一种基于工业相机的五轴点胶机的误差标定方法技术

本发明专利技术涉及五轴点胶机的机械标定技术领域，公开了一种基于工业相机的五轴点胶机的误差标定方法，包括：步骤S1.标定五轴点胶机的机械结构参数，并将五轴点胶机的机械结构和工件视为刚体机械结构；步骤S2.将刚体机械结构划分为两条加工运动链；步骤S3.为加工运动链中的各个刚体建立标准正交轴坐标系；步骤S4.根据机器人运动学方法对各个刚体的坐标系进行转换，获取转换矩阵；步骤S5.根据转换矩阵和五轴标定流程对五轴点胶机进行机械标定操作；步骤S6.根据机械标定操作获取刚体机械结构的各个参数矩阵和刚体机械结构坐标系之间的转换关系，进行误差标定。本发明专利技术用于标定五轴的机械几何结构参数，计算五轴机器的各项误差，提高五轴机器加工精度。高五轴机器加工精度。高五轴机器加工精度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于工业相机的五轴点胶机的误差标定方法


[0001]本专利技术涉及五轴点胶机的机械标定
，具体地说，是一种基于工业相机的五轴点胶机的误差标定方法，用于标定五轴的机械几何结构参数，计算五轴机器的各项误差，提高五轴机器加工精度,也可推广应用于五轴数控机床加工以及其它精密仪器加工的五轴设备之上。

技术介绍

[0002]五轴机器相较于传统三轴机器，具有加工精度更高、加工效率更高、能加工结构更复杂的工件等特点，在市场上更具竞争优势。同时也因两个旋转轴的增加，五轴机器的机械结构变得更为复杂，加之机器机械结构自身存在的几何误差，机器运行时带来的磨损等，这些因素对于标定五轴机器几何结构参数提出了需求。
[0003]常用的现有技术多为平动轴检测技术、转动轴检测技术和误差补偿技术：平动轴检测多采用激光干涉仪、千分表等测量仪器检测三个平动轴的几何精度以及平动轴之间的垂直度；在转动轴检测技术中，市面上五轴机器主要分为双转台结构、单摆台
‑
单转台结构、双摆头结构三种，根据不同的机械结构建立相对应的几何数学模型，通过水平仪、球杆仪等仪器测量旋转轴的径向、轴向、切向的轴线偏差，计算旋转轴的偏心率等数据；在误差补偿技术中，根据误差数据进行误差补偿，以达到提高加工精度的目的。
[0004]市面上五轴机械设备的结构不同，现有测量工具的使用受特定的机械结构约束，适用性不强，现有五轴标定技术标定流程过于繁琐、所需时间更多、效率更低。因其流程繁琐，所以对于实施标定的技术人员技术要求较高。标定所需球杆仪、激光干涉仪等测量仪器相较于本专利技术使用到的工业相机更加昂贵，在实际应用中会增加厂家的使用成本，总而言之，这些传统方案存在标定流程繁琐，执行效率不高，测量仪器价格昂贵等缺点。
[0005]因此，本专利技术提出了一种技术方案，能够解决上述问题，不同于通过激光干涉仪、千分表、球杆仪等测量仪器来对五轴机器进行标定处理，本技术方案仅需要工业相机和设计的标定方法就能够完成数据的采集和标定运算，在极大简化标定流程的同时减少了标定的使用成本。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提供一种基于工业相机的五轴点胶机的误差标定方法，仅需要工业相机和设计的标定方法就能够完成数据的采集和标定运算，在极大简化标定流程的同时减少了标定的使用成本。
[0007]本专利技术通过下述技术方案实现：一种基于工业相机的五轴点胶机的误差标定方法，包括以下步骤：
[0008]步骤S1.确定五轴点胶机的机械结构，所述五轴点胶机的机械结构包括机床基座、平动轴X轴、平动轴Y轴、平动轴Z轴、转动轴A轴、转动轴C轴、胶阀和相机，并将所述五轴点胶机的机械结构和工件视为刚体机械结构；
[0009]步骤S2.将刚体机械结构划分为两条加工运动链；
[0010]步骤S3.为加工运动链中的各个刚体建立标准正交轴坐标系；
[0011]步骤S4.根据机器人运动学方法对各个刚体的坐标系建立转换矩阵和转换关系；
[0012]步骤S5.根据转换矩阵和五轴标定流程对五轴点胶机进行机械标定操作，获取标定计算所需数据；
[0013]步骤S6.根据机械标定操作获取的数据进行误差标定计算，获取刚体机械结构的各个参数矩阵和刚体机械结构坐标系之间的转换关系，并进行误差分析。
[0014]在本技术方案中，为了解决标定流程复杂，执行效率低，以及所需测量仪器较贵等缺点。本专利技术结合计算机视觉、五轴点胶机机械结构，实现对机械结构的参数标定功能。所需测量工具仅需工业相机、标定板。标定成本极大降低。标定过程只需操作人员对标定板进行简单采图工作，极大简化了标定流程。本技术方案所提出的关键技术在于将工业相机串联至双转台式五轴机床运动链中，采用坐标系的刚体变换(齐次坐标变换)方法建立包含相机坐标系、Z轴、X轴、Y轴、A轴、C轴和世界坐标系(加工坐标系)的串联运动学模型，利用该模型约束获取工件空间点在像素坐标系和世界坐标系中的转换关系，而该转换关系耦合了由于运动轴安装所带来的机床位置无关误差因素(PIGE)，通过该模型求解的工件空间点坐标和位姿可消除机床位置无关误差，提高加工精度。
[0015]为了更好地实现本专利技术，进一步地，步骤S2中的两条加工运动链包括：
[0016]一条加工运动链包括平动轴X轴、平动轴Z轴胶阀和相机；
[0017]另一条加工运动链包括平动轴Y轴、转动轴A轴、转动轴C轴和工件；
[0018]通过相机和胶阀对工件进行点胶加工。
[0019]为了更好地实现本专利技术，进一步地，步骤S3包括：
[0020]建立机床基座坐标系{M}，作为所有坐标系位姿的参考坐标系，坐标原点位于机械原点；
[0021]建立平动轴X轴的坐标系{X}，坐标X轴与实际X平动轴平行，机床复位时坐标原点与坐标系{M}重合；
[0022]建立平动轴Y轴的坐标系{Y}，机床复位时坐标和坐标系{W}重合；
[0023]建立平动轴Z轴的坐标系{Z}，坐标Z轴与实际Z平动轴平行，机床复位时坐标原点与坐标系{M}重合；
[0024]建立转动轴A轴的坐标系{A}，各轴向与坐标系{W}平行，机床复位时坐标原点位于A轴上；
[0025]建立转动轴C轴的坐标系{C}，各轴向与坐标系{W}平行，机床复位时坐标原点位于C轴上；
[0026]建立胶阀和相机坐标系{V}，胶阀由相机表示，坐标原点在相机光心处，坐标Z轴与相机光轴方向重合，并建立像素坐标系{E}；
[0027]建立工件坐标系{W}，在标定时，标定板与工作台之间不存在相对位移，设定工件坐标系与标定板坐标系相同，将工件坐标系与标定板坐标系定义为工件坐标系。
[0028]为了更好地实现本专利技术，进一步地，步骤S4包括：
[0029]通过刚体运动变换方法中定义的旋转矩阵R和平移向量T描述上述坐标系间旋转过程和平移过程；
[0030]定义符号R
xy
表示由{Y}坐标系向{X}坐标系转换的旋转矩阵、T
xy
表示由{Y}坐标系向{X}坐标系转换的平移向量；同理，可定义符号R
vz
、T
vz
、R
zx
、T
zx
、R
ya
、T
ya
、R
ac
、T
ac
、R
cw
、T
cw
来表示对应的旋转矩阵和平移向量。
[0031]其中：
[0032]R
vz
表示由{Z}坐标系向{V}坐标系转换的旋转矩阵；
[0033]T
vz
表示由{Z}坐标系向{V}坐标系转换的平移向量；
[0034]R
zz
表示由{X}坐标系向{Z}坐标系转换的旋转矩阵；
[0035]T
zx
表示由{X}坐标系向{Z}坐标系转换的平移向量；
[0036]R
ya<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于工业相机的五轴点胶机的误差标定方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1.确定五轴点胶机的机械结构，所述五轴点胶机的机械结构包括机床基座、平动轴X轴、平动轴Y轴、平动轴Z轴、转动轴A轴、转动轴C轴、胶阀和相机，并将所述五轴点胶机的机械结构和工件视为刚体机械结构；步骤S2.将刚体机械结构划分为两条加工运动链；步骤S3.为加工运动链中的各个刚体建立标准正交轴坐标系；步骤S4.根据机器人运动学方法对各个刚体的坐标系建立转换矩阵和转换关系；步骤S5.根据转换矩阵和五轴标定流程对五轴点胶机进行机械标定操作，获取标定计算所需数据；步骤S6.根据机械标定操作获取的数据进行误差标定计算，获取刚体机械结构的各个参数矩阵和刚体机械结构坐标系之间的转换关系，并进行误差分析。2.根据权利要求1所述的一种基于工业相机的五轴点胶机的误差标定方法，其特征在于，所述步骤S2中的两条加工运动链包括：一条加工运动链包括平动轴X轴、平动轴Z轴胶阀和相机；另一条加工运动链包括平动轴Y轴、转动轴A轴、转动轴C轴和工件；通过相机和胶阀对工件进行点胶加工。3.根据权利要求1所述的一种基于工业相机的五轴点胶机的误差标定方法，其特征在于，所述步骤S3包括：建立机床基座坐标系{M}，作为所有坐标系位姿的参考坐标系，坐标原点位于机械原点；建立平动轴X轴的坐标系{X}，坐标X轴与实际X平动轴平行，机床复位时坐标原点与坐标系{M}重合；建立平动轴Y轴的坐标系{Y}，机床复位时坐标和坐标系{W}重合；建立平动轴Z轴的坐标系{Z}，坐标Z轴与实际Z平动轴平行，机床复位时坐标原点与坐标系{M}重合；建立转动轴A轴的坐标系{A}，各轴向与坐标系{W}平行，机床复位时坐标原点位于A轴上；建立转动轴C轴的坐标系{C}，各轴向与坐标系{W}平行，机床复位时坐标原点位于C轴上；建立胶阀和相机坐标系{V}，胶阀由相机表示，坐标原点在相机光心处，坐标Z轴与相机光轴方向重合，并建立像素坐标系{E}；建立工件坐标系{W}，在标定时，标定板与工作台之间不存在相对位移，设定工件坐标系与标定板坐标系相同，将工件坐标系与标定板坐标系定义为工件坐标系。4.根据权利要求1所述的一种基于工业相机的五轴点胶机的误差标定方法，其特征在于，所述步骤S4包括：通过刚体运动变换方法中定义的旋转矩阵R和平移向量T描述上述坐标系间旋转过程和平移过程；定义符号R
xy
表示由{Y}坐标系向{X}坐标系转换的旋转矩阵、T
xy
表示由{Y}坐标系向{X}坐标系转换的平移向量；同理，可定义符号R
vx
、T
vz
、R
zx
、T
zx
、R
ya
、T
ya
、R
ac
、T
ac
、R
cw
、T
cw
来表示对
应的旋转矩阵和平移向量，其中：R
vz
表示由{Z}坐标系向{V}坐标系转换的旋转矩阵；T
vz
表示由{Z}坐标系向{V}坐标系转换的平移向量；R
zx
表示由{X}坐标系向{Z}坐标系转换的旋转矩阵；T
zx
表示由{X}坐标系向{Z}坐标系转换的平移向量；R
ya
表示由{A}坐标系向{Y}坐标系转换的旋转矩阵；R
ya
表示由{A}坐标系向{Y}坐标系转换的平移向量；R
ac
表示由{C}坐标系向{A}坐标系转换的旋转矩阵；T
ac
表示由{C}坐标系向{A}坐标系转换的平移向量；R
cw
表示由{W}坐标系向{C}坐标系转换的旋转矩阵；T
cw
表示由{W}坐标系向{C}坐标系转换的平移向量。5.根据权利要求1所述的一种基于工业相机的五轴点胶机的误差标定方法，其特征在于，所述步骤S5中的五轴标定流程包括：步骤S5.1.对五轴点胶机的刚体机械结构和标定板进行调整；步骤S5.2.使用五轴点胶机进行采集图片；步骤S5.3.根据采集到的图片，通过相机标定算法，获取相机内置参数矩阵K、每个拍照位姿下外参旋转矩阵R
i
、外参平移向量T
i
和标定板上点的像素坐标；步骤S5.4.进行机械标定求解运算，所述机械标定求解运算包括求解初始解运算的方法A和迭代优化获取最优解运算的方法B；步骤S5.5.通过上述步骤求解出各个刚体机械结构的相关参数矩阵；步骤S5.6.获取刚体机械结构的相关参数。6.根据权利要求5所述的一种基于工业相机的五轴点胶机的误差标定方法，其特征在于，所述步骤S5.1包括：步骤S5.1.1.将标定板固定在工作台上；步骤S5.1.2.设置在转动轴A轴和转动轴C轴轴初始状态，即转动轴A轴和转动轴C轴都处于0度时，令标定板与机床基座平面平行；步骤S5.1.3.将相机和胶阀固定在平动轴Z轴上，令相机与平动轴Z轴处于平行状态，并垂直于机床基座平面。7.根据权利要求1所述的一种基于工业相机的五轴点胶机的误差标定方法，其特征在于，所述步骤S5.2包括：步骤S5.2.1.在平动轴Y轴、平动轴...

【专利技术属性】
技术研发人员：瞿佳伟，张春雷，苏爱林，周维，夏光明，杨金壁，
申请(专利权)人：成都乐创自动化技术股份有限公司，
类型：发明
国别省市：