一种五轴数控机床直线轴几何误差检测方法技术

本发明专利技术一种五轴数控机床直线轴几何误差检测方法属于机床精度检测技术领域，涉及一种五轴数控机床的直线轴误差检测与辨识方法。检测方法中，利用三个高分辨率相机搭建三目测量装置，采集固定在工作台上随机床X轴或Y轴做直线运动的三个自发光特征靶球图像；经过相机标定、特征点位置信息提取和三个相机测量信息的融合，得到特征靶球的球心三维坐标，测量机床X、Y轴的直线轴几何误差。该方法有效的提高了数控机床直线轴误差测量效率，避免了复杂的辨识模型和繁琐的测量过程，实现数控机床直线轴几何误差的测量，具有方便、快捷、抗噪能力强、鲁棒性好、可以同时测量多项机床直线轴几何误差的特点。

Method for detecting geometric error of linear axis of five axis NC machine tool

The invention relates to a method for detecting the geometric error of a linear axis of a five axis NC machine tool, belonging to the technical field of machine tool precision detection, relating to a method for detecting and identifying the linear axis error of a five axis numerical control machine tool. The detection method, build three mesh measuring device using three high resolution camera acquisition, fixed on the work table of random bed X axis and Y axis linear motion of three self luminous characteristics of target image; after fusion camera calibration, feature point information extraction and three camera measurement information, 3D coordinate center have the characteristics of target ball, linear axis machine tool geometric error measurement X, Y axis. This method improves the measurement efficiency of NC machine tool linear axis error, avoid the identification model of complex and tedious process of measurement, measurement of geometric errors of CNC machine tool linear axis, which is convenient, quick, strong anti noise ability and good robustness, can simultaneously measure the number of machine tool linear axis geometric error.

【技术实现步骤摘要】
一种五轴数控机床直线轴几何误差检测方法
本专利技术属于机床精度检测
，涉及一种五轴数控机床的直线轴误差检测与辨识方法。
技术介绍
随着航空、航天、船舶技术的发展，具有复杂空间跨尺度结构的零件逐渐成为诸类领域的核心部件。此外，这些零件如发动机叶轮、船用螺旋桨等为保证足够的强度与刚度常常采用复杂工艺，零件的高效、高质加工直接影响着装备的工作性能，对机床性能有很高要求。五轴数控机床凭借高灵活性与高精度加工优势被广泛应用于复杂难加工零件制造中。然而，机床设计以及制造精度限制了五轴数控机床的加工精度。机床几何精度直接影响被加工零件的加工精度，为提高零件加工精度，机床各项几何误差的精确检测具有重要意义。机床直线轴几何误差是机床几何误差的重要组成部分，定期检测机床直线轴几何误差从而为误差补偿提供数据支撑，对于提高数控机床加工精度具有重要意义。目前五轴数控机床直线轴几何误差的检测手段主要有：光栅检测法、激光干涉仪法和水平仪测量法等。沈阳机床有限责任公司刘阔专利技术的专利号为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项误差的方法，但是使用激光干涉仪测量周期长，误差只能单项检测，不能实现多项误差的同步检测；西安交通大学郭俊杰专利技术的专利号为CN103737426A“一种数控机床旋转轴几何误差三线测量法”利用激光跟踪仪以及配套猫眼实现了机床旋转轴几何误差的测量，测量精度受限于激光跟踪仪转角定位精度，测量设备成本较高。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术难题是克服现有的技术缺陷，专利技术一种五轴数控机床直线轴几何误差检测方法，利用三台相机采集机床运动过程中固定在机床工作台上的特征靶球的位置信息，后经图像、数据处理完成机床直线轴多项几何误差的测量。三台相机之间任意两个相机的光轴相互垂直，且三个相机的光轴与机床坐标系的三个坐标轴分别平行。数控系统控制机床工作台分别沿机床X轴和Y轴做直线运动，利用相机采集运动过程中特征靶球位置图像。经过图像处理，重建得到用于表征机床运动位置的特征靶球球心三维坐标，并与机床理论运动位置相比得到机床直线轴的直线度误差、定位误差及机床X轴和Y轴所形成平面的平面度误差。此方法采用自发光特征靶球，不仅图像特征提取精度高，而且程序简单，测量方法具有很高的鲁棒性，测量速度快，可以同时测量多项误差。本专利技术采用的技术方案是一种五轴数控机床直线轴几何误差检测方法，其特征是，检测方法中，利用三个高分辨率相机搭建三目测量装置，采集固定在机床工作台上随机床X轴或Y轴做直线运动的自发光A、B、C特征靶球图像；经过相机标定、特征点位置信息提取和三个相机测量信息的融合，得到特征靶球的球心三维坐标，测量机床X、Y轴的直线轴几何误差；检测方法的具体步骤如下：第一步搭建三目测量装置，并进行相机标定；搭建时，三台相机中任意两个相机光轴相互垂直，组成空间测量坐标系；1号相机1光轴平行于机床X轴方向，2号相机2光轴平行于机床Y轴方向，3号相机3光轴平行于机床主轴Z方向，保证由相机光轴组成的坐标系与机床坐标系方向相同，将1号、2号、3号相机1、2、3分别固定在相机调整架4上；进行相机标定，相机标定是对相机内参数(αx,αy,u0,v0)和外参数[RT]的求解；三个相机通过针孔成像模型建立图像坐标系与世界坐标系之间的一一对应关系；采用3D立体靶标标定法对三个相机分别进行标定；其标定表达式为：其中，M表示投影矩阵，mij表示投影矩阵的i行j列元素；(Xwi,Ywi,Zwi,1)表示3D立体靶标中第i个点在世界坐标系中的坐标，(ui,vi,1)表示第i个点的图像坐标，s表示比例因子表示相机的内参数，[RT]表示相机的外参数；第二步特征靶球的安装以及特征靶球图像处理在机床工作台8上分别安装三个A、B、C特征靶球6、5、7，先将A特征靶球6安装在机床工作台中心，B、C特征靶球5、7分别安装在A特征靶球6的两边，调节特征靶球在机床工作台8上的位置，使其在三个相机视场内成像完整互不遮挡；三个特征靶球具有不同的直径，即dA＞dB＞dC，特征靶球直径不同便于不同相机中图像特征信息的匹配；为准确提取特征靶球球心坐标，图像经过降噪，滤波处理之后，利用带阈值的灰度重心法提取特征靶球的球心，计算公式为：其中F(x,y)表示图像灰度函数，f(x,y)表示图像灰度，T代表背景阈值；(x0,y0)表示所求的灰度重心，m,n表示图像在横、纵方向上所包含的像素的数量；利用带阈值的灰度中心法可以提取特征靶球球心的图像坐标；第三步测量机床X、Y轴的直线轴几何误差，机床X、Y轴的直线轴几何误差包括定位误差、直线度误差、机床平面度误差；以机床X轴的几何误差求解为例，进行详细说明，Y轴的直线轴几何误差求解与X轴相同；由相机光轴组成测量坐标系，并与世界坐标系重合建立在机床零点处，数控系统控制机床沿X轴方向运动；选定测量范围为N(mm)×N(mm)，将有效测量范围等分成L段，相对应得到L+1个数据采集位置，在这L+1个数据采集位置处采集特征靶球的位置信息；经图像特征信息提取，解得特征靶球球心在测量坐标系中三维坐标，用以表征机床的实际运动信息；在测量机床X轴方向的定位误差时，机床工作台8沿机床X轴方向运动，在测量过程中，由于特征靶球在1号相机1光轴平行于机床X轴方向的相机内，其成像存在景深方向的变化，因此会出现超景深现象影响测量结果；而2号相机2和3号相机3内特征靶球成像不存在景深方向变化，故求解机床X轴定位误差时采用2号相机2和3号相机3所采集的数据；机床工作台8运动到机床零点处，机床零点同时也是测量坐标系与世界坐标系的零点，将此时各相机采集的图像作为基础图像，2号相机2所测是第K个点相对于第一个点在测量坐标系X方向的变化量dx以及在测量坐标系Z方向的变化dz，3号相机3测量的是第K个点相对于第一个点在测量坐标系X方向的变化量dx以及在测量坐标系Y方向的变化dy，经过两台相机中测量信息的融合，得到K点在测量坐标系中的三维坐标，记作其中i表示在K点处的测量次数，i＝1,2,...n；第四步机床直线轴几何误差分析求解a)定位误差求解机床直线轴的定位精度是指机床定位至程序目标点的精确程度；定位误差是机床实际定位点偏离程序目标点的数值；定位误差求解公式：其中，表示在第K个测量点处第i次测量得到的实际坐标，表示第K个点处测量i次的平均定位误差，δk表示第K个测量点处定位误差的标准偏差，δx表示机床X轴的定位误差；b)直线度误差求解测量机床X轴直线度误差同定位误差一样，是利用2号相机2和3号相机3采集特征靶球运动信息；求解特征靶球球心位置，与理想位置比较得到直线度误差；第K测量点在测量坐标系中的坐标为i表示第K个测量点第i次测量，采用最小二乘评定法评定机床直线轴直线度误差；对第K个测量点处的多次测量结果进行处理，即求多次测量的平均值：记为表示第K个测量点的实际坐标，其中，利用最小二乘法拟合空间直线方程：Ax+By+Cz+D＝0(5)其中，A，B，C，D为空间直线方程系数其中，表示对第K个点的多次测量结果求平均，并用它表示此时K点的实际位置信息；分别表示测量点Y坐标距离拟合直线的最大Y向距离和最小Y向距离；分别表示测量点Z坐标距离拟合直本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种五轴数控机床直线轴几何误差检测方法，其特征是，检测方法中，利用三个高分辨率相机搭建三目测量装置，采集固定在机床工作台上随机床X轴或Y轴做直线运动的自发光A、B、C特征靶球图像；经过相机标定、特征点位置信息提取和三个相机测量信息的融合，得到特征靶球的球心三维坐标，测量机床X、Y轴的直线轴几何误差；检测方法的具体步骤如下：第一步搭建三目测量装置，并进行相机标定；搭建时，三台相机中任意两个相机光轴相互垂直，组成空间测量坐标系；1号相机(1)光轴平行于机床X轴方向，2号相机(2)光轴平行于机床Y轴方向，3号相机(3)光轴平行于机床主轴Z方向，保证由相机光轴组成的坐标系与机床坐标系方向相同，将1号、2号、3号相机(1、2、3)分别固定在相机调整架(4)上；进行相机标定，相机标定是对相机内参数(α

【技术特征摘要】
1.一种五轴数控机床直线轴几何误差检测方法，其特征是，检测方法中，利用三个高分辨率相机搭建三目测量装置，采集固定在机床工作台上随机床X轴或Y轴做直线运动的自发光A、B、C特征靶球图像；经过相机标定、特征点位置信息提取和三个相机测量信息的融合，得到特征靶球的球心三维坐标，测量机床X、Y轴的直线轴几何误差；检测方法的具体步骤如下：第一步搭建三目测量装置，并进行相机标定；搭建时，三台相机中任意两个相机光轴相互垂直，组成空间测量坐标系；1号相机(1)光轴平行于机床X轴方向，2号相机(2)光轴平行于机床Y轴方向，3号相机(3)光轴平行于机床主轴Z方向，保证由相机光轴组成的坐标系与机床坐标系方向相同，将1号、2号、3号相机(1、2、3)分别固定在相机调整架(4)上；进行相机标定，相机标定是对相机内参数(αx,αy,u0,v0)和外参数[RT]的求解；三个相机通过针孔成像模型建立图像坐标系与世界坐标系之间的一一对应关系；采用3D立体靶标标定法对三个相机分别进行标定；其标定表达式为：其中，M表示投影矩阵，mij表示投影矩阵的i行j列元素；(Xwi,Ywi,Zwi,1)表示3D立体靶标中第i个点在世界坐标系中的坐标，(ui,vi,1)表示第i个点的图像坐标，s表示比例因子表示相机的内参数，[RT]表示相机的外参数；第二步特征靶球的安装以及特征靶球图像处理在机床工作台(8)上分别安装三个A、B、C特征靶球(6、5、7)，先将A特征靶球(6)安装在机床工作台中心，B、C特征靶球(5、7)分别安装在A特征靶球(6)的两边，调节特征靶球在机床工作台(8)上的位置，使其在三个相机视场内成像完整互不遮挡；三个特征靶球具有不同的直径，即dA>dB>dC，特征靶球直径不同便于不同相机中图像特征信息的匹配；为准确提取特征靶球球心坐标，图像经过降噪，滤波处理之后，利用带阈值的灰度重心法提取特征靶球的球心，计算公式为：其中F(x,y)表示图像灰度函数，f(x,y)表示图像灰度，T代表背景阈值；(x0,y0)表示所求的灰度重心，m,n表示图像在横、纵方向上所包含的像素的数量；利用带阈值的灰度中心法可以提取特征靶球球心的图像坐标；第三步测量机床X、Y轴的直线轴几何误差，机床X、Y轴的直线轴几何误差包括定位误差、直线度误差、机床平面度误差；以机床X轴的几何误差求解为例，进行详细说明，Y轴的直线轴几何误差求解与X轴相同；由相机光轴组成测量坐标系，并与世界坐标系重合建立在机床零点处，数控系统控制机床沿X轴方向运动；选定测量范围为N(mm)×N(mm)，将有效测量范围等分成L段，相对应得到L+1个数据采集位置，在这L+1个数据采集位置处采集特征靶球的位置信息；经图像特征信息提取，解得特征靶球球心在测量坐标系中三维坐标，用以表征机床的实际运动信息；在测量机床X轴方向的定位误差时，机床工作台(8)沿机床X轴方向运动，在测量过程中，由于特征靶球在1号相机(1)光轴平行于机床X轴方向的相机内，其成像存在景深方向的变化，因此会出现超景深现象影响测量结果；而2号相机(2)和3号相机(3)内特征靶球成像不存在景深方向变化，故求解机床X轴定位误差时采用2号相机(2)和3号相机(3)所采集的数据；机床工作台(8)运动到机床零点处，机床零点同时也是测量坐标系与世界坐标系的零点，将此时各相机采集的图像作为基础图像，2号相机(2)所测是第K个点相对于第一个点在测量坐标系...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘巍，李辉，李肖，严洪悦，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