高精度復合式測量機的坐標統一標定器及標定方法
【專利摘要】一種高精度復合式測量機的坐標統一標定器及標定方法，標定器是用于集圖像傳感器、接觸式傳感器和非接觸位移傳感器為一體的復合式坐標測量機的標定，包括圓柱體，圓柱體的上端面固定設置有圓錐臺，圓錐臺與所述圓柱體同軸設置。方法包括：分別采用圖像傳感器、接觸式傳感器和非接觸位移傳感器對標定器進行測量；以單個傳感器完成標定為前提，完成工件的測量，具體是用一個標定器實現圖像傳感器、接觸式傳感器、非接觸位移傳感器的兩兩坐標或三者坐標統一。本發明圖像傳感器對錐頂圓一次成像，求取圓心；接觸式傳感器二維運動于圓柱表面取點，求取圓心，從而減少了測量時的機械運動誤差。有利于高精度復合測量機的坐標統一或位置標定。
【專利說明】
高精度復合式測量機的坐標統一標定器及標定方法
技術領域
[0001]本發明涉及一種標定器。特別是涉及一種集圖像傳感器，接觸式傳感器和非接觸位移傳感器等多種傳感器的復合式測量機的坐標統一標定器及標定方法。
【背景技術】
[0002]坐標測量機是工件尺寸測量的重要手段，在多個行業中廣泛應用。目前，由于工件更加精密化、專業化，結構也越發精巧復雜，傳統的接觸式單一傳感器很多情況下難以滿足測量的需求。多傳感器復合測量機能夠實現以往單個傳感器難以完成的測量工作。將圖像傳感器，接觸式傳感器和非接觸位移傳感器等多個傳感器等集成到同一個測量機上，能夠實現不同特征、尺寸的競爭型、合作型和互補型測量，達到最優測量的目的。例如:利用影像測量微孔的直徑，利用非接觸位移傳感器測量鏡頭的自由曲面等。
[0003]實現多傳感器的復合測量，需要將多個傳感器進行坐標的統一，即將多個坐標系統一到同一個坐標系下。通常具有某種幾何特征或某幾種幾何特征組合的實物標準器作為多傳感器坐標融合(配準)的媒介，例如傳統坐標機檢定時所最長使用的標準球。在僅使用單一接觸式傳感器的測量機上，以標準球作為實物標準器表現出很好效果，廣為業界接受。在理論上，接觸式傳感器于標準球上多處取點，可以測得球心的三維坐標；圖像傳感器測得標準球的赤道圓可以解得球心二維坐標;非接觸距離傳感器捕獲標準球的天頂極點，也可獲知球心二維坐標。但是在精度要求較高時，如亞微米級的高精度復合測量中，如何將多個傳感器的不同坐標系統一到同一個坐標系下，上述傳統方法存在不足。以非接觸距離傳感器捕獲天頂極點為例，受距離傳感器分辨力限制，傳感器獲得極點，數值不再改變時，在X—一Y平面上所對應不是唯一的一個點，而是一個區域。再如，圖像傳感器在標準球赤道圓上采點時，對光源照明質量提出很高要求。此外，球體加工需特殊工藝，當需要與其它物體結合或再加工時都存在工藝難度。
[0004]在亞微米級復合測量中要將多個傳感器的不同坐標系高精度的統一到同一個坐標系中，以實現測量機的高精度測量。
【發明內容】
[0005]本發明所要解決的技術問題是，提供一種能夠支持測量機高精度復合測量的高精度復合式測量機的坐標統一標定器及標定方法。
[0006]本發明所采用的技術方案是:一種高精度復合式測量機的坐標統一標定器及標定方法。一種高精度復合式測量機的坐標統一標定器，是用于集圖像傳感器、接觸式傳感器和非接觸位移傳感器為一體的復合式坐標測量機的標定，包括圓柱體，所述圓柱體的上端面固定設置有圓錐臺，所述圓錐臺與所述圓柱體同軸設置。
[0007]—種高精度復合式測量機的坐標統一標定器的標定方法，包括如下步驟:
[0008]I)分別采用圖像傳感器、接觸式傳感器和非接觸位移傳感器對標定器進行測量；其中:
[0009]圖像傳感器的測量包括:
[0010](I)將圖像傳感器V對準標準器中任意一個標定器的圓錐臺上端面進行調焦，調焦清晰后標定器的圓錐臺上端面整體處于圖像傳感器V的視場內；
[0011](2)通過圖像傳感器獲取標定器圓錐臺上端面的圓邊界；
[0012](3)通過所述圓邊界得到圓錐臺上端面的圓心；
[0013](4)將步驟(3)得到的圓心作為圖像傳感器在復合式坐標測量機上的位置或坐標點Vo;
[0014I接觸式傳感器的測量包括:
[0015](I)使用接觸式傳感器測量圓柱體(I)同一截面圓周的多個點；
[0016](2)提取截面的圓心，所述圓心作為接觸式傳感器在復合式坐標測量機上的位置或坐標點Po;
[0017]非接觸位移傳感器的測量包括:
[0018](I)使用非接觸位移傳感器分別沿X方向和Y方向掃描圓錐臺；
[0019](2)根據掃描結果找出圓錐臺的對稱中心或對稱軸作為圓錐臺上端面的中心；
[0020](3)將圓錐臺上端面的中心作為非接觸位移傳感器在復合式坐標測量機上的位置或坐標點Lo。
[0021]2)采用接觸式傳感器測量圓柱的上端面得到高度Zp;
[0022]3)采用非接觸位移傳感器測量圓錐臺的上端面得到高度Z1;
[0023]4)找出在同一坐標系的XY平面下圖像傳感器的位置或坐標點Vo、接觸式傳感器的位置或坐標點Po和非接觸位移傳感器的位置或坐標點Lo之間的差值，以及圓柱的上端面高度Zp與圓錐臺的上端面高度?:之差，從而得到圖像傳感器、接觸式傳感器和非接觸位移傳感器的位置關系，完成圖像傳感器、接觸式傳感器和非接觸位移傳感器三者間的坐標統一。
[0024]本發明的高精度復合式測量機的坐標統一標定器及標定方法，以單個傳感器已完成標定為前提，即能夠單獨完成工件的測量，具體是用一個標定器實現圖像傳感器、接觸式傳感器、非接觸位移傳感器的兩兩坐標或三者坐標統一，操作簡單方便，標定效率高。本發明的標定器以圓柱基材、經典車削工藝、由超精加工設備一次裝夾制成，工藝成熟;且可獲得圓度、圓柱度、同軸度、垂直度等誤差小于幾十納米級別的制件。圖像傳感器對錐頂圓一次成像，求取圓心;接觸式傳感器二維運動于圓柱表面取點，求取圓心，減少了多維運動帶入的影響，從而減少了測量時的機械運動誤差。有利于高精度復合測量機的坐標統一或位置標定。
【附圖說明】
[0025]圖1是本發明高精度復合式測量機的坐標統一標定器的結構圖；
[0026]圖2是本發明高精度復合式測量機的坐標統一標定器的側視圖；
[0027]圖3是圖2的俯視圖；
[0028]圖4是復合式坐標測量機的結構示意圖；
[0029]圖5是本發明高精度復合式測量機的坐標統一標定器標定時的示意圖；
[0030]圖6是復合式坐標測量機標定XY方向的模型示意圖；
[0031 ]圖7是復合式坐標測量機標定Z方向的模型示意圖。
[0032]圖中
[0033]1:圓柱體2:圓錐臺
[0034]3:復合式坐標測量機X軸4:復合式坐標測量機Z軸
[0035]5:工作臺(Y軸)6:標定器
[0036]7:機架V:圖像傳感器
[0037]P:接觸式傳感器L:非接觸位移傳感器
【具體實施方式】
[0038]下面結合實施例和附圖對本發明的高精度復合式測量機的坐標統一標定器及標定方法做出詳細說明。
[0039]如圖1、圖2、圖3、圖4、圖5所示，本發明的高精度復合式測量機的坐標統一標定器，是用于集圖像傳感器、接觸式傳感器和非接觸位移傳感器為一體的復合式坐標測量機的標定，所述的標定器包括圓柱體I，所述圓柱體I的上頂面固定設置有圓錐臺2，所述圓錐臺2與所述圓柱體I同軸設置。
[0040]其中:
[0041]所述圓錐臺2上端面Zs的直徑Iv小于復合式坐標測量機的圖像傳感器V的測量視場范圍。所述圓錐臺2的母線(斜面)Zm與圓柱體I上頂面Zx的夾角Θ的大小在復合式坐標測量機上的非接觸位移傳感器L所能測量的角度范圍內，或者圓錐臺2的上端面與下端面垂直距離hi在非接觸位移傳感器的測量范圍內。
[0042]本發明的高精度復合式測量機的坐標統一標定器的標定方法，包括如下步驟:
[0043]I)分別采用圖4中所示的圖像傳感器V、接觸式傳感器P和非接觸位移傳感器L對標定器進行測量，其中
[0044]圖像傳感器的測量包括:
[0045](I)將圖像傳感器V對準標準器中任意一個標定器2的圓錐臺22上端面進行調焦，調焦清晰后標定器2的圓錐臺22上端面整體處于圖像傳感器V的視場內；
[0046](2)通過圖像傳感器V獲取標定器圓錐臺2上端面Zs的圓邊界；
[0047](3)通過所述圓邊界得到圓錐臺2上端面的圓心V0;
[0048](4)將步驟(3)得到的圓心Vo作為圖像傳感器V在復合式坐標測量機上的位置或坐標。
[0049]此時的圓心Vo獲取是在圖像傳感器一次成像，復合式坐標測量機無機械位移下完成，故不會出現機械運動誤差。
[0050]接觸式傳感器的測量包括:
[0051](I)使用接觸式傳感器P測量圓柱體I同一位置Ysc的截面圓周的多個點；
[0052](2)提取截面的圓心Po，所述圓心Po作為接觸式傳感器P在復合式坐標測量機上的位置或坐標。
[0053]此時復合式坐標測量機Z軸處于鎖定狀態，僅由X軸和Y軸的2維運動實現數據獲取，相比測取球心坐標通常所需的3維運動，減少了機械運動誤差。
[0054]非接觸位移傳感器的測量包括:
[0055](I)使用非接觸位移傳感器L分別沿X方向和Y方向掃描圓錐臺2;
[0056](2)根據掃描結果找出圓錐臺2的對稱中心或對稱軸作為圓錐臺2上端面的中心
Lo;
[0057](3)將圓錐臺2上端面的中心Lo作為非接觸位移傳感器L在復合式坐標測量機上的位置或坐標。
[0058]2)使用接觸式傳感器測量圓柱的頂面得到高度Zp;
[0059]3)使用非接觸位移傳感器測量圓錐臺2的上表面得到高度Zi;
[0060]4)圖像傳感器的位置點Vo、接觸式傳感器的位置點Po和非接觸位移傳感器的位置點Lo在同一坐標系(其Z軸與標定器的對稱軸平行)的XY平面下應該是同一個點，但是，步驟I)采用本發明的標定器6得到如圖6所示的圖像傳感器的位置點Vo、接觸式傳感器的位置點Po和非接觸位移傳感器的位置點Lo之間的差值，找出三個位置點Vo、Po和Lo之間的位置差ΛYVL、ΛYPV、AYPL、AXVP、AXPL、AXVL，由所述的差值得到圖像傳感器V、接觸式傳感器P和非接觸位移傳感器L三者之間的在XY平面的位置關系;得到如圖7所示的Z向坐標之差ΛΖ。
[0061]從而可完成圖像傳感器V、接觸式傳感器P和非接觸位移傳感器L三者間的坐標統一或標定。
[0062]在本發明的高精度復合式測量機的坐標統一標定器的標定方法中，所述的接觸式傳感器為用于三坐標測量機的接觸式傳感器。所述的非接觸位移傳感器為光譜共焦傳感器、激光三角測距傳感器、激光聚焦傳感器中的一種。所述的圖像傳感器是采用影像測量儀所用的圖像傳感器。
【主權項】
1.一種高精度復合式測量機的坐標統一標定器，是用于集圖像傳感器、接觸式傳感器和非接觸位移傳感器為一體的復合式坐標測量機的標定，其特征在于，包括圓柱體(I)，所述圓柱體(I)的上端面固定設置有圓錐臺(2)，所述圓錐臺(2)與所述圓柱體(I)同軸設置。2.根據權利要求1所述的高精度復合式測量機的坐標統一標定器，其特征在于，所述圓錐臺(2)上端面的直徑小于復合式坐標測量機的圖像傳感器測量視場范圍。3.根據權利要求1所述的高精度復合式測量機的坐標統一標定器，其特征在于，所述圓錐臺(2)的母線與圓柱體(I)上頂面夾角的大小在復合式坐標測量機上的非接觸位移傳感器測量的角度范圍內。4.根據權利要求1所述的高精度復合式測量機的坐標統一標定器，其特征在于，所述圓錐臺(2)的上端面與下端面垂直距離在非接觸位移傳感器的測量范圍內。5.—種權利要求1所述的高精度復合式測量機的坐標統一標定器的標定方法，其特征在于，包括如下步驟: 1)分別采用圖像傳感器、接觸式傳感器和非接觸位移傳感器對標定器進行測量;其中: 圖像傳感器的測量包括: (1)將圖像傳感器V對準標準器中任意一個標定器(2)的圓錐臺(22)上端面進行調焦，調焦清晰后標定器(2)的圓錐臺(22)上端面整體處于圖像傳感器V的視場內； (2)通過圖像傳感器獲取標定器圓錐臺(2)上端面的圓邊界； (3)通過所述圓邊界得到圓錐臺(2)上端面的圓心； (4)將步驟(3)得到的圓心作為圖像傳感器在復合式坐標測量機上的位置或坐標點V0; 接觸式傳感器的測量包括: (1)使用接觸式傳感器測量圓柱體(I)同一截面圓周的多個點； (2)提取截面的圓心，所述圓心作為接觸式傳感器在復合式坐標測量機上的位置或坐標點Po; 非接觸位移傳感器的測量包括: (1)使用非接觸位移傳感器分別沿X方向和Y方向掃描圓錐臺(2); (2)根據掃描結果找出圓錐臺(2)的對稱中心或對稱軸作為圓錐臺(2)上端面的中心； (3)將圓錐臺(2)上端面的中心作為非接觸位移傳感器在復合式坐標測量機上的位置或坐標點Lo。 2)采用接觸式傳感器測量圓柱(I)的上端面得到高度Zp; 3)采用非接觸位移傳感器測量圓錐臺(2)的上端面得到高度Z1; 4)找出在同一坐標系的XY平面下圖像傳感器的位置或坐標點Vo、接觸式傳感器的位置或坐標點Po和非接觸位移傳感器的位置或坐標點Lo之間的差值，以及圓柱(I)的上端面高度Zp與圓錐臺(2)的上端面高度Z1之差，從而得到圖像傳感器、接觸式傳感器和非接觸位移傳感器的位置關系，完成圖像傳感器、接觸式傳感器和非接觸位移傳感器三者間的坐標統一。6.根據權利要求5所述的高精度復合式測量機的坐標統一標定器的標定方法，其特征在于，所述的接觸式傳感器為用于三坐標測量機的接觸式傳感器。7.根據權利要求5所述的高精度復合式測量機的坐標統一標定器的標定方法，其特征在于，所述的非接觸位移傳感器為光譜共焦傳感器、激光三角測距傳感器、激光聚焦傳感器中的一種。8.根據權利要求5所述的高精度復合式測量機的坐標統一標定器的標定方法，其特征在于，所述的圖像傳感器是采用影像測量儀所用的圖像傳感器。
【文檔編號】G01B21/00GK106092008SQ201610496535
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月28日
【發明人】王仲, 趙炎, 付魯華, 文信, 王祎雯
【申請人】天津大學