夹角接近于0
°
。
[0093]
具体方法如下：以标准球为测量对象，由传感器获取球表面位置1的线轮廓后，移动机床x轴位移l
x
，由传感器获取球表面位置2的线轮廓，分别对位置1和位置2的线轮廓采用最小二乘法进行圆心拟合，获取圆心坐标(y
mp1
,z
mp1
)和(y
mp2
,z
mp2
)，算法如下：
[0094][0095]
按照下式计算传感器测量坐标系x
m
轴与机床x轴的夹角α
x
：
[0096][0097]
α
x
求解原理示意图如图5所示。使用三维姿态调整夹具调整传感器的姿态，多次迭代直到α
x
接近于0
°
。所使用的标准球采用圆度很小的哑光陶瓷表面球体。
[0098]
如图6所示，传感器夹具2的方向调节方式设计成并行方式。传感器夹具为中空的四面体结构，且其前端面和左右侧端面由铜片201组成，后端面由橡胶垫202组成；线激光传感器夹设于传感器夹具的四个端面内部；传感器夹具的前端面设置有旋钮k
x
、旋钮k
y
和旋钮ks；三个旋钮呈直角三角形分布；线激光传感器的正面和背面被夹在铜片与橡胶垫之间，橡胶垫具有一定弹性和伸缩空间。
[0099]
当顺时针转动旋钮k
x
时，k
x
将压力通过铜片、传感器传导到橡胶垫，橡胶垫被压缩，传感器绕k
y
和k
s
组成的轴顺时针旋转一定角度；当逆时针转动旋钮k
x
时，橡胶垫被释放一定压力并伸长，传感器绕k
y
和k
s
组成的轴逆时针旋转一定角度；因此，转动旋钮k
x
可改变传感器x
m
轴与机床x轴的夹角。同理，转动旋钮k
y
时，传感器绕k
x
和k
s
组成的轴旋转，从而改变传
感器y
m
轴与机床x
‑
y平面的夹角。橡胶垫的伸缩长度决定线激光传感器x
m
轴和y
m
轴的偏转角度，偏转角度由以下公式计算：
[0100][0101][0102]
公式(10)和(11)中，l
fx
、l
fy
分别为橡胶垫在线激光传感器x
m
轴和y
m
轴方向的伸缩长度，d
x
、d
y
分别为旋钮k
x
和k
y
与旋钮ks之间的距离。
[0103]
传感器的两个侧面被夹在两片铜片之间，传感器夹具2的左侧端面设置有旋钮k
z1
和k
z4
，右侧端面设置有旋钮k
z2
和k
z3
；4个旋钮呈长方形分布。通过旋钮k
z1
、k
z2
、k
z3
和k
z4
控制传感器的z
m
轴方向。旋钮分成两组，k
z1
和k
z3
为一组，k
z2
和k
z4
为另一组；同一组旋钮向同一方向转动，另一组朝相反方向转动。
[0104]
对传感器的z
m
轴方向进行调节时，当k
z1
和k
z3
朝顺时针方向转动时，两者将压力通过铜片传导到传感器侧面上，传感器将以4个旋钮组成的长方形中心垂线为轴向顺时针方向旋转，其z
m
轴方向发生改变；由于传感器转动后的空间位置会发生改变，需要k
z2
和k
z4
在k
z1
和k
z3
转动前向逆时针方向旋转减少进给长度，从而给传感器转动释放足够空间。当需要传感器向逆时针方向转动时，需要k
z1
和k
z3
向逆时针方向转动释放一定空间，k
z2
和k
z4
向顺时针方向转动增加进给长度。传感器z
m
轴的偏转角度与旋钮的进给长度成非线性关系，采用迭代逼近的方式调定旋钮的进给长度。
[0105]
线激光传感器被夹在传感器夹具体前端面铜片、后端面橡胶垫和侧面铜片之间，橡胶垫提供伸缩空间和摩擦阻力；在旋钮施加压力于线激光传感器时，铜片起到压力缓冲与传递作用，保护线激光传感器避免损伤。装载线激光传感器后的夹具通过底板条形孔203与机床主轴相连，从而与主轴一样具有机床进给机构的全部自由度。
[0106]
传感器夹具采用的并行调节方式，在调整单个方向的姿态时不会对其它两个方向形成串扰，不需要经过多次迭代就能将传感器调整到理想姿态，因此调整过程相比串行方式更加简单高效。
[0107]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
[0108]
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。