[发明专利]基于单目视觉的数控机床轮廓误差三维测量方法

说明书

本发明基于单目视觉的数控机床轮廓误差三维测量方法属于计算机视觉测量技术领域，涉及一种基于单目视觉的轮廓误差数控机床三维测量方法。该方法首先将单目相机安装在测量系统安装架上，并位于机床工作台的斜上方。结合张正友标定法与高精度棋盘格标定板，标定单目相机的内参数与畸变参数。标定后安装测量基准，驱使机床运行生成动态轨迹，同时触发单目相机拍摄测量基准上的四个编码点的运动序列图像，利用迭代算法对每帧图像进行数据处理计算基准点空间坐标，将处理算法遍历每帧图像后连接基准点即可得到相机坐标系下机床运动轨迹。随后将此轨迹投影于机床坐标系下，与理论轨迹对比以求解机床轮廓三维误差。方法操作简单，测量稳定性良好。

技术领域

本发明属于计算机视觉测量技术领域，涉及一种基于单目视觉的轮廓误差数控机床三维测量方法。

背景技术

随着高性能装备制造在现代生产领域的广泛应用，及产品短周期复杂零件高精度生产要求，对数控机床加工能力提出了挑战，五轴数控机床可完对复杂变曲率零件进行高品质、高效率加工。但由于机床受到设计、制造、加工环境等因素的影响，由机床动态特性不足造成的数控机床误差十分突出，使刀具中心点实际位置偏离理论位置，降低工件加工精度，如果采用机床静态特性评估设备及方法无法充分反应和提高机床的加工精度。机床的动态特性可由轮廓误差较好地表征出来，轮廓误差定期检测是评价数控机床动态性能、保证零件加工精度的重要保障，准确评估机床轮廓误差需要高精度求解机床运动轨迹。因此，研究五轴数控机床动态轨迹高精度测量方法对于准确求解机床轮廓误差具有重要意义。

天津大学刘少朋等人发明的专利号为CN106141814A的“基于LaserTRACER的数控机床平动轴几何误差检测与辨识方法”，采用由数控机床和LaserTRACER组成的系统，建立21项几何误差和数控机床末端位姿误差之间的映射模型，结合LaserTRACER位姿误差的测量数据，完成了数控机床几何误差的辨识，但该系统不适用于测量机床动态轮廓轨迹。福建工程学院叶建华、黄卫东发明的专利号为CN105382631A的“一种五轴数控机床旋转轴误差的检测设备和方法”，发明了由双目机器视觉非接触式测量头和可调位置的标准球组成的装置，利用机床直线轴带动测量系统的精确定位，来检测旋转轴的误差，该方法只能实现平面内圆轨迹轮廓误差测量。

发明内容

本发明要解决的技术问题为克服现有技术的缺陷，发明了一种基于单目视觉的轮廓误差三维测量方法，解决了机床任意轨迹与轮廓误差三维测量难题。该方法安装一台单目相机于五轴数控机床的上方，保持测量视场及景深完全覆盖机床运动轨迹，并在机床工作台上安装测量基准，利用单目相机采集测量基准的运动序列图像。在图像处理时，对于每一帧图像利用测量基准上成扇形排列的四个编码点结合单目位姿测量算法求解对应此帧的机床运动空间位置。将上述图像处理过程遍历序列图像中的每一张，可得到相机坐标系下的机床运行轨迹，最终将轨迹投影到机床坐标系下与理论轨迹对比，完成轮廓误差的三维求解。该方法利用单目视觉无需立体匹配计算的特点，避免了误匹配导致的测量鲁棒性差的问题，同时较双目视觉扩大了测量景深与测量范围。此外，结合四个编码点的成像模型及迭代算法，可实现机床轨迹与轮廓误差的三维测量，可在多维度上评估机床动态特性，该方法操作简便，集成性好。

本发明采用的技术方案是一种基于单目视觉的数控机床轮廓误差三维测量方法，其特征为：该方法首先将单目相机安装在测量系统安装架上，并位于数控机床机床工作台的斜上方，结合张正友标定法与高精度棋盘格标定板，标定单目相机的内参数与畸变参数。标定后安装测量基准，驱使机床运行生成动态轨迹，同时触发单目相机拍摄测量基准上的四个编码点的运动序列图像，利用迭代算法对每帧图像进行数据处理计算基准点空间坐标，将处理算法遍历每帧图像后连接基准点即可得到相机坐标系下机床运动轨迹，随后将此轨迹投影于机床坐标系下，与理论轨迹对比以求解机床轮廓三维误差。该测量方法的具体步骤如下：

第一步，搭建实验测量平台

实验测量平台包括单目相机1、测量基准2、机床工作台3、测量系统安装架4；将夹具5安装在机床工作台3上，以便测量基准2与标定板的更换装夹；