專利名稱：一種數(shù)控機床加工在線測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種數(shù)控機床加工在線測量的方法，本方法可用于工業(yè)現(xiàn)場對工業(yè)加 工品進(jìn)行非接觸在位測量。本發(fā)明屬于機器視覺領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
大型工件，特別是整體件，由于其相對重量輕，強度高被越來越多地應(yīng)用在很多場 合，但由于其外形尺寸大，待測特征多，使得對它的測量在實踐中很難實現(xiàn)。如果利用接觸 式測量，不僅得不到高密度的數(shù)據(jù)點云，而且測量效率低下，由于尺寸大也很難測量到工件 的整體。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，非接觸式測量，特別是基于視覺技術(shù)的測量方法以其結(jié)構(gòu)簡 單，價格低，測量效率高等特點得到越來越廣的應(yīng)用。由于非接觸測量效率較高，設(shè)備簡單， 非常適合應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場?；谝曈X技術(shù)的測量方法有很多分支，其中基于雙目立體視覺技術(shù)的加工在線測 量方法，具有高精度、非接觸、點云稠密等?，F(xiàn)有的在線測量系統(tǒng)不足在于(1) 一般需要借助外部機械設(shè)備，如機械臂等，牽引視覺系統(tǒng)移動，因此增加了測 量系統(tǒng)的費用，而且在工作現(xiàn)場增加外部機械可能會影響到車床本身的性能等。(2)現(xiàn)有的對于大型工件的測量手段，需要粘貼標(biāo)志點，沒有實現(xiàn)大尺寸測量的自動化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問題是提出一種數(shù)控機床加工在線測量方法，通過與機床相 結(jié)合，極大的增加了數(shù)控機床的利用效率，并且解決了大尺寸拼接問題。本發(fā)明的技術(shù)解決方案為一種數(shù)控機床加工在線測量方法，其特征在于，包括以 下步驟準(zhǔn)備工作包括標(biāo)定兩攝像機的內(nèi)外參數(shù)、調(diào)試準(zhǔn)備上位機測量軟件等，測量軟件 指為本在線測量方法開發(fā)的數(shù)據(jù)處理軟件。(1)測量系統(tǒng)安裝將機床主軸刀具卸下，把測量系統(tǒng)，即雙目立體視覺測量系 統(tǒng)，安裝在主軸上，連接數(shù)據(jù)線，與數(shù)控機床相結(jié)合。(2)平移標(biāo)定機床平移，標(biāo)定數(shù)控機床的X軸和Y軸在測量系統(tǒng)坐標(biāo)系下的方向 向量Vx，V將一對粘有標(biāo)志點的標(biāo)志桿放置在被測工件邊上。兩個標(biāo)志桿放置方向分別沿數(shù) 控機床的X軸和Y軸；控制數(shù)控機床分別沿X軸和Y軸移動若干次，移動間隔中拍攝兩個標(biāo) 志桿，每次移動間隔一定且每次移動方向一致。依據(jù)(Mxi-Mxi^1) Vx = Pxi-Pxi-I(Myi-Myi^1)Vy = Pyi-Pyi-I其中，MxiJyi為第i次拍攝標(biāo)志點時機床的X軸讀數(shù)和Y軸讀數(shù)，PXi、Pyi為第i
3次拍攝后復(fù)現(xiàn)出的標(biāo)志點坐標(biāo)。分別求解方程組最優(yōu)解，即測量系統(tǒng)坐標(biāo)系下數(shù)控機床X軸和Y軸的方向向量Vx 和V(3)旋轉(zhuǎn)標(biāo)定機床旋轉(zhuǎn)，標(biāo)定測量系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)后的旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移向量T。依據(jù)路徑規(guī)劃結(jié)果，控制機床旋轉(zhuǎn)，分別三維復(fù)現(xiàn)基準(zhǔn)視場和旋轉(zhuǎn)后視場中的圓 形標(biāo)志點，包括圓心提取、極線匹配和三維復(fù)現(xiàn)，進(jìn)行三維點匹配，利用四元素方法，計算旋 轉(zhuǎn)矩陣&和平移向量Tp Rj和L為旋轉(zhuǎn)標(biāo)定時測量系統(tǒng)第j次旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移向量。(4)牽引數(shù)控機床主軸，將測量系統(tǒng)移動至待測部分，待主軸穩(wěn)定后，對工件進(jìn)行 單視場掃描，得到單視場點云數(shù)據(jù)；(5)重復(fù)步驟(4)直至將被測工件表面遍歷完成，得到所有視場點云數(shù)據(jù)，完成全 視場掃描；(6)根據(jù)步驟(4)、(5)得到的點云數(shù)據(jù)，進(jìn)行拼接。將測量系統(tǒng)第一個視場的坐標(biāo)系作為世界坐標(biāo)系，并按照以下公式將各個視場點 云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接& = Σ + ) + (A — AK "W)
ij ,其中，Pi, Xi, Yi分別為第i個測量視場的點云數(shù)據(jù)、數(shù)控機床X軸讀數(shù)、數(shù)控機床 Y軸讀數(shù)和L為第j個旋轉(zhuǎn)測量視場的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移向量，Vx和Vy為已標(biāo)方向向量， Pff為世界坐標(biāo)系下掃描點云數(shù)據(jù)。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于(1)本發(fā)明給出一種在線測量方法，通過與數(shù)控機床結(jié)合，提高整個工件的加工檢 測效率。由于是在線測量，因此工件在加工后不必從機床卸下，大大減少工件由于裝配產(chǎn)生 的變形，無需將零件搬運到計量室，大幅提高測量效率。(2)本發(fā)明涉及的測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，現(xiàn)場標(biāo)定方法簡潔，完全能夠適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場 環(huán)境。與數(shù)控機床相結(jié)合，充分利用機床的優(yōu)勢，拼接速度快，無需在被測工件上粘貼標(biāo)志 點，可以得到致密的點云數(shù)據(jù)。


圖1為本發(fā)明在線測量方法的流程圖。圖2為本發(fā)明標(biāo)定數(shù)控機床運動方向過程示意圖。圖中單相機表示測量系統(tǒng)，圖 中帶箭頭的虛線為數(shù)控機床牽引測量系統(tǒng)的標(biāo)定路線。圖3為本發(fā)明測量路線圖。圖中單相機表示測量系統(tǒng)，圖中帶箭頭的虛線為數(shù)控 機床牽引測量系統(tǒng)的測量路線。
具體實施例方式為了更好的理解本發(fā)明，下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案作詳細(xì)的描 述。參照附圖1，一種數(shù)控機床加工在線測量方法，包含如下步驟
在將測量系統(tǒng)與數(shù)控機床結(jié)合之前，先將測量系統(tǒng)進(jìn)行必要的準(zhǔn)備，測量系統(tǒng)指 雙目立體視覺傳感器，包括兩個攝像機和一個投射器；所述的必要的準(zhǔn)備包括標(biāo)定兩攝像 機的內(nèi)外參數(shù)，調(diào)試準(zhǔn)備上位機測量軟件等；1.測量系統(tǒng)安裝，將數(shù)控機床主軸刀具卸下，把測量系統(tǒng)安裝在主軸上，連接數(shù)據(jù) 線，與數(shù)控機床相結(jié)合。2.平移標(biāo)定，機床平移，標(biāo)定數(shù)控機床的X軸和Y軸在測量系統(tǒng)坐標(biāo)系下的方向向
量 vx，vy。將一對粘有標(biāo)志點的標(biāo)志桿放置在被測工件邊上。放置方式參照附圖2，兩個標(biāo)志 桿放置方向分別沿數(shù)控機床的X軸和Y軸，且兩個標(biāo)志桿的原點處于被測工件的同一角。依據(jù)平移標(biāo)定路徑，控制數(shù)控機床分別沿X軸和Y軸移動若干次，移動方法參照附 圖2，移動間隔中拍攝兩個標(biāo)志桿，每次移動間隔一定且每次移動方向一致。移動間隔不能 過大，保持在IOOmm左右。將每次拍攝時機床的X軸方向和Y軸方向讀數(shù)記為Mxi和Myi, 三維復(fù)現(xiàn)出的標(biāo)志點圓心坐標(biāo)為Pxi和Pyi (一個視場中可能有多個點，Pxi和Pyi可能是多 個點的集合)。根據(jù)測量數(shù)據(jù)可以得到(Mxi-Mxi^1) Vx = Pxi-Pxi^1(Myi-Myi^1)Vy = Pyi-Pyi-I利用Pxi和I^h中存在的公共點進(jìn)行計算。取i = 2，3，4...，則上述兩式可分別 組成方程組，它們均有最優(yōu)化解Vx和Vy，即在測量系統(tǒng)坐標(biāo)系下，數(shù)控機床X軸和Y軸的方
向向量。3.旋轉(zhuǎn)標(biāo)定，機床旋轉(zhuǎn)，標(biāo)定測量系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)后的旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移向量T。依據(jù)旋轉(zhuǎn)標(biāo)定路徑，控制機床旋轉(zhuǎn)，進(jìn)行拍照，獲取旋轉(zhuǎn)后圖像。分別三維復(fù)現(xiàn)基 準(zhǔn)視場和旋轉(zhuǎn)后視場中的圓形標(biāo)志點，包括圓心提取、極線匹配和三維復(fù)現(xiàn)，進(jìn)行三維點匹 配，利用四元素方法，計算旋轉(zhuǎn)矩陣&和平移向量Tj，取j = 2，3，4. . .，&和Tj為旋轉(zhuǎn)標(biāo)定 時測量系統(tǒng)第j次旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移向量。4.依據(jù)路徑規(guī)劃結(jié)果，整體測量路線參照附圖3，牽引數(shù)控機床主軸，將測量系統(tǒng) 移動至待測部分，待主軸穩(wěn)定后，對工件進(jìn)行掃描，得到單視場點云數(shù)據(jù)，點云數(shù)據(jù)記作Pi, 此時數(shù)控機床X、Y軸讀數(shù)記作&和Yi。5.重復(fù)步驟4直至將被測工件表面遍歷完成，得到所有視場點云數(shù)據(jù)，完成全視 場掃描；6.根據(jù)步驟4、5得到的點云數(shù)據(jù)，進(jìn)行拼接。由步驟4、5，測量系統(tǒng)遍歷整個被測工件，得到所有視場點云數(shù)據(jù)。將所有點云數(shù) 據(jù)轉(zhuǎn)換到統(tǒng)一坐標(biāo)系中，即完成拼接。具體為將測量系統(tǒng)第一個視場的坐標(biāo)系作為世界坐 標(biāo)系，并按照以下公式將各個視場點云數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)系統(tǒng)一A = Σ {R/pi +TJ + (式-Η -W)其中，P” X” Yi分別為第i個測量視場的點云數(shù)據(jù)、數(shù)控機床X軸讀數(shù)、數(shù)控機床 Y軸讀數(shù)和L為第j個旋轉(zhuǎn)測量視場的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移向量，Vx和Vy為已標(biāo)方向向量， Pff為世界坐標(biāo)系下掃描點云數(shù)據(jù)。
則Pw為所有視場點云數(shù)據(jù)統(tǒng)一坐標(biāo)系的結(jié)果，即完成拼接。
權(quán)利要求
1.一種數(shù)控機床加工在線測量方法，其特征在于，包括以下步驟(1)測量系統(tǒng)安裝將測量系統(tǒng)安裝在數(shù)控機床主軸上；(2)平移標(biāo)定機床平移，標(biāo)定數(shù)控機床X軸和Y軸的方向向量Vx，Vy；(3)旋轉(zhuǎn)標(biāo)定機床旋轉(zhuǎn)，標(biāo)定測量系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)后的旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移向量T；(4)牽引數(shù)控機床主軸，將測量系統(tǒng)移動至待測部分，進(jìn)行掃描，得到單視場點云數(shù)據(jù)；(5)重復(fù)步驟(4)直至將被測工件表面遍歷完成，即完成全視場掃描；(6)根據(jù)步驟G)、(5)得到的點云數(shù)據(jù)，進(jìn)行拼接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種數(shù)控機床加工在線測量方法，其特征在于所述的(2) 平移標(biāo)定，機床平移，標(biāo)定數(shù)控機床X軸和Y軸的方向向量\，Vy,指控制數(shù)控機床分別沿X 軸和Y軸平移若干次，移動間隔中拍攝標(biāo)志桿，每次移動間隔一定且每次移動方向一致；依 據(jù)(Mxi-Mxi^1) Vx = Ρχ「Ρχη(Myi-Myi-!) Vy = Pyi-Pyi^1其中，MXi、Myi為第i次拍攝標(biāo)志點時機床的X軸讀數(shù)和Y軸讀數(shù)，PxiIyi為第i次拍 攝后復(fù)現(xiàn)出的標(biāo)志點坐標(biāo)；分別求解方程組最優(yōu)解Vx和Vy，即測量系統(tǒng)坐標(biāo)系下數(shù)控機床X軸和Y軸的方向向量。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種數(shù)控機床加工在線測量方法，其特征在于所述的(2) 平移標(biāo)定，機床平移，標(biāo)定數(shù)控機床X軸和Y軸的方向向量vx，vy，所需的標(biāo)志桿放置為將 一對粘有標(biāo)志點的標(biāo)志桿放置在被測工件邊上，兩個標(biāo)志桿放置方向分別沿數(shù)控機床的X 軸和Y軸。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種數(shù)控機床加工在線測量方法，其特征在于所述的(3) 旋轉(zhuǎn)標(biāo)定，機床旋轉(zhuǎn)，標(biāo)定測量系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)后的旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移向量T，對于基準(zhǔn)視場和旋 轉(zhuǎn)后視場，分別三維復(fù)現(xiàn)圓形標(biāo)志點，包括圓心提取、極線匹配和三維復(fù)現(xiàn)，進(jìn)行三維點匹 配，利用四元素方法，計算旋轉(zhuǎn)矩陣&和平移向量IrIij和Tj為旋轉(zhuǎn)標(biāo)定時測量系統(tǒng)第j次 旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移向量。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種數(shù)控機床加工在線測量方法，其特征在于所述的(6) 根據(jù)步驟G)、(5)得到的點云數(shù)據(jù)，進(jìn)行拼接，拼接是將測量系統(tǒng)第一個視場的坐標(biāo)系作 為世界坐標(biāo)系，并按照以下公式將各個視場點云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接Pw = Σ {R/ pi+Tj + (式-+(Xi-^y) ij ,其中，P” X” Yi分別為第i個測量視場的點云數(shù)據(jù)、數(shù)控機床X軸讀數(shù)、數(shù)控機床Y軸 讀數(shù)，&和L為第j個旋轉(zhuǎn)測量視場的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移向量，^和Vy為已標(biāo)方向向量，Pff 為世界坐標(biāo)系下掃描點云數(shù)據(jù)。
全文摘要
一種數(shù)控機床加工在線測量方法，該方法能夠?qū)崿F(xiàn)對大型工件的在線測量。本發(fā)明將雙目立體視覺測量系統(tǒng)與數(shù)控機床結(jié)合，由數(shù)控機床牽引，完成大型工件的整體測量。該方法首先標(biāo)定攝像機內(nèi)外參數(shù)、將測量系統(tǒng)與數(shù)控機床結(jié)合；然后進(jìn)行平移標(biāo)定和旋轉(zhuǎn)標(biāo)定，標(biāo)定出數(shù)控機床X軸和Y軸的方向向量以及測量系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)后的旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移向量T；進(jìn)而由數(shù)控機床牽引測量系統(tǒng)移動，進(jìn)行單視場掃描，直至遍歷被測工件全部表面；最后，根據(jù)所有視場點云數(shù)據(jù)和數(shù)控機床主軸讀數(shù)進(jìn)行整體拼接，即完成工件整體測量。本發(fā)明具有使用靈活、簡便、精度高等特點，可用于工業(yè)現(xiàn)場對大型工件的在線測量。
文檔編號B23Q17/24GK102126162SQ20101060701
公開日2011年7月20日 申請日期2010年12月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月26日
發(fā)明者吳盡龍, 姜宏志, 李旭東, 趙慧潔 申請人:北京航空航天大學(xué)