CN104567690B - 一种激光束现场标定方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种激光束现场标定方法，具体为：调平标定板，所述标定板具有三个通孔，两两通孔之间连线垂直；使用激光位移传感器发射激光束至标定板并成像；在机床Y轴方向驱使激光位移传感器移动一段距离，再发射激光束至标定板并成像；在机床Z轴方向驱使激光位移传感器移动一段距离，再发射激光束至标定板并成像；依据三张成像上三通孔位置关系计算激光束与机床主轴的偏角。本发明还提供实现上述方法的装置，包括标定板、调平装置、CCD相机和处理器。本发明通过机床各轴的运动带动激光位移传感器，采用CCD相机拍摄激光束光斑在标定板上的图像，通过数字图像分析精确测定激光束的方位特性，以对后期的测量结果进行补偿。
Description
技术领域
本发明涉及测定激光束方向特性标定技术领域，更具体的说，本发明涉及一种激光束现场标定方法及装置。
背景技术
激光测量技术作为一种非接触式的测量技术，其测量精度和效率相比于传统的非接触式测头有了很大的提高，在检测领域的应用越来越广泛。激光测量原理是利用激光位移传感器发射一束激光打在被测物体表面，通过接收反射光，来测定物体到激光位移传感器的距离。
对于一些大型的自由曲面类零件，如大型螺旋桨叶片，水轮机转轮室等零部件的测量，往往是利用现有的机床设备，然后搭载激光位移传感器进行零件外形的检测，在检测过程中，激光位移传感器发射的激光尽量与机床主轴轴线同轴，但由于安装误差或机床本身的定位误差，会导致激光束的实际方向与主轴轴线有一定的偏差，这种偏差会给最终的测量结果带来很大的误差，因此迫切需要一种能够精确标定激光束方向的偏差，以对后期的测量结果进行补偿，从而保证测量精度。
发明内容
针对现有标定技术的一些缺陷和新的需求，本发明提供了一种激光束现场标定方法及装置，通过机床各轴的运动带动激光位移传感器，采用CCD相机拍摄激光束光斑在标定板上的图像，通过数字图像分析精确测定激光束的方位特性，以对后期的测量结果进行补偿。
一种激光束现场标定方法，包括以下步骤：
(1)调平标定板使得其与机床Z轴垂直，所述标定板具有三个通孔，第一通孔和第二通孔间连线与第一通孔和第三通孔间连线垂直；
(2)使用激光位移传感器发射激光束至标定板形成第一光斑，对投射有第一光斑的标定板成像；
(3)在机床Y轴方向驱使激光位移传感器移动距离L，再使用激光位移传感器发射激光束至标定板形成第二光斑，对投射有第二光斑的标定板成像；
(4)在机床Z轴方向驱使激光位移传感器移动距离H，再使用激光位移传感器发射激光束至标定板形成第三光斑，对投射有第三光斑的标定板成像；
(5)计算激光束与机床主轴的偏角，具体为：
在标定板上以第一通孔为标定坐标系原点，第一通孔和第二通孔连线为标定坐标系X轴，第一通孔和第三通孔连线为标定坐标系Y轴；
将第一、二、三光斑在成像中的坐标转换为标定坐标系下的坐标，记为(x1，y1)、(x2，y2)、(x3，y3)；
构建第一光斑与第二光斑连线方程L12：a1X+b1Y+c1＝0，a1、b1和c1为直线方程系数；
构建第二光斑与第三光斑连线方程L23：a2X+b2Y+c2＝0，a2、b2和c2为直线方程系数；
计算激光束与机床Z轴夹角
计算激光束在机床XOY平面上的投影与机床Y轴的夹角∠β＝arctan((a1*b2-a2*b1)/(a1*a2+b1*b2))。
一种激光束现场标定方法，包括以下步骤：
(1)调平标定板使得其与机床Z轴垂直，所述标定板具有三个通孔，第一通孔和第二通孔连线与第一通孔和第三通孔连线垂直；
(2)使用激光位移传感器发射激光束至标定板形成第一光斑，对投射有第一光斑的标定板成像；
(3)在机床X轴方向驱使激光位移传感器移动距离L，使用激光位移传感器发射激光束至标定板形成第二光斑，对投射有第二光斑的标定板成像；
(4)在机床Z轴方向驱使激光位移传感器移动距离H，使用激光位移传感器发射激光束至标定板形成第三光斑，对投射有第三光斑的标定板成像；
(5)计算激光束与机床主轴的偏角，具体为：
在标定板上以第一通孔为标定坐标系原点，第一通孔和第二通孔连线为标定坐标系X轴，第一通孔和第三通孔连线为标定坐标系Y轴；
将第一、二、三光斑在成像中的坐标转换为标定坐标系下的坐标，记为(x1，y1)、(x2，y2)、(x3，y3)；
构建第一光斑与第二光斑连线方程L12：a1X+b1Y+c1＝0，a1、b1和c1为直线方程系数；以及构建第二光斑与第三光斑连线方程L23：a2X+b2Y+c2＝0，a2、b2和c2为直线方程系数；
计算激光束与机床Z轴夹角
计算激光束在机床XOY平面上的投影与机床X轴的夹角∠γ＝arctan((a1*b2-a2*b1)/(a1*a2+b1*b2))。
一种实现所述激光束现场标定方法的装置，包括标定板、调平装置、CCD相机和处理器；所述标定板设置于调平装置上，其具有三个通孔，其中第一通孔和第二通孔连线与第一通孔和第三通孔连线垂直；所述CCD相机用于对投射有光斑的标定板进行成像；所述处理器对成像进行数字图像分析得到激光束与机床主轴的偏角。
本发明的有益技术效果体现在：
本发明利用机床各轴的运动带动激光位移传感器沿着设定的轨迹运动，CCD相机拍摄激光束投射在标定板上的图像，只需三个步骤就完成三个图像的采集，不需要利用激光位移传感器本身的读数，避免了传感器的测量误差影响标定结果，也不需要复杂的方程，标定流程简单方便，可以标定激光束方向的偏差，以对后期的测量结果进行补偿，从而保证测量精度。
附图说明
图1为本发明的标定流程图；
图2为本发明装置结构及成像示意图，图2(a)为装置结构示图，图2(b)为成像示意图；
图3为本发明激光束与机床主轴的偏角计算原理图，图3(a)为机床坐标系下的偏角示意图，图3(b)为标定坐标系下的偏角示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
激光位移传感器在安装过程中，由于工装定位误差或者其他原因，导致激光束与预想的方向有一定的偏差，因此需要标定出激光束在空间中的方向。
机床具有自定义的坐标系记为机床XYZ坐标系。在机床XYZ坐标系中，标定出激光束与两个轴的夹角就能确定激光束的方向，下面所描述的即为本发明的具体步骤：
(1)调平标定板使得其与机床Z轴垂直，所述标定板具有三个通孔，第一通孔和第二通孔连线与第一通孔和第三通孔连线垂直；
(2)使用激光位移传感器发射激光束至标定板形成第一光斑1，对投射有第一光斑1的标定板成像，如图2(b) 所示的图片一；
(3)在机床Y轴方向驱使激光位移传感器移动距离L，使用激光位移传感器发射激光束至标定板形成第二光斑2，对投射有第二光斑2的标定板成像，如图2(b) 所示的图片二；
(4)在机床Z轴方向驱使激光位移传感器移动距离H，使用激光位移传感器发射激光束至标定板形成第三光斑3，对投射有第三光斑3的标定板成像，如图2(b) 所示的图片三；
(5)计算激光束与机床主轴的偏角，具体为：
在标定板上以第一通孔为标定坐标系原点，第一通孔和第二通孔连线为标定坐标系X轴，第一通孔和第三通孔连线为标定坐标系Y轴；
将第一、二、三光斑在成像中的坐标转换为标定坐标系下的坐标，记为(x1，y1)、(x2，y2)、(x3，y3)；根据两个通孔在图片中的坐标以及在陶瓷标定板上的实际距离D，将三个光斑点在图片中的坐标转化为在标定坐标系下的坐标，D决定了转换中比例放大和缩小倍数。构建第一光斑与第二光斑连线方程L12：a1X+b1Y+c1＝0，a1、b1和c1为直线方程系数；以及构建第二光斑与第三光斑连线方程L23：a2X+b2Y+c2＝0，a2、b2和c2为直线方程系数；
计算激光束与机床Z轴夹角
计算激光束在机床XOY平面上的投影与机床Y轴的夹角∠β＝arctan((a1*b2-a2*b1)/(a1*a2+b1*b2))。
上述步骤是以机床Y轴移动为例，不局限于此，对机床X轴同样适用。
考虑到计算方便，优选所述标定板的第一通孔和第二通孔间距与第一通孔和第三通孔间距相等。
本发明还提供了实现上述方法的装置，包括标定板、调平装置、CCD相机和处理器；所述标定板设置于调平装置上，其具有三个通孔，其中第一通孔和第二通孔连线与第一通孔和第三通孔连线垂直；所述CCD相机用于对投射有光斑的标定板进行成像；所述处理器对成像进行数字图像分析得到激光束与机床主轴的偏角。图2(a)给出了装置示意图，图2(b)中01、02、03表示标定板上的三个通孔，01、02孔以及01、03孔之间距离均为D。
标定板优选陶瓷材料，陶瓷板是很好的漫反射材料，广泛的用于光学实验中，具有较好的光学性能。
本发明方法和装置能够对激光位移传感器各种安装方式下光束方向误差进行标定，适应现场环境，不需要利用激光位移传感器本身的测量读数，不需要复杂的矩阵运算。
在本发明中，激光位移传感器采用垂直向下的安装方式，机床可以带动传感器在XYZ三个方向上运动，测量目标物体上的测点的坐标信息。测点的坐标信息采集之后可以用来建立物体的三维模型。在其他的测量环境或者是其他的安装方式下，传感器同样可以沿着运动轴运动，本发明的方法不局限于垂直向下安装。
实例：
米克朗机床上实施本发明，传感器和CCD相机安装方式下图所示，标定板放置在机床工作台上，工作台本身是水平的，实验之前用千分表检验标定板的水平情况。本实验传感器采用的是垂直向下的安装方式，机床定位精度在2um，CCD相机为500万像素，标定板的尺寸为60mm*60mm，通孔直径为2mm。通孔01、02以及通孔01、03之间的距离D＝40mm。
按照标定步骤，实验拍摄的图片如下图所示，机床在X方向上运动的距离L＝30mm，机床在Z轴方向下降的距离H＝50mm。
实验一共进行了10次，每次将激光束的角度调整0.5°，然后利用本发明提供的方法进行标定，实验数据如下表所示。实验结果表明，当机床定位误差为2um，CCD相机像素为500万的时候，采用本发明所述的标定方法，标定出激光束偏角的误差不超过0.05°，本发明具有很高的精度和效率。
| 序号 | 实际角度 | 标定角度 | 误差 |
| 1 | 0.5° | 0.512° | 0.012° |
| 2 | 1.0° | 1.028° | 0.028° |
| 3 | 1.5° | 1.535° | 0.035° |
| 4 | 2.0° | 2.048° | 0.048° |
| 5 | 2.5° | 2.542° | 0.042° |
| 6 | 3.0° | 3.012° | 0.012° |
| 7 | 3.5° | 3.547° | 0.047° |
| 8 | 4.0° | 4.049° | 0.049° |
| 9 | 4.5° | 4.536° | 0.036° |
| 10 | 5.0° | 5.028° | 0.028° |
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种激光束现场标定方法，其特征在于，采用的装置包括：标定板、调平装置、CCD相机和处理器；所述标定板设置于调平装置上，其具有三个通孔，其中第一通孔和第二通孔连线与第一通孔和第三通孔连线垂直；所述CCD相机用于对投射有光斑的标定板进行成像；所述处理器对成像进行数字图像分析得到激光束与机床主轴的偏角；
该方法包括以下步骤：
(1)调平标定板使得其与机床Z轴垂直，所述标定板具有三个通孔，第一通孔和第二通孔间连线与第一通孔和第三通孔间连线垂直；
(2)使用激光位移传感器发射激光束至标定板形成第一光斑，对投射有第一光斑的标定板成像；
(3)在机床Y轴方向驱使激光位移传感器移动距离L，再使用激光位移传感器发射激光束至标定板形成第二光斑，对投射有第二光斑的标定板成像；
(4)在机床Z轴方向驱使激光位移传感器移动距离H，再使用激光位移传感器发射激光束至标定板形成第三光斑，对投射有第三光斑的标定板成像；
(5)计算激光束与机床主轴的偏角，具体为：
在标定板上以第一通孔为标定坐标系原点，第一通孔和第二通孔连线为标定坐标系X轴，第一通孔和第三通孔连线为标定坐标系Y轴；
将第一、二、三光斑在成像中的坐标转换为标定坐标系下的坐标，记为(x1，y1)、(x2，y2)、(x3，y3)；
构建第一光斑与第二光斑连线方程L12：a1X+b1Y+c1＝0，a1、b1和c1为直线方程系数；
构建第二光斑与第三光斑连线方程L23：a2X+b2Y+c2＝0，a2、b2和c2为直线方程系数；
计算激光束与机床Z轴夹角
计算激光束在机床XOY平面上的投影与机床Y轴的夹角∠β＝arctan((a1*b2-a2*b1)/(a1*a2+b1*b2))。
2.根据权利要求1所述的一种激光束现场标定方法，其特征在于，所述标定板采用陶瓷材料。
3.根据权利要求1所述的一种激光束现场标定方法，其特征在于，所述标定板的第一通孔和第二通孔间距与第一通孔和第三通孔间距相等。
4.一种激光束现场标定方法，其特征在于，采用的装置包括：标定板、调平装置、CCD相机和处理器；所述标定板设置于调平装置上，其具有三个通孔，其中第一通孔和第二通孔连线与第一通孔和第三通孔连线垂直；所述CCD相机用于对投射有光斑的标定板进行成像；所述处理器对成像进行数字图像分析得到激光束与机床主轴的偏角；
该方法包括以下步骤：
(1)调平标定板使得其与机床Z轴垂直，所述标定板具有三个通孔，第一通孔和第二通孔连线与第一通孔和第三通孔连线垂直；
(2)使用激光位移传感器发射激光束至标定板形成第一光斑，对投射有第一光斑的标定板成像；
(3)在机床X轴方向驱使激光位移传感器移动距离L，使用激光位移传感器发射激光束至标定板形成第二光斑，对投射有第二光斑的标定板成像；
(4)在机床Z轴方向驱使激光位移传感器移动距离H，使用激光位移传感器发射激光束至标定板形成第三光斑，对投射有第三光斑的标定板成像；
(5)计算激光束与机床主轴的偏角，具体为：
在标定板上以第一通孔为标定坐标系原点，第一通孔和第二通孔连线为标定坐标系X轴，第一通孔和第三通孔连线为标定坐标系Y轴；
将第一、二、三光斑在成像中的坐标转换为标定坐标系下的坐标，记为(x1，y1)、(x2，y2)、(x3，y3)；
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计算激光束与机床Z轴夹角
计算激光束在机床XOY平面上的投影与机床X轴的夹角∠γ＝arctan((a1*b2-a2*b1)/(a1*a2+b1*b2))。
5.根据权利要求4所述的一种激光束现场标定方法，其特征在于，所述标定板采用陶瓷材料。
6.根据权利要求4所述的一种激光束现场标定方法，其特征在于，所述标定板的第一通孔和第二通孔间距与第一通孔和第三通孔间距相等。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |