阅读说明：本技术 一种提高系统对高度差测量精度的补偿模型 (Compensation model for improving measurement precision of system to height difference ) 是由 柯雪萌 刘刚 杜泽峰 万群 王晓城 于 2020-08-05 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种提高系统对高度差测量精度的补偿模型,属于精度补偿技术领域,本专利发明的优点在于当机台的玻璃平面或者z轴状态发生轻微改变时,可以通过平面标定及z轴标定,保证高度差的测量精度。将高度差测量精度从原来补偿前的70u提高到补偿后的4u。本发明科学合理,使用安全方便,并且本发明操作步骤简单需要将通过移动激光点的高度即可完成对平面的标定,而z轴补偿也仅仅需要对不同高度的测量块进行高度的测量即可,整个操作流程简单易操作。(The invention discloses a compensation model for improving the measurement accuracy of a system to height difference, which belongs to the technical field of accuracy compensation. The height difference measurement accuracy is improved from 70u before compensation to 4u after compensation. The method is scientific and reasonable, is safe and convenient to use, has simple operation steps, can finish plane calibration by moving the height of the laser point, has z-axis compensation only by measuring the heights of the measuring blocks with different heights, and has simple and easy operation of the whole operation flow.)

一种提高系统对高度差测量精度的补偿模型

技术领域

本发明涉及精度补偿技术领域，具体是一种提高系统对高度差测量精度的补偿模型。

背景技术

由于测工件高度差是要在玻璃平面上进行，因此平台的平面度对高度差的测量精度有着较大影响。在设备运输过程中极易发生碰撞而导致设备平面变化，此外，在使用过程中，设备平面也可能受重力影响，随着时间的推移而发生变化，这些情况都会导致设备的平面度发生变化，使得工件测量得到的高度差发生变化，因此为了确保工件高度差的动态重复精度，首先要进行平面补偿；除此之外，测量工件的高度差需要上下移动z轴，因此z轴的垂直度也会对工件高度差的测量产生影响，使得工件的高度差相对于真值较大，因此还需要进行Z轴线性补偿。

综上，该提高系统对高度差测量精度的补偿模型包括平面补偿以及z轴线性补偿两个方面。

发明内容

本发明的目的在于提供一种提高系统对高度差测量精度的补偿模型，以解决现有技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种提高系统对高度差测量精度的补偿模型，包括平面补偿和Z轴线性补偿，平面补偿用于当机台的玻璃平面状态发生轻微改变时保证高度差的测量精度，Z轴线性补偿用于当机台z轴状态发生轻微改变时，保证高度差的测量精度。

进一步地，平面补偿包括以下步骤：

S1、点白光聚焦之后对待进行平面标定的平面区域采集激光点三维坐标数据以及测量激光点打出的距离数据，点白光聚焦之后会使得采集激光点的数值精度越高；

S2、设置待进行平面标定的平面区域x方向距离、y方向距离、x方向步长和y方向步长，当玻璃平台平面度较好的情况下，可以适当选择大一点的步长，当玻璃平台平面不太理想的情况下则选择较小的步长会更加精确；

S3、将采集到的激光点三维坐标数据拟合成曲面；

S4、将拟合的曲面与理想平面之间的差值作为平面补偿值；

S5、标定成功，完成对平面标定。

进一步地，所述步骤S2还包括以下步骤：

S2.1判断激光点是否超过待进行平面标定的平面区域设定的范围；

S2.2记录当前点激光点三维坐标数据；

S2.3将采集激光点向x方向或者y方向移动一个步长，到达下一个区间进行激光点数据采集。

进一步地，步骤2.1还包括以下步骤：

S2.1.1若判断S2.1结果为是，继续判断采集到的激光点点数是否足够；

S2.1.2若判断S2.1结果为否，继续判断当前激光点测量出的距离数据是否是激光测量量程范围内的正常值。

进一步地，步骤S2.1.1中，判断采集到的点数若是足够，执行步骤S4，判断采集到的点数若是不足够，直接标定失败，结束平面标定；

进一步地，步骤S2.1.2中，判断当前激光点测量出的距离数据若是激光测量量程范围内的正常值,则执行步骤S2.2；

进一步地，步骤S2.1.2中，判断当前激光点测量出的距离数据若不是激光测量量程范围内的正常值，那么对于非正常值的数值，不进行记录，直接执行步骤2.3。

进一步地，步骤S3将采集到的激光点数据拟合成曲面，根据公式：

w_j*a+i＝w_j*a+i+1、w_j*a+i＝w_(j+1)*a+i

倒数第二个约束公式表示左右权重相等，上下权重相等。

其中，p是迭代次数，p可自由设定，u_i和u_i+1为将待进行平面标定的平面区域划分为不同区间的区间节点，u为激光点照射到的区间，N_i,p(u)为根据计算得到的p次样条函数基函数即关于x方向上区间和y方向上区间的基函数方程

将t_i和t_j替换u即可，t_i为当前点的三维坐标值中x值归一化后在基函数上的取值，t_j为当前点的三维坐标值中y值归一化后在基函数上的取值；

其中，w为权重，y_i为拟合曲面上激光点三维坐标中的z坐标，a、b分别为x、y方向的权重个数，权重的个数根据生成基函数的区间个数确定，区间个数等于权重个数，a为x方向上区间个数减去迭代次数再减去1得到的数值，b为y方向上区间个数减去迭代次数再减去1得到的数值。

进一步地，曲面上的点的三维坐标中的Z值与理想中平整平面的差值作为该点的平面补偿值；

进一步地，曲面上的两点即A点和B点之间的最终高度差根据以下公式计算可得出；

Z(A)＝z_A坐标+A点白光示数+A_补偿值

Z(B)＝z_B坐标+B点白光示数+B_补偿值

θ＝arctan((A点补偿值-B点补偿值)/ABxy距离)

最终高度差＝(Z(A)-Z(B))*cos(θ)

其中，Z(A)和Z(B)为A点和B点进行补偿之后得到的高度，z_A坐标和z_B坐标为拟合曲面上A点和B点三维坐标中的z值，点白光示数为测量到的激光点打出的距离数据，A_补偿值和B_补偿值为A点和B点的补偿值，ABxy距离为A点和B点投射到二维平面上投射点之间的距离，θ为补偿角度。

进一步地，Z轴线性补偿包括以下步骤：

S1_Z将点白光对准平面添加激光点；

S2_Z放置待测量块，白光点进行对焦，向测量块上添加激光点；

S4_Z测量测量块上的激光点与平面上添加的激光点之间的高度差，即测量得到的量块高度测量值；

S5_Z计算量块高度测量值与该量块高度的真实值的差值，将该差值作为该高度的z轴补偿值；

S6_Z重复上述步骤，测得多个z轴高度的补偿值，并记录下来；

S7_Z根据添加激光点时当前的激光高度，查找记录下来该激光高度的前一位激光高度以及该高度对应的补偿值和后一位高度以及该高度对应的补偿值，进行线性差值，求得该z轴高度的z轴补偿值；

S8_Z将z轴补偿值加到激光点最终的z坐标中。

进一步地，步骤S7_Z中线性差值公式如下：

其中，x₀和y₀分别为记录下来的该激光高度的前一位激光高度以及该高度对应的补偿值，x₁和y₁分别为记录下来的该激光高度的后一位激光高度以及该高度对应的补偿值，x为该z轴高度，为最终求得z轴补偿值。

进一步地，S8_Z中提到的将z轴补偿值加到激光点最终的z坐标中公式如下：

其中，Z为最终进行补偿之后得到的高度，

为最终求得z轴补偿值，激光距离为该激光点投射出的距离，x为该点三维坐标z值高度。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本专利发明的优点在于当机台的玻璃平面或者z轴状态发生轻微改变时，可以通过平面标定及z轴标定，保证高度差的测量精度，将高度差测量精度从原来补偿前的70u提高到补偿后的4u，并且本发明操作步骤简单需要将通过移动激光点的高度即可完成对平面的标定，而z轴补偿也仅仅需要对不同高度的测量块进行高度的测量即可，整个操作流程简单易操作。

附图说明

图1为本发明一种提高系统对高度差测量精度的补偿模型平面补偿的流程示意图；

图2为本发明一种提高系统对高度差测量精度的补偿模型的补偿示意图；

图3为本发明一种提高系统对高度差测量精度的补偿模型z轴现行补偿的流程示意图；

具体实施方式

下面将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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例：

如图1～3所示，首先进行平面补偿，平面补偿包括以下步骤：

S1、点白光聚焦之后对待进行平面标定的平面区域采集激光点三维坐标数据以及测量激光点打出的距离数据，点白光聚焦之后会使得采集激光点的数值精度越高；

S2、设置待进行平面标定的平面区域x方向距离、y方向距离、x方向步长和y方向步长，当玻璃平台平面度较好的情况下，可以适当选择大一点的步长，当玻璃平台平面不太理想的情况下则选择较小的步长会更加精确；

S3、将采集到的激光点三维坐标数据拟合成曲面；

S4、将拟合的曲面与理想平面之间的差值作为平面补偿值；

S5、标定成功，完成对平面标定。

S2中还包括以下步骤：

S2.1判断激光点是否超过待进行平面标定的平面区域设定的范围；

S2.2记录当前点激光点三维坐标数据；

S2.3将采集激光点向x方向或者y方向移动一个步长，到达下一个区间进行激光点数据采集。

步骤2.1还包括以下步骤：

S2.1.1若判断S2.1结果为是，继续判断采集到的激光点点数是否足够；

S2.1.2若判断S2.1结果为否，继续判断当前激光点测量出的距离数据是否是激光测量量程范围内的正常值。

步骤S2.1.1中，判断采集到的点数若是足够，执行步骤S4，判断采集到的点数若是不足够，直接标定失败，结束平面标定；

步骤S2.1.2中，判断当前激光点测量出的距离数据若是激光测量量程范围内的正常值,则执行步骤S2.2；

步骤S2.1.2中，判断当前激光点测量出的距离数据若不是激光测量量程范围内的正常值，那么对于非正常值的数值，不进行记录，直接执行步骤2.3。

步骤S3将采集到的激光点数据拟合成曲面，根据公式：

w_j*a+i＝w_j*a+i+1、w_j*a+i＝w_(j+1)*a+i

倒数第二个约束公式表示左右权重相等，上下权重相等。

其中，p是迭代次数，p可自由设定，u_i和u_i+1为将待进行平面标定的平面区域划分为不同区间的区间节点，u为激光点照射到的区间，N_i,p(u)为根据计算得到的p次样条函数基函数即关于x方向上区间和y方向上区间的基函数方程将t_i和t_j替换u即可，t_i为当前点的三维坐标值中x值归一化后在基函数上的取值，t_j为当前点的三维坐标值中y值归一化后在基函数上的取值；

其中，w为权重，y_i为拟合曲面上激光点三维坐标中的z坐标，a、b分别为x、y方向的权重个数，权重的个数根据生成基函数的区间个数确定，区间个数等于权重个数，a为x方向上区间个数减去迭代次数再减去1得到的数值，b为y方向上区间个数减去迭代次数再减去1得到的数值。

以下计算为x方向区间

如果次数(degree)为零(即，p＝0)，这些基函数都是阶梯函数，这也是第一个表达式所表明的。即，如果u是在第i个节点区间[u_i,u_i+1)上基函数N_i,0(u)是1。例如，有四个节点u₀＝0,u₁＝1,u₂＝2和u₃＝3,节点区间是[0,1),[1,2),[2,3)，0次基函数是N_0,0(u)＝1在[0,1)，在其它区间是0；N_1,0(u)＝1在[1,2)上，在其它区间是0；N_2,0(u)＝1在[2,3)上，其它区间是0。

上面我们获得了针对节点向量U＝{0,1,2,3}的N_0,0(u),N_1,0(u)和N2,0(u)。现在计算N_0,1(u)和N_1,1(u)。要计算N_0,1(u)，因为i＝0和p＝1，u₀＝0,u₁＝1和u₂＝2,

上式变为

N_0,1(u)＝uN_0,0(u)+(2-u)N_1,0(u)

因为N_0,0(u)在[0,1)上非零且N_1,0(u)在[1,2)上非零，如果u在[0,1)上(resp.,[1,2)),只有N_0,0(u)(resp.,N1,0(u))对N_0,1(u)有贡献。因此，如果u在[0,1)上,N_0,1(u)＝u，N_0,0(u)＝u，而如果u在[1,2)上,N_0,1(u)＝(2-u)，N_1,0(u)＝(2-u)。

相似的计算得到如果u在[1,2)上,N1,1(u)＝u-1，如果u在[2,3)上而N1,1(u)＝3-u。

将u替换为t_i，根据以上计算出来的方程即可得到关于x方向上区间基函数方程

根据同样的计算方法即可得到关于y方向上区间基函数方程

曲面上的点的三维坐标中的Z值与理想中平整平面的差值作为该点的平面补偿值；

曲面上的两点即A点和B点之间的最终高度差根据以下公式计算可得出；

Z(A)＝z_A坐标+A点白光示数+A_补偿值

Z(B)＝z_B坐标+B点白光示数+B_补偿值

θ＝arctan((A点补偿值-B点补偿值)/ABxy距离)

最终高度差＝(Z(A)-Z(B))*cos(θ)

其中，Z(A)和Z(B)为A点和B点进行补偿之后得到的高度，z_A坐标和z_B坐标为拟合曲面上A点和B点三维坐标中的z值，点白光示数为测量到的激光点打出的距离数据，A_补偿值和B_补偿值为A点和B点的补偿值，ABxy距离为A点和B点投射到二维平面上投射点之间的距离，θ为补偿角度。

例如A点坐标为(0,3,5)，B点坐标为(1,2,10)，点白光移动到A点时的点白光示数为0.1，移动到点B的点白光示数是0.2，A点补偿值计算的0.01，B点补偿值计算得0.002，则带入上述公式得Z(A)＝5+0.1+0.01＝5.11；Z(B)＝10+0.2+0.002＝10.202； 最终高度差＝(5.11-10.202)*cos(0.00565)＝5.091。

Z轴线性补偿包括以下步骤：

S1_Z将点白光对准平面添加激光点；

S2_Z放置待测量块，白光点进行对焦，向测量块上添加激光点；

S4_Z测量测量块上的激光点与平面上添加的激光点之间的高度差，即测量得到的量块高度测量值；

S5_Z计算量块高度测量值与该量块高度的真实值的差值，将该差值作为该高度的z轴补偿值；

S6_Z重复上述步骤，测得多个z轴高度的补偿值，并记录下来；

S7_Z根据添加激光点时当前的激光高度，查找记录下来该激光高度的前一位激光高度以及该高度对应的补偿值和后一位高度以及该高度对应的补偿值，进行线性差值，求得该z轴高度的z轴补偿值；

S8_Z将z轴补偿值加到激光点最终的z坐标中。

步骤S7_Z中线性差值公式如下：

其中，x₀和y₀分别为记录下来的该激光高度的前一位激光高度以及该高度对应的补偿值，x₁和y₁分别为记录下来的该激光高度的后一位激光高度以及该高度对应的补偿值，x为该z轴高度，为最终求得z轴补偿值。

假设x₀和y₀分别为1和0.5，x₁和y₁分别为2和0.8，x为1.5，激光投射距离为0.2。

S8_Z中提到的将z轴补偿值加到激光点最终的z坐标中公式如下：

其中，Z为最终进行补偿之后得到的高度，为最终求得z轴补偿值，激光距离为该激光点投射出的距离，x为该点三维坐标z值高度。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。