本发明专利技术基于空间标准球的机床随动激光扫描坐标标定方法属于视觉测量领域，涉及一种基于空间标准球的机床随动激光扫描坐标标定方法。标定方法利用机床的运动模块为线激光测量传感器提供第三维数据，通过对空间已知半径标准球扫描测量拟合圆心实现机床坐标系与线激光测量坐标系的数据统一，根据机床运动与激光平面运动先进行测量坐标系的缺省轴标定，再进行测量轴标定，最后实现三维运动的整体标定，得到机床坐标系与测量坐标系的比例变换矩阵。该标定方法改善了传统激光测量传感器只能测量二维数据的缺陷，有效扩展了线激光测量传感器的测量应用范围,是一种具有广泛应用前景的标定方法。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于视觉测量领域，涉及一种基于空间标准球的机床随动激光扫描坐标标定方法。
技术介绍
随着工业生产的不断进步，零部件测量逐步成为生产中不可或缺的重要环节，包括轮廓、间隙、形貌以及缺陷等各种类型的测量问题都对测量方法的准确性以及快速性提出很高的要求。在现有的测量方法中线激光测量方式以其快速、高精度以及非接触等测量优势在工业生产中有了非常广泛的应用。但是传统的线激光测量传感器只能实现对激光平面内的二维数据的测量，测量传感器自身并没有测量三维数据的功能，对于需要进行三维测量的情况无法操作，这大大限制了其应用范围。对此需要考虑改进线激光测量方法使其可以实现三维数据的测量，这就需要为线激光测量传感器人为增加一维的运动数据从而满足三维坐标测量的需要。由于无法准确控制运动轴运动方向是垂直于线激光测量传感器的激光测量平面，这就需要对运动轴与测量平面的相对位置关系进行标定，最终准确获得除了线激光测量传感器测量的二维数据外的第三维测量数据，标定结果的准确性与高效性将直接决定最终的测量精度与测量效率。现阶段主要是应用空间仿射变换来实现运动轴的位置标定，通过空间至少四个已知点实现在线激光测量传感器运动过程中的剪切变换矩阵的求解，从而利用变换矩阵实现测量数据的变换，该方法原理简单，操作便捷，但是计算过程复杂，空间已知点的获取比较困难，因此应用范围有限。针对线激光测量传感器的位置标定，北京航空航天大学的刘震等人于2013年在《光电工程》第一期发表了文章《大视场线结构光视觉传感器的现场标定》，提出由一维靶标的消隐点性质和特征点之间距离约束，求解各特征点在摄像机坐标系下的空间坐标；并根据交比不变计算光平面与各一维靶标交点的摄像机坐标，拟合出光平面方程。该方法同样可以标定出线结构光传感器的激光平面位置，但是标定方法计算复杂，且需要大量测量点标定效率较低。因此针对线激光测量空间位置的标定方法研究是十分必要的。
技术实现思路
本专利技术为克服现有技术的缺陷，专利技术了一种基于空间标准球的机床随动激光扫描坐标标定方法，改进了普通线激光测量传感器只能获取二维测量数据的缺陷，通过运动模块以及空间标准球配合完成了线激光测量传感器的位置标定从而实现三维坐标测量，该方法有效扩展了线激光测量传感器的测量应用范围，是一种具有广泛应用前景的标定方法。本专利技术采用的技术方案是一种基于空间标准球的机床随动激光扫描坐标标定方法，其特征，标定方法利用机床的运动模块为线激光测量传感器提供第三维数据，通过对空间已知半径标准球扫描测量拟合圆心实现机床坐标系与线激光测量坐标系的数据统一，根据机床运动与激光平面运动先进行测量坐标系的缺省轴标定，再进行测量轴标定，最后实现三维运动的整体标定，得到机床坐标系与测量坐标系的比例变换矩阵。标定方法的具体标定过程如下：第一步、选取和布置空间标准球将线激光传感器(3)与数控机床主轴(1)通过线激光测量传感器连接板(2)连接，使其随着机床的运动而运动；安装时使激光平面(6)垂直于测量平面，不同型号的线激光测量传感器的激光线长度是不同的，为了便于提取标准球(4)表面的光条信息，选取标准球的直径为激光线长度的一半；将标准球(4)安装在固定板(5)上，并放置在机床工作台(7)上，保证在机床工作范围内沿某一轴运动时，线激光测量传感器(3)的激光线都扫描到整个标准球(4)表面；第二步、线激光测量传感器缺省轴标定首先确定三个坐标系，一是激光刻型机床的坐标系OJXJYJZJ，该坐标系是固定的，不随机床的运动而运动，具体的坐标数值直接从机床数控面板中读出；第二个坐标系是初始位置激光测量传感器的测量坐标系OLXLYLZL，该坐标系固定在测量传感器上，会随着机床的运动而运动，激光测量传感器获得具体的坐标值(XL,ZL)，YL的数值需要通过机床的运动来获得，是需要标定的缺省轴坐标；第三个坐标系是随动坐标系OLnXLYLZL，指的是初始测量坐标系OLXLYLZL随机床运动的变化坐标系；利用机床探头去触碰固定的标准球(4)，获得至少三个非共线的球面点在机床坐标系下的三维坐标，通过这些点拟合球面确定标准球球心O在机床坐标系下的坐标(XJO,YJO,ZJO)，之后调整机床工作台(7)沿单一的YJ轴进行运动，激光测量传感器(3)随动扫描标准球(4)，在扫描标准球的过程中激光传感器获得一系列的二维测量坐标，这些坐标是球面点在测量随动坐标系下的二维测量数据，选取的标准球(4)半径记为R；在标准球面的投影为一系列同心圆，截面的圆心连线DB垂直于激光扫描平面(6)，即为激光测量坐标系YL轴的方向，提取标准球表面的激光光条，得到一系列圆弧，通过拟合截面圆弧的半径，找到激光截面最大圆，这个圆的圆心理论上为标准球的球心O，这样就找到了激光平面在标准球上的最大轮廓位置，拟合该位置的圆弧，得到圆心的二维坐标即为标准球球心在激光测量坐标系OLXLYLZL下的坐标(XLO,ZLO)，假设该位置的YL坐标值为0，那么球心在测量坐标系OLXLYLZL下的坐标为(XLO,0,ZLO)；机床从该位置继续沿YJ轴移动距离为L，得到一个在位置1的激光平面截面圆，位置1激光平面截面圆心为B，位置1激光平面截面圆半径为r，则该截面圆平面与最大轮廓圆平面的间距OB即为YL方向的坐标值，两个圆心的距离即激光测量传感器缺省轴运动距离l，根据空间的三角位置关系得到：l=R2-r2---(1)]]>那么，有由于机床坐标系YJ轴与激光测量坐标系YL轴的变化为线性的，在机床坐标YJ变化的时候，对应的测量坐标系的数值变化规则为：即同理，当机床沿机床坐标系XJ轴或者ZJ运动时，分别标定出以及这样当机床工作台(7)在工作范围内做任意平移运动，最大标准圆轮廓平面作为基准平面，则随动的激光测量传感器(3)缺省轴的对应坐标都被标定出来，机床相对于基准平面运动坐标为(ΔXJ,ΔYJ,ΔZJ)，激光测量二维坐标为(XL,ZL)，对应的测量三维坐标为第三步、线激光测量轴与机床运动轴的标定利用标准球(4)进行线激光测量轴与机床运动轴的标定，通过缺省轴标定的分析得知，机床运动轴对于缺省轴的变化影响就是机床运动轴运动距离在激光测量坐标系沿YL轴的投影距离，同理只要找到机床运动轴运动距离在激光测量平面的投影距离在XL和ZL方向的分量就求解出沿测量轴的线性变化比例；观察激光线扫描标准球的截面，激光测量坐标系是沿着每个截面的圆心连线方向运动的，即为OB方向，但激光测量传感器的随动坐标系是沿着机床的运动轴变化的，即为OC方向，因此，每个截面圆拟合圆心的测量坐标相对于随动坐标系就发生了改变，C点相对于截面圆拟合圆心B的坐标变化，变化的相对位移即为BC，二维坐标的变化量对应的ΔXL和ΔZL就是机床运动轴变化量对激光测量坐标系中XL和ZL方向的影响变化量，若同样机床沿着单一方向运动距离为L，即线段OB，那么对应的线性变化规则为：XL=ΔXLL|ΔYJ|+XL0,ZL=ΔZLL|ΔYJ|+ZL0---(3)]]>(以机床沿YL轴运动为例)，这样当机床在工作范围内沿着任意方向平移，对应的激光测量的三维坐标也可得到，即完成了线激光测量轴与机床的运动轴进行标定。第四步、激光测量传感器与机床三维运动标定机床坐标系为本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于空间标准球的机床随动激光扫描坐标标定方法，其特征是，标定方法利用机床的运动模块为线激光测量传感器提供第三维数据，通过对空间已知半径标准球扫描测量拟合圆心实现机床坐标系与线激光测量坐标系的数据统一，根据机床运动与激光平面运动先进行测量坐标系的缺省轴标定，再进行测量轴标定，最后实现三维运动的整体标定，得到机床坐标系与测量坐标系的比例变换矩阵；标定方法的具体标定过程如下：第一步、选取和布置空间标准球将线激光传感器(3)与数控机床主轴(1)通过线激光测量传感器连接板(2)连接，使其随着机床的运动而运动；安装时使激光平面(6)垂直于测量平面，不同型号的线激光测量传感器的激光线长度是不同的，为了便于提取标准球(4)表面的光条信息，选取标准球的直径为激光线长度的一半；将标准球(4)安装在固定板(5)上，并放置在机床工作台(7)上，保证在机床工作范围内沿某一轴运动时，线激光测量传感器(3)的激光线都扫描到整个标准球(4)表面；第二步、线激光测量传感器缺省轴标定首先确定三个坐标系，一是激光刻型机床的坐标系OJXJYJZJ，该坐标系是固定的，不随机床的运动而运动，具体的坐标数值直接从机床数控面板中读出；第二个坐标系是初始位置激光测量传感器的测量坐标系OLXLYLZL，该坐标系固定在测量传感器上，会随着机床的运动而运动，激光测量传感器获得具体的坐标值(XL,ZL)，YL的数值需要通过机床的运动来获得，是需要标定的缺省轴坐标；第三个坐标系是随动坐标系OLnXLYLZL，指的是初始测量坐标系OLXLYLZL随机床运动的变化坐标系；利用机床探头去触碰固定的标准球(4)，获得至少三个非共线的球面点在机床坐标系下的三维坐标，通过这些点拟合球面确定标准球球心O在机床坐标系下的坐标(XJO,YJO,ZJO)，之后调整机床工作台(7)沿单一的YJ轴进行运动，激光测量传感器(3)随动扫描标准球(4)，在扫描标准球的过程中激光传感器获得一系列的二维测量坐标，这些坐标是球面点在测量随动坐标系下的二维测量数据，选取的标准球(4)半径记为R；在标准球面的投影为一系列同心圆，截面的圆心连线DB垂直于激光扫描平面(6)，即为激光测量坐标系YL轴的方向，提取标准球表面的激光光条，得到一系列圆弧，通过拟合截面圆弧的半径，找到激光截面最大圆，这个圆的圆心理论上为标准球的球心O，这样就找到了激光平面在标准球上的最大轮廓位置，拟合该位置的圆弧，得到圆心的二维坐标即为标准球球心在激光测量坐标系OLXLYLZL下的坐标(XLO,ZLO)，假设该位置的YL坐标值为0，那么球心在测量坐标系OLXLYLZL下的坐标为(XLO,0,ZLO)；机床从该位置继续沿YJ轴移动距离为L，得到一个在位置1的激光平面截面圆，位置1激光平面截面圆心为B，位置1激光平面截面圆半径为r，则该截面圆平面与最大轮廓圆平面的间距OB即为YL方向的坐标值，两个圆心的距离即激光测量传感器缺省轴运动距离l，根据空间的三角位置关系得到：l=R2-r2---(1)]]>那么，有由于机床坐标系YJ轴与激光测量坐标系YL轴的变化为线性的，在机床坐标YJ变化的时候，对应的测量坐标系的数值变化规则为：即同理，当机床沿机床坐标系XJ轴或者ZJ运动时，分别标定出以及这样当机床工作台(7)在工作范围内做任意平移运动，最大标准圆轮廓平面作为基准平面，则随动的激光测量传感器(3)缺省轴的对应坐标都被标定出来，机床相对于基准平面运动坐标为(ΔXJ,ΔYJ,ΔZJ)，激光测量二维坐标为(XL,ZL)，对应的测量三维坐标为第三步、线激光测量轴与机床运动轴的标定利用标准球(4)进行线激光测量轴与机床运动轴的标定，通过缺省轴标定的分析得知，机床运动轴对于缺省轴的变化影响就是机床运动轴运动距离在激光测量坐标系沿YL轴的投影距离，同理只要找到机床运动轴运动距离在激光测量平面的投影距离在XL和ZL方向的分量就求解出沿测量轴的线性变化比例；观察激光线扫描标准球的截面，激光测量坐标系是沿着每个截面的圆心连线方向运动的，即为OB方向，但激光测量传感器的随动坐标系是沿着机床的运动轴变化的，即为OC方向，因此，每个截面圆拟合圆心的测量坐标相对于随动坐标系就发生了改变，C点相对于截面圆拟合圆心B的坐标变化，变化的相对位移即为BC，二维坐标的变化量对应的ΔXL和ΔZL就是机床运动轴变化量对激光测量坐标系中XL和ZL方向的影响变化量，若同样机床沿着单一方向运动距离为L，即线段OB；机床沿YL轴运动时，对应的线性变化规则为：XL=ΔXLL|ΔYJ|+XL0,ZL=ΔZLL|ΔYJ|+ZL0---(3)]]>这样当机床在工作范围内沿着任意方向平移，对应的激光测量的三维坐标也可得到，即完成了线激光测量轴与机床的运动轴进行标定。第四步...
【技术特征摘要】
1.一种基于空间标准球的机床随动激光扫描坐标标定方法，其特征是，标定方法利用机床的运动模块为线激光测量传感器提供第三维数据，通过对空间已知半径标准球扫描测量拟合圆心实现机床坐标系与线激光测量坐标系的数据统一，根据机床运动与激光平面运动先进行测量坐标系的缺省轴标定，再进行测量轴标定，最后实现三维运动的整体标定，得到机床坐标系与测量坐标系的比例变换矩阵；标定方法的具体标定过程如下：第一步、选取和布置空间标准球将线激光传感器(3)与数控机床主轴(1)通过线激光测量传感器连接板(2)连接，使其随着机床的运动而运动；安装时使激光平面(6)垂直于测量平面，不同型号的线激光测量传感器的激光线长度是不同的，为了便于提取标准球(4)表面的光条信息，选取标准球的直径为激光线长度的一半；将标准球(4)安装在固定板(5)上，并放置在机床工作台(7)上，保证在机床工作范围内沿某一轴运动时，线激光测量传感器(3)的激光线都扫描到整个标准球(4)表面；第二步、线激光测量传感器缺省轴标定首先确定三个坐标系，一是激光刻型机床的坐标系OJXJYJZJ，该坐标系是固定的，不随机床的运动而运动，具体的坐标数值直接从机床数控面板中读出；第二个坐标系是初始位置激光测量传感器的测量坐标系OLXLYLZL，该坐标系固定在测量传感器上，会随着机床的运动而运动，激光测量传感器获得具体的坐标值(XL,ZL)，YL的数值需要通过机床的运动来获得，是需要标定的缺省轴坐标；第三个坐标系是随动坐标系OLnXLYLZL，指的是初始测量坐标系OLXLYLZL随机床运动的变化坐标系；利用机床探头去触碰固定的标准球(4)，获得至少三个非共线的球面点在机床坐标系下的三维坐标，通过这些点拟合球面确定标准球球心O在机床坐标系下的坐标(XJO,YJO,ZJO)，之后调整机床工作台(7)沿单一的YJ轴进行运动，激光测量传感器(3)随动扫描标准球(4)，在扫描标准球的过程中激光传感器获得一系列的二维测量坐标，这些坐标是球面点在测量随动坐标系下的二维测量数据，选取的标准球(4)半径记为R；在标准球面的投影为一系列同心圆，截面的圆心连线DB垂直于激光扫描平面(6)，即为激光测量坐标系YL轴的方向，提取标准球表面的激光光条，得到一系列圆弧，通过拟合截面圆弧的半径，找到激光截面最大圆，这个圆的圆心理论上为标准球的球心O，这样就找到了激光平面在标准球上的最大轮廓位置，拟合该位置的圆弧，得到圆心的二维坐标即为标准球球心在激光测量坐标系OLXLYLZL下的坐标(XLO,ZLO)，假设该位置的YL坐标值为0，那么球心在测量坐标系OLXLYLZL下的坐标为(XLO,0,ZLO)；机床从该位置继续沿YJ轴移动距离为L，得到一个在位置1的激光平面截面圆，位置1激光平面截面圆心为B，位置1激光平面截面圆半径为r，则该截面圆平面与最大轮廓圆平面的间距OB即为YL方向的坐标值，两个圆心的距离即激光测量传感器缺省轴运动距离l，根据空间的三角位置关系得到：l=R2-r2---(1)]]>那么，有由于机床坐标系YJ轴与激光测量坐标系YL轴的变化为线性的，在机床坐标YJ变化的时候，对应的测量坐标系的数值变化规则为：即同理，当机床沿机床坐标系XJ轴或者ZJ运动时，分别标定出以及这样当机床工作台(7)在工作范围内做任意平移运动，最大标准圆轮廓平面作为基准平面，则随动的激光测量传感器(3)缺省轴的对应坐标都被标定出来，机床相对于基准平面运动坐标为(ΔXJ,ΔYJ,ΔZJ)，激光测量二维坐标为(XL,ZL)，对应的测量三维坐标为第三步、线激光测量轴与机床运动轴的标定利用标准球(4)进行线激光测量轴与机床运动轴的标定，通过缺省轴标定的分析得知，机床运动轴对于缺省轴的变化影响就是机床运动轴运动距离在激光测量坐标系沿YL轴的投影距离，同理只要找到机...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘巍，杨帆，张洋，高鹏，兰志广，贾振元，马建伟，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21
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