五轴机床原位安装线激光传感器的位姿标定方法及系统技术方案

本发明专利技术提供了一种五轴机床原位安装线激光传感器的位姿标定方法及系统，包括：安装步骤：安装线激光传感器和标定块，并连接线激光通信系统；偏差值β补偿步骤：根据激光线方向的斜度计算偏差值β，并对偏差值β进行补偿；偏差值α补偿步骤：旋转A轴，计算偏差值α，并对偏差值α进行补偿；提取特征点步骤：平移机床Y轴对标定块的圆形特征进行扫描，提取圆边缘特征点；五轴补偿步骤：调整机床X、Y、Z、A、B五轴的零位来补偿位置偏差δx，δy，δz和姿态偏差α、β。本发明专利技术解决了原位安装线激光测量方法中激光器主轴安装初始位置和姿态偏差难以标定进而影响线激光原位测量精度的问题；解决了单次测量偶然误差对分析结果的影响过大的问题。

Calibration method and system of laser sensor for five axis machine tool in situ installation line

【技术实现步骤摘要】
五轴机床原位安装线激光传感器的位姿标定方法及系统
本专利技术涉及测量
，具体地，涉及一种五轴机床原位安装线激光传感器的位姿标定方法及系统。
技术介绍
机床主轴原位安装激光器位姿标定系统中最关键的技术是激光器安装位姿的获取方法，目前主要有机械标定校准、试块整体标定和标定块标定三种方法。机械标定校准主要利用百分表等机械测量方法配合机床运动推算激光器安装的位姿偏差，并通过旋转平移各轴反复测量直至位姿偏差消除的方法。该方法的优势在于理论成本低、操作直接，但由于需要大量人力操作，不仅效率低下，不利于激光原位测量整个系统的自动化和标准化，而且忽略了激光本身的测量作用和激光器外形与激光坐标系并非完全一致的误差，导致标定效果不佳。试块整体标定方法主要利用已知形状外形的试块，通过原位安装的激光器对其进行测量，测量结果与理论模型匹配的偏差可以反推出激光器安装的位姿偏差。该方法的优势在于试块的设计难度较小，所需特征少，但由于需要一次扫描对比，各个偏差耦合度高，分析软件的设计和计算成本较大，解耦计算中产生的误差都导致了标定精度有待提高。本专利技术提出一种通过线激光测量加工试块来标定原位安装在五轴机床主轴的线激光传感器后的位姿的方法。申请号为CN201610420487.8的中国专利公开了一种用于线激光位置标定的标定板及线激光相机测量系统标定方法，其技术方案中使用线激光进行三维测量是使用结构光机器视觉的方法进行的，明显区别于本专利技术中利用激光几何光路测量激光到被测点位移配合机床位置进行三维原位测量的方法，其通过涉及视觉标定板进行坐标系转换的结算得到线激光坐标系与相机坐标系之间的偏置，效率较高但理论相对复杂，各个偏置值在计算中的耦合度高。专利文献CN107726980A(申请号：201710871711.X)公开了一种基于四轴测量机的线激光位移传感器的标定方法，完成设备安装，按照标定需求安装激光线扫描测头，建立线激光位移传感器和四轴测量机的通讯连接；建立坐标系，四轴测量机带动线激光位移传感器回到机床零点；使磨砂标准球到达线激光位移传感器的测量范围内，对磨砂标准球进行扫描；对扫描得到的标准球的点云数据进行均匀采样，使后续参数方程的求解结果变得稳定；构造磨砂标准球的球面方程，求解激光器出射向量。
技术实现思路
针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种五轴机床原位安装线激光传感器的位姿标定方法及系统。根据本专利技术提供的一种五轴机床原位安装线激光传感器的位姿标定方法，包括：安装步骤：安装线激光传感器和标定块，并连接线激光通信系统；偏差值β补偿步骤：根据激光线方向的斜度计算偏差值β，并对偏差值β进行补偿；偏差值α补偿步骤：旋转A轴，计算偏差值α，并对偏差值α进行补偿；提取特征点步骤：平移机床Y轴对标定块的圆形特征进行扫描，提取圆边缘特征点；五轴补偿步骤：调整机床X、Y、Z、A、B五轴的零位来补偿位置偏差δx，δy，δz和姿态偏差α、β。优选地，所述安装步骤包括：将线激光传感器安装至机床主轴，连接线激光通信系统，将标定块安装至机床工作台，调节标定块上平面与机床XOY平面平行。优选地，所述偏差值β补偿步骤包括：调整B轴零位补偿偏差值β，β表示激光器初始姿态下与中心激光方向垂直的激光等距线与机床XOY平面的偏角，数值上等于中心激光方向与XOY平面偏角的余角。优选地，所述偏差值α步骤包括：旋转A轴，得到不同下的参数h值，计算公式为：通过最小二乘法拟合出偏差值α，并通过调整A轴零位补偿偏差值α；其中，h表示：线激光中心沿激光线方向到被测平面的直线距离，即线激光中心到平面的激光测距距离，由激光器读数获取，A轴旋转中为因变量；l表示：机床A轴旋转中心到被测平面的直线距离；n表示：机床A轴旋转中心到激光器激光发射原点的直线距离；σ表示：A轴零位即激光器安装原始位姿状态下，激光线方向与XOZ平面的偏角；表示：X轴正向视角，A轴顺时针旋转的旋转角度；α表示：当前激光线方向与机床Z轴的夹角。优选地，所述提取特征点步骤包括：根据圆边缘特征点，得到如下公式：其中，x表示：线激光与圆槽边界的交点在工件坐标系坐标的X分量；y表示：线激光与圆槽边界的交点在工件坐标系坐标的Y分量；x0、y0表示：圆槽中心在激光坐标系的X、Y坐标；x′、y′表示：线激光与圆槽边界的交点在激光坐标系的坐标，由机床位置与线激光读数计算得到；r表示：标定块圆槽的半径，根据线激光测量范围设计尺寸，实际尺寸由三坐标测量机给出；θ表示：线激光与圆槽边界的交点与圆心连线与X轴的偏角；γ表示：当前激光线方向与机床X轴的夹角；根据标定块的圆方程得到：r2＝(x′-x0)2+(y′-y0)2+2(x′-x0)(y′-y0)sin(γ)根据获得的特征点坐标(x’,y’)，使用最小二乘法拟合参数x0,y0,γ，标定块的圆孔中心理论位置由三坐标机测量给出为，其与x0,y0的差值即为δx，δy。优选地，所述五轴补偿步骤包括：通过机床运动学变换，加入γ角度，并对姿态偏差γ进行补偿。根据本专利技术提供的五轴机床原位安装线激光传感器的位姿标定系统，包括：安装模块：将线激光传感器安装至机床主轴，连接线激光通信系统，将标定块安装至机床工作台，调节标定块上平面与机床XOY平面平行；偏差值β补偿模块：根据激光线方向的斜度计算偏差值β，调整B轴零位补偿偏差值β，β表示激光器初始姿态下与中心激光方向垂直的激光等距线与机床XOY平面的偏角，数值上等于中心激光方向与XOY平面偏角的余角；偏差值α补偿模块：旋转A轴，计算偏差值α，并对偏差值α进行补偿；提取特征点模块：平移机床Y轴对标定块的圆形特征进行扫描，提取圆边缘特征点；五轴补偿模块：调整机床X、Y、Z、A、B五轴的零位来补偿位置偏差δx，δy，δz和姿态偏差α、β。优选地，所述偏差值α模块包括：旋转A轴，得到不同下的参数h值，计算公式为：通过最小二乘法拟合出偏差值α，并通过调整A轴零位补偿偏差值α；其中，h表示：线激光中心沿激光线方向到被测平面的直线距离，即线激光中心到平面的激光测距距离，由激光器读数获取，A轴旋转中为因变量；l表示：机床A轴旋转中心到被测平面的直线距离；n表示：机床A轴旋转中心到激光器激光发射原点的直线距离；σ表示：A轴零位即激光器安装原始位姿状态下，激光线方向与XOZ平面的偏角；表示：X轴正向视角，A轴顺时针旋转的旋转角度；α表示：当前激光线方向与机床Z轴的夹角。优选地，所述提取特征点模块包括：根据圆边缘特征点，得到如下公式：其中，x表示：线激光与圆槽边界的交点在工件坐标系坐标的X分量；y表示：线激光与圆槽边界的交点在工件坐标系坐标的Y分量；<本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种五轴机床原位安装线激光传感器的位姿标定方法，其特征在于，包括：/n安装步骤：安装线激光传感器和标定块，并连接线激光通信系统；/n偏差值β补偿步骤：根据激光线方向的斜度计算偏差值β，并对偏差值β进行补偿；/n偏差值α补偿步骤：旋转A轴，计算偏差值α，并对偏差值α进行补偿；/n提取特征点步骤：平移机床Y轴对标定块的圆形特征进行扫描，提取圆边缘特征点；/n五轴补偿步骤：调整机床X、Y、Z、A、B五轴的零位来补偿位置偏差δx，δy，δz和姿态偏差α、β。/n

【技术特征摘要】
1.一种五轴机床原位安装线激光传感器的位姿标定方法，其特征在于，包括：
安装步骤：安装线激光传感器和标定块，并连接线激光通信系统；
偏差值β补偿步骤：根据激光线方向的斜度计算偏差值β，并对偏差值β进行补偿；
偏差值α补偿步骤：旋转A轴，计算偏差值α，并对偏差值α进行补偿；
提取特征点步骤：平移机床Y轴对标定块的圆形特征进行扫描，提取圆边缘特征点；
五轴补偿步骤：调整机床X、Y、Z、A、B五轴的零位来补偿位置偏差δx，δy，δz和姿态偏差α、β。


2.根据权利要求1所述的五轴机床原位安装线激光传感器的位姿标定方法，其特征在于，所述安装步骤包括：将线激光传感器安装至机床主轴，连接线激光通信系统，将标定块安装至机床工作台，调节标定块上平面与机床XOY平面平行。


3.根据权利要求1所述的五轴机床原位安装线激光传感器的位姿标定方法，其特征在于，所述偏差值β补偿步骤包括：调整B轴零位补偿偏差值β，β表示激光器初始姿态下与中心激光方向垂直的激光等距线与机床XOY平面的偏角，数值上等于中心激光方向与XOY平面偏角的余角。


4.根据权利要求1所述的五轴机床原位安装线激光传感器的位姿标定方法，其特征在于，所述偏差值α步骤包括：旋转A轴，得到不同下的参数h值，计算公式为：



通过最小二乘法拟合出偏差值α，并通过调整A轴零位补偿偏差值α；
其中，h表示：线激光中心沿激光线方向到被测平面的直线距离，即线激光中心到平面的激光测距距离，由激光器读数获取，A轴旋转中为因变量；
l表示：机床A轴旋转中心到被测平面的直线距离；
n表示：机床A轴旋转中心到激光器激光发射原点的直线距离；
σ表示：A轴零位即激光器安装原始位姿状态下，激光线方向与XOZ平面的偏角；

表示：X轴正向视角，A轴顺时针旋转的旋转角度；
α表示：当前激光线方向与机床Z轴的夹角。


5.根据权利要求1所述的五轴机床原位安装线激光传感器的位姿标定方法，其特征在于，所述提取特征点步骤包括：根据圆边缘特征点，得到如下公式：






其中，x表示：线激光与圆槽边界的交点在工件坐标系坐标的X分量；
y表示：线激光与圆槽边界的交点在工件坐标系坐标的Y分量；
x0、y0表示：圆槽中心在激光坐标系的X、Y坐标；
x′、y′表示：线激光与圆槽边界的交点在激光坐标系的坐标，由机床位置与线激光读数计算得到；
r表示：标定块圆槽的半径，根据线激光测量范围设计尺寸，实际尺寸由三坐标测量机给出；
θ表示：线激光与圆槽边界的交点与圆心连线与X轴的偏角；
γ表示：当前激光线方向与机床X轴的夹角；
根据标定块的圆方程得到：
r2＝(x′-x0)2+(y′-y0)2+2(x′-x0)(y′-y0)sin(γ)
根据获得的特征点坐标(x’,y’)，使用最小二乘法拟合参数x0,y0,γ，标定块的圆孔中心理论位置由三坐标机测量给出为，其与x0,y0的差值即为δx，δy。


6.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：毕庆贞，章绍昆，曾创，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海;31