一种机床平面轮廓误差单目测量方法技术

本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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。
技术介绍
在航空、航天、能源动力、船舶制造等国家重大装备工程的发展中，具有复杂变曲率表面轮廓零件，如汽车、卫星接收电磁波的平面微带天线等被广泛应用。这种零件的形状以及几何轮廓的精度直接影响着装备的工作性能。数控机床为复杂变曲率零件高质、高效加工提供有效手段，但是高进给切削中由于伺服系统滞后引起的动态轮廓误差极大地降低了机床的性能。因此，准确测量机床高进给运动轮廓误差，从而为机床误差补偿提供数据依据对提高机床动态性能以及零件加工质量尤为重要。西安交通大学陶涛等人专利技术的专利号为CN201410625285《一种数控机床切削工况下主轴轴心轨迹在线测量方法》专利技术了一种在被测圆表面周向布置三个位移传感器，切削加工前采集位移及主轴旋转角度信号，采用三点法分离出被测圆表面的轮廓误差测量方法，该方法只能实现平面内圆轨迹轮廓误差测量。深圳市大族激光股份有限公司杨朝辉等人专利技术的专利号为CN201210569818《高速机床动态误差测量系统》专利技术了通过在高速图像记录设备中读取高速运动的机床大部件或小部件位于光刻玻璃线板的刻度位置，从而直接求解高速运动机床大、小部件误差，该测量系统仅测量钻头高速旋转过程中的上下方向误差，且测量视场受限于光刻玻璃线板大小。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术难题是克服现有技术的缺陷，专利技术一种机床平面轮廓误差单目测量方法，解决机床高速运动平面任意轨迹轮廓误差测量难题。测量方法将单目相机与数控机床集成，采集运动过程中安装在机床工作台上的编码标志点成矩阵排列的测量基准的图像，后经图像处理完成高进给速度下机床平面轮廓误差测量。单目相机垂直于机床工作台安装，机床带动测量基准做平面任意轨迹运动，利用相机采集测量基准序列图像，对图像中心的数个编码标志点识别、定位并求解出机床实际运动轨迹，通过与理想轮廓比较求得机床轮廓误差。本专利技术采用的技术方案是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在世界坐标系下的坐标(XW,YW,ZW)T与其在图像坐标系的坐标(u，v)之间的对应关系如下： Z C u v 1 = f x 0 u 0 0 0 f y v 0 0 0 0 1 0 R t 0 T 1 X W Y W Z W 本文档来自技高网...

【技术保护点】
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在世界坐标系下的坐标(XW,YW,ZW)T与其在图像坐标系的坐标(u，v)之间的对应关系如下：ZCuν1=fx0u000fyν000010Rt0T1XWYWZW1=M1M2XWYWZW1---(1)]]>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在相机坐标系中的坐标是(XC,YC,ZC)T，世界坐标系和相机坐标系之间的关系用3×3正交单位旋转矩阵R和三维平移向量t来描述，O＝(0,0,0)T，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：u′=u+δu(k1ρ2+k2ρ4+k3ρ6)+(2k4δuδv+k5(ρ2+2δu2))v′=v+δv(k1ρ2+k2ρ4+k3ρ6)+(k4(ρ2+2δv2)+2k5δuδv)δu=u′-uδv=v′-vρ=(u-u0)2+(v-v0)2---(2)]]>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：S0≤S≤S1l0≤l≤l1C0≤C≤1---(3)]]>式中S0、S1、l0、l1、C0为设定阈值，初步判断目标对象为中心圆，S为封闭对象的面积，l为封闭对象的周长，C＝(4πS)/(l2)表示圆度，C越接近1，对象越近似于圆形；根据以上圆度准则公式(3)设定阈值，区分编码标志点的非编码区中心圆(5)和编码区环形带；利用面积准则如下式：mi=ROUND(Aia,0)---(4)]]>其中，mi是四舍五入到整数的第i个光刻环形带含有基元的个数，ROUND是四舍五入函数，表示将四舍五入到个位数字，Ai为编码区第i个光刻环形带的面积，a为基元面积，然后将中心圆(5)的质心分别与每一个光刻...

【技术特征摘要】
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在世界坐标系下的坐标(XW,YW,ZW)T与其在图像坐标系

\t的坐标(u，v)之间的对应关系如下：
Z C u ν 1 = f x 0 u 0 0 0 f y ν 0 0 0 0 1 0 R t 0 T 1 X W Y W Z W 1 = M 1 M 2 X W Y W Z W 1 - - - ( 1 ) ]]>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在相机坐标系中的坐
标是(XC,YC,ZC)T，世界坐标系和相机坐标系之间的关系用3×3正交
单位旋转矩阵R和三维平移向量t来描述，O＝(0,0,0)T，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：
u ′ = u + δ u ( k 1 ρ 2 + k 2 ρ 4 + k 3 ρ 6 ) + ( 2 k 4 δ u δ v + k 5 ( ρ 2 + 2 δ u 2 ) ) v ′ = v + δ v ( k 1 ρ 2 + k 2 ρ 4 + k 3 ρ 6 ) + ( k 4 ( ρ 2 + 2 δ v 2 ) + 2 k 5 δ u δ v ) δ u = u ′ - u δ v = v ′ - v ρ = ( u - u 0 ) 2 + ...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘巍，严洪悦，李肖，马建伟，刘阳，贾振元，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21