機床主軸雙線結構光快速標定方法技術

本發明專利技術涉及視覺檢測技術，為解決傳統轉軸標定方法無法完成機床主軸標定的問題，本發明專利技術旨在提供一種由兩個激光器和一個相機組成的雙線結構光傳感器，并利用該傳感器實現了機床主軸的快速標定。本發明專利技術采用的技術方案是，機床主軸雙線結構光快速標定方法，步驟是，由兩個激光器和一個相機組成的雙線結構光傳感器，在機床主軸的標定過程中，將兩個激光光平面與刀柄表面的交線上的點作為特征點，利用這種線結構光進行標定時，需保證刀具位于相機的視場范圍內。本發明專利技術主要應用于視覺檢測場合。

【技術實現步驟摘要】
機床主軸雙線結構光快速標定方法
本專利技術涉及視覺檢測技術，具體講,涉及機床主軸雙線結構光快速標定方法。
技術介紹
結構光三維視覺測量技術，具有視覺測量的非接觸、速度快、自動化程度高，柔性好等優點。結構光三維視覺基于光學三角法原理，通過計算采集圖像的各種光模式特征點的偏移信息反算出被測物體的表面輪廓。光學投射器投射確定的光模式，使得結構光圖像信息易于提取，因而測量精度較高，廣泛應用于各種工業產品的在線檢測。典型線結構光視覺傳感器，由一個線結構光激光器和配套的相機組成。通過激光器垂直入射被測物表面，相機傾斜拍攝的方式，獲取激光平面與被測物表面相交激光光條圖像。通過視覺測量模型，將光條中心的圖像坐標轉換為被測物表面輪廓的二維坐標。在進行回轉體的測量時，需在測量系統中加入一個旋轉臺，以實現對被測物體360°的測量。為保證被測物隨轉臺旋轉之后測量的準確性，需要對轉臺進行標定，找出旋轉臺的旋轉軸線。傳統的轉軸標定方法是在轉臺上放置標定物體，利用標定物體的特征點在旋轉過程中的變化求解出轉軸參數。然而，在利用線結構光傳感器進行刀具在位測量時，機床主軸成為了帶動刀具旋轉的轉臺，主軸軸線即為轉臺。在測量中，由于受到實際加工條件的限制，無法在機床主軸上固定標定物體，因此不能運用傳統的轉軸標定方法進行標定。針對這一問題，需要設計一套適用于機床主軸這類無法固定標定物體的轉軸的標定方法。
技術實現思路
為克服現有技術的不足，解決傳統轉軸標定方法無法完成機床主軸標定的問題，本專利技術旨在提供一種由兩個激光器和一個相機組成的雙線結構光傳感器，并利用該傳感器實現了機床主軸的快速標定。本專利技術采用的技術方案是，機床主軸雙線結構光快速標定方法，步驟是，由兩個激光器和一個相機組成的雙線結構光傳感器，在機床主軸的標定過程中，將兩個激光光平面與刀柄表面的交線上的點作為特征點，利用這種線結構光進行標定時，需保證刀具位于相機的視場范圍內。所述步驟進一步細化為：首先完成對所述雙線結構光傳感器的標定；然后，打開兩個激光器，使線結構光在被測物體表面受到調制，并在直徑已知的刀柄上得到兩個光條，利用傳感器標定參數計算得到光條上各點在傳感器坐標系中的坐標，光條上各點到機床主軸的距離相同，都等于已知刀柄半徑RT；在以靶標第一擺放位置處原點為坐標原點建立的傳感器坐標系OS-XSYSZS，假設機床主軸上一點坐標為A(xSa,ySa,zSa)，其中xSa、ySa、zSa分別表示傳感器坐標系中點A的x、y、z坐標。設機床主軸軸線的方向向量為其中lSa,mSa,nSa分別表示傳感器坐標系中方向向量在x、y、z方向的分量，則在傳感器坐標系中，可設軸線LSa的直線方程如式(1)所示。已知刀柄表面光條上各點在傳感器坐標系下的坐標為PS(xS,yS,zS)，由刀柄部位光條上的所有點到軸線的距離di等于RT，得到公式(2)對公式2進行迭代求解，即求解出主軸軸線方程。對式(2)做進一步處理，把ySa＝0和mSa＝1代入式(2)中化簡得到公式(3)利用最小二乘法求解式(3)，求解出主軸軸線方程。本專利技術的特點及有益效果是：本專利技術設計了一種由兩個激光器和一個相機組成的雙線結構光傳感器，并在此基礎上設計了應用于機床主軸快速標定的標定方法。該雙線結構光傳感器制作簡單，只需在傳統線結構光傳感器的基礎上增加一個線激光器。配合相應的轉軸標定方法，可以在刀具在位測量的過程中快速便捷得完成機床主軸標定。因而在需要對機床主軸等無法固定標定物體的轉軸進行標定的場合，如對刀具的在位測量，本方案有較好的技術優勢。附圖說明：圖1測量系統。圖2測量點坐標變換。具體實施方式本專利技術提供了一種由兩個激光器和一個相機組成的雙線結構光傳感器。在機床主軸的標定過程中，將兩個激光光平面與刀柄表面的交線上的點作為特征點。利用這種線結構光進行標定時，只需保證刀具位于相機的視場范圍內，且無需旋轉主軸即可完成標定。本設計擬利用刀柄部位光條上的各點信息求解機床主軸軸線參數，通過幾何分析發現，當一平面與圓柱軸線的夾角較小時，利用該平面與圓柱表面相交所得曲線上各點信息作為已知條件求解圓柱軸線方程時，會因有效已知條件過少出現求出錯誤解的情況。為保證在平面與軸線夾角任意時都能求得正確解，需要利用兩個平面與圓柱表面相交得到的兩條曲線作為已知條件。因此，測量刀具軸線時需要使用兩個激光器提供兩個光條信息。為此，利用一個CMOS相機和兩個線激光器構成一個雙線結構光傳感器，為滿足一定的視場范圍及工作距離，相機與激光器之間需按一定的相對位置進行安裝，如圖1所示。完成傳感器標定后，即可進行機床主軸標定。標定時，打開兩個激光器，使線結構光在被測物體表面受到調制，并在直徑已知的刀柄上得到兩個光條，利用傳感器標定參數計算可得光條上各點在傳感器坐標系中的坐標。由圓柱體表面各點到圓柱中心線的距離都等于圓柱半徑r可知，光條上各點到機床主軸的距離相同，都等于已知刀柄半徑RT。在以靶標第一擺放位置處原點為坐標原點建立的傳感器坐標系OS-XSYSZS，如圖2所示。設機床主軸上一點A(xSa,ySa,zSa)及軸線的方向矢量為則在傳感器坐標系中，可設軸線LSa的直線方程如式(1)所示。已知刀柄表面光條上各點在傳感器坐標系下的坐標為PS(xS,yS,zS)，由刀柄部位光條上的所有點到軸線的距離di等于RT，得到公式(2)。由于刀具反光，刀柄表面會形成一條反光光條，為避免反光光條與有效光條距離相近時造成干擾，需控制刀柄表面兩光條與刀具軸線的夾角在一個較小的范圍內，這就使得兩光平面近似平行。因此，左右兩光條上y坐標相同的點的z坐標差值很小，兩光條信息相近，這一問題導致在利用最小二乘法對式(2)進行求解時，迭代次數過多導致計算時間較長，甚至出現無法求解或求出的軸線與實際軸線不符的情況，為此，需對式(2)做進一步處理。在實際測量中，主軸軸線與傳感器坐標系的軸方向矢量相近，根據這一性質，對軸線方程中的ySa和mSa的取值進行分析。由于空間中的直線具有無限延展性，因此主軸軸線必與平面XSOSZS相交，即軸線上必有一點的yS坐標為零。因此，令ySa＝0。根據直線的方向向量的性質可知，在方向向量中，lSa，mSa，nSa僅需滿足一定的比例關系即可，可同時放大或縮小若干倍。據此，令mSa＝1，這樣不僅減少了一個未知數，還限定了lSa和nSa的數值大小，使其不會出現過大或過小的情況。把ySa＝0和mSa＝1代入式(2)中化簡得到公式(3)。利用最小二乘法求解式(3)，發現計算所需時間大大減少，且能準確求解出主軸軸線方程。根據測量范圍，設計符合視場范圍的雙線結構光傳感器，利用Zhang氏標定方法完成傳感器標定。根據提出的轉軸標定方法，調整傳感器與機床主軸的相對位置，提取光條中心，把各點帶入公式(3)即可求解出機床主軸軸線方程。測量時，利用標定的軸線方程，即可完成刀具表面的三維重構。利用本方案，在五個不同位置處進行機床主軸標定，得到的主軸軸線參數如表1所示。表1不同位置主軸軸線方程參數(mm)由表1數據可知，本專利技術可以替代普通的轉軸標定方法，應用到需要對類似機床主軸等無法固定標定物體的轉軸進行標定的測量系統中。本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種機床主軸雙線結構光快速標定方法，其特征是，步驟是：由兩個激光器和一個相機組成的雙線結構光傳感器，在機床主軸的標定過程中，將兩個激光光平面與刀柄表面的交線上的點作為特征點，利用這種線結構光進行標定時，需保證刀具位于相機的視場范圍內。

【技術特征摘要】
1.一種機床主軸雙線結構光快速標定方法，其特征是，步驟是：由兩個激光器和一個相機組成的雙線結構光傳感器，在機床主軸的標定過程中，將兩個激光光平面與刀柄表面的交線上的點作為特征點，利用這種線結構光進行標定時，需保證刀具位于相機的視場范圍內。2.如權利要求1所述的機床主軸雙線結構光快速標定方法，其特征是，所述步驟進一步細化為：首先完成對所述雙線結構光傳感器的標定；然后，打開兩個激光器，使線結構光在被測物體表面受到調制，并在直徑已知的刀柄上得到兩個光條，利用傳感器標定參數計算得到光條上各點在傳感器坐標系中的坐標，光條上各點到機床主軸的距離相同，都等于已知刀柄半徑RT；在以靶標第一擺放位置處原點為坐標原點建立的傳感器坐標系OS-XSYSZS，假設機床主軸上一點坐標為A(xSa,ySa,zSa)，其中xSa、ySa、zSa分別表示傳感器坐標系中點A的x、y、z坐標。設機床主軸軸線的方向向量為其中lSa,mSa,...

【專利技術屬性】
技術研發人員：王鵬，鐘小峰，孫長庫，
申請(專利權)人：天津大學，
類型：發明
國別省市：天津,12