[发明专利]一种旋转激光束呈锥面扫描的测量装置的参数标定方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种测量装置的参数标定方法，特别是一种旋转光束呈锥面扫描的测量装置的参数标定方法，属于工业测量领域。

背景技术

测量装置的标定方法从技术手段上讲主要分为两种，一种是直接标定，采用高精度测量仪器对测量装置的参数直接进行测量。这种标定方法比较容易实现，精度较高，但是有一个前提，测量装置的参数必须可以直接测量或是可引出测量。另一种是间接标定，利用该测量装置扫描对标准块（比如高精度球面等）进行测量，以此来间接标出测量装置的参数，这种方法可以对不能直接测量的参数进行标定，但是对算法和标准件精度的要求较高。

李明等发明了一种旋转激光束呈锥面扫描的测量装置（申请号：201110236707.9），该测量装置由上下传动轴，上下传动轴伺服电机，旋转伺服电机，连接件和激光位移传感器组成。上下传动轴伺服电机通过上下传动轴驱动旋转伺服电机上下移动，激光位移传感器通过连接件与旋转伺服电机连接，旋转伺服电机通过连接件驱动激光位移传感器旋转，并带动激光位移传感器上下移动，调整激光位移传感器在连接件上的工位，使激光位移传感器的激光发射方向与旋转伺服电机的旋转轴呈一定夹角，当旋转伺服电机带动激光位移传感器旋转时，激光位移传感器发射出的激光呈锥面地对待测工件进行扫描测量。

此测量装置应用在实际测量之前需要对测量装置的参数进行标定，限于传感器实际的工位和安装精度，激光位移传感器作为扫描测量元件使用，伺服电机带动传感器旋转时，光束形成的锥面并不是标准的圆锥面。由于激光的不可直接测量性，高精度的测量仪器不能完成对整个测量装置参数的直接标定。而如果用采间接的标定方法，由于整个系统需要标定的参数过多，导致算法过于复杂，难以得出参数解。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的在于提出一种旋转光束呈锥面扫描的测量装置的参数标定方法，针对测量装置中扫描光束参数的不可直接测量性，提出一种直接标定和基于标准面的间接标定相结合的参数标定方法。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

实际的测量过程中，所述旋转伺服电机带动所述激光位移传感器旋转时，激光束所形成的锥面并不是一个标准锥面，所述上下传动轴带动旋转伺服电机上下移动时，激光束形成的锥面也并不一定是沿着锥面的旋转中心平移。因此，整个测量装置的标定分为两个部分：

1)    呈锥面扫描的光束的参数标定

实际测量过程中，呈锥面扫描的光束的数学模型为：以激光光线和旋转轴的公垂线在旋转轴上的垂足为原点，Y轴沿公垂线方向，Z轴沿旋转轴方向，X轴则由右手法则确定。此时，整个数学模型有三个参数需要标定，分别为：公垂线距离r，激光发射点距公垂线垂足的偏距l，以及锥角θ。同时，测量点在该数学模型坐标系下的坐标可用这三个参数表示出来。

呈锥面扫描的光束不可直接测量，因此它的参数标定采用间接标定方法，间接标定采用的标准块包括平面、圆柱面、圆锥面或球面等高精度标准型面。由于间接标定采用优化拟合的方式，圆柱面、圆锥面和球面作为二次曲面，拟合的难度要大于平面，拟合精度也不如平面，因此，呈锥面扫描的光束参数的标定标准块的标准型面推荐选用平面。将该标准块固定，手动操作测量装置对标准块的标准型面进行扫描测量，测量过程中保持上下传动轴的位置不变，得到所述标准型面点云的原始数据。

由于测量点均在标准型面上，而测量点在呈锥面扫描的光束坐标系下的坐标可用需要标定的参数表示出来，故采用迭代寻优的最优化方法求出呈锥面扫描的光束的三个参数的最优值，目标方程为测量点到标准型面的距离的加权平方和。

2)    上下传动轴在呈锥面扫描的光束坐标系下的方位标定

实际的测量中，上下传动轴带动传感器上下移动的过程相当于呈锥面扫描的光束坐标系沿空间一条直线平移的过程，因此，必须进行呈锥面扫描的光束坐标系与这条空间直线，即上下传动轴的位置关系标定。由于光束及光束的旋转轴不能被直接测量，而上下传动轴的方位可以用激光跟踪仪等高精度测量仪器直接测量，因此采用直接标定和间接标定相结合的方式进行上下传动轴在呈锥面扫描的光束坐标系下的方位标定。