五軸數(shù)控機(jī)床動(dòng)態(tài)誤差視覺測(cè)量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于機(jī)床幾何誤差測(cè)量領(lǐng)域，涉及一種利用雙目視覺測(cè)量機(jī)床動(dòng)態(tài)空間軌 跡誤差的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床是衡量一個(gè)國(guó)家裝配與制造水平的重要象征，是航空航天，船 舶、汽車等國(guó)家重大工程領(lǐng)域核心變曲率部件的主要加工機(jī)床。由于機(jī)床設(shè)計(jì)、制造水平的 限制以及其他耦合因素的影響，存在誤差，使得數(shù)控機(jī)床加工工程中刀具與工件之間的實(shí) 際位置偏離理論位置，降低了加工精度，提高數(shù)控機(jī)床制造精度是該領(lǐng)域面臨的重大問題。 空間誤差是機(jī)床誤差的主要來源，動(dòng)態(tài)空間軌跡誤差作為空間誤差的一種相比于靜態(tài)誤差 更能反映機(jī)床的真實(shí)加工狀態(tài)。因此，實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床動(dòng)態(tài)空間軌跡誤差高精度測(cè)量，對(duì)于提 高機(jī)床加工精度具有重要意義。。
[0003] 深圳市大族激光科技股份有限公司的楊朝輝、陳百?gòu)?qiáng)發(fā)明的專利號(hào)為CN 103894882A"高速機(jī)床動(dòng)態(tài)誤差測(cè)量系統(tǒng)"發(fā)明了一種采用視覺測(cè)量機(jī)床動(dòng)態(tài)誤差的測(cè)量 系統(tǒng)，該系統(tǒng)雖能測(cè)量機(jī)床動(dòng)態(tài)誤差，但是測(cè)量過程中采用顯微鏡頭，結(jié)合微米級(jí)的光線刻 板視場(chǎng)很難做的很大。因此測(cè)量的機(jī)床動(dòng)態(tài)誤差很難反映機(jī)床的整體性能。沈陽(yáng)機(jī)床有限 責(zé)任公司的劉闊發(fā)明的專利為CN104097114A"一種多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的幾何誤差測(cè)量與 分離技術(shù)"發(fā)明了一種采用激光干涉儀測(cè)量三軸機(jī)床15項(xiàng)誤差。雖然該方法為機(jī)床檢測(cè)提 供了一種新的手段，但是采用的激光干涉儀無(wú)法實(shí)現(xiàn)機(jī)床多項(xiàng)幾何誤差的同時(shí)測(cè)量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明要解決的技術(shù)難題是克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，發(fā)明了一種采用雙目視覺測(cè)量 五軸數(shù)控機(jī)床動(dòng)態(tài)誤差方法。采用雙目視覺系統(tǒng)結(jié)合標(biāo)志點(diǎn)在大范圍內(nèi)測(cè)量五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控 機(jī)床軌跡誤差，根據(jù)視覺測(cè)量的三維重建功能實(shí)現(xiàn)空間軌跡誤差單次測(cè)量多項(xiàng)分離。首先 在機(jī)床刀具端與工作臺(tái)表面布置不同幾何尺寸和顏色的球形標(biāo)志點(diǎn)，在機(jī)床未運(yùn)動(dòng)初始時(shí) 刻以球形標(biāo)志點(diǎn)為媒介標(biāo)定視覺坐標(biāo)系與機(jī)床參考坐標(biāo)系，以及視覺坐標(biāo)系與機(jī)床刀具主 軸坐標(biāo)系之間的位置關(guān)系。在機(jī)床運(yùn)動(dòng)過程中通過雙目視覺成像系統(tǒng)連續(xù)采集球形標(biāo)志點(diǎn) 圖像，并通過后續(xù)圖像處理算法求取任一幀圖像上標(biāo)志點(diǎn)空間坐標(biāo)。以機(jī)床逆運(yùn)動(dòng)學(xué)為依 據(jù)求解數(shù)控機(jī)床各軸實(shí)際運(yùn)動(dòng)量，通過比較數(shù)控指令理論值與測(cè)量實(shí)際值求取數(shù)控機(jī)床各 軸運(yùn)動(dòng)量偏差。本發(fā)明提出的測(cè)量方法相比于其他機(jī)床誤差測(cè)量方法測(cè)量流程簡(jiǎn)單，并且 可單次測(cè)量求得多項(xiàng)誤差。本發(fā)明提高了誤差測(cè)量精度，也擴(kuò)大了機(jī)床動(dòng)態(tài)空間軌跡測(cè)量 范圍。
[0005] 本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是五軸數(shù)控機(jī)床動(dòng)態(tài)誤差視覺測(cè)量方法，采用雙目像機(jī) 在大范圍內(nèi)測(cè)量數(shù)控機(jī)床動(dòng)態(tài)空間誤差，其特征是，測(cè)量方法根據(jù)雙目視覺測(cè)量的三維感 知功能，單次測(cè)量分離多項(xiàng)誤差；首先在機(jī)床刀具端與工作臺(tái)表面合理布置球形標(biāo)志點(diǎn)，球 形標(biāo)志點(diǎn)具有不同幾何尺寸和顏色；利用球形標(biāo)志點(diǎn)特征信息標(biāo)定視覺坐標(biāo)系與機(jī)床參考 坐標(biāo)系，視覺坐標(biāo)系與機(jī)床刀具主軸坐標(biāo)系之間的位置關(guān)系；測(cè)量過程中利用視覺測(cè)量系 統(tǒng)連續(xù)采集球形標(biāo)志點(diǎn)圖像，通過后續(xù)圖像處理算法求取任一幀圖像上球形標(biāo)志點(diǎn)空間坐 標(biāo)；以機(jī)床逆運(yùn)動(dòng)學(xué)為依據(jù)結(jié)合當(dāng)前狀態(tài)與初始狀態(tài)下各個(gè)球形標(biāo)志點(diǎn)之間的位置關(guān)系解 算數(shù)控機(jī)床各軸實(shí)際運(yùn)動(dòng)量，最后通過比較理論數(shù)控指令值與測(cè)量實(shí)際值計(jì)算數(shù)控機(jī)床各 軸運(yùn)動(dòng)量偏差；具體求解步驟如下：
[0006] (1)左右高速像機(jī)標(biāo)定
[0007] 本發(fā)明采用張氏標(biāo)定法結(jié)合高精度加工的二維棋盤格靶標(biāo)標(biāo)定左、右高速像機(jī)7、 8,其標(biāo)定表達(dá)式為：
[0008]
[0009] 式中，（uQ，v。）為高速像機(jī)拍攝圖像的主點(diǎn)坐標(biāo)，（Cx，Cy)為高速像機(jī)像元在橫、縱 方向的等效焦距，R為旋轉(zhuǎn)矩陣，T為平移矩陣，它們描述了高速像機(jī)坐標(biāo)系與世界坐標(biāo)系 之間相對(duì)位置關(guān)系；(XW，YW，ZW)為物方控制點(diǎn)在世界坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)，Μ為標(biāo)定高速像 機(jī)用內(nèi)參數(shù)矩陣，Ρ為外參數(shù)矩陣，（U,V)為物方控制點(diǎn)成像在CCD上的像素坐標(biāo)；為了消除 高速像機(jī)成像過程中產(chǎn)生的畸變將第一階與第二階徑向畸變系數(shù)4、k2以及第一階和第二 階切向畸變參數(shù)Pl、p2引入到像機(jī)成像模型中消除畸變；這樣在慮及畸變基礎(chǔ)上Cx、Cy、u。、 v。、Vk2、Pl、p2構(gòu)成成像模型9個(gè)內(nèi)參數(shù)，R、T構(gòu)成6個(gè)獨(dú)立的外參數(shù)；根據(jù)二維平面靶標(biāo) 上棋盤格三維點(diǎn)與成像二維點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系即可求解每一個(gè)像機(jī)的內(nèi)、外以及畸變參數(shù)；
[0010] 標(biāo)定完每一個(gè)高速像機(jī)獨(dú)立參數(shù)后，利用Longguet - Higgins提出的歸一化8點(diǎn) 算法計(jì)算兩高速像機(jī)成像點(diǎn)之間的極線幾何約束關(guān)系，計(jì)算表達(dá)式為：
[0011]
[0012] 其中，Xl=(uuVl，1)為二維棋盤格角點(diǎn)在左高速像機(jī)上成像的像素點(diǎn)齊次坐標(biāo)， X^=(UpV"l)為同一二維棋盤格角點(diǎn)在右高速像機(jī)上成像的像素點(diǎn)齊次坐標(biāo)，XpXj^為一 對(duì)匹配點(diǎn)；F為3階方陣，含9個(gè)未知數(shù)，8個(gè)獨(dú)立的未知參數(shù)；采用八對(duì)匹配點(diǎn)即可求解F， 為了增加求解的魯棒性，本發(fā)明利用多對(duì)匹配點(diǎn)采用最小二乘法擬合求解；
[0013] 確定各坐標(biāo)系位置關(guān)系
[0014] 為方便建立坐標(biāo)變換模型，設(shè)機(jī)床各運(yùn)動(dòng)軸的坐標(biāo)系原點(diǎn)位于同一鉛垂線上，機(jī) 床刀具主軸坐標(biāo)系os-xsYszs9的原點(diǎn)(^設(shè)置在刀尖，；機(jī)床C軸坐標(biāo)系0c-xcYczc 11坐標(biāo)系 原點(diǎn)〇c建立在C軸旋轉(zhuǎn)臺(tái)頂面中心處；機(jī)床A軸坐標(biāo)系0A-XAYAZA 12建立在A軸與C軸交 點(diǎn)％處，將機(jī)床參考坐標(biāo)系0R_XRYRZR13與機(jī)床A軸坐標(biāo)系0Α-ΧΑΥΑΖΑ 12重合，運(yùn)動(dòng)時(shí)參考坐 標(biāo)系保持不動(dòng)；
[0015] 設(shè)置機(jī)床加工零點(diǎn)，機(jī)床運(yùn)動(dòng)初始時(shí)刻機(jī)床各軸回零點(diǎn)，此時(shí)，機(jī)床各運(yùn)動(dòng)軸的坐 標(biāo)系原點(diǎn)位于同一鉛垂線上，機(jī)床C軸部件5與機(jī)床A軸部件6回轉(zhuǎn)軸線原點(diǎn)0C、0R兩點(diǎn)之 間的垂直距離為b;由左、右高速像機(jī)7、8所確定的視覺坐標(biāo)系0εε-ΧεεΥεεΖεε10建立在左高速 像機(jī)7的光心上；機(jī)床各軸所處位置由機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)直接讀出；
[0016] (2)布置球形標(biāo)志點(diǎn)
[0017] 采用球形標(biāo)志點(diǎn)作為特征信息測(cè)量機(jī)床空間軌跡誤差；球形標(biāo)志點(diǎn)分為四類：機(jī) 床刀具端球形標(biāo)志點(diǎn)14、C軸中心球形標(biāo)志點(diǎn)15、內(nèi)圈球形標(biāo)志點(diǎn)16以及外圈球形標(biāo)志點(diǎn) 17,該四類球形標(biāo)志點(diǎn)具有四種不同直徑，幾何尺寸已知，并且自發(fā)光；將機(jī)床刀具端多個(gè) 球形標(biāo)志點(diǎn)14安裝在機(jī)床刀具主軸S端，機(jī)床刀具端球形標(biāo)志點(diǎn)14在機(jī)床刀具主軸坐標(biāo) 系0S-XSYSZS9下的坐標(biāo)精確已知；一個(gè)C軸中心球形標(biāo)志點(diǎn)15、多個(gè)內(nèi)圈球形標(biāo)志點(diǎn)16以 及多個(gè)外圈球形標(biāo)志點(diǎn)17分別安裝在機(jī)床C軸回轉(zhuǎn)臺(tái)面上，C軸中心球形標(biāo)志點(diǎn)15球心 位于C軸回轉(zhuǎn)軸線上；各球形標(biāo)志點(diǎn)相對(duì)于C軸中心球形標(biāo)志點(diǎn)15的位置精確已知；
[0018] 3)靜態(tài)圖像采集
[0019] 利用左、右高速像機(jī)7、8采集機(jī)床刀具端球形標(biāo)志點(diǎn)14、C軸中心球形標(biāo)志點(diǎn)15、 內(nèi)圈球形標(biāo)志點(diǎn)16以及外圈球形標(biāo)志點(diǎn)17靜態(tài)圖像，隨后對(duì)球形標(biāo)志點(diǎn)進(jìn)行圖像處理，包 括標(biāo)志點(diǎn)的提取、匹配和重建：采用灰度重心法提取算法定位球形標(biāo)志點(diǎn)中心，其計(jì)算表達(dá) 式為：
[0020]
[0021] 其中，（i，j)代表圖像像素點(diǎn)坐標(biāo)，m，η為圖像在橫、縱方向的所含的像素的數(shù)量； (X，y)為圖像的質(zhì)心坐標(biāo)，f(i，j)為像素坐標(biāo)（i，j)處的灰度值；求得質(zhì)心點(diǎn)坐標(biāo)后根據(jù)標(biāo) 志點(diǎn)在圖像中占有的面積大小以及以確定的基礎(chǔ)矩陣F識(shí)別相匹配的標(biāo)志點(diǎn)對(duì)；
[0022] 在提取兩像機(jī)拍攝標(biāo)定點(diǎn)的圖像坐標(biāo)，根據(jù)同一空間點(diǎn)在左右圖像上的對(duì)應(yīng)關(guān) 系，利用重建算法計(jì)算控制點(diǎn)的三維坐標(biāo)；重建公式如表達(dá)式（4):
[002；
[0024]其中，（Xw，Yw，Zw，1)為物方控制點(diǎn)P在世界坐標(biāo)系下的齊次坐標(biāo)，Xl=(uVl，1)、 Xl=(up1)分別為點(diǎn)P在左右像機(jī)的成像平面上像素點(diǎn)齊次坐標(biāo)，Mn 為左右像機(jī)對(duì) 應(yīng)的投影矩陣；分別為物方控制點(diǎn)P在兩像機(jī)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，整理方程組得到重建 點(diǎn)的三維坐標(biāo)：
[0025]
(5)
[0026]其中， ?
在獲得球形 標(biāo)志點(diǎn)在視覺坐標(biāo)系下三維坐標(biāo)，根據(jù)同一球形標(biāo)志點(diǎn)在不同坐標(biāo)系下對(duì)應(yīng)關(guān)系求解坐標(biāo) 系之間的轉(zhuǎn)換矩陣，公式如下：
[0028] 其中，為機(jī)床參考坐標(biāo)系0R-XRYRZR 13到機(jī)床Α軸坐標(biāo)系0Α-ΧΑΥΑΖΑ 12的轉(zhuǎn) 換矩陣，為機(jī)床Α軸坐標(biāo)系0Α-ΧΑΥΑΖΑ 12到機(jī)床C軸坐標(biāo)系0ε-ΧεΥεΖε 11的轉(zhuǎn)換矩 陣，"5翁為機(jī)床C軸坐標(biāo)系0ε-ΧεΥεΖε 11到視覺坐標(biāo)系10的轉(zhuǎn)換矩陣，b為 〇c、〇兩點(diǎn)之間的垂直距離，%'Λ為第i個(gè)C軸工作臺(tái)面標(biāo)志點(diǎn)在機(jī)床參 考坐標(biāo)系〇R-xRYRzR下的三維齊次坐標(biāo)，^ 為第i個(gè)C軸工作臺(tái)面標(biāo) 志點(diǎn)在視覺坐標(biāo)系〇εε-ΧεΛεΖεε 10下的三維齊次坐標(biāo)，V分別為機(jī)床參考坐標(biāo)系 0R-XRYRZR 13與視覺坐標(biāo)系0CC-XCCYCCZCC10之間的旋轉(zhuǎn)矩陣與平