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一种点激光位移传感器在任意安装位姿下的光束标定方法技术

技术编号:20358266 阅读:28 留言:0更新日期:2019-02-16 14:35
一种点激光位移传感器在任意安装位姿下的光束标定方法。激光三角法误差分析;点激光位移传感器误差校对;坐标系的建立与转换;点激光位移传感器激光束单位方向向量公式推导;标定块设计及点激光位移传感器激光束单位方向向量误差补偿;激光束的校准。通过定义激光束在任意安装位姿下的数学模型,利用现有的正弦规和分度盘组成点激光位移传感器光束标定系统,并建立标定系统的数学模型进行标定。推导点激光位移传感器测量物面时入射倾角、入射转角和入射偏角等的数学模型,通过误差校对实验,建立入射倾角、入射转角、入射偏角与测量深度的自由曲面四维误差补偿模型,对标定结果进行迭代补偿,有效提高点激光位移传感器光束的标定精度。

【技术实现步骤摘要】
一种点激光位移传感器在任意安装位姿下的光束标定方法
本专利技术涉及点激光位移传感器,尤其是涉及一种点激光位移传感器在任意安装位姿下的光束标定方法。
技术介绍
激光三角测距法作为一种比较成熟的非接触式测量位移方法,具有测量精度高、抗干扰能力强、结构简单和使用灵活等优点,被广泛应用于实际工业生产现场。随着该测量方法与现有高精度测量系统的融合,使激光三角测距传感器实现工件的高精度测量成为可能。由激光三角测距的原理可知,激光三角法测量的误差因素主要有:1)成像系统误差,主要受横向放大倍率和物镜畸变的影响;2)数据处理误差和系统安装误差;3)温度、湿度等环境因素误差;4)测量位姿引起的误差;主要包括被测表面颜色、粗糙度、安装倾角、安装转角等误差因素引起的位移值偏离误差。其中对于现有激光位移传感器而言,其数据的处理误差、系统安装误差、物镜畸变率、温度及湿度等环境因素均得到较高的控制。因此,影响激光三角测距精度的主要误差因素为测量位姿引入+的误差。参考文献1~3中激光位移传感器的激光束校准方法,然而这些研究在对激光束位姿的标定过程中,并未考虑入射倾角、入射转角、入射偏角等对测量精度的影响,这影响了激光束的位姿标定精度和后续的检测精度。参考文献:[1]Zhou,H.C.,Zeng,L.Z.,Chen,J.H.,Calibrationoflightbeam'sdirectionofpointlightsourceprobe,ChineseJournalofScientificInstrument25(3),388-391(2004).[2]Lu,K.Q.,Wang,W.,Chen,Z.C.,Calibrationoflaserbeam-directionforpointlasersensors,OpticsandPrecisionEngineering18(4),880-886(2010).[3]Zhang,L.Y.,Yi,H.M.,Liu,S.L.,Linearcalibrationforon-machinemeasurementoflaserprobepose,EditorialOfficeofOpticsandPrecisionEngineering24(4),681-689(2016).
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种点激光位移传感器在任意安装位姿下的光束标定方法。本专利技术主要包括:通过定义激光束在任意安装位姿下,被测物面的入射倾角、入射转角和入射偏角等被测物面几何特性的数学模型,并结合实验分析这些参数对测量精度的影响;建立基于激光测量系统的自由曲面四维误差补偿模型;确定激光束在任意安装位姿下的光束标定方法。本专利技术的具体步骤为:1)激光三角法误差分析;在步骤1)中,所述激光三角法误差分析的具体方法可为:采用激光三角法测距原理,激光源发射的激光束经过汇聚透镜后形成直径很小的汇聚点投射到被测物体的表面上,产生的漫反射光通过接收物镜在CCD光敏面上成像,当被测物体表面发生位移时,CCD上成像点的位置将产生位移,准确测出像点在CCD上的变化量,通过激光三角法计算出被测工件的移动距离。2)点激光位移传感器误差校对;在步骤2)中,所述点激光位移传感器误差校对的具体方法可为:根据激光三角法测距原理,对点激光位移传感器进行入射倾角、入射转角和入射摆角三个测量位姿参数的误差校对,通过调整标准量块的高度获得,分别对入射倾角为-45°~45°,入射转角为0°~±180°进行激光误差校对,并建立入射倾角、入射转角、测量深度以及测量误差的点激光位移传感器四维误差图。3)坐标系的建立与转换;在步骤3)中,所述坐标系的建立与转换的具体方法可为:为了保证点激光传感器的测量精度,对激光位移传感器的安装位姿进行标定;假设激光位移传感器安装在四坐标测量仪的Z轴上,测量过程中,将点激光位移传感器的测量值从自身坐标系转换到基准坐标系下。4)点激光位移传感器激光束单位方向向量公式推导;5)标定块设计及点激光位移传感器激光束单位方向向量误差补偿;在步骤5)中,所述标定块设计及点激光位移传感器激光束单位方向向量误差补偿的具体方法可为:结合入射倾角、入射转角、测量深度以及测量误差的点激光位移传感器四维误差图对测量值进行误差迭代补偿。6)激光束的校准;在步骤6)中,所述激光束的校准具体方法可为:(1)结合校准块的高度和正弦规的相关安装参数,入射倾斜角、入射旋转角和入射偏转角由平面α、平面β的基本参数A,B,C和点激光位移传感器的估计安装姿态确定;(2)旋转测量平台,调整点激光位移传感器与校准平面α之间的距离,使得点激光位移传感器在可测量范围内测量平面α,记录激光值d1和测量点的初始坐标(x1,y1,z1);(3)令点激光位移传感器沿-X轴等距移动,测量系统每一步采样一次Δx,分别记录激光值d1和X轴上的光栅读数xi,假设进给数为n,则可以获得n+1组补偿数据(4)a1的初始补偿值可以通过公式获得,其中:(5)当点激光位移传感器沿-Y轴移动Δy或沿-Z轴移动Δz时,可以获得b1或c1的初始补偿值;(6)重复步骤(2)~(5),得到另一个校准平面β的a2,b2和c2的初始补偿值,获得激光束l、m、n的初始单位矢量:(7)假设误差函数是f(l,m,n,a1,2,b1,2,c1,2),然后在重复迭代之后,可以得到精确的l、m、n值。本专利技术涉及一种点激光位移传感器在任意安装位姿下的光束标定方法,相较于当前点激光位移传感器的标定方法,本专利技术通过定义激光束在任意安装位姿下的数学模型,利用现有的正弦规和分度盘组成点激光位移传感器光束标定系统,并建立标定系统的数学模型进行标定,非常便利、且快速有效的点激光位移传感器光束的标定。同时相较于当前点激光位移传感器的标定方法,本专利技术还推导点激光位移传感器测量物面时入射倾角、入射转角和入射偏角等的数学模型,通过误差校对实验,建立入射倾角、入射转角、入射偏角与测量深度的自由曲面四维误差补偿模型,对标定结果进行迭代补偿,有效提高点激光位移传感器光束的标定精度。附图说明图1为激光三角法测量原理图。图2为误差实验原理图。在图2中,标记为:1点激光位移传感器、2分度盘、3正弦规、4量块。图3为激光位移传感器四维误差图。在图3中,(a)为0~180°,(b)为-180~0°。图4为坐标系转换过程。在图4中,标记为:1点激光位移传感器、2标准棒。图5为单项向量标定过程简图。图6为标定块安装原理图。在图6中,标记为:1正弦规、2分度盘、3点激光位移传感器、4量块、5平面α、6平面β。具体实施方式以下实施例将结合附图对本专利技术作进一步的说明。1、激光三角法误差分析由激光三角法的测距原理可知,激光源发射的激光束经过汇聚透镜后形成直径很小的汇聚点投射到被测物体的表面上,产生的漫反射光通过接收物镜在CCD光敏面上成像,当被测物体表面发生位移时,CCD上成像点的位置也将产生位移。当被测物体位于汇聚透镜焦点上(激光传感器位移值为0),光点A将被物镜成像于B点。物体离焦时,光点A’将成像与B’。由图1可知,如果能够准确测出像点在CCD上的变化量x’,那么通过激光三角法的测量原理,就可以进一步计算出被测工件的移动距离x。由如图1可知,利用相似三角形的比例关系,则本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种点激光位移传感器在任意安装位姿下的光束标定方法,其特征在于其具体步骤为:1)激光三角法误差分析;2)点激光位移传感器误差校对;3)坐标系的建立与转换;4)点激光位移传感器激光束单位方向向量公式推导;5)标定块设计及点激光位移传感器激光束单位方向向量误差补偿;6)激光束的校准。

【技术特征摘要】
1.一种点激光位移传感器在任意安装位姿下的光束标定方法,其特征在于其具体步骤为:1)激光三角法误差分析;2)点激光位移传感器误差校对;3)坐标系的建立与转换;4)点激光位移传感器激光束单位方向向量公式推导;5)标定块设计及点激光位移传感器激光束单位方向向量误差补偿;6)激光束的校准。2.如权利要求1所述一种点激光位移传感器在任意安装位姿下的光束标定方法,其特征在于在步骤1)中,所述激光三角法误差分析的具体方法为:采用激光三角法测距原理,激光源发射的激光束经过汇聚透镜后形成直径很小的汇聚点投射到被测物体的表面上,产生的漫反射光通过接收物镜在CCD光敏面上成像,当被测物体表面发生位移时,CCD上成像点的位置将产生位移,准确测出像点在CCD上的变化量,通过激光三角法计算出被测工件的移动距离。3.如权利要求1所述一种点激光位移传感器在任意安装位姿下的光束标定方法,其特征在于在步骤2)中,所述点激光位移传感器误差校对的具体方法为:根据激光三角法测距原理,对点激光位移传感器进行入射倾角、入射转角和入射摆角三个测量位姿参数的误差校对,通过调整标准量块的高度获得,分别对入射倾角为-45°~45°,入射转角为0°~±180°进行激光误差校对,并建立入射倾角、入射转角、测量深度以及测量误差的点激光位移传感器四维误差图。4.如权利要求1所述一种点激光位移传感器在任意安装位姿下的光束标定方法,其特征在于在步骤3)中,所述坐标系的建立与转换的具体方法为:为了保证点激光传感器的测量精度,对激光位移传感器的安装位姿进行标定;假设激光位...

【专利技术属性】
技术研发人员:姚斌卢杰蔡志钦马晓帆李阳郑清
申请(专利权)人:厦门大学
类型:发明
国别省市:福建,35

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