[發明專利]點激光傳感器的光束方向矢量和零點位置在線標定方法

有效

• 申請號: 201910908768.1
• 申請日: 2019-09-25
• 公開（公告）號: CN110500978B
• 公開（公告）日: 2021-05-25
• 發明（設計）人: 奚學程;朱思萌;閆曉燊;趙萬生;張瑞雪;褚皓宇
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: G01B21/00
• 分類號: G01B21/00;G01B21/22;G01B21/20;G01B11/24
• 代理公司: 上海交達專利事務所 31201
• 代理人: 王毓理;王錫麟

一種點激光傳感器的光束方向矢量和零點位置在線標定方法，通過在五軸三坐標測量機的Z軸安裝點激光傳感器，根據三坐標測量機機床結構設置點激光傳感器測量路徑，保證測量光點始終落在標定平面上，并進行移動和數據采集；然后通過五軸三坐標測量機空間運動變換矩陣將測量坐標系下的激光發射點坐標、光束矢量和被測點坐標轉換至工件坐標系；最后建立線性超靜定方程組，并利用最小二乘法進行方程組計算得到標定結果。

技術領域

本發明涉及的是一種測量領域的技術，具體是一種點激光傳感器的光束方向矢量和零點位置在線標定方法。

背景技術

現有的非接觸式三坐標測量機的測量原理主要為將三坐標測量機坐標數值(x,y,z)中的z減去點激光傳感器測量數據，即三坐標測量機與被測工件之間豎直距離L，來達到獲取工件表面被測點坐標(x,y,z-L)的目的。在實際測量過程中，由于缺乏安裝基準，存在安裝誤差，點激光傳感器的激光光束與豎直方向之間存在角度偏差，光束零點位置與三坐標測量機的坐標零點間存在固有偏差被測點坐標(x_ct,y_ct,z_ct)與三坐標測量機坐標(x,y,z)之間的關系，如圖1所示，包括：

為保證測量精度，非接觸式三坐標測量機在進行測量之前，需要確定點激光傳感器光束方向矢量、零點位置與三坐標測量機之間的關系，即需要確定點激光傳感器發射的光束與三坐標測量機的X、Y、Z軸之間的夾角α、β、γ以及光束零點在三坐標測量機中的相對位置由此，才能夠將激光傳感器的測量值與三坐標測量機的數據進行融合處理，從而得到被測工件表面形貌的三維點云數據。

現有的標定方法包括采用特制的具有已知角度的平面標定塊，利用點激光傳感器的光束與平面法向量之間的夾角作為已知幾何關系，求解光束方向矢量；但這種方法只能求解點激光傳感器的光束矢量，對于光束的零點位置無法進行求解，且對于平面標定塊的制作精度要求較高。另一類，是采用標定球作為測量基準，通過擬合球心位置以及球半徑的方式，以此確定激光光束的方向矢量和零點位置，但是該方法構建方程組為超靜定非線性方程組，需要利用初值進行求解，在實際的工程應用中可操作性較差。

發明內容

針對現有標定技術中存在的上述問題，本發明提出一種點激光傳感器的光束方向矢量和零點位置在線標定方法，利用三坐標測量機中EROWA夾具標準側平面(即標定平面)和機床實際運動結構，推導機床坐標系以及測量坐標系之間的坐標變換矩陣，結合光點坐標在標定平面上的幾何約束，構建超靜定線性方程組。利用最小二乘法，無需依賴初值即可確定光束方向矢量和零點位置實現精確標定。

本發明是通過以下技術方案實現的：

本發明提出一種點激光傳感器的光束方向矢量和零點位置在線標定方法，通過在五軸三坐標測量機的Z軸安裝點激光傳感器，根據三坐標測量機機床結構設置點激光傳感器測量路徑并進行移動和數據采集；然后通過五軸三坐標測量機空間運動變換矩陣將測量坐標系下的激光發射點坐標、光束矢量和被測點坐標轉換至工件坐標系；最后建立線性超靜定方程組，并利用最小二乘法進行方程組計算得到標定結果。

優選地，通過杠桿表等儀器調整點激光傳感器位姿盡可能保證光束與水平面垂直，其采用但不限于通過打表找正標定點激光傳感器平面位置，確保其與三坐標測量機X軸垂直。

所述的測量路徑同時滿足：整個測量過程中①點激光傳感器的投射光點始終落在標定平面上；②點激光傳感器進行測量的時刻，所對應的全部投射光點，在標定平面上呈網格狀分布；③點激光傳感器進行測量的時刻，所處的位姿各不相同，此要求是為了避免后期求解時，由于系數矩陣非滿秩而出現無解或者多解的情況；④點激光傳感器到待測表面之間的距離始終處于點激光傳感器測量量程之內；⑤點激光傳感器光束方向矢量與待側平面法向量之間夾角不超過3°，以保證點激光傳感器測量數值的準確性。