[发明专利]数控机床高动态大范围任意轮廓误差单目六维测量方法

摘要

本发明数控机床高动态大范围任意轮廓误差单目六维测量方法属于机床动态误差检测领域，涉及一种单目视觉测量技术配合短时频闪照明、先验标准板的数控机床高动态任意大范围轮廓误差六维测量方法。该方法设计了测量工装和测量系统，利用单目视觉位姿算法结合先验知识提升视觉可测机床插补轮廓的维度与范围。结合误差分配原则，利用小测量视场提升编码元的视场测量精度；采用该方法遍历拍摄每一帧图像即得到机床实际六维运动轮廓；通过与机床名义运动轮廓比较即可解算数控机床插补轮廓产生的六维误差。该方法通过单目视觉位姿算法结合基准转换方法，提高了视觉所测机床插补轮廓的维度；实现了小视场下数控机床大范围任意轮廓误差六维度测量。

主权项

1.一种数控机床高动态大范围任意轮廓误差单目六维测量方法，其特征是，该方法采用了特制的测量工装和测量系统，利用单目视觉位姿算法结合先验知识提升视觉可测机床插补轮廓的维度与范围，整个机床运动轮廓由选定的一个参考元来表征；结合误差分配原则，利用小测量视场提升编码元的视场测量精度；然后通过基准转换得到机床坐标系下参考元所表征的机床插补轮廓的X、Y、Z向、俯仰、滚转及偏航六维信息，采用该方法遍历拍摄每一帧图像即得到机床实际六维运动轮廓；通过与机床名义运动轮廓比较解算出数控机床插补轮廓产生的六维误差；方法的具体步骤如下：第一步安装的特制测量工装与测量系统特制的测量工装由基体(10)、高亮度短时发光单元(9)、先验标准板(7)和编码元(8)组成，先验标准板(7)为透明基底材料，其上分布有编码值唯一且呈矩阵分布的编码元(8)；测量工装安装时将高亮度短时发光单元(9)插入基体(10)两侧的凹槽中；将先验标准板(7)支撑在基体(10)上，利用两个压板(6)压紧先验标准板(7)；利用四个压板锁紧螺栓(5)通过压板(6)压紧并固定先验标准板(7)；测量系统包括相机(1)、相机夹具(2)和测量工装；相机(1)固定在相机夹具(2)上，相机夹具(2)安装在测量工装上方，以采集测量工装运动过程中的序列图像；将组装好的测量工装放置在光学三坐标设备平台上，采用光学三坐标设备在先验标准板全局坐标系下校准编码元(8)间的空间几何关系；测量系统布置时，将校准好的测量工装通过压紧螺栓(11)与压紧螺母(12)紧固在数控机床(4)的回转台(3)上；第二步建立先验标准板全局坐标系在测量工装上建立先验标准板全局坐标系O_GX_GY_GZ_G(14)，其原点建立在第一行第一列的编码元(8)中心上，定义为O_G；X_G坐标轴的方向由原点O_G向下指向阵列上第一列最后一行编码元(8)的中心点；Y_G坐标轴的方向由O_G向右指向阵列上第一行最后一列编码元(8)的中心点；Z_G坐标轴由右手法则确定；采用光学三坐标设备在先验标准板全局坐标系O_GX_GY_GZ_G(14)下校准编码元(8)间的空间几何关系，得到各个编码元(8)在先验标准板全局坐标系O_GX_GY_GZ_G(14)下的三维坐标；先验标准板(7)上的编码元(8)承载着数控机床(4)的运动信息，编码元(8)间的空间位置关系经过高精度设备校准，在保证校准精度的前提下先验标准板(7)的尺寸应满足轮廓误差大范围测量需求；第三步相机标定相机成像模型表达了相机坐标系与世界坐标系的一一映射关系，带有畸变参数的相机成像模型为：其中，(X_w,Y_w,Z_w)为世界坐标系下编码元(8)中心点的三维坐标，K为相机(1)的内参数矩阵，T为相机(1)的外参数矩阵，(u,v)为编码元(8)中心点在像平面的二维坐标，(u₀,v₀)为图像的主点坐标，(C_x,C_y)为横纵方向的等效焦距，分别为相机坐标系与世界坐标系间的旋转和平移变换矩阵，(δ_x,δ_y)为因光学系统不完善所引起的像点在x,y方向的畸变量；采用棋盘格标定板在相机(1)测量视场(21)内摆放多个位置获取标定板图像，通过张正友提出的标定算法标定相机(1)畸变参数以及内外参数矩阵；第四步数控机床高动态、大范围插补轮廓高清晰无模糊采集与图像处理在完成测量工装安装、布置的基础上，采集数控机床(4)插补轮廓图像；由于轮廓误差测量精度要求精度高，所需拍摄测量视场(21)小；首先调整相机(1)参数使其保证有至少4个编码元出现在视场中，并且拍摄的帧频取60fps；随后，同步触发相机(1)与高亮度短时发光单元(9)，设置高亮度短时发光单元(9)的发光时间与发光强度，保证高亮度短时发光单元(9)在相机(1)曝光时间内透过先验标准板7基底为编码元(8)补光；选择能反映机床动态性能的高进给机床速度为3m/min，依照程序指令驱动数控机床(4)各运动轴插补待测轮廓；在机床图像采集过程中，相机(1)固定不动，机床运动，在高亮度短时发光单元(9)的辅助下采集到编码元(8)的清晰无模糊序列图像；图像采集后，识别图像上每个编码元(8)代表的编码值并利用灰度重心法定位解码后的每个编码元(8)的中心点的二维像素坐标；采用灰度重心法提取算法定位球形标志点中心，其计算表达式为：其中，(i,j)代表图像像素点坐标，m，n为图像在横、纵方向的所含的像素的数量；(x,y)为图像的质心坐标，f(i,j)为像素坐标(i,j)处的灰度值；第五步数控机床高动态大范围任意轮廓误差六维度解算本方法结合误差分配原则，利用小测量视场(21)提升视场内编码元(8)测量精度；利用单目位姿算法结合先验知识提升视觉可测机床插补轮廓的维度与范围；整个机床运动轮廓由选定的一个参考元来表征，在测量视场(21)不可见区域该点的位置由可见区域点的像素坐标结合高精度先验约束解算求得；通过基准转换并遍历所有图像得到该参考元表征在机床坐标系下的运动轮廓，通过与机床名义运动轮廓比较即可解算数控机床(4)插补轮廓的六维误差；数控机床高动态大范围任意轮廓误差六维度解算步骤具体为：相机(1)测量视场(21)为N×N(单位mm)，先验标准板(7)外形尺寸为M×M(单位mm),N远小于M；涉及的坐标系除上述的先验标准板全局坐标系O_G‑X_GY_GZ_G(14)外，还涉及相机坐标系O_C‑X_CY_CZ_C(13)、机床坐标系O_M‑X_MY_MZ_M(15)和先验标准板局部坐标系O_Li‑X_LiY_LiZ_Li(22)；相机坐标系O_C‑X_CY_CZ_C(13)原点建立在光心O_C处；数控机床(4)未运动时，在第一帧图像中选定位于视野中成矩形排列的四个编码元和选定编码元作为参考元；数控机床(4)在各个轴的插补运动轴合成的运动轮廓通过编码元来表征；其在先验标准板全局坐标系O_G‑X_GY_GZ_G(14)下的坐标为以为原点建立机床坐标系O_M‑X_MY_MZ_M(15)，机床坐标系O_M‑X_MY_MZ_M(15)各坐标轴与数控机床(4)各运动轴方向一致；控制机床带动测量工装分别沿机床X轴方向移动数个位置，利用单目位姿位姿求解算法解算每个位置下相对于相机坐标系O_C‑X_CY_CZ_C(13)三维坐标(x，y，z)，在此基础上拟合X轴方向向量；按照相同规则确定机床坐标系O_M‑X_MY_MZ_M(15)的Y轴，机床坐标系O_M‑X_MY_MZ_M(15)的Z轴由右手法则来确定；按如下公式建立X、Y轴：其中，为首帧图像中编码元在相机坐标系O_CX_CY_CZ_C(13)下的三维坐标；(x′，y′，z′)为测量工装沿机床Y轴方向移动数个位置，并用单目位姿求解算法解算的每个位置下点相对于相机坐标系O_CX_CY_CZ_C13的三维坐标；(m_x，n_x，p_x)为机床坐标系O_MX_MY_MZ_M(15)的X轴方向向量，(m_y，n_y，p_y)为机床坐标系O_MX_MY_MZ_M(15)的Y轴方向向量，(^CX，^CY，^CZ)为相机坐标系O_CX_CY_CZ_C(13)下一点的三维坐标，(^MX，^MY，^MZ)为机床坐标系O_MX_MY_MZ_M(15)下一点的三维坐标，为相机坐标系O_CX_CY_CZ_C13与机床坐标系O_MX_MY_MZ_M(15)之间的转换矩阵；测量时，先验标准板(7)随机床不断做插补运动，其上的编码元(8)不断的在相机(1)上成像；在数控机床(4)运动过程中，相机(1)共采集G帧图像，在第i帧图像中出现在视野中成矩形排列的四个编码元(8)为该四个编码元(8)中心在先验标准板全局坐标系O_GX_GY_GZ_G(14)下的坐标为对应的在图像上的二维像素坐标为建立第i帧下先验标准板局部坐标系O_LiX_LiY_LiZ_Li(22)，(i＝1，2…G)；此坐标系以为坐标原点，X_Li、Y_Li坐标轴方向分别平行于与先验标准板全局坐标系O_GX_GY_GZ_G14的X_G、Y_G方向，Z_Li坐标轴由右手法则确定；则选定的四个编码元(8)中心在先验标准板局部坐标系O_LiX_LiY_LiZ_Li(22)的三维坐标为：其中，T_i为第i帧图像先验标准板全局坐标系O_GX_GY_GZ_G(14)与先验标准板局部坐标系先验标准板局部坐标系O_LiX_LiY_LiZ_Li(22)间的转换矩阵；对于第i帧图像，i＝1，2…G，计算：其中，X_i为相机坐标系O_CX_CY_CZ_C(13)下光心O_C到第i帧先验标准板(7)上点的距离，Y_i为相机坐标系O_CX_CY_CZ_C(13)下光心O_C到第i帧先验标准板7上点的距离，Z_i为相机坐标系O_CX_CY_CZ_C(13)下光心O_C到第i帧先验标准板点的距离；a′为第i帧先验标准板(7)全局坐标系O_GX_GY_GZ_G下与间的距离；b′为第i帧先验标准板全局坐标系O_GX_GY_GZ_G(14)下与间的距离；c′为第i帧先验标准板全局坐标系O_GX_GY_GZ_G(14)下与间的距离；α为直线与间的夹角β为直线与间的夹角γ为直线与间的夹角令k＝2cosα，q＝2cosβ，r＝2cosγ，c′²＝vZ_i²，a′²＝ac′²＝avZ_i²，b′²＝bc′²＝bvZ²，X_i＝xZ_i，Y_i＝bZ_i，和为第i帧中的非共面且位置关系已知的三个空间点，满足k²+q²+r²‑kqr‑1≠0；方程(5)改写为公式(6)：采用优化算法排除公式(6)的退化解得到4个零解，利用作为先验约束得到X_i、Y_i和Z_i的唯一解；则相机坐标系O_CX_CY_CZ_C(13)下第i帧先验标准板(7)上和点的三维坐标可表示为如下公式：在已知和的基础上，利用Kabsch算法求解第i帧先验标准板局部坐标系O_LiX_LiY_LiZ_Li22相对于相机坐标系O_C‑X_CY_CZ_C(13)的旋转矩阵R′_i与平移矩阵t′_i，t′_i即为第i帧先验标准板局部坐标系O_LiX_LiY_LiZ_Li(22)原点在相机坐标系O_CX_CY_CZ_C(13)下的三维坐标通过R′_i分离求解两坐标系间的俯仰角θ′_i、滚转角Φ′_i、偏航角ψ′_i；根据先验标准板(7)编码元(8)间已知空间约束解算参考元在第i帧中相机坐标系O_CX_CY_CZ_C(13)下的三维坐标测量的轮廓误差是表征在机床坐标系O_MX_MY_MZ_M15下的，需将相机(1)测量的轮廓进行坐标转换以正确求解机床轮廓误差；机床坐标系O_MX_MY_MZ_M(15)与先验标准板局部坐标系O_LiX_LiY_LiZ_Li(22)的位姿转换公式为：其中，M_i为第i帧图像下先验标准板局部坐标系O_LiX_LiY_LiZ_Li(22)与机床坐标系O_MX_MY_MZ_M(15)间的转换矩阵；从M_i中分离出第i帧标准板相对于机床坐标系O_MX_MY_MZ_M(15)的俯仰角θ_i、滚转角Φ_i、偏航角ψ_i；遍历所有图像序列得到由参考元表征的的整个机床六自由度轮廓L_r，L_r(^MX_i，^MY_i，^MZ_i，θ_i，Φ_i，ψ_i)，i＝1，2…G；通过比较实际六自由度轮廓L_r与名义轮廓L_m求解数控机床(4)插补产生的六自由度轮廓误差E：E＝L_r‑L_m    (9)其中，L_m为机床指令所代表的名义轮廓。