一種五軸數控機床直線軸幾何誤差檢測方法技術

本發明專利技術一種五軸數控機床直線軸幾何誤差檢測方法屬于機床精度檢測技術領域，涉及一種五軸數控機床的直線軸誤差檢測與辨識方法。檢測方法中，利用三個高分辨率相機搭建三目測量裝置，采集固定在工作臺上隨機床X軸或Y軸做直線運動的三個自發光特征靶球圖像；經過相機標定、特征點位置信息提取和三個相機測量信息的融合，得到特征靶球的球心三維坐標，測量機床X、Y軸的直線軸幾何誤差。該方法有效的提高了數控機床直線軸誤差測量效率，避免了復雜的辨識模型和繁瑣的測量過程，實現數控機床直線軸幾何誤差的測量，具有方便、快捷、抗噪能力強、魯棒性好、可以同時測量多項機床直線軸幾何誤差的特點。

Method for detecting geometric error of linear axis of five axis NC machine tool

The invention relates to a method for detecting the geometric error of a linear axis of a five axis NC machine tool, belonging to the technical field of machine tool precision detection, relating to a method for detecting and identifying the linear axis error of a five axis numerical control machine tool. The detection method, build three mesh measuring device using three high resolution camera acquisition, fixed on the work table of random bed X axis and Y axis linear motion of three self luminous characteristics of target image; after fusion camera calibration, feature point information extraction and three camera measurement information, 3D coordinate center have the characteristics of target ball, linear axis machine tool geometric error measurement X, Y axis. This method improves the measurement efficiency of NC machine tool linear axis error, avoid the identification model of complex and tedious process of measurement, measurement of geometric errors of CNC machine tool linear axis, which is convenient, quick, strong anti noise ability and good robustness, can simultaneously measure the number of machine tool linear axis geometric error.

【技術實現步驟摘要】
一種五軸數控機床直線軸幾何誤差檢測方法
本專利技術屬于機床精度檢測
，涉及一種五軸數控機床的直線軸誤差檢測與辨識方法。
技術介紹
隨著航空、航天、船舶技術的發展，具有復雜空間跨尺度結構的零件逐漸成為諸類領域的核心部件。此外，這些零件如發動機葉輪、船用螺旋槳等為保證足夠的強度與剛度常常采用復雜工藝，零件的高效、高質加工直接影響著裝備的工作性能，對機床性能有很高要求。五軸數控機床憑借高靈活性與高精度加工優勢被廣泛應用于復雜難加工零件制造中。然而，機床設計以及制造精度限制了五軸數控機床的加工精度。機床幾何精度直接影響被加工零件的加工精度，為提高零件加工精度，機床各項幾何誤差的精確檢測具有重要意義。機床直線軸幾何誤差是機床幾何誤差的重要組成部分，定期檢測機床直線軸幾何誤差從而為誤差補償提供數據支撐，對于提高數控機床加工精度具有重要意義。目前五軸數控機床直線軸幾何誤差的檢測手段主要有：光柵檢測法、激光干涉儀法和水平儀測量法等。沈陽機床有限責任公司劉闊專利技術的專利號為CN104097114A“一種多軸聯動數控機床的幾何誤差測量與分離技術”專利技術了一種采用激光干涉儀測量三軸機床15項誤差的方法，但是使用激光干涉儀測量周期長，誤差只能單項檢測，不能實現多項誤差的同步檢測；西安交通大學郭俊杰專利技術的專利號為CN103737426A“一種數控機床旋轉軸幾何誤差三線測量法”利用激光跟蹤儀以及配套貓眼實現了機床旋轉軸幾何誤差的測量，測量精度受限于激光跟蹤儀轉角定位精度，測量設備成本較高。
技術實現思路
本專利技術要解決的技術難題是克服現有的技術缺陷，專利技術一種五軸數控機床直線軸幾何誤差檢測方法，利用三臺相機采集機床運動過程中固定在機床工作臺上的特征靶球的位置信息，后經圖像、數據處理完成機床直線軸多項幾何誤差的測量。三臺相機之間任意兩個相機的光軸相互垂直，且三個相機的光軸與機床坐標系的三個坐標軸分別平行。數控系統控制機床工作臺分別沿機床X軸和Y軸做直線運動，利用相機采集運動過程中特征靶球位置圖像。經過圖像處理，重建得到用于表征機床運動位置的特征靶球球心三維坐標，并與機床理論運動位置相比得到機床直線軸的直線度誤差、定位誤差及機床X軸和Y軸所形成平面的平面度誤差。此方法采用自發光特征靶球，不僅圖像特征提取精度高，而且程序簡單，測量方法具有很高的魯棒性，測量速度快，可以同時測量多項誤差。本專利技術采用的技術方案是一種五軸數控機床直線軸幾何誤差檢測方法，其特征是，檢測方法中，利用三個高分辨率相機搭建三目測量裝置，采集固定在機床工作臺上隨機床X軸或Y軸做直線運動的自發光A、B、C特征靶球圖像；經過相機標定、特征點位置信息提取和三個相機測量信息的融合，得到特征靶球的球心三維坐標，測量機床X、Y軸的直線軸幾何誤差；檢測方法的具體步驟如下：第一步搭建三目測量裝置，并進行相機標定；搭建時，三臺相機中任意兩個相機光軸相互垂直，組成空間測量坐標系；1號相機1光軸平行于機床X軸方向，2號相機2光軸平行于機床Y軸方向，3號相機3光軸平行于機床主軸Z方向，保證由相機光軸組成的坐標系與機床坐標系方向相同，將1號、2號、3號相機1、2、3分別固定在相機調整架4上；進行相機標定，相機標定是對相機內參數(αx,αy,u0,v0)和外參數[RT]的求解；三個相機通過針孔成像模型建立圖像坐標系與世界坐標系之間的一一對應關系；采用3D立體靶標標定法對三個相機分別進行標定；其標定表達式為：其中，M表示投影矩陣，mij表示投影矩陣的i行j列元素；(Xwi,Ywi,Zwi,1)表示3D立體靶標中第i個點在世界坐標系中的坐標，(ui,vi,1)表示第i個點的圖像坐標，s表示比例因子表示相機的內參數，[RT]表示相機的外參數；第二步特征靶球的安裝以及特征靶球圖像處理在機床工作臺8上分別安裝三個A、B、C特征靶球6、5、7，先將A特征靶球6安裝在機床工作臺中心，B、C特征靶球5、7分別安裝在A特征靶球6的兩邊，調節特征靶球在機床工作臺8上的位置，使其在三個相機視場內成像完整互不遮擋；三個特征靶球具有不同的直徑，即dA＞dB＞dC，特征靶球直徑不同便于不同相機中圖像特征信息的匹配；為準確提取特征靶球球心坐標，圖像經過降噪，濾波處理之后，利用帶閾值的灰度重心法提取特征靶球的球心，計算公式為：其中F(x,y)表示圖像灰度函數，f(x,y)表示圖像灰度，T代表背景閾值；(x0,y0)表示所求的灰度重心，m,n表示圖像在橫、縱方向上所包含的像素的數量；利用帶閾值的灰度中心法可以提取特征靶球球心的圖像坐標；第三步測量機床X、Y軸的直線軸幾何誤差，機床X、Y軸的直線軸幾何誤差包括定位誤差、直線度誤差、機床平面度誤差；以機床X軸的幾何誤差求解為例，進行詳細說明，Y軸的直線軸幾何誤差求解與X軸相同；由相機光軸組成測量坐標系，并與世界坐標系重合建立在機床零點處，數控系統控制機床沿X軸方向運動；選定測量范圍為N(mm)×N(mm)，將有效測量范圍等分成L段，相對應得到L+1個數據采集位置，在這L+1個數據采集位置處采集特征靶球的位置信息；經圖像特征信息提取，解得特征靶球球心在測量坐標系中三維坐標，用以表征機床的實際運動信息；在測量機床X軸方向的定位誤差時，機床工作臺8沿機床X軸方向運動，在測量過程中，由于特征靶球在1號相機1光軸平行于機床X軸方向的相機內，其成像存在景深方向的變化，因此會出現超景深現象影響測量結果；而2號相機2和3號相機3內特征靶球成像不存在景深方向變化，故求解機床X軸定位誤差時采用2號相機2和3號相機3所采集的數據；機床工作臺8運動到機床零點處，機床零點同時也是測量坐標系與世界坐標系的零點，將此時各相機采集的圖像作為基礎圖像，2號相機2所測是第K個點相對于第一個點在測量坐標系X方向的變化量dx以及在測量坐標系Z方向的變化dz，3號相機3測量的是第K個點相對于第一個點在測量坐標系X方向的變化量dx以及在測量坐標系Y方向的變化dy，經過兩臺相機中測量信息的融合，得到K點在測量坐標系中的三維坐標，記作其中i表示在K點處的測量次數，i＝1,2,...n；第四步機床直線軸幾何誤差分析求解a)定位誤差求解機床直線軸的定位精度是指機床定位至程序目標點的精確程度；定位誤差是機床實際定位點偏離程序目標點的數值；定位誤差求解公式：其中，表示在第K個測量點處第i次測量得到的實際坐標，表示第K個點處測量i次的平均定位誤差，δk表示第K個測量點處定位誤差的標準偏差，δx表示機床X軸的定位誤差；b)直線度誤差求解測量機床X軸直線度誤差同定位誤差一樣，是利用2號相機2和3號相機3采集特征靶球運動信息；求解特征靶球球心位置，與理想位置比較得到直線度誤差；第K測量點在測量坐標系中的坐標為i表示第K個測量點第i次測量，采用最小二乘評定法評定機床直線軸直線度誤差；對第K個測量點處的多次測量結果進行處理，即求多次測量的平均值：記為表示第K個測量點的實際坐標，其中，利用最小二乘法擬合空間直線方程：Ax+By+Cz+D＝0(5)其中，A，B，C，D為空間直線方程系數其中，表示對第K個點的多次測量結果求平均，并用它表示此時K點的實際位置信息；分別表示測量點Y坐標距離擬合直線的最大Y向距離和最小Y向距離；分別表示測量點Z坐標距離擬合直本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種五軸數控機床直線軸幾何誤差檢測方法，其特征是，檢測方法中，利用三個高分辨率相機搭建三目測量裝置，采集固定在機床工作臺上隨機床X軸或Y軸做直線運動的自發光A、B、C特征靶球圖像；經過相機標定、特征點位置信息提取和三個相機測量信息的融合，得到特征靶球的球心三維坐標，測量機床X、Y軸的直線軸幾何誤差；檢測方法的具體步驟如下：第一步搭建三目測量裝置，并進行相機標定；搭建時，三臺相機中任意兩個相機光軸相互垂直，組成空間測量坐標系；1號相機(1)光軸平行于機床X軸方向，2號相機(2)光軸平行于機床Y軸方向，3號相機(3)光軸平行于機床主軸Z方向，保證由相機光軸組成的坐標系與機床坐標系方向相同，將1號、2號、3號相機(1、2、3)分別固定在相機調整架(4)上；進行相機標定，相機標定是對相機內參數(α

【技術特征摘要】
1.一種五軸數控機床直線軸幾何誤差檢測方法，其特征是，檢測方法中，利用三個高分辨率相機搭建三目測量裝置，采集固定在機床工作臺上隨機床X軸或Y軸做直線運動的自發光A、B、C特征靶球圖像；經過相機標定、特征點位置信息提取和三個相機測量信息的融合，得到特征靶球的球心三維坐標，測量機床X、Y軸的直線軸幾何誤差；檢測方法的具體步驟如下：第一步搭建三目測量裝置，并進行相機標定；搭建時，三臺相機中任意兩個相機光軸相互垂直，組成空間測量坐標系；1號相機(1)光軸平行于機床X軸方向，2號相機(2)光軸平行于機床Y軸方向，3號相機(3)光軸平行于機床主軸Z方向，保證由相機光軸組成的坐標系與機床坐標系方向相同，將1號、2號、3號相機(1、2、3)分別固定在相機調整架(4)上；進行相機標定，相機標定是對相機內參數(αx,αy,u0,v0)和外參數[RT]的求解；三個相機通過針孔成像模型建立圖像坐標系與世界坐標系之間的一一對應關系；采用3D立體靶標標定法對三個相機分別進行標定；其標定表達式為：其中，M表示投影矩陣，mij表示投影矩陣的i行j列元素；(Xwi,Ywi,Zwi,1)表示3D立體靶標中第i個點在世界坐標系中的坐標，(ui,vi,1)表示第i個點的圖像坐標，s表示比例因子表示相機的內參數，[RT]表示相機的外參數；第二步特征靶球的安裝以及特征靶球圖像處理在機床工作臺(8)上分別安裝三個A、B、C特征靶球(6、5、7)，先將A特征靶球(6)安裝在機床工作臺中心，B、C特征靶球(5、7)分別安裝在A特征靶球(6)的兩邊，調節特征靶球在機床工作臺(8)上的位置，使其在三個相機視場內成像完整互不遮擋；三個特征靶球具有不同的直徑，即dA>dB>dC，特征靶球直徑不同便于不同相機中圖像特征信息的匹配；為準確提取特征靶球球心坐標，圖像經過降噪，濾波處理之后，利用帶閾值的灰度重心法提取特征靶球的球心，計算公式為：其中F(x,y)表示圖像灰度函數，f(x,y)表示圖像灰度，T代表背景閾值；(x0,y0)表示所求的灰度重心，m,n表示圖像在橫、縱方向上所包含的像素的數量；利用帶閾值的灰度中心法可以提取特征靶球球心的圖像坐標；第三步測量機床X、Y軸的直線軸幾何誤差，機床X、Y軸的直線軸幾何誤差包括定位誤差、直線度誤差、機床平面度誤差；以機床X軸的幾何誤差求解為例，進行詳細說明，Y軸的直線軸幾何誤差求解與X軸相同；由相機光軸組成測量坐標系，并與世界坐標系重合建立在機床零點處，數控系統控制機床沿X軸方向運動；選定測量范圍為N(mm)×N(mm)，將有效測量范圍等分成L段，相對應得到L+1個數據采集位置，在這L+1個數據采集位置處采集特征靶球的位置信息；經圖像特征信息提取，解得特征靶球球心在測量坐標系中三維坐標，用以表征機床的實際運動信息；在測量機床X軸方向的定位誤差時，機床工作臺(8)沿機床X軸方向運動，在測量過程中，由于特征靶球在1號相機(1)光軸平行于機床X軸方向的相機內，其成像存在景深方向的變化，因此會出現超景深現象影響測量結果；而2號相機(2)和3號相機(3)內特征靶球成像不存在景深方向變化，故求解機床X軸定位誤差時采用2號相機(2)和3號相機(3)所采集的數據；機床工作臺(8)運動到機床零點處，機床零點同時也是測量坐標系與世界坐標系的零點，將此時各相機采集的圖像作為基礎圖像，2號相機(2)所測是第K個點相對于第一個點在測量坐標系...

【專利技術屬性】
技術研發人員：劉巍，李輝，李肖，嚴洪悅，賈振元，馬建偉，
申請(專利權)人：大連理工大學，
類型：發明
國別省市：遼寧,21