一种平面式线激光传感器位姿标定件及标定方法技术

本发明专利技术公开了一种平面式线激光传感器位姿标定件及标定方法，基于现有齿轮测量中心建立非接触式三维齿轮测量系统，实现对线结构光传感器位姿标定件的设计及标定方法确认。几何特征的位姿标定件，是一个柱状中心旋转结构体，其具体包含了平面I，外圆柱面I，V型槽，外圆柱面II，平面II，下端面，上端面，平面III，内圆柱面。各几何特征具有一定精度的形状误差要求，各几何特征之间具有一定精度的位置误差要求，满足几何特征的精度加工需求。与齿轮测量中心测量工艺相结合，标定操作简单易行，可实现线激光传感器的精确标定。标定方法利用最小二乘对直线的拟合技术成熟，精度较高，能够真实反映实际坐标数值的相互关系。实反映实际坐标数值的相互关系。实反映实际坐标数值的相互关系。

【技术实现步骤摘要】
一种平面式线激光传感器位姿标定件及标定方法


[0001]本专利技术涉及一种线激光传感器位姿标定件及其标定方法，特别是涉及一种用于齿轮三维测量的线激光传感器空间位姿标定件及其标定方法，属于精密测量


技术介绍

[0002]传统的齿轮测量多采用接触式测量方式，其存在以下不足点：1、测量效率低，难以在短时间之内实现所需轮齿齿面信息的获取。2、仅以部分轮齿齿面的点、线等特定信息来评判整体齿轮，无法获取齿面的全信息，评价不全面。3、接触式测头存在磨损、半径补偿等问题。相比较，非接触齿轮激光测量方法具有明显优势，极大提高了测量效率，可获取快速所有轮齿的齿面全信息。
[0003]线激光测量作为一种典型的非接触式测量技术，广泛应用于产品形貌、尺寸测量领域，具有快速、高精度、高效率、操作便捷、无损耗等特点。线激光传感器的诸多优势方便了工业应用，其高度封装降低了对操作人员的技术要求，更加简单、便捷地实现对被测物体的精密测量。
[0004]线激光测量为比对式测量技术，在进行物体表面信息精密测量前，精确标定线激光传感器与被测物体的空间位姿关系显得尤为重要，也是实现精确三维信息重构的重要前提。对于齿轮这一类型的旋转式结构体，线激光传感器的标定一般是借助于结构简单的标准芯轴或具有复杂几何特征的特制标定件来完成。基于结构简单的标准芯轴的标定方法，需要累积多次小样本数据进行拟合运算，且标定过程中需要对传感器进行多次位姿调节，过程中不可避免的引入了多源误差；基于特制复杂几何特征标定件的标定方法，对标定件的加工及精度要求带来很大的挑战。
[0005]基于上述的现状和问题，提出了一种用于齿轮测量的线激光传感器位姿标定件及其标定方法，本专利针对齿轮类型的柱状旋转式结构体，以特定的圆柱面、平面、槽型结构来实现线激光传感器的精确位姿标定。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是针对现有的齿轮测量过程中线激光传感器的位姿标定问题，提供一种用于齿轮测量的线激光传感器位姿标定件及标定方法。
[0007]本专利技术所涉及的线激光传感器位姿标定件，包括中心旋转结构体，所述中心旋转结构体的上下端面为平整结构；所述中心旋转结构体的侧面设有多个特定几何形状单元，每个结构单元包括外圆柱面I(2)、V型槽(3)和外圆柱面II(4)，所述的V型槽(3)设置在外圆柱面I(2)与外圆柱面II(4)中间，外圆柱面I(2)和外圆柱面II(4)上下对称布置；各个结构单元之间设有竖直断面结构，竖直断面结构为中心旋转结构体的侧面竖直结构面；中心旋转结构体的中间设有内圆柱面(9)；如图1所示，所述的竖直断面结构包括平面I(1)、平面II(5)和平面III(9)；下端面(6)和上端面(7)为中心旋转结构体的上下端面。
[0008]上述标定件满足以下设计要求：
[0009]S1：内圆柱面(9)为标定件的定位基准，对其尺寸和形位公差有严格要求，其与被测齿轮具有一致的孔径尺寸(图5)，为实现径向定位精度的准确性要求内圆面的圆柱度为0.3μm。
[0010]S2：平面I(1)、平面II(5)、平面III(8)具有相同的平面结构，保证独立平面度为1μm，它们相对于中心轴的距离有一致性(图2、图5)并与待测齿轮的齿根圆直径尺寸相关；平面I(1)、平面II(5)、平面III(8)均相对于下端面(6)垂直度为1μm；平面I(1)与平面III(8)平行度1μm；平面I(1)与平面III(8)关于中心线对称度1μm；平面II(5)与平面I(1)、平面III(8)相互垂直度为1μm。
[0011]S3：外圆柱面I(2)、外圆柱面II(4)具有一致的圆柱度0.3μm；总体尺寸与待测齿轮的齿顶圆相关联(图2、图5)；与标定件的定位基准内圆面(9)同轴度为1μm。
[0012]S4：V型槽(3)将外圆面分成了外圆面I(2)和外圆面II(4)，V型槽的两侧锥面全跳动为1μm；V型槽具有特定的宽度值，根据待测齿轮参数确定。
[0013]S5：下端面(6)、上端面(7)为标定件的辅助基准面，分别独立具有平面度1μm；两个平面与标定件的定位基准内圆柱面(9)具有垂直度为1μm；两个平面相互平行且平面度为1μm；两个平面间的尺寸与被测齿轮的齿宽相互关联(图4、图5)。
[0014]本专利技术基于上述标定件，设计了一种用于齿轮测量的线激光传感器空间位姿标定方法，具体步骤如下：
[0015]S1：标定系统的坐标系建立。
[0016]建立如图6所示的标定系统坐标系，包括：标定件坐标系δ
c
:O
c
‑
X
c
Y
c
Z
c
和传感器坐标系δ
s
:O
s
‑
X
s
Y
s
Z
s
。其中，δ
c
为标定件坐标系的标号，O
c
为标定件坐标系的原点，X
c
、Y
c
、Z
c
为标定件坐标系的三个坐标轴。δ
s
为传感器坐标系的标号，O
s
为传感器坐标系的原点，X
s
、Y
s
、Z
s
为传感器坐标系的三个坐标轴。传感器布置在标定件的周向，传感器坐标系原点O
s
相对于标定件坐标系原点O
c
在标定件坐标系三个坐标轴方向的偏置分别为a、b、c。传感器坐标系的三个坐标轴X
s
、Y
s
、Z
s
相对于标定件坐标系三个坐标轴X
c
、Y
c
、Z
c
的偏转角分别为α、β、γ。因此，a、b、c、α、β、γ构成了传感器在标定件坐标系下的六个自由度参数，传感器的空间位姿标定，也就是标定这六个自由度参数。
[0017]S2：标定数据获取及坐标变换。
[0018]根据S1建立的坐标系及坐标关系，将标定件安装在测量仪器主轴上，标定件能够随主轴给定的速度做回转运动，测量仪器的主轴回转信号作为触发信号触发传感器进行数据采集，获取到标定件表面在传感器坐标系下的点云信息{D
s
}。根据S1的坐标关系，由公式(1)得到标定件在标定件坐标系下的点云信息{D
c
}。D
c
＝M
·
D
s
ꢀꢀ
(1)
[0019]其中，M为传感器坐标系与标定件坐标系之间的变换矩阵，它与传感器空间位姿的六个自由度参数a、b、c、α、β、γ相关。
[0020]S3：标定特征提取。
[0021]根据S2获取到的标定件的点云信息{D
c
:x
c
,y
c
,z
c
}，可根据几何特征将标定件信息提取为圆柱面点云信息{D
c
‑...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种平面式线激光传感器位姿标定件，其特征在于：包括中心旋转结构体，所述中心旋转结构体的上下端面为平整结构；所述中心旋转结构体的侧面设有多个特定几何形状单元，每个结构单元包括外圆柱面I(2)、V型槽(3)和外圆柱面II(4)，所述的V型槽(3)设置在外圆柱面I(2)与外圆柱面II(4)中间，外圆柱面I(2)和外圆柱面II(4)上下对称布置；各个结构单元之间设有竖直断面结构，竖直断面结构为中心旋转结构体的侧面竖直结构面；中心旋转结构体的中间设有内圆柱面(9)；所述的竖直断面结构包括平面I(1)、平面II(5)和平面III(9)；下端面(6)和上端面(7)为中心旋转结构体的上下端面。2.根据权利要求1所述的一种平面式线激光传感器位姿标定件，其特征在于：内圆柱面为标定件的定位基准，与被测齿轮具有一致的孔径尺寸，为实现径向定位精度的准确性要求内圆面的圆柱度为0.3μm。3.根据权利要求1所述的一种平面式线激光传感器位姿标定件，其特征在于：标定件平面I、平面II、平面III具有相同的平面结构，保证独立平面度为1μm，它们相对于中心轴的距离有一致性并与待测齿轮的齿根圆直径尺寸相关；平面I、平面II、平面III均相对于下端面垂直度为1μm；平面I与平面III平行度1μm；平面I与平面III关于中心线对称度1μm；平面II与平面I、平面III相互垂直度为1μm。4.根据权利要求1所述的一种平面式线激光传感器位姿标定件，其特征在于：标定件外圆柱面I、外圆柱面II具有一致的圆柱度0.3μm；总体尺寸与待测齿轮的齿顶圆相关联；与标定件的定位基准内圆面同轴度为1μm。5.根据权利要求1所述的一种平面式线激光传感器位姿标定件，其特征在于：标定件V型槽将外圆面分成外圆面I和外圆面II，V型槽的两侧锥面全跳动为1μm；V型槽的宽度值根据待测齿轮参数确定。6.根据权利要求1所述的一种平面式线激光传感器位姿标定件，其特征在于：下端面、上端面为标定件的辅助基准面，分别独立具有平面度1μm；两个平面与标定件的定位基准内圆柱面具有垂直度为1μm；两个平面相互平行且平面度为1μm；两个平面间的尺寸与被测齿轮的齿宽相互关联。7.一种用于齿轮测量的线激光传感器空间位姿标定方法，具体步骤如下：标定系统的坐标系建立；标定数据获取及坐标变换；标定特征提取；六个自由度参数的标定；线激光传感器空间位姿关系确认，标定完毕；S1：标定系统的坐标系建立；建立标定系统坐标系，包括：标定件坐标系δ
c
:O
c
‑
X
c
Y
c
Z
c
和传感器坐标系δ
s
:O
s
‑
X
s
Y
s
Z
s
；其中，δ
c
为标定件坐标系的标号，O
c
为标定件坐标系的原点，X
c
、Y
c
、Z
c
为标定件坐标系的三个坐标轴；δ
s
为传感器坐标系的标号，O
s
为传感器坐标系的原点，X
s
、Y
s
、Z
s
为传感器坐标系的三个坐标轴；传感器布置在标定件的周向，传感器坐标系原点Os相对于标定件坐标系原点O
c
在标定件坐标系三个坐标轴方向的偏置分别为a、b、c；传感器坐标系的三个坐标轴X
s
、Y
s
、Z
s
相对于标定件坐标系三个坐标轴X
c
、Y
c
、Z
c
的偏转角分别为α、β、γ；因此，a、b、c、α、β、γ构成了传感器在标定件坐标系下的六个自由度参数，传感器的空间位姿标定，也就是标定这六个
自由度参数；其中，x
c
,y
x
,z
c
分别为标定件点云信息在空间中的三维坐标值，x
c
‑
Y
,y
c
‑
Y
,z
c
‑
Y
分别为标定件的圆柱面点云信息在空间中的三维坐标值，x
c
‑
P
,y
c
‑
P
,z
c
‑
P
分别为标定件的平面点云信息在空间中的三维坐标值，x
c
‑
V
,y
c
‑
V
,z
c
‑
V
分别为标定件的V型槽点云信息在空间中的三维坐标值；S2：标定数据获取及坐标变换；根据S1建立的坐标系及坐标关系，将标定件安装在测量仪器主轴上，标定件能够随主轴给定的速度做回转运动，测量...

【专利技术属性】
技术研发人员：石照耀，李美川，孙衍强，于渤，吕浩，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：