[發明專利]五軸數控機床動態誤差視覺測量方法

有效

• 申請號: 201510560961.2
• 申請日: 2015-09-02
• 公開（公告）號: CN105252341B
• 公開（公告）日: 2017-06-23
• 發明（設計）人: 劉巍;李肖;丁立超;賈振元;趙凱;嚴洪悅
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: B23Q17/00
• 分類號: B23Q17/00
• 代理公司: 大連理工大學專利中心21200
• 代理人: 關慧貞

1.一種五軸數控機床動態誤差視覺測量方法，采用雙目像機在大范圍內測量數控機床動態空間誤差，其特征是，測量方法根據雙目視覺測量的三維感知功能，單次測量分離多項誤差；首先在機床刀具端與工作臺表面合理布置四類球形標志點，球形標志點具有不同幾何尺寸和顏色；利用球形標志點特征信息標定視覺坐標系與機床參考坐標系、機床刀具主軸坐標系之間的位置關系；利用視覺測量系統連續采集球形標志點圖像，進行圖像處理；以機床逆運動學為依據，結合當前狀態與初始狀態下各個球形標志點之間的位置關系，解算數控機床各軸實際運動量，最后通過比較理論值與測量實際值，計算數控機床各軸運動量偏差；測量方法的具體求解步驟如下：

(1)左右高速像機標定

本發明采用張氏標定法結合高精度加工的二維棋盤格靶標標定左、右高速像機(7、8)，其標定表達式為：

式中，(u₀,v₀)為高速像機拍攝圖像的主點坐標，(C_x,C_y)為高速像機像元在橫、縱方向的等效焦距，R為旋轉矩陣，T為平移矩陣，它們描述了高速像機坐標系與世界坐標系之間相對位置關系；(X_w,Y_w,Z_w)為物方控制點在世界坐標系下的三維坐標，M為標定高速像機用內參數矩陣，P為外參數矩陣，(u,v)為物方控制點成像在CCD上的像素坐標；為了消除高速像機成像過程中產生的畸變將第一階與第二階徑向畸變系數k₁、k₂以及第一階和第二階切向畸變參數p₁、p₂引入到像機成像模型中消除畸變；這樣在慮及畸變基礎上C_x、C_y、u₀、 v₀、k₁、k₂、p₁、p₂構成成像模型9個內參數，R、T構成6個獨立的外參數；根據二維平面靶標上棋盤格三維點與成像二維點的對應關系即可求解每一個像機的內、外以及畸變參數；

標定完每一個高速像機獨立參數后，利用Longguet-Higgins提出的歸一化8點算法計算兩高速像機成像點之間的極線幾何約束關系，計算表達式為：

x_l^TFx_r＝0(2)

其中，x_l＝(u_l,v_l,1)為二維棋盤格角點在左高速像機上成像的像素點齊次坐標，x_r＝(u_r,v_r,1)為同一二維棋盤格角點在右高速像機上成像的像素點齊次坐標，x_l、x_r為一對匹配點；F為3階方陣，含9個未知數，8個獨立的未知參數；采用八對匹配點即可求解F，為了增加求解的魯棒性，本發明利用多對匹配點采用最小二乘法擬合求解；

確定各坐標系位置關系，設機床各運動軸的坐標系原點位于同一鉛垂線上，機床刀具主軸坐標系O_S-X_SY_SZ_S(9)的原點O_S設置在刀尖，機床C軸坐標系O_C-X_CY_CZ_C(11)坐標系原點O_C建立在C軸旋轉臺頂面中心處；機床A軸坐標系O_A-X_AY_AZ_A(12)建立在A軸與C軸交點O_R處，將機床參考坐標系O_R-X_RY_RZ_R(13)與機床A軸坐標系O_A-X_AY_AZ_A(12)重合，運動時參考坐標系保持不動；

設置機床加工零點，機床運動初始時刻機床各軸回零點，此時，機床各運動軸的坐標系原點位于同一鉛垂線上，機床C軸部件(5)與機床A軸部件(6)回轉軸線原點O_C、O_R兩點之間的垂直距離為b；由左、右高速像機(7、8)所確定的視覺坐標系O_CC-X_CCY_CCZ_CC(10)建立在左高速像機(7)的光心上；機床各軸所處位置由機床數控系統直接讀出；

(2)布置球形標志點

采用球形標志點作為特征信息測量機床空間軌跡誤差；球形標志點分為四類：機床刀具端球形標志點(14)、C軸中心球形標志點(15)、內圈球形標志點(16)以及外圈球形標志點(17)，該四類球形標志點具有四種不同直徑，幾何尺寸已知，并且自發光；將機床刀具端多個球形標志點(14)安裝在機床刀具主軸端，機床刀具端球形標志點(14)在機床刀具主軸坐標系O_S-X_SY_SZ_S(9)下的坐標精確已知；一個C軸中心球形標志點(15)、多個內圈球形標志點(16)以及多個外圈球形標志點(17)分別安裝在機床C軸回轉臺面上，C軸中心球形標志點(15)球心位于C軸回轉軸線上；各球形標志點相對于C軸中心球形標志點(15)的位置精確已知；

(3)靜態圖像采集

利用左、右高速像機(7、8)采集機床刀具端球形標志點(14)、C軸中心球形標志點(15)、內圈球形標志點(16)以及外圈球形標志點(17)靜態圖像，隨后對球形標志點進行圖像處理，包括標志點的提取、匹配和重建：采用灰度重心法提取算法定位球形標志點中心，其計算表達式為：

其中，(i,j)代表圖像像素點坐標，m，n為圖像在橫、縱方向的所含的像素的數量；(x,y)為圖像的質心坐標，f(i,j)為像素坐標(i,j)處的灰度值；求得 質心點坐標后根據標志點在圖像中占有的面積大小以及以確定的基礎矩陣F識別相匹配的標志點對；

在提取兩像機拍攝標定點的圖像坐標，根據同一空間點在左右圖像上的對應關系利用重建算法計算控制點的三維坐標；重建公式如表達式(4)：

其中，(X_w,Y_w,Z_w,1)為物方控制點P在世界坐標系下的齊次坐標，x_l＝(u_l,v_l,1)、x_r＝(u_r,v_r,1)分別為點P在左右像機的成像平面上像素點齊次坐標，M_l、M_r為左右像機對應的投影矩陣；z_c1、z_cr分別為物方控制點P在兩像機坐標系下的坐標，整理方程組得到重建點的三維坐標：

q＝(K^TK)^-1K^Tl(5)

其中，在獲得球形標志點在視覺坐標系下三維坐標，根據同一球形標志點在不同坐標系下對應關系求解坐標系之間的轉換矩陣，公式如下：

其中，為機床參考坐標系O_R-X_RY_RZ_R(13)到機床A軸坐標系O_A-X_AY_AZ_A(12)的轉換矩陣，為機床A軸坐標系O_A-X_AY_AZ_A(12)到機床C軸坐標系O_C-X_CY_CZ_C(11)的轉換矩陣，為機床C軸坐標系O_C-X_CY_CZ_C(11)到視覺坐標系O_CC-X_CCY_CCZ_CC(10)的轉換矩陣，b為O_C、O_R兩點之間的垂直距離，(ⁱX_RⁱY_RⁱZ_R 1)為第i個C軸工作臺面標志點在機床參考坐標系O_R-X_RY_RZ_R下的三維齊次坐標，(ⁱX_CCⁱY_CCⁱZ_CC 1)為第i個C軸工作臺面標志點在視覺坐標系O_CC-X_CCY_CCZ_CC(10)下的三維齊次坐標，R′、T′分別為機床參考坐標系O_R-X_RY_RZ_R(13)與視覺坐標系O_CC-X_CCY_CCZ_CC(10)之間的旋轉矩陣與平移矩陣，R′、T′共有6個相互獨立的參數，為機床刀具主軸坐標系O_S-X_SY_SZ_S(9)到視覺坐標系O_CC-X_CCY_CCZ_CC(10)的轉換矩陣，(^jX_S^jY_S^jZ_S 1)為第j個機床刀具端球形標志點(14)在機床刀具主軸坐標系O_S-X_SY_SZ_S(9)下的三維齊次坐標，為第j個C軸工作臺面標志點在視覺坐標系O_CC-X_CCY_CCZ_CC(10)下的三維齊次坐標，R″、T″分別為視覺坐標系O_CC-X_CCY_CCZ_CC（10）與機床刀具主軸坐標系O_S-X_SY_SZ_S(9)之間的旋轉矩陣與平移矩陣，R″、T″共有6個相互獨立的參數，選用多個機床刀具端球形標志點(14)和多個C軸工作臺面標志點，利用最小二乘算法求解；

(4)動態圖像采集，求解機床各軸運動誤差

機床五軸聯動時，采用左、右高速像機(7、8)拍攝數控機床聯動軌跡序列圖像；利用同步裝置使圖像采集與數控機床聯動同步，在標定各坐標系關系基礎上，將每一運動時刻求解的球形標志點三維坐標與初始時刻標志點信息相結合求解該時刻機床各運動軸的運動量，計算公式如下：

其中，(X_t Y_t Z_t A_t C_t)為t時刻機床各軸的實際運動量 為t時刻第i個C軸工作臺面標志點在視覺坐標系O_CC-X_CCY_CCZ_CC(10)下的三維齊次坐標，(ⁱX_RⁱY_RⁱZ_R1)為初始時刻第i個C軸工作臺面標志點在機床參考坐標系O_R-X_RY_RZ_R下的三維齊次坐標； 為t時刻第j個C軸工作臺面標志點在視覺坐標系O_CC-X_CCY_CCZ_CC(10)下的三維齊次坐標，(^jX_S^jY_S^jZ_S 1)為第j個機床刀具端球形標志點(14)在機床刀具主軸坐標系O_S-X_SY_SZ_S(9)下的三維齊次坐標；

將求得理論值與機床實際運動量相比較，求解各軸運動誤差：

其中，(Δ^tX Δ^tY Δ^tZ Δ^tA Δ^tC)為機床X、Y、Z、A、C軸空間軌跡運動誤差，(^tX_CC^tY_CC^tZ_CC^tA_CC^tC_CC)為由雙目視覺系統測量得到的機床X、Y、Z、A、C軸實際空間軌跡運動量，(^tX_ca^tY_ca^tZ_ca^tA_ca^tC_ca)為數控系統后處理確定的機床X、Y、Z、A、C軸理論空間軌跡運動量。