基于单目视觉的数控机床轮廓误差三维测量方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN108340211A(43)申请公布日2018.07.31(21)申请号201810029265.2(22)申请日2018.01.12(71)申请人大连理工大学地址116024辽宁省大连市甘井子区凌工路2号(72)发明人王福吉刘巍潘翼李肖李辉贾振元(74)专利代理机构大连理工大学专利中心21200代理人关慧贞(51)Int.Cl.B23Q17/22(2006.01)B23Q17/24(2006.01)B23Q17/20(2006.01)权利要求书2页说明书5页附图2页(54)发明名称基于单目视觉的数控机床轮廓误差三维测量方法(57)摘要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。CN108340211ACN108340211A权利要求书1/2页1.一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；将单目相机(1)安装在测量系统安装架(4)上，并位于机床工作台(3)的斜上方，根据测量轨迹的运动范围与测量景深调整单目相机(1)的位置；先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；标定好后更换成测量基准(2)，并固定在机床工作台(3)上；测量基准(2)为光刻玻璃板，上表面光刻有呈扇形分布的四个圆形编码点119、125、127、151，设定中心点119为基准点，并以其为原点建立机床坐标系，此四个圆形编码点用于准确传递机床的运动信息；测量时将其装夹在机床工作台(3)上，通过机床的X、Y两轴联动在一定的的进给速度下插补等角螺旋线轨迹；第二步，相机标定依据张氏标定法结合高精度棋盘格标定板，标定单目相机(1)的内参数及畸变参数，选取空间一点坐标为(Xw，Yw，Zw)，其在像平面上投影点坐标为(x，y)，综合考虑实际成像过程中镜头的径向畸变和离心畸变，确定的摄像机非线性透视投影模型表达式如下：其中，f为单目相机1的焦距，αx＝f/dx与αy＝f/dy分别定义为x、y两轴上的归一化焦距，(x0，y0)为图像坐标系原点坐标，由αx、αy、u0、v0四个参数构成的投影变换矩阵M0为相机内参TT数矩阵，R为3×3的单位旋转正交阵，t为平移向量，0＝(0，0，0)，组成的M1为相机的外参数矩阵；即第一个公式为线性投影成像模型，由内参数αx、αy、u0、v0及外参数R、t确定机床坐标系与图像坐标系的关系；点(x，y)为投影点的理想位置，(x′，y′)为考虑畸变的实际坐标，δx、δy为横轴与纵轴的非线性畸变值，r为图像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αx、αy、u0、v0及畸变参数k1、k2、k3、p1、p2，进而确定相机投影成像模型；第三步，机床轨迹与轮廓误差三维求解2CN108340211A权利要求书2/2页相机标定后更换标定板为测量基准(2)，依据迭代算法特性，利用测量基准(2)上的四个圆形编码点与在二维像平面上对应点间的透视投影关系进行求解；应用牛顿迭代法实现单目视觉求解机床三维轨迹首先建立关联坐标系并获取二维像点坐标；然后初步计算三维物点的位姿，求解机床运动轨迹；再定义误差向量，运用最小二乘法得出误差函数并优化求解；具体过程如下：根据公式(1)，写出机床坐标系