[发明专利]基于单目视觉的机床回转轴误差测量与辨识方法

摘要

本发明基于单目视觉的机床回转轴误差测量与辨识方法属于机床几何误差测量领域，涉及一种利用单目视觉测量机床回转轴几何误差测量与辨识的方法。该方法采用单目相机在回转轴间歇、连续两次回转的过程中，采集带有编码标记点的定位靶标图像，经过对间歇旋转的图像处理，重建编码标记点在机床坐标系下的坐标，利用理论点与实际点坐标在误差矩阵模型中的对应关系，求解机床独立位置误差，再经过对连续旋转拍摄得到的的图像处理求得机床综合误差，最后在机床综合误差中消除机床独立位置误差得到机床依赖位置误差。该方法有效解决了测量过程繁琐以及辨识模型复杂的问题，采用单目视觉实现非接触测量，设备成本低及设备鲁棒性高。

主权项

1.一种基于单目视觉的机床回转轴误差测量与辨识方法，其特征为，该方法采用单目相机在回转轴间歇、连续两次回转的过程中，采集带有编码标记点的定位靶标图像，经过对间歇旋转的图像处理，重建编码标记点在机床坐标系下的坐标，利用理论点与实际点坐标在误差矩阵模型中的对应关系，求解机床独立位置误差，再经过对连续旋转拍摄得到的的图像处理可求得机床综合误差，最后在机床综合误差中消除机床独立位置误差可得到机床依赖位置误差；方法的具体步骤如下：/n第一步，安装实验装置/n实验装置由单目相机(1)、定位靶标(2)、机床工作台(3)、系统安装架(4)及夹具(5)组成；将单目相机(1)垂直机床工作台(3)安装在系统安装架(4)上，再将棋盘格标定板装夹于机床工作台(3)上为相机标定做准备；将夹具(5)安装在机床工作台(3)上，方便定位靶标(2)与棋盘格标定板的更换装夹；/n定位靶标(2)为光刻玻璃板，上表面光刻有呈菱形分布的第一圆形编码点(69)、第二圆形编码点(71)、第三圆形编码点(73)、第四圆形编码点(75)，及位于中心的中心编码点(119)，并以中心编码点(119)为原点建立机床坐标系；定位靶标(2)为光刻玻璃板，上表面光刻有呈菱形分布的第一圆形编码点(69)、第二圆形编码点(71)、第三圆形编码点(73)、第四圆形编码点(75)及位于图像中心的中心编码点(119)，并以中心编码点(119)为原点建立机床坐标系，另外四个圆形编码点用于准确传递机床的运动信息；标定好后将棋盘格标定板更换成定位靶标(2)，并在机床工作台(3)上固定，将机床待测的回转轴C轴归零；/n第二步，相机标定/n本发明依据张氏标定法结合高精度棋盘格标定板来标定单目相机的内参数及畸变参数，选取空间一点坐标为(X_p，Y_p，Z_p)，其在像平面上投影点坐标为(x，y)，综合考虑实际成像畸变现象，使用摄像机非线性透视投影模型表达式为：/n /n其中，f为单目相机的焦距，α_x＝f/dx与α_y＝f/dy分别定义为x、y两轴上的归一化焦距，(x₀，y₀)为像素坐标系原点坐标，由α_x、α_y、u₀、v₀四个参数构成的M₀为相机内参数矩阵，R为3×3的单位旋转正交阵，t为平移向量，组成的M₁为相机外参数矩阵；即由内参数α_x、α_y、u₀、v₀及外参数R、t确定机床坐标系与像素坐标系的关系；点(x，y)为投影点的理想位置，(x′，y′)为考虑畸变的实际坐标，δ_x、δ_y为横轴与纵轴的非线性畸变值，r为像素坐标系下投影点与原点的距离，k₁、k₂与k₃分别为一阶、二阶与三阶径向畸变系数，p₁、p₂是一阶、二阶离心畸变系数；通过标定单目相机可得内参数α_x、α_y、u₀、v₀及畸变参数k₁、k₂、k₃、p₁、p₂，进而确定相机成像模型；单目相机(1)标定好后，将棋盘格标定板更换成定位靶标(2)，并在机床工作台(3)上固定；/n第三步，标记点识别/n对回转轴进行分度，在机床每隔一定分度值间歇旋转一周的过程中采集标记点图像，利用摄像机成像模型重建编码标记点机床坐标系下的坐标；本发明采用圆环编码标记点的定位靶标来表征机床运动位置，圆环编码中心为黑色圆标记点，外圈为同心圆环区域，用于表征圆环编码的身份信息，称为编码带；该圆环区域按照角度平均分为10段，每段对应一个二进制位；背景色为白色与黑色，相对应的二进制编码为“0”、“1”；从标记点圆心出发，按照一定方向扫描编码带，扫描到黑色码带记为1，白色码带记为0；如果没有扫描到编码带，则从中心开始重新扫描；扫描一周后，整个编码点的码值序列即被全部读出，形成一个二进制序列，最终转化为十进制整数，从而获得编码点的码值；解码后，根据不同编码标记点的码值，再利用标定好的摄像机成像模型内外参数，即可重建各个对应标记点的三维坐标，并经过坐标系基准转换，最终可得机床坐标系下的编码标记点的三维坐标为(X_w，Y_w，Z_w)；/n第四步，回转轴误差测量与辨识/n数控机床回转轴误差主要有两种误差，分别是机床独立位置误差与机床依赖位置误差，前者主要为机床的装配误差且与机床命令位置无关，所以为常量，后者主要来源于数控机床零、部件的制造缺陷造成的几何误差，与机床命令位置相关，所以为变量且回转角度的一个函数，两者结合可将机床回转轴的综合误差表示为：e＝e_PIGE+e_PDGE(θ) (2)/n首先辨识机床回转轴机床独立位置误差，当控制机床间歇运动到某一位置时，此时回转轴的综合误差项只含有e_PIGE，又连接误差共有4项，包括2项线性位置误差，2项转角误差，则其误差矩阵可表示为/n /n其中，ε_xc、ε_yc为C轴实际中心与理想中心在X方向和Y方向的线性位置误差；δ_xc、δ_yc为C轴实际轴线与理想轴线绕X轴与Y轴的转角误差；由于误差矩阵T中只含有4项未知量，通过对回转轴的分度，在机床坐标系的0°，90°，180°和270°的4个角度下，根据单目相机采集编码标记点的图像，利用像素坐标系下的坐标及摄像机成像模型，分别重建编码标记点机床坐标系下的坐标为利用公式(4)得出的方程即可求得数控机床回转轴的机床独立位置误差；设定机床坐标系下4个角度的理论点坐标为求解公式为：/n /n再辨识机床回转轴机床依赖位置误差，控制机床以一定速度运行，此时回转轴的综合误差项为e_PIGE+e_PDGE(θ)，则其误差矩阵表示为：/n /n其中，Δε_xc、Δε_yc为C轴实际中心与理想中心在X方向和Y方向的线性位置误差；Δδ_xc、Δδ_yc为C轴实际轴线与理想轴线绕X轴与Y轴的转角误差，上述4项误差即为所求机床依赖位置误差；之前在静态条件下已经辨识机床回转轴机床独立位置误差，即ε_xc、ε_yc、δ_xc、δ_yc为已知量，则T中仍然含有4项未知量，同样在机床坐标系中0°，90°，180°和270°的4个角度下触发相机拍摄并分别重建编码标记点坐标，记为求解公式为：/n /n即在准静态工作下求得数控机床回转轴的综合误差，减去已知的机床独立位置误差即为回转轴的机床依赖位置误差。/n