一种基于平面的点激光传感器安装位姿标定方法技术

本发明专利技术属于数字化测量领域，具体涉及一种基于平面的点激光传感器安装位姿标定方法，包括如下步骤，根据机床主轴定位角度，建立激光测量点运动学模型，形成以激光传感器安装位置和姿态为未知数的线性方程组;安装具有基准平面的标定工装；安装激光传感器并设置虚拟刀长；激光传感器以不同位姿测量基准平面，记录当前测量位姿下五轴数控机床各轴坐标和激光传感器测量值，形成以激光传感器安装位置和姿态为未知数的线性方程组；计算激光传感器安装位置和姿态。本方法操作简单，计算量小，稳定可靠。靠。靠。

A plane based calibration method for the installation position and orientation of point laser sensor

【技术实现步骤摘要】
一种基于平面的点激光传感器安装位姿标定方法


[0001]本专利技术属于数字化测量领域，具体涉及一种基于平面的点激光传感器安装位姿标定方法。

技术介绍

[0002]在机测量在保持零件装夹位置不变的情况下，对零件的几何形貌进行测量，避免了零件的重复装夹等操作，从而避免了二次装夹误差的引入，也使得对加工误差的自适应补偿加工成为可能。以激光测量为代表的非接触式在机测量由于测量精度高、采样数据量大、测量速度快，在高精高效数控加工中的应用越来越广泛。但由于装配误差，激光传感器的安装位姿不可避免地会偏离理论位姿，直接影响到零件几何形貌的测量精度。因此，有必要对激光传感器的实际安装位姿进行标定。
[0003]现有技术通过专用的标定工装实现了点激光传感器的安装位姿标定。专利文献CN 109341546 B中公开了一种点激光位移传感器在任意安装位姿下的光束标定方法，但该方法依赖于由正弦规和分度盘组成点激光位移传感器光束标定工装，操作复杂。
[0004]为了简化标定工装，部分文献基于标准球实现了点激光传感器的安装位置和姿态的标定。专利文献CN 114136212 A和CN 110186372 B中各公开了一种基于标准球的三坐标测量机点激光传感器光束方向的标定方法，而专利文献CN 109773686 B和CN 112461177 A中各公开了一种基于标准球的点激光位置和姿态标定方法。这类方法依赖于标准球来实现点激光传感器安装位姿的标定，一方面标定过程复杂，另一方面要在机床上实现标准球位置的高精度找正较为困难，可操作性差。r/>[0005]为了进一步简化标定过程，专利文献CN 110500978 B中公开了一种点激光传感器的光束方向矢量和零点位置在线标定方法，以一个标准侧平面为标定平面，以点激光传感器测量该标定平面，利用测量结果和五轴机床的坐标变换模型构造超静定线性方程组，通过求解该方程组实现激光光束方向矢量和零点位置的标定。方法中被测点的运动学模型仅考虑了机床的五个运动轴，而未考虑机床主轴的定位角度，因此在标定时仅能通过一个标准侧平面来进行标定作业。但在实际工程应用中，为了保证点激光传感器测量数值的准确性，点激光传感器光束与待测标定平面的夹角不应超过3
°
，使得五轴机床旋转轴运动角度较大，容易造成机床主轴部件与工作台的干涉，降低了该方法的可操作性。

技术实现思路

[0006]为了克服现有技术中存在的上述问题，本专利技术的目的在于提供一种基于平面的点激光传感器安装位姿标定方法。
[0007]本专利技术通过以下技术方案实现：
[0008]一种基于平面的点激光传感器安装位姿标定方法，包括如下步骤，
[0009]S1：根据机床主轴定位角度，建立激光测量点运动学模型，形成以激光传感器安装位置和姿态为未知数的线性方程组；
[0010]S2：安装具有基准平面的标定工装；
[0011]S3：安装激光传感器并设置虚拟刀长；
[0012]S4：激光传感器以不同位姿测量基准平面，记录当前测量位姿下五轴数控机床各轴坐标和激光传感器测量值，形成以激光传感器安装位置和姿态为未知数的线性方程组；
[0013]S5：计算激光传感器安装位置和姿态。
[0014]进一步地，S1具体为：建立与机床固联的加工坐标系{M}，其原点位于机床加工坐标偏置点，坐标轴方向与机床绝对坐标系一致；建立与刀具固联的刀具坐标系{T}，其原点位于刀尖点，坐标轴方向与机床坐标系{M}一致；建立与激光传感器固联的激光坐标系{L}，其原点位于测量参考零点，Z方向坐标轴与激光发射轴线一致，X/Y方向坐标轴可任意选取。
[0015]激光坐标系{L}原点相对于刀具坐标系{T}的位置可以描述为
[0016][0017]激光坐标系{L}的Z轴相对于刀具坐标系{T}的姿态可以描述为
[0018][0019]在测量时，激光传感器测量读数为l，则激光测量点相对于机床坐标系{M}的位置
M
P表示为
[0020][0021]其中，为刀具坐标系{T}相对于机床坐标系{M}的位姿，由机床的运动学模型决定，此处的运动学模型需考虑机床主轴定位角度。式(8)为考虑机床主轴定位角度的激光测量点运动学模型。
[0022]将式(8)展开为线性方程组，表示为
[0023]AX＝B
ꢀꢀ
(9)
[0024]其中，X＝(δx,δy,δz,δi,δj,δk)
T
是线性方程组的未知数，为6维列向量；A是线性方程组的系数矩阵，为3
×
6阶矩阵，可用五轴数控机床各旋转轴坐标和激光传感器测量读数表示；B是线性方程组的常数项，为3维列向量，可用五轴数控机床各平动轴坐标和测量点坐标表示。
[0025]方程组中包含δx、δy、δz、δi、δj和δk共6个未知数，基于基准平面对激光传感器进行标定时，需要在6个以上不同机床位姿状态下对位置已知的基准平面进行测量，进而构造6个以上线性方程，通过解析或拟合方法求解方程组。
[0026]进一步地，S2具体为：安装具有基准平面的标定工装，保证在加工坐标系下基准平面方程为已知量，表达为F(x,y,z)＝0。
[0027]进一步的，由于式(8)中的激光测量点运动学模型考虑了机床主轴定位角度，在机床旋转轴运动使得主轴轴线与标定平面不垂直的情况下，主轴旋转会造成激光传感器对于XY平面或其平行平面的测量数据发生变化。因此，可以将基准平面设置为与五轴数控机床的主轴轴线垂直，即基准平面与机床XY平面平行，确保基准平面的方程为已知量，既降低工装安装难度，简化标定计算过程，又避免标定过程中机床旋转轴的大幅度摆动，降低主轴部件与工作台的干涉风险。
[0028]进一步地，S3具体为：激光传感器通过刀柄安装至五轴数控机床主轴上，激光传感
器光线沿五轴数控机床主轴轴线方向，激光传感器可随机床主轴旋转。设置虚拟刀长，虚拟刀长值为主轴端面到激光传感器测量参考零点理想位置的距离在机床主轴轴线方向上的投影长度。此时，虚拟刀尖点即为刀具坐标系{T}的原点。
[0029]由于激光传感器的安装位姿偏差，激光传感器测量参考零点不可避免的会偏离虚拟刀尖点位置，激光发射轴线也会偏离机床主轴方向，如图2所示。
[0030]进一步地，S4具体为：通过五轴数控机床运动控制激光传感器以n个的不同位置和姿态测量基准平面，其中n不小于未知数X的维数，记录下各测量位置和姿态下五轴数控机床的运动量(X
i
,Y
i
,Z
i
,M
i
,N
i
,S
i
)和激光传感器测量值l
i
，此处i＝1,2,
…
,n；n≥6。
[0031]根据记录的各测量位姿下五轴数控机床各轴坐标和激光传感器测量值，结合基准平面方程F(x,y,z)＝0和线性方程组AX＝B，重新构造n个线性方程，形成n阶线性方程组
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于平面的点激光传感器安装位姿标定方法，其特征在于：包括如下步骤，S1：根据机床主轴定位角度，建立激光测量点运动学模型，形成以激光传感器安装位置和姿态为未知数的线性方程组；S2：安装具有基准平面的标定工装；S3：安装激光传感器并设置虚拟刀长；S4：激光传感器以不同位姿测量基准平面，记录当前测量位姿下五轴数控机床各轴坐标和激光传感器测量值，形成以激光传感器安装位置和姿态为未知数的线性方程组；S5：计算激光传感器安装位置和姿态。2.根据权利要求1所述的一种基于平面的点激光传感器安装位姿标定方法，其特征在于：S1具体为：建立与机床固联的加工坐标系{M}，其原点位于机床加工坐标偏置点，坐标轴方向与机床绝对坐标系一致；建立与刀具固联的刀具坐标系{T}，其原点位于刀尖点，坐标轴方向与机床坐标系{M}一致；建立与激光传感器固联的激光坐标系{L}，其原点位于测量参考零点，Z方向坐标轴与激光发射轴线一致，X/Y方向坐标轴任意选取。3.根据权利要求2所述的一种基于平面的点激光传感器安装位姿标定方法，其特征在于：激光坐标系{L}原点相对于刀具坐标系{T}的位置描述为激光坐标系{L}的Z轴相对于刀具坐标系{T}的姿态描述为在测量时，激光传感器测量读数为l，则激光测量点相对于机床坐标系{M}的位置
M
P表示为其中，为刀具坐标系{T}相对于机床坐标系{M}的位姿，由机床的运动学模型决定，此处的运动学模型需考虑机床主轴定位角度，式(8)为考虑机床主轴定位角度的激光测量点运动学模型；将式(8)展开为线性方程组，表示为AX＝B
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)其中，X＝(δx,δy,δz,δi,δj,δk)
T
是线性方程组的未知数，为6维列向量；A是线性方程组的系数矩阵，为3
×
6阶矩阵，可用五轴数控机床各旋转轴坐标和激光传感器测量读数表示；B是线性方程组的常数项，为3维列向量，用五轴数控机床各平动轴坐标和测量点坐标表示；方程组中包含δx、δy、δz、δi、δj和δk共6个未知数，基于基准平面对激光传感器进行标定时，需要在6个以上不同机床位姿状态下对位置已知的基准平面进行测量，进而构造6个以上线性方程，通过解析或拟合方法求解方程组。4.根据权利要求3所述的一种基于平面的点激光传感器安装位姿标定方法，其特征在于：S2具体为：安装具有基准平面的标定工装，保证在加工坐标系下基准平面方程为已知
量，表达为F(x,y,z)＝0；将基...

【专利技术属性】
技术研发人员：章绍昆，沈昕，赵国波，李卫东，姜振喜，付豪，李博，黄思思，王良泽，
申请(专利权)人：成都飞机工业集团有限责任公司，
类型：发明
国别省市：