[发明专利]基于双目视觉的数控机床旋转轴误差检测方法

权利要求书

1.一种基于双目视觉的数控机床旋转轴误差检测方法，其特征是，采用高分辨率双目视觉系统，采集贴于机床转台表面圆环编码标记点的位置信息，转台每转过一定的角度，视觉系统采集一次，直到旋转一周；最后经过摄像机标定、图像分割、标记点提取、机床旋转轴误差辨识模型实现机床旋转轴的两项位置误差与两项角度误差的检测采集，完成几何参数的快速测量；检测方法具体步骤如下：

(1)摄像机的标定

采用基于高精度棋盘格靶标的双目视觉标定方法；

首先使用基于高精度棋盘格靶标的双目视觉标定方法确定出两相机的内外参数，然后对棋盘格靶标角点进行三维重建，并根据角点的重建坐标与实际坐标的偏差，建立函数f(x)，对内外参数进行整体优化；如下所示：

f(x)＝(x_p-x_i)²+(y_p-y_i)²+(z_p-z_i)² (1)

其中：x_p，y_p，z_p为各角点的实际坐标，而x_i，y_i，z_i为重建得到的各角点坐标，则可建立目标函数F(x)如下：

$F\left(x\right)=min\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}f{\left(x\right)}^2---\left(2\right)$

其中，为所有点偏差函数的平方和，应用Levenberg－Marquardt方法对该目标函数F(x)进行优化，得到内外参数的全局最优解；

(2)图像特征分割

首先对图像进行降噪、滤波处理，利用灰度阈值法将所有目标特征与背景初步分离，灰度阈值法相应公式：

$\left\{\begin{array}{cc}g(x,y)\∈G_1& g(x,y)\<T\\ g(x,y)\∈G_2& g(x,y)\≥T\end{array}\right.---\left(3\right)$

其中，g(x,y)为图像(x,y)像素点所对应的的灰度值，T表示所选用灰度阈值，G₁为背景集合，G₂为特征标记集合；对特征标记集合进行连通区域标记，并利用区域面积作为门限值去除图像中不感兴趣的连通区域，相应公式如下：

$\left\{\begin{array}{cc}{h}_i(x,y)\<S& h_i(x,y)=0\\ h_i\left(x,y\right)\≥S& h_i\left(x,y\right)=1\end{array}\right.,i=1,\mathrm{2....}n---\left(4\right)$

其中，i＝1,2....n为n个连通区域，h_i(x,y)为第i个连通区域的面积，S为连通区域面积门限阈值；如果连通区域面积小于S，则将此连通区域设置为背景；

(3)特征标记的提取

1)编码点中心提取：

首先采用8连通区域标记图像中的连通区域，随后利用曲率约束，将曲率较大与较小的不感兴趣连通区域去除，相应公式如下：

$\left\{\begin{array}{cc}gt\left(i\right)\<e_1& L\left(i\right)=0\\ gt\left(i\right)\>e_2& L\left(i\right)=0\end{array}\right.,i=1,\mathrm{2....}n---\left(5\right)$

其中，i＝1,2....n为n个连通区域，gt(i)为第i个连通区域的离心率,e₁,e₂为离心率门限值，L(i)＝0表示将第i个连通域设置为背景；如此，便获得准确的编码标记点图像；利用质心算法，获得编码标记点中心坐标；

2)编码点识别：

采用圆环编码标记点，圆环编码中心为圆标记点(6)，标记点周围为与其同心的分段圆环区域，用于表征圆环编码的身份信息，称为编码带(7)；该圆环按照角度平均分为15份，每份24度，相当于一个二进制位；每一位取前景色为白色，后景色为黑色，相应的二进制编码为“1”、“0”；从标记点圆心出发，按照一定方向，扫描实心与空心编码带，扫描到实心码带记为1，空心码带记为0，如果没有扫描到编码带，则从中心开始重新扫描；扫描一周后，整个编码点的码值序列即被全部读出，形成一个二进制序列，每个二进制序列又与一个十进制整数对应，从而获得每个编码点的身份信息；

解码后，根据不同编码标记点的身份信息，将每个角度的同一编码点的像素坐标储存在一个文件下，依次获得所有标记点左右图像的像素坐标；再利用基于高精度棋盘格靶标的双目视觉标定法获得的摄像机的内外参数，重建各个标记点的三维坐标；

(4)机床旋转轴误差辨识

针对机床旋转轴的连接误差进行检测辨识，包括2项线性位置误差，2项角度误差；

根据已经获得的不同角度下编码点在视觉坐标系下的三维坐标，利用最小二乘法拟合平面，建立平面方程：

Ax+By+Cz+D＝0 (6)

其中，A、B、C、D为平面方程系数；经过简化后可得到：

$z=-\frac{A}{C}x-\frac{B}{C}y-\frac{D}{C}---\left(7\right)$

为实现平面拟合，建立目标函数F(x)：

$F\left(x\right)=min\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}(a_0{x}_i+a_1{y}_i+a_2-z_i)---\left(8\right)$

其中，(x_i,y_i,z_i)为n个编码标记点在视觉坐标系下的三维坐标，其中i＝1,2,3...n；由此可以获得拟合的平面，并获得该平面的法向矢量；比较拟合平面的法向矢量与理想平面的法向矢量，解得旋转轴的连接误差的2项角度误差；

为辨识旋转轴连接误差的线性位置误差，根据编码点位置关系，每两个点连成一条直线L₁；在旋转轴按照一定角度旋转时，该直线会跟随转轴进行旋转形成直线L₂，并且直线L₁与直线L₂相交于点P₁；依次，旋转轴旋转一周，共形成n条直线，每两条直线交于点P_i，i＝1,2,3…n/2，对这些点的坐标取平均值P，将P视为实际圆的圆心；比较实际圆心与理想圆心的坐标可获得机床旋转轴连接误差的线性位置误差：

er(x)＝P(x)-P_ideal(x)(9)

er(y)＝P(y)-P_ideal(y) (10)

其中，er(x),er(y)分别为旋转轴在X、Y方向线性位置误差，P(x),P(y)为旋转轴实际圆心的X、Y坐标，P_ideal(x),P_ideal(y)为理想旋转轴圆心的X、Y坐标。