数控机床高动态大范围任意轮廓误差单目六维测量方法技术

本发明专利技术数控机床高动态大范围任意轮廓误差单目六维测量方法属于机床动态误差检测领域，涉及一种单目视觉测量技术配合短时频闪照明、先验标准板的数控机床高动态任意大范围轮廓误差六维测量方法。该方法设计了测量工装和测量系统，利用单目视觉位姿算法结合先验知识提升视觉可测机床插补轮廓的维度与范围。结合误差分配原则，利用小测量视场提升编码元的视场测量精度；采用该方法遍历拍摄每一帧图像即得到机床实际六维运动轮廓；通过与机床名义运动轮廓比较即可解算数控机床插补轮廓产生的六维误差。该方法通过单目视觉位姿算法结合基准转换方法，提高了视觉所测机床插补轮廓的维度；实现了小视场下数控机床大范围任意轮廓误差六维度测量。

Monocular six dimensional measurement method for high dynamic large area arbitrary contour error of CNC machine tools

A single eye six dimension measurement method of high dynamic and large range arbitrary contour error of CNC machine tool belongs to the field of dynamic error detection of machine tools. It involves a method of six dimension measurement of high dynamic and arbitrary large range profile error of NC machine tool with short time strobe lighting and prior standard board. In this method, the measurement and measurement system are designed, and the dimension and scope of the interpolated contour of the visual machine tool are improved by using the monocular vision position and posture algorithm combined with the prior knowledge. In combination with the principle of error distribution, the field of view measurement accuracy is raised by the small measurement field of view, and the actual six dimensional motion profile of the machine is obtained by traversing each frame of the frame. The six dimensional error generated by the interpolation contour of the NC machine tool can be calculated by comparing the nominal motion contour of the machine tool. In this method, the dimension of the interpolated contour of the machine tool is improved by combining the monocular vision position and position algorithm with the datum conversion method, and the six dimension measurement of the large range arbitrary contour error of the NC machine tool in the small field of view is realized.

【技术实现步骤摘要】
数控机床高动态大范围任意轮廓误差单目六维测量方法
本专利技术属于机床动态误差检测领域，涉及一种单目视觉测量技术配合短时频闪照明、先验标准板的数控机床高动态任意大范围轮廓误差六维测量方法。
技术介绍
诸如船用螺旋桨、舰艇用螺旋推进器、涡轮机与发动机叶片等难加工变曲率零件被广泛用于国家重大装备工程中，此类零件的形位及几何轮廓精度直接影响着装备的工作性能。多轴联动机床相比于传统三轴数控机床凭借其在加工过程中刀具与工件位姿角的可随时调控性，解决了大多数复杂变曲率零件一次装夹、加工难题。各类难加工、变曲率零件由多轴数控机床在高动态条件下伴随特定插补轮廓加工而成，特别在高进给条件下，由于机床动态特性不足引起的数控机床误差尤为突出，使得机床运行过程中刀具与工件间的相对位置产生空间偏离，降低工件加工品质。轮廓误差是评估数控机床动态性能的重要指标。因此，机床高动态、大范围、任意轮廓空间误差(动态特性)定期评估是评价数控机床动态性能以及提升加工精度的重要保证。现有的数控机床轮廓误差测量方法有球杆仪测量法、平面光栅测量法、R-test测量法与视觉测量法等。福州大学陈建雄在《InternationalJournalofMachineTools&Manufacture》第77卷第77期发表的《Geometricerrormeasurementandidentificationforrotarytableofmulti-axismachinetoolusingdoubleballbar》提出了回转轴4项安装误差及6项体积误差球杆仪检测与辨识方法。采用两步法通过使安装球杆仪获得测量数据，根据误差辨识模型结合辨识算法分离4项安装误差及6项体积误差。虽球杆仪设备使用灵活性高，但其为一维测量设备，只能测量平面圆轮廓误差而不能实现任意轮廓误差测量。此外，受限于杆长机械结构，球杆仪很难测量能较好反映机床动态性能的小半径圆轮廓误差。瑞士学者B.Bringmann等在《CIRPAnnals-ManufacturingTechnology》第58卷第1期发表的《Amethodfordirectevaluationofthedynamic3DpathaccuracyofNCmachinetools》提出了利用R-test测量的空间轮廓偏差来辅助辨识线性轴与回转轴误差的综合方法，在辨识的基础上通过加速度和加加速度参数再设置减小了机床轮廓运动偏差。R-test测量精度高，但其测量范围小，X、Y、Z单方向测量范围小于12mm，且在执行测量时会引入不相关轴的联动误差。日本京都大学SoichiIbaraki等在《LaserMetrology&MachinePerformanceV》发表的《DiagnosisandcompensationofmotionerrorsinNCmachinetoolsbyarbitraryshapecontouringerrormeasurement》提出了基于平面光栅的机床安装及伺服系统误差测量与辨识方法。并结合数控位置的反馈信号补偿了伺服系统使机床轮廓精度提高。然而，此设备操作繁琐且无法测量转轴回转圆轮廓。刘巍、严洪悦等人申请的专利技术专利CN105798704A，“一种机床平面轮廓误差单目测量方法”，专利技术了一种数控机床轮廓误差单目测量方法，提高了测量效率并且降低了成本，实现了数控机床平面插补轮廓误差的二维测量。然而，此种方法受限于相机带宽，相机拍摄帧频提升有限，导致高进给条件下拍摄图像中的特征点模糊，降低了轮廓误差求解精度。此方法只能测量二维轮廓误差，不能实现数控机床轮廓误差的三维解算。
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缺陷，针对现有单一测量方法无法解决数控机床高动态、大范围、任意轮廓误差六维测量难题，专利技术了一种数控机床高动态大范围任意轮廓误差单目六维测量方法。设计了测量工装和测量系统，该方法结合误差分配原则，利用小测量视场提升编码元的视场测量精度；利用单目位姿算法结合先验知识提升视觉可测机床插补轮廓的维度与范围，整个机床运动轮廓由选定的一个参考元来表征，然后通过基准转换得到机床坐标系下参考元所表征的机床插补轮廓的X、Y、Z、俯仰、滚转及偏航六维信息，采用该方法遍历拍摄每一帧图像即得到机床实际六维运动轮廓；通过与机床名义运动轮廓比较即可解算数控机床插补轮廓产生的六维误差。该方法的测量系统成本低，操作简便。本专利技术采用的技术方案是一种数控机床高动态大范围任意轮廓误差单目六维测量方法，其特征是，该方法设计了测量工装和测量系统，利用单目视觉位姿算法结合先验知识提升视觉可测机床插补轮廓的维度与范围，整个机床运动轮廓由选定的一个参考元来表征；结合误差分配原则，利用小测量视场提升编码元的视场测量精度；然后通过基准转换得到机床坐标系下参考元所表征的机床插补轮廓的X、Y、Z、俯仰、滚转及偏航六维信息，采用该方法遍历拍摄每一帧图像即得到机床实际六维运动轮廓；通过与机床名义运动轮廓比较即可解算数控机床插补轮廓产生的六维误差；方法的具体步骤如下：第一步安装测量工装与测量系统测量工装由基体10、高亮度短时发光单元9、先验标准板7和编码元8组成，先验标准板7为透明基底材料，其上分布有编码值唯一且呈矩阵分布的编码元8；测量工装安装时将短时高亮度发光单元9固定在基体10两侧的凹槽中；将先验标准板7支撑在基体10上，利用两个压板6压紧先验标准板7；利用四个压板锁紧螺栓5通过压板6压紧并固定先验标准板7；测量系统包括相机1、相机夹具2和测量工装；相机1固定在相机夹具2上，相机夹具2安装在测量工装上方，以采集测量工装运动过程中的序列图像；将组装好的测量工装放置在光学三坐标设备平台上，采用光学三坐标设备在先验标准板全局坐标系下校准编码元8间的空间几何关系；测量系统布置时，将校准好的测量工装通过压紧螺栓11与压紧螺母12紧固在数控机床4的回转台3上用于表征机床运动信息；第二步建立先验标准板全局坐标系在测量工装上建立先验标准板全局坐标系OGXGYGZG14，其原点建立在第一行第一列的编码元8中心上，定义为OG；XG坐标轴的方向由原点OG向下指向阵列上第一列最后一行编码元8的中心点；YG坐标轴的方向由OG向右指向阵列上第一行最后一列编码元8的中心点；ZG坐标轴由右手法则确定；采用光学三坐标设备在先验标准板全局坐标系OGXGYGZG14下校准编码元8间的空间几何关系，得到各个编码元8在先验标准板全局坐标系OGXGYGZG14下的三维坐标；先验标准板7上的编码元8承载着数控机床4的运动信息，编码元8间的空间位置关系经过高精度设备校准，在保证校准精度的前提下先验标准板7的尺寸可以制造的尽可能大以满足轮廓误差大范围测量需求；第三步相机标定相机成像模型表达了相机坐标系与世界坐标系的一一映射关系，带有畸变参数的相机成像模型为：其中，(Xw,Yw,Zw)为世界坐标系下编码元8中心点的三维坐标，K为相机1的内参数矩阵，T为相机1的外参数矩阵，(u,v)为编码元8中心点在像平面的二维坐标，(u0,v0)为图像的主点坐标，(Cx,Cy)为横纵方向的等效焦距，分别为相机坐标系与世界坐标系间的旋转和平移变换矩阵，(δx,δy)为因光学系统不完善所引起的像点在本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种数控机床高动态大范围任意轮廓误差单目六维测量方法，其特征是，该方法采用了特殊设计的测量工装和测量系统，利用单目视觉位姿算法结合先验知识提升视觉可测机床插补轮廓的维度与范围，整个机床运动轮廓由选定的一个参考元来表征；结合误差分配原则，利用小测量视场提升编码元的视场测量精度；然后通过基准转换得到机床坐标系下参考元所表征的机床插补轮廓的X、Y、Z向、俯仰、滚转及偏航六维信息，采用该方法遍历拍摄每一帧图像即得到机床实际六维运动轮廓；通过与机床名义运动轮廓比较解算出数控机床插补轮廓产生的六维误差；方法的具体步骤如下：第一步 安装的特制测量工装与测量系统特制的测量工装由基体(10)、高亮度短时发光单元(9)、先验标准板(7)和编码元(8)组成，先验标准板(7)为透明基底材料，其上分布有编码值唯一且呈矩阵分布的编码元(8)；测量工装安装时将短时高亮度短时发光单元(9)插入基体(10)两侧的凹槽中；将先验标准板(7)支撑在基体(10)上，利用两个压板(6)压紧先验标准板(7)；利用四个压板锁紧螺栓(5)通过压板(6)压紧并固定先验标准板(7)；测量系统包括相机(1)、相机夹具(2)和测量工装；相机(1)固定在相机夹具(2)上，相机夹具(2)安装在测量工装上方，以采集测量工装运动过程中的序列图像；将组装好的测量工装放置在光学三坐标设备平台上，采用光学三坐标设备在先验标准板全局坐标系下校准编码元(8)间的空间几何关系；测量系统布置时，将校准好的测量工装通过压紧螺栓(11)与压紧螺母(12)紧固在数控机床(4)的回转台(3)上；第二步 建立先验标准板全局坐标系在测量工装上建立先验标准板全局坐标系OGXGYGZG(14)，其原点建立在第一行第一列的编码元(8)中心上，定义为OG；XG坐标轴的方向由原点OG向下指向阵列上第一列最后一行编码元(8)的中心点；YG坐标轴的方向由OG向右指向阵列上第一行最后一列编码元(8)的中心点；ZG坐标轴由右手法则确定；采用光学三坐标设备在先验标准板全局坐标系OGXGYGZG(14)下校准编码元(8)间的空间几何关系，得到各个编码元(8)在先验标准板全局坐标系OGXGYGZG(14)下的三维坐标；先验标准板(7)上的编码元(8)承载着数控机床(4)的运动信息，编码元(8)间的空间位置关系经过高精度设备校准，在保证校准精度的前提下先验标准板(7)的尺寸可以制造的尽可能大以满足轮廓误差大范围测量需求；第三步 相机标定相机成像模型表达了相机坐标系与世界坐标系的一一映射关系，带有畸变参数的相机成像模型为：...

【技术特征摘要】
1.一种数控机床高动态大范围任意轮廓误差单目六维测量方法，其特征是，该方法采用了特殊设计的测量工装和测量系统，利用单目视觉位姿算法结合先验知识提升视觉可测机床插补轮廓的维度与范围，整个机床运动轮廓由选定的一个参考元来表征；结合误差分配原则，利用小测量视场提升编码元的视场测量精度；然后通过基准转换得到机床坐标系下参考元所表征的机床插补轮廓的X、Y、Z向、俯仰、滚转及偏航六维信息，采用该方法遍历拍摄每一帧图像即得到机床实际六维运动轮廓；通过与机床名义运动轮廓比较解算出数控机床插补轮廓产生的六维误差；方法的具体步骤如下：第一步安装的特制测量工装与测量系统特制的测量工装由基体(10)、高亮度短时发光单元(9)、先验标准板(7)和编码元(8)组成，先验标准板(7)为透明基底材料，其上分布有编码值唯一且呈矩阵分布的编码元(8)；测量工装安装时将短时高亮度短时发光单元(9)插入基体(10)两侧的凹槽中；将先验标准板(7)支撑在基体(10)上，利用两个压板(6)压紧先验标准板(7)；利用四个压板锁紧螺栓(5)通过压板(6)压紧并固定先验标准板(7)；测量系统包括相机(1)、相机夹具(2)和测量工装；相机(1)固定在相机夹具(2)上，相机夹具(2)安装在测量工装上方，以采集测量工装运动过程中的序列图像；将组装好的测量工装放置在光学三坐标设备平台上，采用光学三坐标设备在先验标准板全局坐标系下校准编码元(8)间的空间几何关系；测量系统布置时，将校准好的测量工装通过压紧螺栓(11)与压紧螺母(12)紧固在数控机床(4)的回转台(3)上；第二步建立先验标准板全局坐标系在测量工装上建立先验标准板全局坐标系OGXGYGZG(14)，其原点建立在第一行第一列的编码元(8)中心上，定义为OG；XG坐标轴的方向由原点OG向下指向阵列上第一列最后一行编码元(8)的中心点；YG坐标轴的方向由OG向右指向阵列上第一行最后一列编码元(8)的中心点；ZG坐标轴由右手法则确定；采用光学三坐标设备在先验标准板全局坐标系OGXGYGZG(14)下校准编码元(8)间的空间几何关系，得到各个编码元(8)在先验标准板全局坐标系OGXGYGZG(14)下的三维坐标；先验标准板(7)上的编码元(8)承载着数控机床(4)的运动信息，编码元(8)间的空间位置关系经过高精度设备校准，在保证校准精度的前提下先验标准板(7)的尺寸可以制造的尽可能大以满足轮廓误差大范围测量需求；第三步相机标定相机成像模型表达了相机坐标系与世界坐标系的一一映射关系，带有畸变参数的相机成像模型为：其中，(Xw,Yw,Zw)为世界坐标系下编码元(8)中心点的三维坐标，K为相机(1)的内参数矩阵，T为相机(1)的外参数矩阵，(u,v)为编码元(8)中心点在像平面的二维坐标，(u0,v0)为图像的主点坐标，(Cx,Cy)为横纵方向的等效焦距，分别为相机坐标系与世界坐标系间的旋转和平移变换矩阵，(δx,δy)为因光学系统不完善所引起的像点在x,y方向的畸变量；采用棋盘格标定板在相机(1)测量视场(21)内摆放多个位置获取标定板图像，通过张正友提出的标定算法标定相机(1)畸变参数以及内外参数矩阵；第四步数控机床高动态、大范围插补轮廓高清晰无模糊采集与图像处理在完成测量工装安装、布置的基础上，采集数控机床(4)插补轮廓图像；由于轮廓误差测量精度要求精度高，所需拍摄测量视场(21)小；首先调整相机(1)参数使其处于最佳拍摄视场与帧频下；随后，同步触发相机(1)与高亮度短时发光单元(9)，设置高亮度短时发光单元(9)的发光时间与发光强度，保证高亮度短时发光单元(9)在相机(1)曝光时间内透过先验标准板7基底为编码元(8)补光；选择能反映机床动态性能的高进给机床速度，依照程序指令驱动数控机床(4)各运动轴插补待测轮廓；在机床图像采集过程中，相机(1)固定不动，机床运动，在高亮度短时发光单元(9)的辅助下采集到编码元(8)的清晰无模糊序列图像；图像采集后，识别图像上每个编码元(8)代表的编码值并利用灰度重心法定位解码后的每个编码元(8)的中心点的二维像素坐标；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；第五步数控机床高动态大范围任意轮廓误差六维度解算本方法结合误差分配原则，利用小测量视场(21)提升视场内编码元(8)测量精度；利用单目位姿算法结合先验知识提升视觉可测机床插补轮廓的维度与范围；整个机床运动轮廓由选定的一个参考元来表征，在测量视场(21)不可见区域该点的位置由可见区域点的像素坐标结合高精度先验约束解算求得；通过基准转换并遍历所有图像得到该参考元表征在机床坐标系下的运动轮廓，通过与机床名义运动轮廓比较即可解算数控机床(4)插补轮廓的六维误差；数控机床高动态大范围任意轮廓误差六维度解算步骤具体为：相机(1)测量视场(21)为N×N(单位mm)，先验标准板(7)外形尺寸为M×M(单位mm),N远小于M；涉及的坐标系除上述的先验标准板全局坐标系OG-XGYGZG(14)外，还涉及相机坐标系OC-XCYCZC(13)、机床坐标系OM-XMYMZM(15)和...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘巍，贾振元，李肖，潘翼，马鑫，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