一种基于平面的点激光传感器安装位姿标定方法

技术领域

本发明属于数字化测量领域，具体涉及一种基于平面的点激光传感器安装位姿标定方法。

背景技术

在机测量在保持零件装夹位置不变的情况下，对零件的几何形貌进行测量，避免了零件的重复装夹等操作，从而避免了二次装夹误差的引入，也使得对加工误差的自适应补偿加工成为可能。以激光测量为代表的非接触式在机测量由于测量精度高、采样数据量大、测量速度快，在高精高效数控加工中的应用越来越广泛。但由于装配误差，激光传感器的安装位姿不可避免地会偏离理论位姿，直接影响到零件几何形貌的测量精度。因此，有必要对激光传感器的实际安装位姿进行标定。

现有技术通过专用的标定工装实现了点激光传感器的安装位姿标定。专利文献CN109341546 B中公开了一种点激光位移传感器在任意安装位姿下的光束标定方法，但该方法依赖于由正弦规和分度盘组成点激光位移传感器光束标定工装，操作复杂。

为了简化标定工装，部分文献基于标准球实现了点激光传感器的安装位置和姿态的标定。专利文献CN 114136212 A和CN 110186372 B中各公开了一种基于标准球的三坐标测量机点激光传感器光束方向的标定方法，而专利文献CN 109773686 B和CN 112461177 A中各公开了一种基于标准球的点激光位置和姿态标定方法。这类方法依赖于标准球来实现点激光传感器安装位姿的标定，一方面标定过程复杂，另一方面要在机床上实现标准球位置的高精度找正较为困难，可操作性差。

为了进一步简化标定过程，专利文献CN 110500978 B中公开了一种点激光传感器的光束方向矢量和零点位置在线标定方法，以一个标准侧平面为标定平面，以点激光传感器测量该标定平面，利用测量结果和五轴机床的坐标变换模型构造超静定线性方程组，通过求解该方程组实现激光光束方向矢量和零点位置的标定。方法中被测点的运动学模型仅考虑了机床的五个运动轴，而未考虑机床主轴的定位角度，因此在标定时仅能通过一个标准侧平面来进行标定作业。但在实际工程应用中，为了保证点激光传感器测量数值的准确性，点激光传感器光束与待测标定平面的夹角不应超过3°，使得五轴机床旋转轴运动角度较大，容易造成机床主轴部件与工作台的干涉，降低了该方法的可操作性。

发明内容

为了克服现有技术中存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种基于平面的点激光传感器安装位姿标定方法。

本发明通过以下技术方案实现：

一种基于平面的点激光传感器安装位姿标定方法，包括如下步骤，

S1：根据机床主轴定位角度，建立激光测量点运动学模型，形成以激光传感器安装位置和姿态为未知数的线性方程组；

S2：安装具有基准平面的标定工装；

S3：安装激光传感器并设置虚拟刀长；

S4：激光传感器以不同位姿测量基准平面，记录当前测量位姿下五轴数控机床各轴坐标和激光传感器测量值，形成以激光传感器安装位置和姿态为未知数的线性方程组；

S5：计算激光传感器安装位置和姿态。

进一步地，S1具体为：建立与机床固联的加工坐标系{M}，其原点位于机床加工坐标偏置点，坐标轴方向与机床绝对坐标系一致；建立与刀具固联的刀具坐标系{T}，其原点位于刀尖点，坐标轴方向与机床坐标系{M}一致；建立与激光传感器固联的激光坐标系{L}，其原点位于测量参考零点，Z方向坐标轴与激光发射轴线一致，X/Y方向坐标轴可任意选取。

激光坐标系{L}原点相对于刀具坐标系{T}的位置可以描述为

激光坐标系{L}的Z轴相对于刀具坐标系{T}的姿态可以描述为

在测量时，激光传感器测量读数为l，则激光测量点相对于机床坐标系{M}的位置

其中，

将式(8)展开为线性方程组，表示为

AX＝B (9)

其中，X＝(δx,δy,δz,δi,δj,δk)

方程组中包含δx、δy、δz、δi、δj和δk共6个未知数，基于基准平面对激光传感器进行标定时，需要在6个以上不同机床位姿状态下对位置已知的基准平面进行测量，进而构造6个以上线性方程，通过解析或拟合方法求解方程组。

进一步地，S2具体为：安装具有基准平面的标定工装，保证在加工坐标系下基准平面方程为已知量，表达为F(x,y,z)＝0。

进一步的，由于式(8)中的激光测量点运动学模型考虑了机床主轴定位角度，在机床旋转轴运动使得主轴轴线与标定平面不垂直的情况下，主轴旋转会造成激光传感器对于XY平面或其平行平面的测量数据发生变化。因此，可以将基准平面设置为与五轴数控机床的主轴轴线垂直，即基准平面与机床XY平面平行，确保基准平面的方程为已知量，既降低工装安装难度，简化标定计算过程，又避免标定过程中机床旋转轴的大幅度摆动，降低主轴部件与工作台的干涉风险。

进一步地，S3具体为：激光传感器通过刀柄安装至五轴数控机床主轴上，激光传感器光线沿五轴数控机床主轴轴线方向，激光传感器可随机床主轴旋转。设置虚拟刀长，虚拟刀长值为主轴端面到激光传感器测量参考零点理想位置的距离在机床主轴轴线方向上的投影长度。此时，虚拟刀尖点即为刀具坐标系{T}的原点。

由于激光传感器的安装位姿偏差，激光传感器测量参考零点不可避免的会偏离虚拟刀尖点位置，激光发射轴线也会偏离机床主轴方向，如图2所示。

进一步地，S4具体为：通过五轴数控机床运动控制激光传感器以n个的不同位置和姿态测量基准平面，其中n不小于未知数X的维数，记录下各测量位置和姿态下五轴数控机床的运动量(X

根据记录的各测量位姿下五轴数控机床各轴坐标和激光传感器测量值，结合基准平面方程F(x,y,z)＝0和线性方程组AX＝B，重新构造n个线性方程，形成n阶线性方程组

其中，未知数X为激光传感器安装位置(δx,δy,δz)和姿态(δi,δj,δk)的表达式，为6维列向量，系数矩阵

再进一步地，机床的不同位置和姿态应满足如下条件：

(1)保证基准平面位于激光传感器的有效行程内。

(2)保证构造系数矩阵

更进一步地，可以选择在机床旋转轴零位附近进行标定作业，避免因五轴机床旋转轴运动量过大造成的机床主轴部件与工作台干涉风险，提高标定作业可操作性。

进一步地，S5具体为：求解S4中构造的线性方程组，计算得到X＝(δx,δy,δz,δi,δj,δk)

再进一步地，根据测量点个数，激光传感器安装位姿可以按以下方法进行辨识：

S51：当n＝6时，矩阵A是6阶方阵，可以采用解析法直接求解；

S52：当n>6时，矩阵A是秩为6的长矩阵，可以采用最小二乘法拟合求解。

本申请的优点在于：

本发明通过五轴数控机床控制激光传感器以不同位置和姿态测量同一基准平面，结合激光传感器实际测量结果和激光测量点运动学模型，辨识得到激光传感器实际安装位姿，实现点激光传感器安装位姿的精确标定。此方法操作简单，计算量小，稳定可靠。

附图说明

图1为基于基准平面的点激光传感器安装位姿标定流程图。

图2为激光传感器安装位姿偏差示意图。

图3-图8为AC双摆头结构机床激光传感器标定位姿示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是为了解释本发明而非对本发明的限定。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1

S1：考虑机床主轴定位角度，建立激光测量点运动学模型，形成以激光传感器安装位置和姿态为未知数的线性方程组

建立与机床固联的加工坐标系{M}，其原点位于机床加工坐标偏置点，坐标轴方向与机床绝对坐标系一致；建立与刀具固联的刀具坐标系{T}，其原点位于刀尖点，坐标轴方向与机床坐标系{M}一致；建立与激光传感器固联的激光坐标系{L}，其原点位于测量参考零点，Z方向坐标轴与激光发射轴线一致，X/Y方向坐标轴可任意选取。

激光坐标系{L}原点相对于刀具坐标系{T}的位置可以描述为

激光坐标系{L}的Z轴相对于刀具坐标系{T}的姿态可以描述为

在测量时，激光传感器测量读数为l，则激光测量点相对于机床坐标系{M}的位置

其中，

将式(8)展开为线性方程组，表示为

AX＝B (14)

其中，X＝(δx,δy,δz,δi,δj,δk)

方程组中包含δx、δy、δz、δi、δj和δk共6个未知数，基于基准平面对激光传感器进行标定时，需要在6个以上不同机床位姿状态下对位置已知的基准平面进行测量，进而构造6个以上线性方程，通过解析或拟合方法求解方程组。

S2：安装具有基准平面的标定工装

安装具有基准平面的标定工装，保证在加工坐标系下基准平面方程为已知量，表达为F(x,y,z)＝0。

进一步的，由于式(8)中的激光测量点运动学模型考虑了机床主轴定位角度，在机床旋转轴运动使得主轴轴线与标定平面不垂直的情况下，主轴旋转会造成激光传感器对于XY平面或其平行平面的测量数据发生变化。因此，可以将基准平面设置为与五轴数控机床的主轴轴线垂直，即基准平面与机床XY平面平行，确保基准平面的方程为已知量，既降低工装安装难度，简化标定计算过程，又避免标定过程中机床旋转轴的大幅度摆动，降低主轴部件与工作台的干涉风险。

S3：安装激光传感器并设置虚拟刀长

激光传感器通过刀柄安装至五轴数控机床主轴上，激光传感器光线沿五轴数控机床主轴轴线方向，激光传感器可随机床主轴旋转。设置虚拟刀长，虚拟刀长值为主轴端面到激光传感器测量参考零点理想位置的距离在机床主轴轴线方向上的投影长度。此时，虚拟刀尖点即为刀具坐标系{T}的原点。

由于激光传感器的安装位姿偏差，激光传感器测量参考零点不可避免的会偏离虚拟刀尖点位置，激光发射轴线也会偏离机床主轴方向，如图2所示。

S4：激光传感器以不同位姿测量基准平面，记录当前测量位姿下五轴数控机床各轴坐标和激光传感器测量值，形成以激光传感器安装位置和姿态为未知数的线性方程组

通过五轴数控机床运动控制激光传感器以n个的不同位置和姿态测量基准平面，其中n不小于未知数X的维数，记录下各测量位置和姿态下五轴数控机床的运动量(X

根据记录的各测量位姿下五轴数控机床各轴坐标和激光传感器测量值，结合基准平面方程F(x,y,z)＝0和线性方程组AX＝B，重新构造n个线性方程，形成n阶线性方程组

其中，未知数X为激光传感器安装位置(δx,δy,δz)和姿态(δi,δj,δk)的表达式，为6维列向量，系数矩阵

具体的，机床的不同位置和姿态应满足如下条件：

(1)保证基准平面位于激光传感器的有效行程内。

(2)保证构造系数矩阵

进一步地，可以选择在机床旋转轴零位附近进行标定作业，避免因五轴机床旋转轴运动量过大造成的机床主轴部件与工作台干涉风险，提高标定作业可操作性。

S5：计算激光传感器安装位置和姿态

求解S4中构造的线性方程组，计算得到X＝(δx,δy,δz,δi,δj,δk)

具体的，根据测量点个数，激光传感器安装位姿可以按以下方法进行辨识：

S51：当n＝6时，矩阵A是6阶方阵，可以采用解析法直接求解；

S52：当n>6时，矩阵A是秩为6的长矩阵，可以采用最小二乘法拟合求解。

实施例2

本实施例公开了一种适用于AC双摆头结构五轴数控机床的点激光传感器安装位姿标定方法，其流程如图1所示。作为本发明一种实施方案，具体实施内容及注意事项如下：

S1：建立激光测量点运动学模型

对于AC双摆头结构的机床，当开启RTCP功能后，刀具坐标系{T}相对于机床坐标系{M}的位姿可以表示为

其中

其中，(X,Y,Z,A,C)表示机床此时在RTCP功能下的机床各轴坐标，S表示机床主轴定位角度。

假设激光测量参考点{L}相对于刀具坐标系{T}的位置可以描述为

在测量时，当激光传感器测量的长度表示为l，则激光测量点相对于刀具坐标系{T}的位置为

根据式(16)转换到机床坐标系{M}的位置

其中，

式(24)为安装于AC双摆头结构五轴数控机床上的激光传感器测量点运动学模型。

将式(24)展开为线性方程组，表示为

AX＝B (25)

其中，A是线性方程组的系数矩阵

上式中，

X是线性方程组的未知数

X＝(δx,δy,δz,δi,δj,δk)

B是线性方程组的常数项

B＝(x-X,y-Y,z-Z)

从式(25)中可以看出，方程组中包含δx、δy、δz、δi、δj和δk共6个未知数。当采用某一基准平面对激光传感器进行标定时，需要在6个以上不同的机床位姿状态下，对位置已知的基准平面进行测量，进而构造6个以上线性方程，通过解析或拟合方法求解方程组。

S2：安装具有一个基准平面的标定工装

对于AC双摆头结构的机床，在初始位置其主轴轴线与Z轴平行。为了减少工装安装难度，简化标定计算过程，选择加工坐标系的XY平面为标定工装的基准平面，此时的基准平面方程为z＝0。

S3：安装激光传感器并设置虚拟刀长

激光传感器通过刀柄安装至五轴数控机床主轴上，激光传感器光线沿五轴数控机床主轴轴线方向，激光传感器可随机床主轴旋转。设置虚拟刀长，虚拟刀长值为主轴端面到激光传感器测量参考零点理想位置的距离在机床主轴轴线方向上的投影长度。此时，虚拟刀尖点即为刀具坐标系{T}的原点。由于激光传感器的安装位姿偏差，激光传感器测量参考零点不可避免的会偏离虚拟刀尖点位置，激光发射轴线也会偏离机床主轴方向，如图2所示。

S41：激光传感器以6个不同位姿测量基准平面，记录运动量和激光传感器测量值

对于基准平面z＝0，当使用激光传感器测量平面上任意一点时，测量点的Z向坐标均为0。结合式(25)，可以得到如下方程

sinAsinS(δx+l·δi)+sinAcosS(δy+l·δj)+cosA(δz+l·δk)＝-Z (26)

从上式可以看出，求解δx、δy、δz、δi、δj和δk6个未知数，需要满足以下2个条件：

(1)对于实际的激光传感器安装场景，受限于激光传感器的可测量角度，为确保激光传感器可以获得基准平面的有效测量值，应选择机床A轴0°位置附近进行测量，避免机床主轴部件与工作台的干涉风险，提高标定作业的可操作性；

(2)在至少6个不同机床位姿(X

具体的，本实例中采用6个不同位置和姿态进行测量，如图3-图8所示。机床开启RTCP功能，控制机床运动至X＝0,Y＝0,Z＝0,A＝0,C＝0,S＝0位置，包括如下步骤：

S41-1：控制机床运动至Z＝0,A＝0,S＝0位置，记录激光传感器读数为l

S41-2：控制机床运动至Z＝△Z,A＝0,S＝0位置，记录激光传感器读数为l

S41-3：控制机床运动至Z＝0,A＝△A,S＝0位置，记录激光传感器读数为l

S41-4：控制机床运动至Z＝△Z,A＝△A,S＝0位置，记录激光传感器读数为l

S41-5：控制机床运动至Z＝0,A＝△A,S＝△S位置，记录激光传感器读数为l

S41-6：控制机床运动至Z＝△Z,A＝△A,S＝△S位置，记录激光传感器读数为l

根据测量过程记录的各测量位姿下五轴数控机床各轴坐标和激光传感器测量值，即可构造如下方程组

其中，

上式中

X是线性方程组的未知数

X＝(δx,δy,δz,δi,δj,δk)

S51：激光传感器安装位置和姿态辨识

根据S41中机床在不同位置和姿态下记录的机床运动量和激光传感器测量值，计算激光传感器安装位置和姿态。由于测量点n＝6个，可以采用解析法直接求解。具体的，包括如下步骤：

S51-1：计算姿态偏差分量δk和位置偏差分量δz

S51-2：计算姿态偏差分量δj和位置偏差分量δy

其中，

S51-3：计算姿态偏差分量δi和位置偏差分量δx

其中，

至此即可完整地求出激光传感器的实际安装位置和姿态。

实施例3

与实施例2的区别在于：在步骤S4中采用多于6个不同的位姿对基准平面进行测量，在步骤S5中采用最小二乘拟合的方法对激光传感器安装位姿进行辨识。具体实施步骤如下：

S42：激光传感器以多于6个不同位姿测量基准平面，记录运动量和激光传感器测量值

通过五轴数控机床运动控制激光传感器以不同位置和姿态测量基准平面，记录下各测量位置和姿态下五轴数控机床的运动量和激光传感器测量值。

具体的，采用多于6个不同位置和姿态进行测量，记录机床坐标值数据(X

根据测量过程记录的各测量位姿下五轴数控机床各轴坐标和激光传感器测量值，即可构造如下方程组

S52：激光传感器安装位置和姿态辨识

构造激光传感器安装位置和姿态辨识目标函数

min f(δx,δy,δz,δi,δj,δk) (29)

其中，

通过最小二乘法求解式(29)，即可完整地求出激光传感器的实际安装位置和姿态。