五軸數(shù)控機床動態(tài)誤差視覺測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于機床幾何誤差測量領(lǐng)域，涉及一種利用雙目視覺測量機床動態(tài)空間軌 跡誤差的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 五軸聯(lián)動數(shù)控機床是衡量一個國家裝配與制造水平的重要象征，是航空航天，船 舶、汽車等國家重大工程領(lǐng)域核心變曲率部件的主要加工機床。由于機床設(shè)計、制造水平的 限制以及其他耦合因素的影響，存在誤差，使得數(shù)控機床加工工程中刀具與工件之間的實 際位置偏離理論位置，降低了加工精度，提高數(shù)控機床制造精度是該領(lǐng)域面臨的重大問題。 空間誤差是機床誤差的主要來源，動態(tài)空間軌跡誤差作為空間誤差的一種相比于靜態(tài)誤差 更能反映機床的真實加工狀態(tài)。因此，實現(xiàn)數(shù)控機床動態(tài)空間軌跡誤差高精度測量，對于提 高機床加工精度具有重要意義。。
[0003] 深圳市大族激光科技股份有限公司的楊朝輝、陳百強發(fā)明的專利號為CN 103894882A"高速機床動態(tài)誤差測量系統(tǒng)"發(fā)明了一種采用視覺測量機床動態(tài)誤差的測量 系統(tǒng)，該系統(tǒng)雖能測量機床動態(tài)誤差，但是測量過程中采用顯微鏡頭，結(jié)合微米級的光線刻 板視場很難做的很大。因此測量的機床動態(tài)誤差很難反映機床的整體性能。沈陽機床有限 責(zé)任公司的劉闊發(fā)明的專利為CN104097114A"一種多軸聯(lián)動數(shù)控機床的幾何誤差測量與 分離技術(shù)"發(fā)明了一種采用激光干涉儀測量三軸機床15項誤差。雖然該方法為機床檢測提 供了一種新的手段，但是采用的激光干涉儀無法實現(xiàn)機床多項幾何誤差的同時測量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明要解決的技術(shù)難題是克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，發(fā)明了一種采用雙目視覺測量 五軸數(shù)控機床動態(tài)誤差方法。采用雙目視覺系統(tǒng)結(jié)合標(biāo)志點在大范圍內(nèi)測量五軸聯(lián)動數(shù)控 機床軌跡誤差，根據(jù)視覺測量的三維重建功能實現(xiàn)空間軌跡誤差單次測量多項分離。首先 在機床刀具端與工作臺表面布置不同幾何尺寸和顏色的球形標(biāo)志點，在機床未運動初始時 刻以球形標(biāo)志點為媒介標(biāo)定視覺坐標(biāo)系與機床參考坐標(biāo)系，以及視覺坐標(biāo)系與機床刀具主 軸坐標(biāo)系之間的位置關(guān)系。在機床運動過程中通過雙目視覺成像系統(tǒng)連續(xù)采集球形標(biāo)志點 圖像，并通過后續(xù)圖像處理算法求取任一幀圖像上標(biāo)志點空間坐標(biāo)。以機床逆運動學(xué)為依 據(jù)求解數(shù)控機床各軸實際運動量，通過比較數(shù)控指令理論值與測量實際值求取數(shù)控機床各 軸運動量偏差。本發(fā)明提出的測量方法相比于其他機床誤差測量方法測量流程簡單，并且 可單次測量求得多項誤差。本發(fā)明提高了誤差測量精度，也擴大了機床動態(tài)空間軌跡測量 范圍。
[0005] 本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是五軸數(shù)控機床動態(tài)誤差視覺測量方法，采用雙目像機 在大范圍內(nèi)測量數(shù)控機床動態(tài)空間誤差，其特征是，測量方法根據(jù)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球形標(biāo)志點，球 形標(biāo)志點具有不同幾何尺寸和顏色；利用球形標(biāo)志點特征信息標(biāo)定視覺坐標(biāo)系與機床參考 坐標(biāo)系，視覺坐標(biāo)系與機床刀具主軸坐標(biāo)系之間的位置關(guān)系；測量過程中利用視覺測量系 統(tǒng)連續(xù)采集球形標(biāo)志點圖像，通過后續(xù)圖像處理算法求取任一幀圖像上球形標(biāo)志點空間坐 標(biāo)；以機床逆運動學(xué)為依據(jù)結(jié)合當(dāng)前狀態(tài)與初始狀態(tài)下各個球形標(biāo)志點之間的位置關(guān)系解 算數(shù)控機床各軸實際運動量，最后通過比較理論數(shù)控指令值與測量實際值計算數(shù)控機床各 軸運動量偏差；具體求解步驟如下：
[0006] (1)左右高速像機標(biāo)定
[0007] 本發(fā)明采用張氏標(biāo)定法結(jié)合高精度加工的二維棋盤格靶標(biāo)標(biāo)定左、右高速像機7、 8,其標(biāo)定表達(dá)式為：
[0008]
[0009] 式中，（uQ，v。）為高速像機拍攝圖像的主點坐標(biāo)，（Cx，Cy)為高速像機像元在橫、縱 方向的等效焦距，R為旋轉(zhuǎn)矩陣，T為平移矩陣，它們描述了高速像機坐標(biāo)系與世界坐標(biāo)系 之間相對位置關(guān)系；(XW，YW，ZW)為物方控制點在世界坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)，Μ為標(biāo)定高速像 機用內(nèi)參數(shù)矩陣，Ρ為外參數(shù)矩陣，（U,V)為物方控制點成像在CCD上的像素坐標(biāo)；為了消除 高速像機成像過程中產(chǎn)生的畸變將第一階與第二階徑向畸變系數(shù)4、k2以及第一階和第二 階切向畸變參數(shù)Pl、p2引入到像機成像模型中消除畸變；這樣在慮及畸變基礎(chǔ)上Cx、Cy、u。、 v。、Vk2、Pl、p2構(gòu)成成像模型9個內(nèi)參數(shù)，R、T構(gòu)成6個獨立的外參數(shù)；根據(jù)二維平面靶標(biāo) 上棋盤格三維點與成像二維點的對應(yīng)關(guān)系即可求解每一個像機的內(nèi)、外以及畸變參數(shù)；
[0010] 標(biāo)定完每一個高速像機獨立參數(shù)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(guān)系，計算表達(dá)式為：
[0011]
[0012] 其中，Xl=(uuVl，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(biāo)， X^=(UpV"l)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(biāo)，XpXj^為一 對匹配點；F為3階方陣，含9個未知數(shù)，8個獨立的未知參數(shù)；采用八對匹配點即可求解F， 為了增加求解的魯棒性，本發(fā)明利用多對匹配點采用最小二乘法擬合求解；
[0013] 確定各坐標(biāo)系位置關(guān)系
[0014] 為方便建立坐標(biāo)變換模型，設(shè)機床各運動軸的坐標(biāo)系原點位于同一鉛垂線上，機 床刀具主軸坐標(biāo)系os-xsYszs9的原點(^設(shè)置在刀尖，；機床C軸坐標(biāo)系0c-xcYczc 11坐標(biāo)系 原點〇c建立在C軸旋轉(zhuǎn)臺頂面中心處；機床A軸坐標(biāo)系0A-XAYAZA 12建立在A軸與C軸交 點％處，將機床參考坐標(biāo)系0R_XRYRZR13與機床A軸坐標(biāo)系0Α-ΧΑΥΑΖΑ 12重合，運動時參考坐 標(biāo)系保持不動；
[0015] 設(shè)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(biāo)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(zhuǎn)軸線原點0C、0R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(biāo)系0εε-ΧεεΥεεΖεε10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(shù)控系統(tǒng)直接讀出；
[0016] (2)布置球形標(biāo)志點
[0017] 采用球形標(biāo)志點作為特征信息測量機床空間軌跡誤差；球形標(biāo)志點分為四類：機 床刀具端球形標(biāo)志點14、C軸中心球形標(biāo)志點15、內(nèi)圈球形標(biāo)志點16以及外圈球形標(biāo)志點 17,該四類球形標(biāo)志點具有四種不同直徑，幾何尺寸已知，并且自發(fā)光；將機床刀具端多個 球形標(biāo)志點14安裝在機床刀具主軸S端，機床刀具端球形標(biāo)志點14在機床刀具主軸坐標(biāo) 系0S-XSYSZS9下的坐標(biāo)精確已知；一個C軸中心球形標(biāo)志點15、多個內(nèi)圈球形標(biāo)志點16以 及多個外圈球形標(biāo)志點17分別安裝在機床C軸回轉(zhuǎn)臺面上，C軸中心球形標(biāo)志點15球心 位于C軸回轉(zhuǎn)軸線上；各球形標(biāo)志點相對于C軸中心球形標(biāo)志點15的位置精確已知；
[0018] 3)靜態(tài)圖像采集
[0019] 利用左、右高速像機7、8采集機床刀具端球形標(biāo)志點14、C軸中心球形標(biāo)志點15、 內(nèi)圈球形標(biāo)志點16以及外圈球形標(biāo)志點17靜態(tài)圖像，隨后對球形標(biāo)志點進(jìn)行圖像處理，包 括標(biāo)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(biāo)志點中心，其計算表達(dá) 式為：
[0020]
[0021] 其中，（i，j)代表圖像像素點坐標(biāo)，m，η為圖像在橫、縱方向的所含的像素的數(shù)量； (X，y)為圖像的質(zhì)心坐標(biāo)，f(i，j)為像素坐標(biāo)（i，j)處的灰度值；求得質(zhì)心點坐標(biāo)后根據(jù)標(biāo) 志點在圖像中占有的面積大小以及以確定的基礎(chǔ)矩陣F識別相匹配的標(biāo)志點對；
[0022] 在提取兩像機拍攝標(biāo)定點的圖像坐標(biāo)，根據(jù)同一空間點在左右圖像上的對應(yīng)關(guān) 系，利用重建算法計算控制點的三維坐標(biāo)；重建公式如表達(dá)式（4):
[002；
[0024]其中，（Xw，Yw，Zw，1)為物方控制點P在世界坐標(biāo)系下的齊次坐標(biāo)，Xl=(uVl，1)、 Xl=(up1)分別為點P在左右像機的成像平面上像素點齊次坐標(biāo)，Mn 為左右像機對 應(yīng)的投影矩陣；分別為物方控制點P在兩像機坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，整理方程組得到重建 點的三維坐標(biāo)：
[0025]
(5)
[0026]其中， ?
在獲得球形 標(biāo)志點在視覺坐標(biāo)系下三維坐標(biāo)，根據(jù)同一球形標(biāo)志點在不同坐標(biāo)系下對應(yīng)關(guān)系求解坐標(biāo) 系之間的轉(zhuǎn)換矩陣，公式如下：
[0028] 其中，為機床參考坐標(biāo)系0R-XRYRZR 13到機床Α軸坐標(biāo)系0Α-ΧΑΥΑΖΑ 12的轉(zhuǎn) 換矩陣，為機床Α軸坐標(biāo)系0Α-ΧΑΥΑΖΑ 12到機床C軸坐標(biāo)系0ε-ΧεΥεΖε 11的轉(zhuǎn)換矩 陣，"5翁為機床C軸坐標(biāo)系0ε-ΧεΥεΖε 11到視覺坐標(biāo)系10的轉(zhuǎn)換矩陣，b為 〇c、〇兩點之間的垂直距離，%'Λ為第i個C軸工作臺面標(biāo)志點在機床參 考坐標(biāo)系〇R-xRYRzR下的三維齊次坐標(biāo)，^ 為第i個C軸工作臺面標(biāo) 志點在視覺坐標(biāo)系〇εε-ΧεΛεΖεε 10下的三維齊次坐標(biāo)，V分別為機床參考坐標(biāo)系 0R-XRYRZR 13與視覺坐標(biāo)系0CC-XCCYCCZCC10之間的旋轉(zhuǎn)矩陣與平