数控机床高动态大范围任意轮廓误差单目六维测量方法.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CN107971831A(43)申请公布日2018.05.01(21)申请号201711081487.0(22)申请日2017.11.07(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)发明人刘巍贾振元李肖潘翼马鑫马建伟(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.B23Q17/24(2006.01)权利要求书5页说明书9页附图7页(54)发明名称数控机床高动态大范围任意轮廓误差单目六维测量方法(57)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。CN107971831ACN107971831A权利要求书1/5页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，该方法采用了特殊设计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)；测量工装安装时将短时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OGXGYGZG(14)，其原点建立在第一行第一列的编码元(8)中心上，定义为OG；XG坐标轴的方向由原点OG向下指向阵列上第一列最后一行编码元(8)的中心点；YG坐标轴的方向由OG向右指向阵列上第一行最后一列编码元(8)的中心点；ZG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OGXGYGZG(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OGXGYGZG(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)的尺寸可以制造的尽可能大以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，(Xw,Yw,Zw)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，(Cx,Cy)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，(δx,δy)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2CN107971831A权利要求书2/5页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