一种应用于三坐标测量机的视觉检测标定方法技术

本发明专利技术属于三维视觉测量领域，涉及一种应用于三坐标测量机的视觉检测标定方法。该方法通过三坐标测量机和双目三维扫描仪分别测量三个哑光陶瓷球，分别计算三个哑光陶瓷球在双目三维扫描仪坐标系和三坐标测量机坐标系下的球心坐标，求出两个坐标系之间的旋转矩阵和平移矩阵，从而完成对双目三维扫描仪和三坐标测量机之间的标定，该方法可以实现双目扫描仪代替三坐标测量机对工件的三维信息进行测量，使测量速度更快，测量结果更精确，提高生产线的生产效率。

A Visual Inspection Calibration Method for CMM

【技术实现步骤摘要】
一种应用于三坐标测量机的视觉检测标定方法
本专利技术设计了一种应用于三坐标测量机的视觉检测标定方法，更具体的说，本专利技术涉及一种基于哑光陶瓷球的三坐标测量机的视觉检测标定方法。
技术介绍
随着现代检测技术的进步，三维测量技术逐步成为人们的研究重点，光学三维测量属于非接触式测量，光学三维测量方法已广泛应用于工业检测、逆向工程、人体扫描、文物保护等多个领域，对自由曲面的检测具有速度快、精度高的优势，可以获得工件完美的三维点云信息。传统三坐标测量机在工业中的应用相当广泛，它是一种设计开发、检测、统计分析的现代化的智能工具，更是模具产品无与伦比的质量技术保障的有效工具，但是在测量过程中需要密切关注测量基准的选择、测头的标定和选择、测点数及测量位置的规划、坐标系的建立、环境的影响、局部几何特征的影响、CNC控制参数等多方面的因素，这当中的每一个因素，都足以影响测量结果的精确和效率。相比于三坐标测量机，光学三维测量技术测量速度更快，可以极大提高生产线上的生产效率，减少设备成本。本专利技术基于双目三维扫描仪，设计了一种应用于三坐标测量机的视觉检测标定方法，通过对三坐标测量机和双目三维扫描仪之间进行标定，可以实现双目三维扫描仪在三坐标测量机坐标系下对工件的三维信息进行检测。
技术实现思路
本专利技术设计了一种应用于三坐标测量机的视觉检测标定方法，通过对双目扫描仪坐标系与三坐标测量机坐标系之间进行转换，可以使双目三维扫描仪替代三坐标测量机对工件的三维数据进行快速测量与定位。所述的应用于三坐标测量机的视觉检测标定硬件系统包括：用于标定的高精度哑光陶瓷球3个；用于对所述的哑光陶瓷球进行三维扫描处理的双目三维扫描仪1台；用于精度控制、图像采集、点云处理和数据计算的计算机；用于测量哑光陶瓷球三维数据的三坐标测量机一台。本专利技术设计了一种应用于三坐标测量机的视觉检测标定方法，其特征是，包括下列步骤：步骤1：将双目三维扫描仪和三个哑光陶瓷球(球1、球2和球3)分别固定到设定位置，启动三维扫描仪的双目标定程序进行标定，建立双目三维扫描仪坐标系O-XYZ；步骤2：使用步骤1标定完成后的双目三维扫描仪对所述的三个哑光陶瓷球进行扫描，在扫描三个哑光陶瓷球之前，使用所述的三维扫描仪对三个哑光陶瓷球投射结构光，获取三个哑光陶瓷球的三维点云信息；步骤3：对步骤2所得的三个哑光陶瓷球三维点云进行去噪处理，去除因为遮挡等问题造成的离群点及噪声数据，使采集到的三维点云平顺光滑，保持点云数据的几何特征信息；步骤4：分别对步骤3得到的三个哑光陶瓷球的三维点云使用最小二乘法拟合得到三个球心的坐标，球1的球心坐标O1(x1，y1，z1)，球2的球心O2(x2，y2，z2)，球3的球心O3(x3，y3，z3)，按照公式(1)计算平面O1O2O3的法向量步骤5：启动三坐标测量机，建立三坐标测量机坐标系O-UVW，用三坐标测量机探头接触三个哑光陶瓷球表面，每个球分别获得6个非共面的球面点在坐标系O-UVW的三维坐标，球1的6个非共面点坐标分别为：A1(L1，M1，N1)、B1(L2，M2，Z2)、C1(L3，M3，N3)、D1(L4，M4，N4)、E1(L5，M5，N5)、F1(L6，M6，Z6)，球2的6个非共面点坐标分别为：A2(L1′，M1′，N1′)、B2(L2′，M2′，Z2′)、C2(L3′，M3′，N3′)、D2(L4′，M4′，N4′)、E2(L5′，M5′，N5′)、F2(L6′，M6′，Z6′)，球3的6个非共面点坐标分别为：A3(L1″，M1″，N1″)、B3(L2″，M2″，Z2″)、C3(L3″，M3″，N3″)、D3(L4″，M4″，N4″)、E3(L5″，M5″，N5″)、F3(L6″，M6″，Z6″)，再分别利用最小二乘法拟合得到三个哑光陶瓷球的三个球心坐标，球1的球心坐标O1′(u1，v1，w1)，球2的球心坐标O2′(u2，v2，w2)，球3的球心坐标O3′(u3，v3，w3)，按照公式(2)计算平面O1′O2′O3′的法向量步骤6：利用步骤4求得的三个哑光陶瓷球在坐标系O-XYZ的球心坐标和步骤5求得的三个哑光陶瓷球在坐标系O-UVW的球心坐标，按照公式(3)计算坐标系O-XYZ相对于坐标系O-UVW的平移矩阵T；步骤7：设坐标系O-XYZ逆时针绕旋转轴L旋转得到坐标系O-UVW，设旋转轴的方向向量按照公式(4)求得旋转角θ，按照公式(5)求得旋转轴的方向向量θ＝arccos(a1a2+b1b2+c1c2)公式(4)公式(5)中：a＝b1×c2-c1×b2b＝c1×a2-a1×c2c＝a1×b2-b1×a2步骤8：按照公式(6)，利用步骤7求得的旋转角θ和旋转轴的方向向量计算坐标系O-XYZ相对于坐标系O-UVW的旋转矩阵R，利用步骤4求得的平面O1O2O3的法向量和步骤5求得的平面O1O2O3的法向量按照公式(7)得出坐标系O-XYZ相对于坐标系O-UVW的转换关系；双目三维扫描仪与三坐标测量机之间的标定完成。附图说明图1：设备摆放示意图；图2：三维扫描仪球拟合后的陶瓷球；图3：三坐标测量机球拟合后的陶瓷球；图4：标定方法流程图；具体实施方式本专利技术设计了一种应用于三坐标测量机的视觉检测标定方法，标定方法流程图如图4所示，其特征是，包括下列步骤：步骤1：将双目三维扫描仪和三个哑光陶瓷球(球1、球2和球3)分别固定到设定位置，如图1为设备摆放示意图，启动三维扫描仪的双目标定程序进行标定，建立双目三维扫描仪坐标系O-XYZ；步骤2：使用步骤1标定完成后的双目三维扫描仪对所述的三个哑光陶瓷球进行扫描，在扫描三个哑光陶瓷球之前，使用所述的三维扫描仪对三个哑光陶瓷球投射结构光，获取三个哑光陶瓷球的三维点云信息；步骤3：对步骤2所得的三个哑光陶瓷球三维点云进行去噪处理，去除因为遮挡等问题造成的离群点及噪声数据，使采集到的三维点云平顺光滑，保持点云数据的几何特征信息；步骤4：分别对步骤3得到的三个哑光陶瓷球的三维点云使用最小二乘法拟合得到三个球心的坐标，如图2为三维扫描仪球拟合后的陶瓷球，球1的球心坐标O1(x1，y1，z1)，球2的球心O2(x2，y2，z2)，球3的球心O3(x3，y3，z3)，按照公式(8)计算平面O1O2O3的法向量步骤5：启动三坐标测量机，建立三坐标测量机坐标系O-UVW，用三坐标测量机探头接触三个哑光陶瓷球表面，每个球分别获得6个非共面的球面点在坐标系O-UVW的三维坐标，球1的6个非共面点坐标分别为：A1(L1，M1，N1)、B1(L2，M2，Z2)、C1(L3，M3，N3)、D1(L4，M4，N4)、E1(L5，M5，N5)、F1(L6，M6，Z6)，球2的6个非共面点坐标分别为：A2(L1′，M1′，N1′)、B2(L2′，M2′，Z2′)、C2(L3′，M3′，N3′)、D2(L4′，M4′，N4′)、E2(L5′，M5′，N5′)、F2(L6′，M6′，Z6′)，球3的6个非共面点坐标分别为：A3(L1″，M1″，N1″)、B3(L2″，M2″，Z2″)、C3(L3″，M3″，N3″)、D3(L4″，M4″，N4″)、E3(L5″，M5″，N5″)、F3(L6″，M6″，Z6″)，再分别利用最小二乘法拟合得到本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.本专利技术设计了一种应用于三坐标测量机的视觉检测标定方法，其特征是，包括下列步骤：步骤1：将双目三维扫描仪和三个哑光陶瓷球(球1、球2和球3)分别固定到设定的位置，启动三维扫描仪的双目标定程序进行标定，建立双目三维扫描仪坐标系O‑XYZ；步骤2：使用步骤1标定完成后的双目三维扫描仪对所述的三个哑光陶瓷球进行扫描，在扫描三个哑光陶瓷球之前，使用所述的三维扫描仪对三个哑光陶瓷球投射结构光，获取三个哑光陶瓷球的三维点云信息；步骤3：对步骤2所得的三个哑光陶瓷球三维点云进行去噪处理，去除因为遮挡等问题造成的离群点及噪声数据，使采集到的三维点云平顺光滑，保持点云数据的几何特征信息；步骤4：分别对步骤3得到的三个哑光陶瓷球的三维点云使用最小二乘法拟合得到三个球心的坐标，球1的球心坐标O1(x1，y1，z1)，球2的球心O2(x2，y2，z2)，球3的球心O3(x3，y3，z3)，按照公式(1)计算平面O1O2O3的法向量

【技术特征摘要】
1.本发明设计了一种应用于三坐标测量机的视觉检测标定方法，其特征是，包括下列步骤：步骤1：将双目三维扫描仪和三个哑光陶瓷球(球1、球2和球3)分别固定到设定的位置，启动三维扫描仪的双目标定程序进行标定，建立双目三维扫描仪坐标系O-XYZ；步骤2：使用步骤1标定完成后的双目三维扫描仪对所述的三个哑光陶瓷球进行扫描，在扫描三个哑光陶瓷球之前，使用所述的三维扫描仪对三个哑光陶瓷球投射结构光，获取三个哑光陶瓷球的三维点云信息；步骤3：对步骤2所得的三个哑光陶瓷球三维点云进行去噪处理，去除因为遮挡等问题造成的离群点及噪声数据，使采集到的三维点云平顺光滑，保持点云数据的几何特征信息；步骤4：分别对步骤3得到的三个哑光陶瓷球的三维点云使用最小二乘法拟合得到三个球心的坐标，球1的球心坐标O1(x1，y1，z1)，球2的球心O2(x2，y2，z2)，球3的球心O3(x3，y3，z3)，按照公式(1)计算平面O1O2O3的法向量a1＝(y2-y1)×(z3-z1)-(y3-y1)×(z2-z1)b1＝(z2-z1)×(x3-x1)-(z3-z1)×(x2-x1)公式(1)c1＝(x2-x1)×(y3-y1)-(x3-x1)×(y2-y1)步骤5：启动三坐标测量机，建立三坐标测量机坐标系O-UVW，用三坐标测量机探头接触三个哑光陶瓷球表面，每个球分别获得6个非共面的球面点在坐标系O-UVW的三维坐标，球1的6个非共面点坐标分别为：A1(L1，M1，N1)、B1(L2，M2，Z2)、C1(L3，M3，N3)、D1(L4，M4，N4)、E1(L5，M5，N5)、F1(L6，M6，Z6)，球2的6个非共面点坐标分别为：A2(L1′，M1′，N1′)、B2(L2′，M2′，Z2′)、C2(L3′，M3′，N3′)、D2(L4′，M4′，N4′...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋丽梅，卫晓鑫，朱新军，
申请(专利权)人：天津工业大学，
类型：发明
国别省市：天津,12