阅读说明：本技术 一种线激光安装误差角确定方法 (A kind of line laser fix error angle determines method ) 是由 董志刚 康仁科 秦炎 郭鑫垒 朱祥龙 高尚 于 2019-09-03 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种线激光安装误差角确定方法,包括如下步骤：进行规定路径扫描标准件；利用扫描后的轮廓数据,分别计算出线激光测头绕Z轴的安装误差角α<Sub>Z</Sub>、绕Y轴的安装误差角α<Sub>y</Sub>和绕X轴的安装误差角α<Sub>x</Sub>。该方法有效解决了线激光安装误差角难以确定的问题,方法操作方便、精度高、适用性强、成本低,是线激光实现高效、高精度测量的有效手段。(The invention discloses a kind of line laser fix error angles to determine method, includes the following steps: to carry out regulation path scanning standard part；Using the outline data after scanning, the fix error angle α of outlet laser feeler about the z axis is calculated separately Z , around the fix error angle α of Y-axis y With the fix error angle α around X-axis x .It is determining that this method efficiently solves the problems, such as that line laser fix error angle is difficult to, and method is easy to operate, precision is high, strong applicability, at low cost, be line laser realize efficiently, the effective means of high-acruracy survey.)

一种线激光安装误差角确定方法

技术领域

本发明涉及线激光测量技术领域，尤其涉及一种线激光安装误差角确定方法。

背景技术

线激光位移传感器在机器视觉、逆向工程、工业检测、生物医学等领域被广泛应用，其基于激光三角法并能单次测量一条线的轮廓，具有测量精度高、效率高的优点。线激光直接测量的数据是两个维度的，其通过沿另外一个维度的扫描运动补充第三维度信息，实现三维测量。

为了实现大尺寸物体的测量，只需将传感器安装在机床上，由机床的运动带动其实现对物体的扫描。但由于安装误差的存在，传感器坐标系的方向与全局坐标系不能完全平行，线激光直接测量的数据结果与理想结果有一定误差。要想最终获得被测对象的整体面形数据，需要准确获得每次传感器测量数据的全局坐标，才能最终拼接成被测对象的整体面形。测量数据由传感器坐标系变换到全局坐标系，需要确定两个坐标系之间变换所需的平移矩阵和旋转矩阵。平移矩阵能够可以由传感器的运动位置确定，根据机床反馈的坐标很容易获得。而旋转矩阵反应的是传感器坐标系三个轴的方向相对于全局坐标系不平行的偏角误差，根据三个轴的偏角即可确定该旋转矩阵。

申请号为201810269833.6，名称为“采用二维线激光扫描仪获取三维精确数据的方法”的发明专利公开了一种用于根据线激光绕x、y和z轴与理想位置的角度偏差，对线激光测量的数据进行校准的方法。其虽然给出了由这三个误差角确定坐标变换中旋转矩阵的方法，但其并未给出这三个误差角的确定方式。而如何高效高精度地确定出这三个偏角的具体值才是制约线激光实现大尺寸扫描的关键所在。在实际应用时，尤其在一些在线测量的场合，由于现场有切削液或者切屑等会对线激光造成污染，在加工时往往需要拆下测头，在测量时再重新安装。每次线激光重新安装后，其三个误差角需要重新确定。因此，一种易于操作的、高精度的、快速的线激光安装误差角的确定非常关键，是线激光能否通过数控机床实现便携高精度测量、甚至在位测量的关键。

发明内容

本发明针对以上问题的提出，而公开了一种线激光安装误差角确定方法。

本发明基于对简易标准件的测量，能够确定出线激光绕三个坐标轴的旋转误差角，以通过机械调节或者坐标补偿的方式对测量结果进行校准，获得线激光在三维测量中准确的三维数据。为线激光实现扫描的高精度数据拼接提供基础。

为达到上述目的，本发明所采取的方法包括如下步骤：

一种线激光安装误差角确定方法，其中，线激光传感器安装在三轴数控机床，线激光沿机床坐标系OXYZ的Y轴或X轴做直线扫描运动，做固定步距扫描测量，包括如下步骤：

将线激光测头安装的倾斜误差依次分解为绕Z轴旋转α_Z角度，绕Y轴旋转α_y角度，绕X轴旋转α_x角度；

线激光测量后的数据坐标系与机床坐标系存在错位，另建立线激光测量数据坐标系为o_l-x_ly_lz_l，其中x_l轴和z_l轴为线激光测量数据本身的坐标，x_l轴为激光线方向，z_l轴为测量高度值，y_l轴为沿机床运动方向为线激光补充的坐标轴；

为确定线激光测头绕Z轴的安装误差角α_Z、绕Y轴的安装误差角α_y和绕X轴的安装误差角α_x，进行规定路径扫描标准件；

基于各路径之间的位置关系和各路径扫描后标准件的偏移量分别计算出线激光测头绕Z轴的安装误差角α_Z、绕Y轴的安装误差角α_y和绕X轴的安装误差角α_x。

进一步地，所述做固定步距扫描测量的实现方法为：

利用Y轴电机的编码器脉冲信号或者光栅尺脉冲信号作为线激光测量的触发信号，脉冲的间隔即为线激光测量的步距Δ_y。

进一步地，所述规定路径扫描标准件为：

线激光三次扫描标准件；

线激光第一次扫描标准件，线激光沿Y轴运动，测量标准件的轮廓数据；

线激光第二次扫描标准件，线激光沿X轴正向平移距离w，以与第一次扫描时相同的Y向路径再次扫描标准件，测量标准件的轮廓数据，其中，w小于线激光的扫描宽度w₀；

线激光第三次扫描标准件，线激光沿Z轴正向抬高距离h，以与第二次扫描时相同的Y向路径再次扫描标准件，测量标准件的轮廓数据，其中，h小于线激光的量程。

进一步地，所述线激光第二次相对第一次扫描测头沿X轴正向平移距离w满足：

w＝β×w₀ (1)

β取值为0.5～0.75；

两次测量的数据中沿X轴方向各有(1-β)w₀宽度范围内的测量数据，对应相同的标准件轮廓。

进一步地，所述线激光第三次相对第二次扫描测头沿Z轴正向抬高距离h满足：

h小于线激光的量程；

扫描前，调节线激光到标准件的距离，使三次扫描时标准件都在线激光测量量程范围内。

进一步地，所述用于校准的标准件为：

所需要的标准件为非连续结构件，其实体形状不受限于固定的形状，从一条直线或曲线的简单结构到周期性排布的复杂结构都满足要求；只需满足在不同方位测量的时候，很容易分辨出相同部位的数据。

进一步地，所述计算线激光测头绕Z轴的安装误差角α_Z的具体过程为：

在x_lo_ly_l平面内比较第一次和第二次测量的相同标准件轮廓数据，第二次测量相对于第一次测量，标准件轮廓沿y_l轴方向的偏移量为l_z，线激光测头绕Z轴的安装误差角满足：

tanα_Z＝l_z/w (2)

则

α_Z＝arctan(l_z/w) (3)

其中l_z确定的具体过程为：

将第二次测量的数据沿y_l轴正方向和负方向依次平移i行(i＝-n_max，-n_max+1，…,-1,0,1,…n_max-1,n_max)，其中n_max对应移动的数据行数范围，取值应大于预估的偏移量；计算平移后两次测量重合区域测量数据的重合数据量(或重合的面积)，找到最大重合数据量(或重合的面积)对应的平移行数n₁；

偏移量为l_z为：

l_z＝n₁×Δ_y (4)。

进一步地，所述计算线激光测头绕Y轴的安装误差角α_y的具体过程为：

在x_lo_lz_l平面内比较第一次和第二次测量的相同标准件轮廓数据，第二次测量相对于第一次测量，标准件轮廓沿z_l轴方向的偏移量l_y，线激光测头绕Y轴的安装误差角满足：

tanα_y＝l_y/w (5)

则

α_y＝arctan(l_y/w) (6)

其中l_y确定的具体过程为：

将第二次测量的数据平移w个距离后，重复测量部分标准件的轮廓重合，计算重合的数据第二次测量相对于第一次测量的差值，l_y取为所有差值的平均值。

进一步地，所述计算线激光测头绕X轴的安装误差角α_x的具体过程为：

比较第二次和第三次测量的相同标准件轮廓数据，第三次测量相对于第二次测量，标准件轮廓沿z_l轴方向的偏移量h'，线激光测头绕Z轴的安装误差角α_x满足：

cosα_x＝h/h' (7)

则

α_x＝arccos(h/h') (8)

其中h'确定的具体过程为：

第三次相对于第二次测量的在x_lo_ly_l平面内标准件的轮廓基本重合，计算重合的数据第三次测量相对于第二次测量的差值，h'取为所有差值的平均值。

进一步地，所述线激光测头绕Z轴的安装误差角α_Z、绕Y轴的安装误差角α_y和绕X轴的安装误差角α_x，可以跟据各个角度对测量数据造成的误差，直接补偿到测量数据中，也可以通过机械结构进行精确调节。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.操作方便。经过对标准件的测量，能够快速计算出传感器的安装误差角。

2.测量精度高。本发明不受制于所测量标准件本身的加工精度以及其摆放位置，而通过精确的计算，所得到的误差角精度高。

3.适用性强。本发明能够适用于传感器需要不断安装拆卸的场合，可以实现在位测量。

4.成本低。本发明仅需要一个标准件，并且对标准件要求低，容易获得，成本低。

附图说明

为了更清楚的说明本发明的实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一种线激光安装误差角确定方法流程图。

图2是本发明实施例中的线激光测量示意图。

图3是本发明实施例中的标准件示意图。

图4是本发明实施例中线激光测头绕Z轴的安装误差角α_Z的计算示意图。

图5是本发明实施例中线激光测头绕Y轴的安装误差角α_y的计算示意图。

图6是本发明实施例中线激光测头绕X轴的安装误差角α_x的计算示意图。

具体实施方式

为使本发明的实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：

如图1所示：本发明采用的技术方案具体实现步骤为：

1.测量平台搭建

线激光传感器安装在三轴数控机床，线激光传感器一般沿机床坐标系OXYZ运动，本实施例中线激光沿Y轴做直线运动，沿X轴或其他可行的实施方案中，与沿Y轴同理，做固定步距扫描测量；利用Y轴电机的编码器脉冲信号或者光栅尺脉冲信号作为线激光测量的触发信号，脉冲的间隔即为线激光测量的步距Δ_y。将机床的三个轴的编码器脉冲信号或者是光栅尺反馈信号，接入脉冲计数处理系统，在Y轴电机的编码器脉冲信号或光栅尺反馈信号触发线激光测量时，同时触发该脉冲计数处理系统记录下三个轴的脉冲数，根据脉冲数与实际运动的距离的关系，能够确定测头运动坐标[x₀,y₀,z₀]。

线激光测头安装的倾斜误差可以依次分解为绕Z轴旋转α_Z角度，绕Y轴旋转α_y角度，绕X轴旋转α_x角度。线激光测量后的数据坐标系与机床坐标系存在错位，另建立线激光测量数据坐标系为o_l-x_ly_lz_l，其中x_l轴和z_l轴线激光测量数据本身的坐标，x_l轴为激光线方向，z_l轴为测量高度值，y_l轴为通过机床运动为线激光补充的坐标轴，其与x_l轴、z_l轴相互垂直，如图2所示。

2.标准件

为确定线激光测头绕Z轴的安装误差角α_Z、绕Y轴的安装误差角α_y和绕X轴的安装误差角α_x，需要按照规定路径扫描标准件；所需要的标准件为非连续结构件，其实体形状不受限于固定的形状，从一条直线或曲线的简单结构到周期性排布的复杂结构都满足要求；只需满足在不同方位测量的时候，很容易分辨出相同部位的数据；所需要的标准件示例如图3所示。

3.标准件扫描

为确定线激光测头绕Z轴的安装误差角α_Z、绕Y轴的安装误差角α_y和绕X轴的安装误差角α_x，进行规定路径扫描标准件；

线激光三次扫描标准件：

线激光第一次扫描标准件，线激光沿Y轴运动，测量标准件的轮廓数据；

线激光第二次扫描标准件，线激光沿X轴正向平移距离w(w小于线激光的扫描宽度w₀)，以与第一次扫描时相同的Y向路径再次扫描标准件，测量标准件的轮廓数据；

线激光第三次扫描标准件，线激光沿Z轴正向抬高距离h(h小于线激光的量程)，以与第二次扫描时相同的Y向路径再次扫描标准件，测量标准件的轮廓数据。

线激光第二次相对第一次扫描测头沿X轴正向平移距离w满足：

w＝β×w₀ (1)

β取值为0.5～0.75；

两次测量的数据中沿X轴方向各有(1-β)w₀宽度范围内的测量数据，对应相同的标准件轮廓。

线激光第三次相对第二次扫描测头沿Z轴正向抬高距离h满足：

h小于线激光的量程；

扫描前，调节线激光到标准件的距离，使三次扫描时标准件都在线激光测量量程范围内。

4.线激光测头绕Z轴的安装误差角α_Z的计算

如图4所示，以具有连续六边形结构单元的标准件为例，说明误差角α_Z的计算原理，其他形状同理。

将第二次测量的数据沿y_l轴正方向和负方向依次平移i行(i＝-n_max，-n_max+1，…,-1,0,1,…n_max-1,n_max)，其中n_max对应移动的数据行数范围，取值应大于预估的偏移量；计算平移后两次测量重合区域测量数据的重合数据量(或重合的面积)，找到最大重合数据量(或重合的面积)对应的平移行数n₁；

偏移量为l_z为：

l_z＝n_y1×Δ_y (2)

在x_lo_ly_l平面内比较第一次和第二次测量的相同标准件轮廓数据，第二次测量相对于第一次测量，标准件轮廓沿y_l轴方向的偏移量为l_z，线激光测头绕Z轴的安装误差角满足：

tanα_Z＝l_z/w (3)

则

α_Z＝arctan(l_z/w) (4)

5.线激光测头绕Y轴的安装误差角α_y的计算

如图5所示，以具有连续六边形结构单元的标准件为例，说明误差角α_y的计算原理，其他形状同理。

将第二次测量的数据平移w个距离后，重复测量部分标准件的轮廓重合，计算重合的数据第二次测量相对于第一次测量的差值，l_y取为所有差值的平均值。

在x_lo_lz_l平面内比较第一次和第二次测量的相同标准件轮廓数据，第二次测量相对于第一次测量，标准件轮廓沿z_l轴方向的偏移量l_y，线激光测头绕Y轴的安装误差角满足：

tanα_y＝l_y/w (5)

则

α_y＝arctan(l_y/w) (6)

6.线激光测头绕X轴的安装误差角α_x的计算

如图6所示，以具有连续六边形结构单元的标准件为例，说明误差角α_x的计算原理，其他形状同理。

第三次相对于第二次测量的在x_lo_ly_l平面内标准件的轮廓基本重合，计算重合的数据第三次测量相对于第二次测量的差值，h'取为所有差值的平均值。

比较第二次和第三次测量的相同标准件轮廓数据，第三次测量相对于第二次测量，标准件轮廓沿z_l轴方向的偏移量h'，线激光测头绕Z轴的安装误差角α_x满足：

cosα_x＝h/h' (7)

则

α_x＝arccos(h/h') (8)

7.线激光测头绕X轴的安装误差角α_x的计算

其特征还在于所述线激光测头绕Z轴的安装误差角α_Z、绕Y轴的安装误差角α_y和绕X轴的安装误差角α_x，可以跟据各个角度对测量测量数据造成的误差，直接补偿到测量数据中，也可以通过机械结构进行精确调节。

实施例1

1.测量平台搭建

本实施例所选用的激光位移传感器为基恩士公司的超高速轮廓测量仪(LJ-V7060)。该测量仪，采用蓝色半导体激光，可以实现稳定和超高速测量，采样间隔可达16μs，其Z轴方向重复测量精度可达0.4μm，测量轮廓数据间隔20μm，测量的激光线长度为15mm。测量时，将轮廓测量仪测头安装在三轴数控机床上，测量的标准件固定在机床工作台，由机床控制轮廓测量仪测头的运动，对标准件的表面进行扫描。

2.标准件

以具有六边形结构单元的蜂窝芯结构为标准件，进行扫描。

3.标准件扫描

为确定线激光测头绕Z轴的安装误差角α_Z、绕Y轴的安装误差角α_y和绕X轴的安装误差角α_x，进行规定路径扫描标准件；

线激光三次扫描标准件：

线激光第一次扫描标准件，线激光沿Y轴运动，测量标准件的轮廓数据；

线激光第二次扫描标准件，线激光沿X轴正向平移距离10mm(线激光的扫描宽度15mm)，以与第一次扫描时相同的Y向路径再次扫描标准件，测量标准件的轮廓数据；

线激光第三次扫描标准件，线激光沿Z轴正向抬高距离5mm(线激光的量程16mm)，以与第二次扫描时相同的Y向路径再次扫描标准件，测量标准件的轮廓数据。

扫描前，调节线激光到标准件的距离，使三次扫描时标准件都在线激光测量量程范围内。

4.线激光测头绕Z轴的安装误差角α_Z的计算

如图4所示，将第二次测量的数据沿y_l轴正方向和负方向依次平移i行(i＝-n_max，-n_max+1，…,-1,0,1,…n_max-1,n_max)，其中n_max对应移动的数据行数范围，取值应大于预估的偏移量；计算平移后两次测量重合区域测量数据的重合数据量(或重合的面积)，找到最大重合数据量(或重合的面积)对应的平移行数n₁；

偏移量为l_z为：

l_z＝n_y1×Δ_y (2)

在x_lo_ly_l平面内比较第一次和第二次测量的相同标准件轮廓数据，第二次测量相对于第一次测量，标准件轮廓沿y_l轴方向的偏移量为l_z，线激光测头绕Z轴的安装误差角满足：

tanα_Z＝l_z/w (3)

则

α_Z＝arctan(l_z/w) (4)

5.线激光测头绕Y轴的安装误差角α_y的计算

如图5所示，将第二次测量的数据平移w个距离后，重复测量部分标准件的轮廓重合，计算重合的数据第二次测量相对于第一次测量的差值，l_y取为所有差值的平均值。

在x_lo_lz_l平面内比较第一次和第二次测量的相同标准件轮廓数据，第二次测量相对于第一次测量，标准件轮廓沿z_l轴方向的偏移量l_y，线激光测头绕Y轴的安装误差角满足：

tanα_y＝l_y/w (5)

则

α_y＝arctan(l_y/w) (6)

6.线激光测头绕X轴的安装误差角α_x的计算

如图6所示，第三次相对于第二次测量的在x_lo_ly_l平面内标准件的轮廓基本重合，计算重合的数据第三次测量相对于第二次测量的差值，h'取为所有差值的平均值。

比较第二次和第三次测量的相同标准件轮廓数据，第三次测量相对于第二次测量，标准件轮廓沿z_l轴方向的偏移量h'，线激光测头绕Z轴的安装误差角α_x满足：

cosα_x＝h/h' (7)

则

α_x＝arccos(h/h') (8)

另外，所述线激光测头绕Z轴的安装误差角α_Z、绕Y轴的安装误差角α_y和绕X轴的安装误差角α_x，可以跟据各个角度对测量测量数据造成的误差，直接补偿到测量数据中，也可以通过机械结构进行精确调节。

所测试的蜂窝芯表面粗糙，通过本发明的方面仍能确定出稳定的结果，验证了该方法的可靠性。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。