[发明专利]基于双目视觉的数控机床旋转轴误差检测方法

说明书

技术领域

本发明属于机床精度检测技术领域，涉及一种五轴数控机床的双转轴几何误差检测与辨识方法。

背景技术

在航空、航天以及国防工业等领域，对高效、高精度制造的要求越来越高。尤其针对结构复杂的发动机叶轮、模具制造等零件，五轴数控机床能够实现位置与方向的灵活控制，是目前应用比较广泛的技术。然而，相比三轴数控机床，五轴数控机床不仅具有三个直线轴的误差，同时还增加了两个旋转轴的误差，这导致机床误差项增多，且不可避免。而旋转轴作为五轴数控机床的重要组成构件，因其缺少精度标定及误差补偿的方法，是机床准静态误差和动态误差的主要来源。因此，定期检查与标定旋转轴的误差不仅能够维持机床的精度，同时为精密制造奠定了基础。

目前，数控机床误差检测的技术主要包括：实物基准测量法、激光干涉仪、球杆仪、激光跟踪仪等。大连创达技术有限公司董海发明的专利号为CN 102476323 A《新型数控机床误差检测仪》发明了一种基于圆轨迹的误差检测仪器，通过分析圆轨迹插补的误差，评估机床性能。但这种方法不便于实现各项误差的辨识，导致误差补偿困难。重庆大学陶桂宝等人发明的专利号为CN 103143984 A《基于激光跟踪仪的机床误差动态补偿方法》发明了基于激光跟踪仪的机床误差实时检测技术，这种方法虽然简单、方便，但是成本较高。激光干涉仪测量精度较高，但是操作比较复杂。综上所述，目前的方法多用于直线轴的误差检测，且成本较高，并不适用于旋转轴误差的检测与辨识。因此，有必要研究一种方便、快捷、低成本的旋转轴误差检测与辨识技术。

发明内容

本发明要解决的技术难题是克服现有技术的问题，发明一种基于双目视觉的机床旋转轴安装误差测量方法。将多组反光编码标记点贴于待测旋转轴表面，数控系统控制机床旋转轴定角度旋转，并在每个角度利用双目视觉采集反光编码标记点，并获得编码标记点三维位置信息。基于上述标记点位置信息，采用最小二乘法拟合空间圆，并获得空间圆的位置坐标，与理想轴中心位置比较获得待测旋转轴中心线性误差；同时，利用标记点位置拟合空间平面，此平面的法向矢量与理想转轴轴线矢量比较，可测得转轴安装的角度误差。此方法采用圆形标记点，不仅图像处理程序简单、特征提取精度高，而且鲁棒性好、测量快速、便捷。同时，该方法解决了数控机床旋转轴安装误差检测、辨识困难的问题，为机床误差检测与辨识技术提供了新的方向。

本发明所采用的技术方案是一种基于双目视觉的数控机床旋转轴误差检测方法，其特征是，本发明采用高分辨率双目视觉系统，采集贴于机床转台表面圆环编码标记点的位置信息，转台每转过一定的角度，视觉系统采集一次，直到旋转一周。最后经过摄像机标定、图像分割、标记点提取、机床旋转轴误差辨识模型实现机床旋转轴的两项位置误差与两项角度误差的检测采集，得到机床旋转轴的4项安装误差，完成几何参数的快速测量；检测方法具体步骤如下：

(1)摄像机的标定

本发明采用基于高精度棋盘格靶标的双目视觉标定方法；

首先使用基于高精度棋盘格靶标的双目视觉标定方法确定出两相机的内外参数，然后对棋盘格靶标角点进行三维重建，并根据角点重建坐标与实际坐标的偏差，建立函数f(x)，对内外参数进行整体优化；如下所示：

f(x)＝(x_p-x_i)²+(y_p-y_i)²+(z_p-z_i)²(1)

其中：x_p，y_p，z_p为各角点的实际坐标，而x_i，y_i，z_i为重建得到的各角点坐标，则建立目标函数F(x)如下：

其中，为所有点偏差函数的平方和，应用LM方法对该目标函数F(x)进行优化，得到内外参数的全局最优解；

(2)图像特征分割

首先对图像进行降噪、滤波处理，随后利用灰度阈值法将所有目标特征与背景初步分离，灰度阈值法相应公式：

其中，g(x,y)为图像(x,y)像素点所对应的的灰度值，T表示所选用灰度阈值，G₁、G₂为背景集合、特征标记集合；然后，对特征标记集合进行连通区域标记，并利用区域面积作为门限值去除图像中不感兴趣的连通区域，相应公式如下：