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CN111536877A - 一种三坐标测量机上的线激光传感器姿态标定方法 - Google Patents

一种三坐标测量机上的线激光传感器姿态标定方法 Download PDF

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CN111536877A
CN111536877A CN202010562517.5A CN202010562517A CN111536877A CN 111536877 A CN111536877 A CN 111536877A CN 202010562517 A CN202010562517 A CN 202010562517A CN 111536877 A CN111536877 A CN 111536877A
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coordinate
ball
line laser
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王振友
张旭
朱利民
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Wuxi Shenweidu Information Technology Co ltd
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Wuxi Shenweidu Information Technology Co ltd
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    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/002—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring two or more coordinates
    • G01B11/005—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring two or more coordinates coordinate measuring machines

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Abstract

本发明涉及测量技术领域，具体公开了一种三坐标测量机上的线激光传感器姿态标定方法，其中，三坐标测量机上安装线激光传感器，在三坐标测量机的测量范围内设置球棒，所述三坐标测量机上的线激光传感器姿态标定方法包括：获取线激光传感器按照预设扫描测量路径对球棒进行扫描测量后的测量数据，其中所述测量数据为激光坐标系下的测量数据；将激光坐标系下的测量数据转换至三坐标测量机坐标系下的测量数据；建立带有误差系数的代价函数；根据所述代价函数以及所述三坐标测量机坐标系下的测量数据计算得到误差标定结果。本发明提供的三坐标测量机上的线激光传感器姿态标定方法能够提高三坐标测量机的测量精度。

Description

一种三坐标测量机上的线激光传感器姿态标定方法
技术领域
本发明涉及测量技术领域，尤其涉及一种三坐标测量机上的线激光传感器姿态标定方法。
背景技术
复杂自由曲面在航空发动机、涡轮机等领域有重要应用，同时智能制造战略的提出也对复杂曲面的高效率、高精度检测提出了更高要求。传统的三坐标测量机具有高精度检测能力，其应用范围十分广泛。但对复杂曲面的检测，传统的三坐标测量机由于使用接触式传感器测量，其测量路径规划复杂，测量效率低，同时测针与曲面真实接触点难以准确估计，严重影响了测量精度。因此，在高精度测量机上配备光学传感器成为未来发展趋势。
发明内容
本发明提供了一种三坐标测量机上的线激光传感器姿态标定方法，解决相关技术中存在的三坐标测量机的测量精度低的问题。
作为本发明的一个方面，提供一种三坐标测量机上的线激光传感器姿态标定方法，其中，三坐标测量机上安装线激光传感器，在三坐标测量机的测量范围内设置球棒，所述三坐标测量机上的线激光传感器姿态标定方法包括：
获取线激光传感器按照预设扫描测量路径对球棒进行扫描测量后的测量数据，其中所述测量数据为激光坐标系下的测量数据；
将激光坐标系下的测量数据转换至三坐标测量机坐标系下的测量数据；
建立带有误差系数的代价函数；
根据所述代价函数以及所述三坐标测量机坐标系下的测量数据计算得到误差标定结果。
进一步地，所述预设扫描测量路径满足以下条件：
球棒的双球始终保持在线激光传感器的测量范围内；以及，
线激光传感器的相邻两次触发时，对应的三坐标测量机的Z轴数值成等差数列。
进一步地，将球棒的左侧的球标记为A球，将球棒的右侧的球标记为B球，所述预设扫描测量路径包括：
从A球到B球的顺序开始，且首先从A球的左侧移动至A球的右侧停止，然后从B球的左侧移动至B球的右侧结束。
进一步地，所述获取线激光传感器按照预设扫描测量路径对球棒进行扫描测量后的测量数据，包括：
当所述散坐标测量机带动线激光传感器沿所述预设扫描测量路径移动时，获取同一时刻的所述线激光传感器的测量值
Figure BDA0002546627510000013
以及对应的三坐标测量机的坐标值
Figure BDA0002546627510000011
进一步地，所述同一时刻的所述线激光传感器的测量值
Figure BDA0002546627510000012
以及对应的三坐标测量机的坐标值
Figure BDA0002546627510000021
包括：
A球的测量点
Figure BDA0002546627510000022
在三坐标测量机坐标系下的坐标记录为
Figure BDA0002546627510000023
B球的测量点
Figure BDA0002546627510000024
在三坐标测量机坐标系下的坐标记录为
Figure BDA0002546627510000025
其中，MTL表示根据理论安装位置确定的线激光传感器与三坐标测量机坐标系的理论关系；Terror表示误差矩阵。
进一步地，所述根据所述代价函数以及所述三坐标测量机坐标系下的测量数据计算得到误差标定结果，包括：
根据最小二乘拟合法分别对球棒的A球的球心坐标OA和B球的球心坐标OB进行拟合，其中拟合半径与球棒的两个球对应的标准球半径相等，且球棒的位置相对于三坐标测量机坐标系位置不变，A球的标准半径为RA，B球的标准半径为RB，A球和B球之间的球距
Figure BDA0002546627510000026
恒定。
进一步地，通过在三坐标测量机坐标系下的测量点与球心的关系建立代价函数，并通过最小二乘法获得误差矩阵以及A球和B球的球心坐标，其中所述代价函数的表达式为：
Figure BDA0002546627510000027
其中，所述代价函数的表达式满足
Figure BDA0002546627510000028
Figure BDA0002546627510000029
表示测量点选择系数，na表示测量A球时产生的点的数量，nb表示测量B球时产生的点的数量。
进一步地，所述误差矩阵包括：绕三坐标测量机坐标系X轴旋转的欧拉角α，绕三坐标测量机坐标系Y轴旋转的欧拉角β，绕三坐标测量机坐标系Z轴旋转的欧拉角γ。
本发明提供的三坐标测量机上的线激光传感器姿态标定方法，通过将三坐标测量机的测头选择为线激光传感器，然后对线激光传感器与三坐标测量机的位置关系进行标定，根据标定结果来补充三坐标测量机的测量结果，这样能够在保证微米级精度的前提下，解决其他测头的测量效率低的问题，可以和三坐标测量机很好的配合应用。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。
图1为本发明提供的三坐标测量机上的线激光传感器姿态标定方法的流程图。
图2为本发明提供的待标定参数示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互结合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
为了使本领域技术人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包括，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
在本实施例中提供了一种三坐标测量机上的线激光传感器姿态标定方法，三坐标测量机上安装线激光传感器，在三坐标测量机的测量范围内设置球棒，如图1所示，所述三坐标测量机上的线激光传感器姿态标定方法包括：
S110、获取线激光传感器按照预设扫描测量路径对球棒进行扫描测量后的测量数据，其中所述测量数据为激光坐标系下的测量数据；
S120、将激光坐标系下的测量数据转换至三坐标测量机坐标系下的测量数据；
S130、建立带有误差系数的代价函数；
S140、根据所述代价函数以及所述三坐标测量机坐标系下的测量数据计算得到误差标定结果。
本发明实施例提供的三坐标测量机上的线激光传感器姿态标定方法，通过将三坐标测量机的测头选择为线激光传感器，然后对线激光传感器与三坐标测量机的位置关系进行标定，根据标定结果来补充三坐标测量机的测量结果，这样能够在保证微米级精度的前提下，解决其他测头的测量效率低的问题，可以和三坐标测量机很好的配合应用。
具体地，在三坐标测量机的X轴安装线激光传感器，根据三坐标测量机结构设计线激光传感器测量球棒的路径并进行扫描测量与数据采集；然后通过激光坐标系与机器坐标系的转换关系，将激光坐标系下测量得到的坐标值转换至三坐标测量机坐标系下；最后通过建立带有误差矩阵的代价函数，利用优化方法进行计算得到误差标定结果。
需要说明的是，通过千分尺等仪器调整线激光传感器位姿，使其尽可能保持线激光光束与三坐标测量机平动轴垂直。
具体地，所述预设扫描测量路径满足以下条件：
球棒的双球始终保持在线激光传感器的测量范围内；以及，
线激光传感器的相邻两次触发时，对应的三坐标测量机的Z轴数值成等差数列。
具体地，将球棒的左侧的球标记为A球，将球棒的右侧的球标记为B球，所述预设扫描测量路径包括：
从A球到B球的顺序开始，且首先从A球的左侧移动至A球的右侧停止，然后从B球的左侧移动至B球的右侧结束。
需要说明的是，为保障由于移动轴运动惯性产生测量误差，在线激光传感器每次触发时，移动轴需要停止0.1～1秒。
具体地，所述获取线激光传感器按照预设扫描测量路径对球棒进行扫描测量后的测量数据，包括：
当所述散坐标测量机带动线激光传感器沿所述预设扫描测量路径移动时，获取同一时刻的所述线激光传感器的测量值
Figure BDA0002546627510000041
以及对应的三坐标测量机的坐标值
Figure BDA0002546627510000042
可以理解的是，三坐标测量机的移动轴带动线激光传感器沿前述预设扫描测量路径移动，并触发线激光传感器，记录同一时刻线激光传感器的测量值
Figure BDA0002546627510000043
以及对应的三坐标测量机的坐标值
Figure BDA0002546627510000044
具体地，所述同一时刻的所述线激光传感器的测量值
Figure BDA0002546627510000045
以及对应的三坐标测量机的坐标值
Figure BDA0002546627510000046
包括：
A球的测量点
Figure BDA0002546627510000047
在三坐标测量机坐标系下的坐标记录为
Figure BDA0002546627510000048
B球的测量点
Figure BDA0002546627510000049
在三坐标测量机坐标系下的坐标记录为
Figure BDA00025466275100000410
其中，MTL表示根据理论安装位置确定的线激光传感器与三坐标测量机坐标系的理论关系；Terror表示误差矩阵。
需要说明的是，根据理论安装位置确定的线激光传感器与三坐标测量机坐标系的理论关系可以表示为：MTL＝Rot(y,90°)×Rot(z,-90°)。
具体地，所述根据所述代价函数以及所述三坐标测量机坐标系下的测量数据计算得到误差标定结果，包括：
根据最小二乘拟合法分别对球棒的A球的球心坐标OA和B球的球心坐标OB进行拟合，其中拟合半径与球棒的两个球对应的标准球半径相等，且球棒的位置相对于三坐标测量机坐标系位置不变，A球的标准半径为RA，B球的标准半径为RB，A球和B球之间的球距
Figure BDA00025466275100000411
恒定。
具体地，通过在三坐标测量机坐标系下的测量点与球心的关系建立代价函数，并通过最小二乘法获得误差矩阵以及A球和B球的球心坐标，其中所述代价函数的表达式为：
Figure BDA00025466275100000412
其中，所述代价函数的表达式满足
Figure BDA0002546627510000051
Figure BDA0002546627510000052
表示测量点选择系数，na表示测量A球时产生的点的数量，nb表示测量B球时产生的点的数量。
需要说明的是，如图2所示，所述误差矩阵包括：绕三坐标测量机坐标系X轴旋转的欧拉角α，绕三坐标测量机坐标系Y轴旋转的欧拉角β，绕三坐标测量机坐标系Z轴旋转的欧拉角γ。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种三坐标测量机上的线激光传感器姿态标定方法，其特征在于，三坐标测量机上安装线激光传感器，在三坐标测量机的测量范围内设置球棒，所述三坐标测量机上的线激光传感器姿态标定方法包括：
获取线激光传感器按照预设扫描测量路径对球棒进行扫描测量后的测量数据，其中所述测量数据为激光坐标系下的测量数据；
将激光坐标系下的测量数据转换至三坐标测量机坐标系下的测量数据；
建立带有误差系数的代价函数；
根据所述代价函数以及所述三坐标测量机坐标系下的测量数据计算得到误差标定结果。
2.根据权利要求1所述的三坐标测量机上的线激光传感器姿态标定方法，其特征在于，所述预设扫描测量路径满足以下条件：
球棒的双球始终保持在线激光传感器的测量范围内；以及，
线激光传感器的相邻两次触发时，对应的三坐标测量机的Z轴数值成等差数列。
3.根据权利要求1所述的三坐标测量机上的线激光传感器姿态标定方法，其特征在于，将球棒的左侧的球标记为A球，将球棒的右侧的球标记为B球，所述预设扫描测量路径包括：
从A球到B球的顺序开始，且首先从A球的左侧移动至A球的右侧停止，然后从B球的左侧移动至B球的右侧结束。
4.根据权利要求3所述的三坐标测量机上的线激光传感器姿态标定方法，其特征在于，所述获取线激光传感器按照预设扫描测量路径对球棒进行扫描测量后的测量数据，包括：
当所述散坐标测量机带动线激光传感器沿所述预设扫描测量路径移动时，获取同一时刻的所述线激光传感器的测量值
Figure FDA0002546627500000011
以及对应的三坐标测量机的坐标值
Figure FDA0002546627500000012
5.根据权利要求4所述的三坐标测量机上的线激光传感器姿态标定方法，其特征在于，所述同一时刻的所述线激光传感器的测量值
Figure FDA0002546627500000013
以及对应的三坐标测量机的坐标值
Figure FDA0002546627500000014
包括：
A球的测量点
Figure FDA0002546627500000015
在三坐标测量机坐标系下的坐标记录为
Figure FDA0002546627500000016
B球的测量点
Figure FDA0002546627500000017
在三坐标测量机坐标系下的坐标记录为
Figure FDA0002546627500000018
其中，MTL表示根据理论安装位置确定的线激光传感器与三坐标测量机坐标系的理论关系；Terror表示误差矩阵。
6.根据权利要求5所述的三坐标测量机上的线激光传感器姿态标定方法，其特征在于，所述根据所述代价函数以及所述三坐标测量机坐标系下的测量数据计算得到误差标定结果，包括：
根据最小二乘拟合法分别对球棒的A球的球心坐标OA和B球的球心坐标OB进行拟合，其中拟合半径与球棒的两个球对应的标准球半径相等，且球棒的位置相对于三坐标测量机坐标系位置不变，A球的标准半径为RA，B球的标准半径为RB，A球和B球之间的球距
Figure FDA0002546627500000021
恒定。
7.根据权利要求6所述的三坐标测量机上的线激光传感器姿态标定方法，其特征在于，通过在三坐标测量机坐标系下的测量点与球心的关系建立代价函数，并通过最小二乘法获得误差矩阵以及A球和B球的球心坐标，其中所述代价函数的表达式为：
Figure FDA0002546627500000022
其中，所述代价函数的表达式满足
Figure FDA0002546627500000023
Figure FDA0002546627500000024
表示测量点选择系数，na表示测量A球时产生的点的数量，nb表示测量B球时产生的点的数量。
8.根据权利要求5所述的三坐标测量机上的线激光传感器姿态标定方法，其特征在于，所述误差矩阵包括：绕三坐标测量机坐标系X轴旋转的欧拉角α，绕三坐标测量机坐标系Y轴旋转的欧拉角β，绕三坐标测量机坐标系Z轴旋转的欧拉角γ。
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