一种激光位移传感器的光束方向矢量和原点位置标定方法技术

本发明专利技术公开了一种激光位移传感器的光束方向矢量和原点位置标定方法，涉及测量领域，通过测量平面的几何关系得到激光位移传感器测量误差的梯度随着工件表面倾角变化的规律，并在不同的交叉组合角度下对已知平面上的一个待测量点进行测量，依据测量结果求解二维梯度，从而根据测量误差梯度与倾角的变化规律得到激光光束的独立几何偏角误差。在测量平面上对测量点和测量角度进行交叉组合形成测量方阵，得到测量结果，将实际测量结果代入根据几何约束得到的超静定平面拟合方程组，解超静定方程组即可得到直线轴的零位误差。本发明专利技术所提供技术方案可操作性高，无需依赖标定块等额外部件即可实现激光位移传感器的标定，计算求解难度低，工业实用性强。工业实用性强。工业实用性强。

【技术实现步骤摘要】
一种激光位移传感器的光束方向矢量和原点位置标定方法


[0001]本专利技术涉及测量领域，尤其涉及一种激光位移传感器的光束方向矢量和原点位置标定方法。

技术介绍

[0002]航空发动机涡轮叶片隔热冷却技术的发展极大地提高了发动机的效率，其中气膜孔冷却技术是最主要的冷却技术之一。在气膜孔的加工中，影响其精度的主要因素是涡轮叶片的铸造轮廓误差和由轮廓误差引起的装夹定位误差。因此，涡轮叶片铸造毛坯的高精度测量，是气膜孔加工的基础，一般采用“先测量再修正”的方法进行气膜孔的加工。目前最常用的涡轮叶片轮廓误差定量测量方法是三坐标测量机测量法。叶片轮廓误差的测量需要采集的点位数据量大，而三坐标测量机的探针只能以较低的速度接近预设工件表面。因此近年来，具有更高测量速度和精度的激光位移传感器等非接触式测量仪器被应用于涡轮叶片轮廓误差的测量。
[0003]在激光位移传感器对涡轮叶片轮廓误差的实际测量过程中，由于缺乏安装基准，存在安装误差，激光位移传感器的激光光束方向矢量与竖直方向之间存在角度偏差φ，实际的激光光束与机床坐标系的Z轴不平行，同时由于存在直线轴零位误差(x0,y0,z0)，激光原点与测量坐标系原点不重合。为保证测量精度，测量之前需要对激光位移传感器的角度偏差和直线轴零位误差进行测量和补偿，即对激光光束方向矢量和原点位置进行标定，才能够得到被测工件表面形貌的准确三维点云数据。
[0004]现有的标定方法包括采用特制的具有已知角度的平面标定块，利用激光位移传感器的光束与平面法向量之间的夹角作为已知几何关系，求解激光光束的方向矢量，但这种方法不能求解激光光束的原点位置，且对平面标定块的制作精度要求较高。另一类标定方法是采用标定球作为测量基准，通过拟合球心位置和球半径确定激光光束的方向矢量和激光原点，但是该方法构建的是超静定非线性方程组，且需要利用初值进行求解，在实际的工程应用中可操作性较差。
[0005]因此，本领域的技术人员致力于开发一种激光位移传感器的光束方向矢量和原点位置标定方法，解决现有定标方法中存在的上述缺陷。

技术实现思路

[0006]有鉴于现有技术的上述缺陷，本专利技术所要解决的技术问题是如何设计一种新的激光位移传感器的光束方向矢量和原点位置标定方法，更好地得到被测工件表面形貌的准确三维点云数据，从而保证测量的精度。
[0007]为实现上述目的，本专利技术提供了一种激光位移传感器的光束方向矢量和原点位置的标定方法。首先，根据几何关系得到激光位移传感器测量误差的梯度在不同的工件表面倾角下的变化规律；其次，对已知平面上的待测量点在不同交叉组合角度下进行测量，依据测量结果求解二维梯度，从而根据测量误差梯度与表面倾角的关系得到激光光束的独立几
何偏角误差；然后，在待测平面上对测量节点和测量角度进行交叉组合形成测量方阵，得到实际测量结果；最后，又根据机床运动学模型得到测量点云的Y轴坐标，得到超静定的平面拟合方程组，解超静定方程组即可得到直线轴的零位误差。
[0008]具体来说，本专利技术提供的一种激光位移传感器的光束方向矢量和原点位置的标定方法包括以下步骤：
[0009]步骤1、建立“X-Y-Z-A-C”构型的五轴测量机中的各个坐标系：机床坐标系O
M
、测量坐标系O
L
和工件坐标系O
W
，并推导得到三个坐标系之间的传递矩阵：G
ML
、G
MW
和G
WL
；
[0010]其中，
[0011]所述G
ML
为从所述测量坐标系O
L
到所述机床坐标系O
M
的传递矩阵；
[0012]所述G
MW
为从所述工件坐标系O
W
到所述机床坐标系O
M
的传递矩阵；
[0013]所述G
WL
为从所述测量坐标系O
L
到所述工件坐标系O
W
的传递矩阵；
[0014]步骤2、选择所述工件坐标系O
W
上待测平面y＝y
p
内的坐标为(0,y
p
,z
p
)的点为测量点，并设定A、C轴的可旋转区间分别为[75
°
,105
°
]和[-15
°
,15
°
]，在A、C轴上分别进行角度的若干均匀等分，对所有交叉角度组合下的测量点进行激光测量，将实际测量结果按序构成二维矩阵后进行移动平均滤波，并求解二维梯度；进行迭代测量，不断缩小A、C两轴的可旋转区间，提高偏角误差的解析精度；
[0015]步骤3、将使得所述二维梯度的绝对值取最小的A、C轴坐标(a
v
,c
v
)代入方程组：
[0016][0017]解此方程组求得激光光束的独立几何偏角(γ
L
,α
L
)；
[0018]步骤4、设定y＝y
p
平面上测量方阵的X
M
坐标轴范围为[-20,20]，Z
M
坐标轴范围为[120,160]，A轴的可旋转区间为[75
°
,105
°
]，C轴的可旋转区间为[-15
°
,15
°
]，对测量点和测量角度进行交叉组合，将测量方阵上每个测量点的实际测量结果代入超静定的平面拟合方程组，解所述超静定的平面拟合方程组即可得到直线轴零位误差(x0,y0,z0)。
[0019]进一步地，所述机床坐标系O
M
为：以A、C旋转轴交点为原点，以X、Y、Z轴分别为X、Y、Z方向；所述测量坐标系O
L
为:依附于机床Z轴，以激光位移传感器的测量起点为原点，X、Y、Z方向与机床坐标系一致；所述工件坐标系O
W
为：依附于机床C轴转台，原点与所述机床坐标系O
M
相同，且当机床A、C旋转轴坐标均为零时，X、Y、Z方向与机床坐标系一致。
[0020]进一步地，从所述测量坐标系O
L
到所述机床坐标系O
M
的所述传递矩阵G
ML
为：
[0021][0022]进一步地，从所述工件坐标系O
W
到所述机床坐标系O
M
的所述传递矩阵G
MW
为：
[0023][0024]进一步地，从所述测量坐标系O
L
到所述工件坐标系O
W
的所述传递矩阵G
WL
为：
[0025][0026]进一步地，在所述步骤2中，所述待测平面y＝y
p
法线方向的单位矢量在所述工件坐标系O
W
下的坐标为：
[0027][0028]转换到所述机床坐标系O
M
下为：<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种激光位移传感器的光束方向矢量和原点位置标定方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：步骤1、建立“X-Y-Z-A-C”构型的五轴测量机中的各个坐标系：机床坐标系O
M
、测量坐标系O
L
和工件坐标系O
W
，并推导得到三个坐标系之间的传递矩阵：G
ML
、G
MW
和G
WL
；其中，所述G
ML
为从所述测量坐标系O
L
到所述机床坐标系O
M
的传递矩阵；所述G
MW
为从所述工件坐标系O
W
到所述机床坐标系O
M
的传递矩阵；所述G
WL
为从所述测量坐标系O
L
到所述工件坐标系O
W
的传递矩阵；步骤2、选择所述工件坐标系O
W
上待测平面y＝y
p
内的坐标为(0，y
p
，z
p
)的点为测量点，并设定A、C轴的可旋转区间分别为[75
°
，105
°
]和[-15
°
，15
°
]，在A、C轴上分别进行角度的若干均匀等分，对所有交叉角度组合下的测量点进行激光测量，将实际测量结果按序构成二维矩阵后进行移动平均滤波，并求解二维梯度；进行迭代测量，不断缩小A、C两轴的可旋转区间，提高偏角误差的解析精度；步骤3、将使得所述二维梯度的绝对值取最小的A、C轴坐标(a
v
，c
v
)代入方程组：解此方程组求得激光光束的独立几何偏角(γ
L
，α
L
)；步骤4、设定y＝y
p
平面上测量方阵的X
M
坐标轴范围为[-20，20]，Z
M
坐标轴范围为[120，160]，A轴的可旋转区间为[75
°
，105
°
]，C轴的可旋转区间为[-15
°
，15
°
]，对测量点和测量角度进行交叉组合，将测量方阵上每个测量点的实际测量结果代入超静定的平面拟合方程组，解所述超静定的平面拟合方程组即可得到直线轴零位误差(x0，y0，z0)。2.如权利要求1所述的激光位移传感器的光束方向矢量和原点位置标定方法，其特征在于，所述机床坐标系O
M
为：以A、C旋转轴交点为原点，以X、Y、Z轴分别为X、Y、Z方向；所述测量坐标系O
L
为：依附于机床Z轴，以激光位移传感器的测量起点为原点，X、Y、Z方向与机床坐标系一致；所述工件坐标系O
W
为：依附于机床C轴转台，原点与所述机床坐标系O
M
相同，且当机床A、C旋转轴坐标均为零时，X、Y、Z方向与机床坐标系一致。3.如权利要求1所述的激光位移传感器的光束方向矢量和原点位置标定方法，其特征在于，从所述测量坐标系O
L
到所述机床坐标系O
M
的所述传递矩阵G
ML
为：4.如权利要求1所述的激光位移传感器的光束方向矢量和原点位置标定方法，其特征在于，从所述工件坐标系O
W
到所述机床坐标系O
M

【专利技术属性】
技术研发人员：奚学程，朱思萌，熊蓉，马洁宇，闫晓燊，张亚欧，赵万生，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：