[發(fā)明專利]一種五軸數(shù)控機床回轉(zhuǎn)軸幾何誤差檢測方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710421168.3
• 申請日: 2017-06-08
• 公開（公告）號: CN107186548B
• 公開（公告）日: 2018-12-18
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 劉巍;李輝;李肖;潘翼;嚴(yán)洪悅
• 申請（專利權(quán)）人: 大連理工大學(xué)
• 主分類號: B23Q17/24
• 分類號: B23Q17/24
• 代理公司: 大連理工大學(xué)專利中心 21200
• 代理人: 關(guān)慧貞

1.一種五軸數(shù)控機床回轉(zhuǎn)軸幾何誤差檢測方法，其特征是，利用雙目相機作為測量儀器，獲取貼在五軸機床回轉(zhuǎn)軸上回字形靶標(biāo)角點的三維坐標(biāo)信息，結(jié)合機床多體運動模型與齊次坐標(biāo)變換理論，實現(xiàn)對五軸數(shù)控機床回轉(zhuǎn)軸PIGE誤差和PDGE誤差的辨識與測量；檢測方法的具體測量步驟如下：

第一步，搭建雙目測量裝置，并對雙目相機進(jìn)行標(biāo)定

搭建雙目測量系統(tǒng)時，雙目相機成一定角度固定在五軸機床Z軸(1)上,其中，左、右相機(2、3)安裝時要保證具有合適的公共視場；

進(jìn)行相機標(biāo)定，雙目相機的標(biāo)定的過程是對每個相機的內(nèi)參數(shù)(α_x,α_y,μ₀,ν₀)和兩個相機之間的外參數(shù)[R,T]進(jìn)行求解的過程；通常假設(shè)世界坐標(biāo)系O_wX_wY_wZ_w位于左相機(2)光心處，與左相機(2)的相機坐標(biāo)系重合；空間點P在左右像平面的像點為p_l(u_l,v_l)、p_r(u_r,v_r)，P點在左右攝像機坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為(X_cl,Y_cl,Z_cl)、(X_cr,Y_cr,Z_cr)，P點在世界坐標(biāo)系其坐標(biāo)為P_w(X_w,Y_w,Z_w)，這些坐標(biāo)滿足坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式：

假設(shè)兩攝像機的空間位置轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)矩陣R與平移矩陣T，則兩攝像機坐標(biāo)系的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系可表示為：

結(jié)合張氏標(biāo)定法和標(biāo)準(zhǔn)棋盤格標(biāo)定板求解出相機的內(nèi)外參數(shù)；

第二步，特征點的安裝與特征點圖像處理

將高精度的機床C軸(6)外圓的內(nèi)接回字形靶標(biāo)貼在機床C軸(6)上，直接表示機床C軸(6)的運動狀態(tài)，減少其他誤差對機床C軸幾何誤差測量精度的影響；利用同一回字形靶標(biāo)上的三個角點獲得任意瞬間回轉(zhuǎn)軸的瞬時回轉(zhuǎn)軸線，三個角點組成的平面的法向量方向代表著機床C軸(6)的軸線方向，清晰的表征機床C軸(6)的運動信息；

對于相機采集到的圖像進(jìn)行圖像降噪，濾波處理后，結(jié)合canny邊緣算子檢測法，利用帶閾值的灰度重心法提取回字形靶標(biāo)的角點，計算公式為：

其中，F(xiàn)(x,y)表示圖像灰度函數(shù)，f(x,y)表示圖像灰度，T代表背景閾值；(x₀,y₀)表示所求的灰度重心，m,n表示圖像在橫、縱方向上所包含的像素的數(shù)量；利用帶閾值的灰度重心法得到角點的圖像坐標(biāo)；

第三步，結(jié)合機床多體運動系統(tǒng)理論與齊次坐標(biāo)變換進(jìn)行誤差辨識

機床是一種典型的多體運動系統(tǒng)，與齊次坐標(biāo)變換建立機床運動模型，結(jié)合機床C軸幾何誤差特性進(jìn)行誤差辨識與測量；機床C軸幾何誤差分為兩類，一類與機床C軸運動位置無關(guān)的幾何誤差PIGE；另一類與機床C軸運動位置有關(guān)的幾何誤差PDGE；其中PIGE是常值誤差，PDGE是與機床C軸運動位置有關(guān)的變量；利用F表示五軸機床床身運動矩陣，X、Y、Z表示五軸機床的各直線軸運動矩陣，A、C表示兩個回轉(zhuǎn)軸運動矩陣；根據(jù)多體系統(tǒng)理論和齊次坐標(biāo)變換理論，當(dāng)機床不存在幾何誤差時，機床的理想運動模型為：

其中，表示理想運動矩陣Z,F,Y,X,A,C代表相應(yīng)機床運動軸的運動矩陣，它們相乘的順序由機床拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)所決定；

假設(shè)五軸機床只有回轉(zhuǎn)軸存在幾何誤差時，其他各軸不存在幾何誤差，對存在幾何誤差的機床回轉(zhuǎn)軸進(jìn)行運動建模，E^C表示機床C軸幾何誤差，T^C表示機床C軸的理想運動，則其進(jìn)行運動進(jìn)行建模為：

E^C*T^C＝(PDGE+PIEG)*T^c (6)

其中，PDGE代表與機床C軸運動位置有關(guān)的幾何誤差表示為：

PIGE代表與機床C軸運動位置無關(guān)的幾何誤差表示為

T^c代表機床C軸理想回轉(zhuǎn)運動表示為：

將機床C軸存在幾何誤差的運動模型替換公式(5)理想運動模型得到機床的實際運動模型：

其中，E^C＝PIGE+PDGE，表示機床C軸的實際幾何誤差；

假設(shè)在機床C軸局部坐標(biāo)系中有一點M(X,Y,Z)，其實際運動軌跡與理想運動軌跡之間存在因機床C軸幾何誤差影響而產(chǎn)生的位置偏差,根據(jù)前述方程(5)-(7)建立實際點偏移量與機床C軸幾何誤差之間的求解方程：

其中，由公式(5)得到，由公式(7)得到，公式(7)中的變量A是常值，在測量機床C軸誤差時，機床A軸在其初始位置，故變量A選為0；而X、Y、Z是與各局部坐標(biāo)系建立位置有關(guān)的常量；

M點的理論坐標(biāo)通過機床C軸局部坐標(biāo)系與理論運動模型獲得，其實際點M’通過相機測量獲得；利用方程(8)和已知的特征點理論值與實際值求解出全部10項誤差；

以上完成了五軸機床C軸幾何誤差的分析，包括PIGE誤差4項，PDGE誤差6項。