一种机床平面轮廓误差单目测量方法.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CN105798704A(43)申请公布日2016.07.27(21)申请号201610262019.2(22)申请日2016.04.25(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)发明人刘巍严洪悦李肖马建伟刘阳贾振元(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.B23Q17/24(2006.01)权利要求书3页说明书5页附图1页(54)发明名称一种机床平面轮廓误差单目测量方法(57)摘要本发明一种机床平面轮廓误差单目测量方法属于计算机视觉测量领域，涉及一种适用于机床平面理想运动轨迹与实际运动轨迹的轮廓误差测量方法。测量方法将单目相机与数控机床集成，先设计带有矩阵排列编码标志点的测量基准，使每两个编码标志点之间的位置关系精确已知，测量时将测量基准与单目相机固定在机床上，利用单目相机采集测量基准运动图像，图像处理时识别、定位每一帧图像中接近图像中心位置的数个编码标志点，利用已知的编码标志点间的位置关系解算机床运动轨迹。该方法解决了机床行程大导致需要测量的平面运动轨迹范围大、任意轨迹测量难的问题，实现机床高速运动平面轮廓误差的大范围、高精度测量,有效地提高了测量精度。CN105798704ACN105798704A权利要求书1/3页1.一种机床平面轮廓误差单目测量方法，其特征是，测量方法将单目相机(1)与数控机床集成，先设计带有矩阵排列编码标志点的测量基准(2)，使每两个编码标志点之间的位置关系精确已知，测量时将测量基准(2)与单目相机(1)固定在机床上，单目相机(1)与测量基准(2)垂直；利用单目相机(1)采集测量基准运动图像，图像处理时识别、定位每一帧图像中接近图像中心位置的数个编码标志点，利用已知的编码标志点间的位置关系解算机床运动轨迹，通过与理想轮廓比较求得机床轮廓误差；测量方法的具体步骤如下：第一步、设计带有矩阵排列编码标志点的测量基准在玻璃基底上光刻编码标志点矩阵形成测量基准(2)，各标志点之间的位置关系精确已知；测量基准(2)上的编码标志点是环形编码点，分为非编码区和编码区；非编码区为中心圆(5)，用于环形编码点的定位，编码区由中心圆周围数个环形带组成，用于识别出该编码标志点的编码值；环形带分为光刻环形带(6)与非光刻环形带(7)，各环形带由数个基元构成；编码区由n个基元平均分布，根据基元是否光刻将基元用二进制“1”或“0”表示，根据环形带与基元面积的比值确定环形带所含“1”和“0”的个数，解码时以任意基元为起始点顺时针读取n位二进制数，将此二进制移位循环并转化成十进制，十进制中的最小值为该编码标志点的编码值；第二步、相机标定采用张氏标定法结合高精度棋盘格标定板标定单目相机(1)，空间中一点P在世界坐标T系下的坐标(XW,YW,ZW)与其在图像坐标系的坐标(u，v)之间的对应关系如下：其中，fx＝f/dx，fy＝f/dy，dx和dy分别为该原点在x轴和y轴方向的物体偏移尺寸，f为焦距，(μ0,ν0)是以物理长度为单位的图像坐标系原点在像素单位图像坐标系下的坐标，P在T相机坐标系中的坐标是(XC,YC,ZC)，世界坐标系和相机坐标系之间的关系用3×3正交单位T旋转矩阵R和三维平移向量t来描述，O＝(0,0,0)，M1是4×4的内参数矩阵，其内部参数f、dx、dy、μ0和ν0由相机内部结构决定，M2由相机相对世界坐标系的位置决定，是相机外参数矩阵；公式(1)就是线性相机模型成像方程，即由内参数f、dx、dy、μ0和ν0和外参数R、t确定世界坐标系和以像素为单位图像坐标系的关系；上面方程是理想状态的线性相机模型，实际投影过程考虑镜头会有畸变，在理想线性模型的基础上融合镜头的径向畸变和切向畸变；畸变方程为：其中，u′是空间点使用径向畸变和切向畸变修正后的像素横向坐标，v′是空间点使用径向畸变和切向畸变修正后的像素纵向坐标，u是空间点理想像素横向坐标，v是空间点理2CN105798704A权利要求书2/3页想像素纵向坐标，δu是像素横向偏差，δv是像素纵向偏差，ρ是空间点像素坐标与主点之间的距离，k1、k2和k3分别为一阶、二阶和三阶径向畸变系数，k4和k5是一阶和二阶切向畸变系数；经过标定得到相机内部参数f、dx、dy、μ0、ν0和外部参数R、t以及畸变参数k1、k2、k3、k4和k5；第三步、编码标志点解码标定完单目相机(1)后，将测量基准(2)固定在机床工作台平面(4)上，机床带动测量基准(2)运动，同时利用单目相机(1)采集测量基准(2)运动序列图像，选取位于图像中央位置的编码标志点解码；解码时首先利用圆度准则区分非编码区中心圆(5)和编码区环形带，圆度准则公式为：式中S0