五轴数控机床动态误差视觉测量方法技术

本发明专利技术五轴数控机床动态误差视觉测量方法属于机床几何误差测量领域，涉及一种利用双目视觉测量机床动态空间轨迹误差的方法。测量方法根据双目视觉测量的三维感知功能，单次测量分离多项误差；在机床刀具端与工作台表面合理布置四类球形标志点，利用球形标志点特征信息标定视觉坐标系、机床参考坐标系，机床刀具主轴坐标系之间的位置关系。测量过程中视觉测量系统连续静动态采集球形标志点图像后，求解机床各轴运动误差，将求得理论值与机床实际运动量相结合求解各轴运动误差。本发明专利技术采用双目高速像机测量机床空间轨迹误差既提高了误差测量精度又增加了机床运动轨迹测量范围，测量方法简单、可靠，简化了测量流程。

【技术实现步骤摘要】
五轴数控机床动态误差视觉测量方法
本专利技术属于机床几何误差测量领域，涉及一种利用双目视觉测量机床动态空间轨迹误差的方法。
技术介绍
五轴联动数控机床是衡量一个国家装配与制造水平的重要象征，是航空航天，船舶、汽车等国家重大工程领域核心变曲率部件的主要加工机床。由于机床设计、制造水平的限制以及其他耦合因素的影响，存在误差，使得数控机床加工工程中刀具与工件之间的实际位置偏离理论位置，降低了加工精度，提高数控机床制造精度是该领域面临的重大问题。空间误差是机床误差的主要来源，动态空间轨迹误差作为空间误差的一种相比于静态误差更能反映机床的真实加工状态。因此，实现数控机床动态空间轨迹误差高精度测量，对于提高机床加工精度具有重要意义。深圳市大族激光科技股份有限公司的杨朝辉、陈百强专利技术的专利号为CN103894882A“高速机床动态误差测量系统”专利技术了一种采用视觉测量机床动态误差的测量系统，该系统虽能测量机床动态误差，但是测量过程中采用显微镜头，结合微米级的光线刻板视场很难做的很大。因此测量的机床动态误差很难反映机床的整体性能。沈阳机床有限责任公司的刘阔专利技术的专利为CN104097114A“一种多轴联动数控机床的几何误差测量与分离技术”专利技术了一种采用激光干涉仪测量三轴机床15项误差。虽然该方法为机床检测提供了一种新的手段，但是采用的激光干涉仪无法实现机床多项几何误差的同时测量。
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，专利技术了一种采用双目视觉测量五轴数控机床动态误差方法。采用双目视觉系统结合标志点在大范围内测量五轴联动数控机床轨迹误差，根据视觉测量的三维重建功能实现空间轨迹误差单次测量多项分离。首先在机床刀具端与工作台表面布置不同几何尺寸和颜色的球形标志点，在机床未运动初始时刻以球形标志点为媒介标定视觉坐标系与机床参考坐标系，以及视觉坐标系与机床刀具主轴坐标系之间的位置关系。在机床运动过程中通过双目视觉成像系统连续采集球形标志点图像，并通过后续图像处理算法求取任一帧图像上标志点空间坐标。以机床逆运动学为依据求解数控机床各轴实际运动量，通过比较数控指令理论值与测量实际值求取数控机床各轴运动量偏差。本专利技术提出的测量方法相比于其他机床误差测量方法测量流程简单，并且可单次测量求得多项误差。本专利技术提高了误差测量精度，也扩大了机床动态空间轨迹测量范围。本专利技术所采用的技术方案是五轴数控机床动态误差视觉测量方法，采用双目像机在大范围内测量数控机床动态空间误差，其特征是，测量方法根据双目视觉测量的三维感知功能，单次测量分离多项误差；首先在机床刀具端与工作台表面合理布置球形标志点，球形标志点具有不同几何尺寸和颜色；利用球形标志点特征信息标定视觉坐标系与机床参考坐标系，视觉坐标系与机床刀具主轴坐标系之间的位置关系；测量过程中利用视觉测量系统连续采集球形标志点图像，通过后续图像处理算法求取任一帧图像上球形标志点空间坐标；以机床逆运动学为依据结合当前状态与初始状态下各个球形标志点之间的位置关系解算数控机床各轴实际运动量，最后通过比较理论数控指令值与测量实际值计算数控机床各轴运动量偏差；具体求解步骤如下：(1)左右高速像机标定本专利技术采用张氏标定法结合高精度加工的二维棋盘格靶标标定左、右高速像机7、8，其标定表达式为：式中，(u0,v0)为高速像机拍摄图像的主点坐标，(Cx,Cy)为高速像机像元在横、纵方向的等效焦距，R为旋转矩阵，T为平移矩阵，它们描述了高速像机坐标系与世界坐标系之间相对位置关系；(Xw,Yw,Zw)为物方控制点在世界坐标系下的三维坐标，M为标定高速像机用内参数矩阵，P为外参数矩阵，(u,v)为物方控制点成像在CCD上的像素坐标；为了消除高速像机成像过程中产生的畸变将第一阶与第二阶径向畸变系数k1、k2以及第一阶和第二阶切向畸变参数p1、p2引入到像机成像模型中消除畸变；这样在虑及畸变基础上Cx、Cy、u0、v0、k1、k2、p1、p2构成成像模型9个内参数，R、T构成6个独立的外参数；根据二维平面靶标上棋盘格三维点与成像二维点的对应关系即可求解每一个像机的内、外以及畸变参数；标定完每一个高速像机独立参数后，利用Longguet‐Higgins提出的归一化8点算法计算两高速像机成像点之间的极线几何约束关系，计算表达式为：xlTFxr＝0(2)其中，xl＝(ul,vl,1)为二维棋盘格角点在左高速像机上成像的像素点齐次坐标，xr＝(ur,vr,1)为同一二维棋盘格角点在右高速像机上成像的像素点齐次坐标，xl、xr为一对匹配点；F为3阶方阵，含9个未知数，8个独立的未知参数；采用八对匹配点即可求解F，为了增加求解的鲁棒性，本专利技术利用多对匹配点采用最小二乘法拟合求解；确定各坐标系位置关系为方便建立坐标变换模型，设机床各运动轴的坐标系原点位于同一铅垂线上，机床刀具主轴坐标系OS-XSYSZS9的原点OS设置在刀尖，；机床C轴坐标系OC-XCYCZC11坐标系原点OC建立在C轴旋转台顶面中心处；机床A轴坐标系OA-XAYAZA12建立在A轴与C轴交点OR处，将机床参考坐标系OR-XRYRZR13与机床A轴坐标系OA-XAYAZA12重合，运动时参考坐标系保持不动；设置机床加工零点，机床运动初始时刻机床各轴回零点，此时，机床各运动轴的坐标系原点位于同一铅垂线上，机床C轴部件5与机床A轴部件6回转轴线原点OC、OR两点之间的垂直距离为b；由左、右高速像机7、8所确定的视觉坐标系OCC-XCCYCCZCC10建立在左高速像机7的光心上；机床各轴所处位置由机床数控系统直接读出；(2)布置球形标志点采用球形标志点作为特征信息测量机床空间轨迹误差；球形标志点分为四类：机床刀具端球形标志点14、C轴中心球形标志点15、内圈球形标志点16以及外圈球形标志点17，该四类球形标志点具有四种不同直径，几何尺寸已知，并且自发光；将机床刀具端多个球形标志点14安装在机床刀具主轴S端，机床刀具端球形标志点14在机床刀具主轴坐标系OS-XSYSZS9下的坐标精确已知；一个C轴中心球形标志点15、多个内圈球形标志点16以及多个外圈球形标志点17分别安装在机床C轴回转台面上，C轴中心球形标志点15球心位于C轴回转轴线上；各球形标志点相对于C轴中心球形标志点15的位置精确已知；3)静态图像采集利用左、右高速像机7、8采集机床刀具端球形标志点14、C轴中心球形标志点15、内圈球形标志点16以及外圈球形标志点17静态图像，随后对球形标志点进行图像处理，包括标志点的提取、匹配和重建：采用灰度重心法提取算法定位球形标志点中心，其计算表达式为：其中，(i,j)代表图像像素点坐标，m，n为图像在横、纵方向的所含的像素的数量；(x,y)为图像的质心坐标，f(i,j)为像素坐标(i,j)处的灰度值；求得质心点坐标后根据标志点在图像中占有的面积大小以及以确定的基础矩阵F识别相匹配的标志点对；在提取两像机拍摄标定点的图像坐标，根据同一空间点在左右图像上的对应关系，利用重建算法计算控制点的三维坐标；重建公式如表达式(4)：其中，(Xw,Yw,Zw,1)为物方控制点P在世界坐标系下的齐次坐标，xl＝(ul,vl,1)、xr＝(ur,vr,1)分别为点P在左右像机的成像平面上像本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种五轴数控机床动态误差视觉测量方法，采用双目像机在大范围内测量数控机床动态空间误差，其特征是，测量方法根据双目视觉测量的三维感知功能，单次测量分离多项误差；首先在机床刀具端与工作台表面合理布置四类球形标志点，球形标志点具有不同几何尺寸和颜色；利用球形标志点特征信息标定视觉坐标系与机床参考坐标系、机床刀具主轴坐标系之间的位置关系；利用视觉测量系统连续采集球形标志点图像，进行图像处理；以机床逆运动学为依据，结合当前状态与初始状态下各个球形标志点之间的位置关系，解算数控机床各轴实际运动量，最后通过比较理论值与测量实际值，计算数控机床各轴运动量偏差；测量方法的具体求解步骤如下：(1)左右高速像机标定本专利技术采用张氏标定法结合高精度加工的二维棋盘格靶标标定左、右高速像机(7、8)，其标定表达式为：Zcuv1=Cx0u00Cyv0001RT0T1XwYwZw1=MPXwYwZw1---(1)]]>式中，(u0,v0)为高速像机拍摄图像的主点坐标，(Cx,Cy)为高速像机像元在横、纵方向的等效焦距，R为旋转矩阵，T为平移矩阵，它们描述了高速像机坐标系与世界坐标系之间相对位置关系；(Xw,Yw,Zw)为物方控制点在世界坐标系下的三维坐标，M为标定高速像机用内参数矩阵，P为外参数矩阵，(u,v)为物方控制点成像在CCD上的像素坐标；为了消除高速像机成像过程中产生的畸变将第一阶与第二阶径向畸变系数k1、k2以及第一阶和第二阶切向畸变参数p1、p2引入到像机成像模型中消除畸变；这样在虑及畸变基础上Cx、Cy、u0、v0、k1、k2、p1、p2构成成像模型9个内参数，R、T构成6个独立的外参数；根据二维平面靶标上棋盘格三维点与成像二维点的对应关系即可求解每一个像机的内、外以及畸变参数；标定完每一个高速像机独立参数后，利用Longguet‑Higgins提出的归一化8点算法计算两高速像机成像点之间的极线几何约束关系，计算表达式为：xlTFxr＝0          (2)其中，xl＝(ul,vl,1)为二维棋盘格角点在左高速像机上成像的像素点齐次坐标，xr＝(ur,vr,1)为同一二维棋盘格角点在右高速像机上成像的像素点齐次坐标，xl、xr为一对匹配点；F为3阶方阵，含9个未知数，8个独立的未知参数；采用八对匹配点即可求解F，为了增加求解的鲁棒性，本专利技术利用多对匹配点采用最小二乘法拟合求解；确定各坐标系位置关系，设机床各运动轴的坐标系原点位于同一铅垂线上，机床刀具主轴坐标系OS‑XSYSZS(9)的原点OS设置在刀尖，机床C轴坐标系OC‑XCYCZC(11)坐标系原点OC建立在C轴旋转台顶面中心处；机床A轴坐标系OA‑XAYAZA(12)建立在A轴与C轴交点OR处，将机床参考坐标系OR‑XRYRZR(13)与机床A轴坐标系OA‑XAYAZA(12)重合，运动时参考坐标系保持不动；设置机床加工零点，机床运动初始时刻机床各轴回零点，此时，机床各运动轴的坐标系原点位于同一铅垂线上，机床C轴部件(5)与机床A轴部件(6)回转轴线原点OC、OR两点之间的垂直距离为b；由左、右高速像机(7、8)所确定的视觉坐标系OCC‑XCCYCCZCC(10)建立在左高速像机(7)的光心上；机床各轴所处位置由机床数控系统直接读出；(2)布置球形标志点采用球形标志点作为特征信息测量机床空间轨迹误差；球形标志点分为四类：机床刀具端球形标志点(14)、C轴中心球形标志点(15)、内圈球形标志点(16)以及外圈球形标志点(17)，该四类球形标志点具有四种不同直径，几何尺寸已知，并且自发光；将机床刀具端多个球形标志点(14)安装在机床刀具主轴端，机床刀具端球形标志点(14)在机床刀具主轴坐标系OS‑XSYSZS(9)下的坐标精确已知；一个C轴中心球形标志点(15)、多个内圈球形标志点(16)以及多个外圈球形标志点(17)分别安装在机床C轴回转台面上，C轴中心球形标志点(15)球心位于C轴回转轴线上；各球形标志点相对于C轴中心球形标志点(15)的位置精确已知；(3)静态图像采集利用左、右高速像机(7、8)采集机床刀具端球形标志点(14)、C轴中心球形标志点(15)、内圈球形标志点(16)以及外圈球形标志点(17)静态图像，随后对球形标志点进行图像处理，包括标志点的提取、匹配和重建：采用灰度重心法提取算法定位球形标志点中心，其计算表达式为：x=Σi=1mΣj=1ni×f(i,j)Σi=1mΣj=1nf(i,j)y=Σi=1mΣj=1nj×f(i,j)Σi=1mΣj=1ni×f(i,j)---(3)]]>其中，(i,j)代表图像像素点坐标，m，n为图像在横、纵方向...

【技术特征摘要】
1.一种五轴数控机床动态误差视觉测量方法，采用双目像机在大范围内测量数控机床动态空间误差，其特征是，测量方法根据双目视觉测量的三维感知功能，单次测量分离多项误差；首先在机床刀具端与工作台表面合理布置四类球形标志点，球形标志点具有不同几何尺寸和颜色；利用球形标志点特征信息标定视觉坐标系与机床参考坐标系、机床刀具主轴坐标系之间的位置关系；利用视觉测量系统连续采集球形标志点图像，进行图像处理；以机床逆运动学为依据，结合当前状态与初始状态下各个球形标志点之间的位置关系，解算数控机床各轴实际运动量，最后通过比较理论值与测量实际值，计算数控机床各轴运动量偏差；测量方法的具体求解步骤如下：(1)左右高速像机标定本发明采用张氏标定法结合高精度加工的二维棋盘格靶标标定左、右高速像机(7、8)，其标定表达式为：式中，(u0,v0)为高速像机拍摄图像的主点坐标，(Cx,Cy)为高速像机像元在横、纵方向的等效焦距，R为旋转矩阵，T为平移矩阵，它们描述了高速像机坐标系与世界坐标系之间相对位置关系；(Xw,Yw,Zw)为物方控制点在世界坐标系下的三维坐标，M为标定高速像机用内参数矩阵，P为外参数矩阵，(u,v)为物方控制点成像在CCD上的像素坐标；为了消除高速像机成像过程中产生的畸变将第一阶与第二阶径向畸变系数k1、k2以及第一阶和第二阶切向畸变参数p1、p2引入到像机成像模型中消除畸变；这样在虑及畸变基础上Cx、Cy、u0、v0、k1、k2、p1、p2构成成像模型9个内参数，R、T构成6个独立的外参数；根据二维平面靶标上棋盘格三维点与成像二维点的对应关系即可求解每一个像机的内、外以及畸变参数；标定完每一个高速像机独立参数后，利用Longguet-Higgins提出的归一化8点算法计算两高速像机成像点之间的极线几何约束关系，计算表达式为：xlTFxr＝0(2)其中，xl＝(ul,vl,1)为二维棋盘格角点在左高速像机上成像的像素点齐次坐标，xr＝(ur,vr,1)为同一二维棋盘格角点在右高速像机上成像的像素点齐次坐标，xl、xr为一对匹配点；F为3阶方阵，含9个未知数，8个独立的未知参数；采用八对匹配点即可求解F，为了增加求解的鲁棒性，本发明利用多对匹配点采用最小二乘法拟合求解；确定各坐标系位置关系，设机床各运动轴的坐标系原点位于同一铅垂线上，机床刀具主轴坐标系OS-XSYSZS(9)的原点OS设置在刀尖，机床C轴坐标系OC-XCYCZC(11)坐标系原点OC建立在C轴旋转台顶面中心处；机床A轴坐标系OA-XAYAZA(12)建立在A轴与C轴交点OR处，将机床参考坐标系OR-XRYRZR(13)与机床A轴坐标系OA-XAYAZA(12)重合，运动时参考坐标系保持不动；设置机床加工零点，机床运动初始时刻机床各轴回零点，此时，机床各运动轴的坐标系原点位于同一铅垂线上，机床C轴部件(5)与机床A轴部件(6)回转轴线原点OC、OR两点之间的垂直距离为b；由左、右高速像机(7、8)所确定的视觉坐标系OCC-XCCYCCZCC(10)建立在左高速像机(7)的光心上；机床各轴所处位置由机床数控系统直接读出；(2)布置球形标志点采用球形标志点作为特征信息测量机床空间轨迹误差；球形标志点分为四类：机床刀具端球形标志点(14)、C轴中心球形标志点(15)、内圈球形标志点(16)以及外圈球形标志点(17)，该四类球形标志点具有四种不同直径，几何尺寸已知，并且自发光；将机床刀具端多个球形标志点(14)安装在机床刀具主轴端，机床刀具端球形标志点(14)在机床刀具主轴坐标系OS-XSYSZS(9)下的坐标精确已知；一个C轴中心球形标志点(15)、多个内圈球形标志点(16)以及多个外圈球形标志点(17)分别安装在机床C轴回转台面上，C轴中心球形标志点(15)球心位于C轴回转轴线上；各球形标志点相对于C轴中心球形标志点(15)的位置精确已知；(3)静态图像采集利用左、右高速像机(7、8)采集机床刀具端球形标志点(14)、C轴中心球形标志点(15)、内圈球形标志点(16)以及外...

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