一種在機激光測量中測頭位姿的線性化標定方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于在機激光測量技術領域，更具體地，涉及一種在機激光測量的測頭安 裝位姿標定和誤差補償的方法。
【背景技術】
[0002] 以激光測量為代表的非接觸式測量方法，具有速度快、無磨損、不需要進行測頭半 徑補償等優點，能夠在滿足測量精度的前提下，大幅提高測量的效率，并且可以獲得更詳細 的曲面信息。在機測量可以及時發現制造工程中的問題，進而可以引入誤差補償等措施及 時修正這些問題。在機測量的一種重要形式是將一維測距式激光測頭裝夾在數控機床的主 軸末端，通過機床運動帶動激光測頭發出的激光線掃描被測工件表面，結合激光測頭獲得 的距離測量值和機床各軸的運動參數計算出各采樣時刻激光線與工件表面交點的三維坐 標。
[0003] 激光測頭通過機械裝夾機構安裝在機床的運動主軸上，但激光測頭的安裝位姿很 難精確調整。為了補償安裝位置和偏角引起的測量誤差，傳統方法是利用位置敏感探測器 和特別設計的夾具機構，手動對激光測頭光束軸線進行調整，使其通過測頭回轉體的回轉 中心，但是手動調節光束方向的操作很不方便，且精度受人為因素比較大。后來出現了使用 V型塊實現激光測頭光束方向的標定，但是該方法只能求解出測頭安裝姿態，不能確定安裝 位置。為了得到激光測頭光束零點位置，出現了使用標準球進行測頭安裝位置標定，結合 V型塊實現激光測頭光束方向的標定，但是因為整個標定中要使用兩個標定物，使得標定過 程比較繁瑣。為了進一步改進標定技術，出現了以單個標準球同時標定出激光測頭光束方 向與光束零點位置的方法，通過建立多個方向下測頭與標準球的位置關系求取安裝姿態， 但是將標定問題表達為帶約束的非線性優化問題，通過罰函數建立待標定參數的無約束最 優化目標函數，進而采用遺傳算法進行非線性搜索尋優，不可避免出現了非線性優化求解 中的大量計算和不穩定問題。
【發明內容】
[0004] 針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種在機激光掃描測量中測 頭安裝位姿的線性化標定方法，利用標準球實現測頭安裝后光束方向和光束零點位置標 定的線性化方法，有效地避免了非線性優化求解中的大量計算和不穩定問題。
[0005] 本發明提供了一種在機激光測量中測頭位姿的線性化標定方法，該方法包括以下 步驟：
[0006] 一種在機激光測量中測頭位姿的線性化標定方法，其特征在于，包括以下步驟：
[0007] 步驟一、預設測頭掃描路徑；
[0008] 步驟二、生成機床NC驅動指令：轉動機床旋轉軸，使激光測頭保持在某個姿態下， 再根據預設的測頭掃描路徑與標準球球心之間位置關系計算出測量路徑位置，并生成驅動 機床的NC驅動指令；
[0009] 步驟三、數據采集：機床帶動測頭沿預設掃描路徑對標準球掃描，采集激光測頭測 量值為山時所對應的機床主軸平移坐標系下k個機床讀數，其中，所述測頭測 量值山為測頭到標準球球面上某一點的距離值，且可以任意給定，但需要保證d1在測頭測 量景深范圍內；
[0010] 步驟四、最小二乘法擬合球心Si:針對步驟三采集的主軸平移坐標系下機床讀數 敗，，用最小二乘算法擬合對應的測頭測量值山的球心S1;
[0011] 步驟五、建立在機激光測量的數學模型：根據所使用機床結構的不同，測量數學模 型會有所差異，但原理相似，都是通過機床的旋轉與平移運動來測量空間某一點。一般數學 模型為：
[0012]
[0013] 其中，Ρ為機床空間上任意一點坐標，RAe為機床旋轉矩陣，為測頭的光束方向， ^為測頭的光學零點安裝偏心，Q為機床平移運動讀數。因此，標準球球心S。與步驟四中 擬合的機床讀數球心足此數學模型。整理成線性方程形式：
[0014]
[0015] 其中，I為3X3的單位矩陣。
[0016] 步驟六、獲得測頭位姿的標定結果：通過多次改變測頭在機床上的姿態，按順序重 復步驟二至步驟四，將多次擬合的球心Si分別帶入線性方程，建立線性方程組，以獲得S。、 4、：G的最優解。
[0017] 進一步，其特征在于，還包括在所述步驟一前給所述標準球噴涂顯像劑。
[0018] 進一步，所述步驟一中的測頭掃描路徑為：從激光斑點正對標準球球心開始，移動 測頭向8個方向進行往返的直線運動，8個方向在同一個平面上，且相鄰兩個方向夾角為45 度，掃描路徑為對稱的"米"字型，8個方向掃描完后，使測頭逐漸遠離標準球，每隔2_重復 掃描一遍。
[0019] 進一步，所述步驟四中最小二乘擬合方法為：每次最小二乘擬合球心時，求出擬合 的平均誤差和標準差，將平均誤差與三倍標準差的和設為閾值，剔除誤差大于閾值的坐標 點，再次擬合球心計算閾值，一直到所有點合格為止。
[0020] 進一步，所述顯像劑厚度小于測頭測量誤差。
[0021] -種使用測頭標定值對測頭位姿進行補償的方法，其特征在于，分別求解出不同 轉角下的標準球球心求解值與標定值的差值，將這個差值作為各個方向測量時的補償值。
[0022] 本發明與現有技術相比，能夠取得下列有益效果：
[0023] 1.將標定問題表達為求解標準球球心與機床位置關系的線性優化問題，進行多角 度擬合機床運動位置球心即可同時求解出激光測頭安裝的位置和姿態參數，有效地避免了 非線性優化求解中的大量計算和不穩定問題。
[0024] 2.通過離線生成機床運動程序，使機床自動帶動測頭對標準球進行多角度掃描測 量，標定過程簡單，易于操作。
【附圖說明】
[0025]圖1是本發明的一種在機激光測量中測頭位姿的線性化標定方法流程圖；
[0026] 圖2是實施例中在機激光測量運動機構示意圖；
[0027] 在所有附圖中，相同的附圖標記用來表示相同的元件或結構，其中：1 一工作臺、 2 -標準球、3 -激光測頭、4 一數控機床、5 -旋轉主軸。
【具體實施方式】
[0028] 為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對 本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的在雙擺頭五軸數控機床上的標定實 施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。此外，下面所描述的本發明各個實施方式 中所涉及到的技術特征只要彼此之間未構成沖突就可以相互組合。
[0029] 本發明的基本思想是：根據激光測頭在機測量數學模型，在多個轉角建立標準球 球心與機床坐標擬合球心之間位置關系的線性方程，實現對激光測頭安裝姿態的標定。
[0030] 下面結合具體實施及附圖對本發明作進一步詳細說明。
[0031] 如圖2所示，一種雙擺頭機床，工作臺相對機床靜止。通過設計的裝夾機構將一維 測距式激光測頭安裝在主軸上，并將主軸鎖死。在理想情況下，光學測頭光束方向與機床Z 軸軸線方向一致，測頭的光學零點位置在Z軸軸線上。但由于測頭在安裝時并沒有精確的 定位基準，必然會產生偏心和傾角。這些安裝誤差將降低測量精度，因此需要一種可靠的測 頭位姿標定方法。
[0032] 首先建立圖2所示的測頭測量模型中的各坐標系。
[0033] 1)機床世界坐標系Cmw:坐標系的原點為機床回零時旋轉軸A、C軸線的交點。X、 Y、Z三軸的方向與機床三個運動導軌方向一致。機床世界坐標系不受機床運動的影響，是 一個固定坐標系。
[0034] 2)機床主軸平移坐標系Ct:此坐標系的原點為旋轉軸A、C軸線的交點，并隨著主 軸一起移動，三個坐標軸方向與機床世界坐標系三軸方向一致。當機床回到零點時，機床主 軸平移坐標系與機床世界坐標系重合。
[0035] 3)機床主軸旋轉坐標系Cr:轉動機床A、C軸時，坐標系Cr隨A、C軸一起轉動。機 床旋轉軸A、C的轉角為0°時，坐標系Cr與坐標系Ct重合。
[0036] 根據機床運動可知，機床主軸平移坐標系Ct與機床世界坐標系C_之間只有平移 關系，表征機床的平移運動，可表示為7T'=e=[m]T。其中，Q為機床坐標讀數，可 以從機床直接讀取。當機床主軸旋轉到任意角度時，機床主軸旋轉坐標系(；與機床主軸平 移坐標系仏只有旋轉關系，記旋轉軸A、C轉角分別為Θ θ ε(θΑ、方向滿足右手坐標 系），則旋轉矩陣為：
[0037]
[0040] 其中RA、RC由機床旋轉軸A、c轉角θ#Θc計算得到。
[0041] 如圖3所示，用簡單的直線段替代測頭實物。測頭的光學零點P點的安裝偏心K 在X、Y、Z三軸方向的平移量分別用線段MN、NP、03來表示，且三個線段兩兩垂直。
[0042]當測頭裝夾在主軸上時，激光測頭的光學零點P點在機床主軸旋轉坐標系 (；下存在安裝偏心，表示為y| =@;; ，激光測頭的光束方