[发明专利]一种基于截面线法的光束方向自动标定方法

说明书

本发明一种基于截面线法的光束方向自动标定方法属于检测技术领域，涉及一种基于截面线法的光束方向自动标定方法。该方法先将光谱共焦位移传感器夹持固定在带T形槽的回转工作台上，再将用于校准的标准球装夹在机床主轴上。通过横向与纵向扫描标准球，调整光谱共焦位移传感器相对机床主轴的位置，完成传感器的对中。根据测量时采集的机床坐标和传感器读数值差值建立关于传感器光束矢量方向的方程，利用最小二乘法拟合得到两辅助球心坐标，两球心坐标的空间连线矢量方向即为测量光束矢量方向，完成光谱共焦位移传感器测量光束方向的标定。该方法中，传感器可在一次装夹下完成光束方向标定，标定快速高效，操作方便且标定精确度高。

技术领域

本发明属于检测技术领域，涉及一种基于截面线法的光束方向自动标定方法。

背景技术

光谱共焦位移测量是一种高精度和高稳定性的非接触测量方法，具有更高的分辨力，且对被测目标适应性强。测量过程中由于机械装置的制造、安装误差及传感器本体误差等影响因素，使得测量光束的空间角度难以判断，进而影响测量精度。实际应用中，技术人员往往只进行安装位姿的简单调整或依靠机械结构来保证，可靠性与精度较差。

传统的机械调节方式难以做到精确调节使得传感器的测量光束方向与测量表面绝对垂直，即此时传感器的测量结果已经不能代表测量基准点与测量表面之间的距离，存在测量倾角误差，而且由于测量光束的不可见性、功率极低、超高分辨率等特性，缺乏有效手段对其空间矢量方向进行标定，严重影响测量精度与测量轨迹规划，尤其在复杂曲面的精密测量中无法满足测量要求。因此，测量光束空间矢量标定工作显得尤为重要。

2006年，天津大学房佳威等在《电子测量技术》发表的论文《非接触激光测头测量轴线标定系统》中提出利用位置敏感探测器和特别设计的夹具机构，手动调整激光测头光束轴线使轴线通过测头回转体的回转中心的方法，但标定精度较低。2010年，浙江大学卢科青等在《光学精密工程》发表的论文《点激光测头激光束方向标定》中介绍了用平面方向可调的标定块进行测头姿态的标定，再使用标准球进行测头安装位置标定的标定方法，标定过程繁琐且整体精度不高。2014年，中航工业北京航空精密机械研究所刘勇等在《测控技术》发表的论文《光学测头光束方向多种标定方法的研究与比较》中比较了几种标定算法，其中提到的球七点等值标定法利用标准球与采集到的标准球上的七个测点数据建立方程求解光学测头光束的矢量方向，然而该方法操作过程复杂，难以获得较好的测点数据值，标定效率低且精度较差。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是克服上述方法的不足，针对利用光谱共焦位移传感器测量零件面型轮廓特征时光束方向难以精确判断的难题，发明了一种基于截面线法的光束方向自动标定方法。该方法中，利用光谱共焦位移传感器，对标准球的三组截面线分别采用两个恒定读数进行扫描测量，根据测量时采集的机床坐标和传感器读数值差值建立关于传感器光束矢量方向的方程，通过求解方程完成测量光束空间角度的标定。基于最小二乘法对采集到的机床坐标值进行拟合计算得到辅助球心坐标与半径，实现测量任意截面线时坐标值的误差补偿。传感器可在一次装夹下完成光束方向标定实验，标定过程的快速高效，实用价值高，方便易操作。可实现对传感器任意安装姿态下的测量光束方向的自动标定检测，在保证测量精度的前提下有效提升了测量效率。

本发明所采用的技术方案是一种基于截面线法的光束方向自动标定方法，其特征是，该标定方法先将光谱共焦位移传感器夹持固定在带T形槽的回转工作台上，再将用于校准的标准球装夹在机床主轴上，并保证标准球的轴线与主轴轴线重合；其次，通过横向与纵向扫描标准球，调整光谱共焦位移传感器相对机床主轴的位置，完成传感器的对中；然后，机床工作台带动光谱共焦位移传感器对标准球的三组截面线进行扫描测量，并同时采集传感器读数值与对应的机床坐标值；接着，利用传感器读数值与机床坐标值建立关于光束方向的方程；最后，利用最小二乘法拟合得到两辅助球心坐标，两球心坐标的空间连线矢量方向即为测量光束矢量方向，完成光谱共焦位移传感器测量光束方向的标定。方法的具体步骤如下：

第一步 传感器与标准球安装