[发明专利]一种机床平面轮廓误差单目测量方法

摘要

本发明一种机床平面轮廓误差单目测量方法属于计算机视觉测量领域，涉及一种适用于机床平面理想运动轨迹与实际运动轨迹的轮廓误差测量方法。测量方法将单目相机与数控机床集成，先设计带有矩阵排列编码标志点的测量基准，使每两个编码标志点之间的位置关系精确已知，测量时将测量基准与单目相机固定在机床上，利用单目相机采集测量基准运动图像，图像处理时识别、定位每一帧图像中接近图像中心位置的数个编码标志点，利用已知的编码标志点间的位置关系解算机床运动轨迹。该方法解决了机床行程大导致需要测量的平面运动轨迹范围大、任意轨迹测量难的问题，实现机床高速运动平面轮廓误差的大范围、高精度测量,有效地提高了测量精度。

主权项

一种机床平面轮廓误差单目测量方法，其特征是，测量方法将单目相机(1)与数控机床集成，先设计带有矩阵排列编码标志点的测量基准(2)，使每两个编码标志点之间的位置关系精确已知，测量时将测量基准(2)与单目相机(1)固定在机床上，单目相机(1)与测量基准(2)垂直；利用单目相机(1)采集测量基准运动图像，图像处理时识别、定位每一帧图像中接近图像中心位置的数个编码标志点，利用已知的编码标志点间的位置关系解算机床运动轨迹，通过与理想轮廓比较求得机床轮廓误差；测量方法的具体步骤如下：第一步、设计带有矩阵排列编码标志点的测量基准在玻璃基底上光刻编码标志点矩阵形成测量基准(2)，各编码标志点之间的位置关系精确已知；测量基准(2)上的编码标志点是环形编码点，分为非编码区和编码区；非编码区为中心圆(5)，用于环形编码点的定位，编码区由中心圆周围数个环形带组成，用于识别出该编码标志点的编码值；环形带分为光刻环形带(6)与非光刻环形带(7)，各环形带由数个基元构成；编码区由n个基元平均分布，根据基元是否光刻将基元用二进制“1”或“0”表示，根据环形带与基元面积的比值确定环形带所含“1”和“0”的个数，解码时以任意基元为起始点顺时针读取n位二进制数，将此二进制移位循环并转化成十进制，十进制中的最小值为该编码标志点的编码值；第二步、相机标定采用张氏标定法结合高精度棋盘格标定板标定单目相机(1)，空间中一点P在世界坐标系下的坐标(XW,YW,ZW)T与其在图像坐标系的坐标(u，v)之间的对应关系如下：ZCuv1=fx0u000fyv000010Rt0T1XWYWZW1=M1M2XWYWZW1---(1)]]>其中，fx＝f/dx，fy＝f/dy，dx和dy分别为原点在x轴和y轴方向的物体偏移尺寸，f为焦距，(u0,v0)是以物理长度为单位的图像坐标系原点在像素单位图像坐标系下的坐标，P在相机坐标系中的坐标是(XC,YC,ZC)T，世界坐标系和相机坐标系之间的关系用3×3正交单位旋转矩阵R和三维平移向量t来描述，O＝(0,0,0)T，M1是4×4的内参数矩阵，其内部参数f、dx、dy、u0和ν0由相机内部结构决定，M2由相机相对世界坐标系的位置决定，是相机外参数矩阵；公式(1)就是线性相机模型成像方程，即由内参数f、dx、dy、u0和ν0和外参数R、t确定世界坐标系和以像素为单位图像坐标系的关系；上面方程是理想状态的线性相机模型，实际投影过程考虑镜头会有畸变，在理想线性模型的基础上融合镜头的径向畸变和切向畸变；畸变方程为：u′=u+δu(k1ρ2+k2ρ4+k3ρ6)+(2k4δuδv+k5(ρ2+2δu2))v′=v+δv(k1ρ2+k2ρ4+k3ρ6)+(k4(ρ2+2δv2)+2k5δuδv)δu=u′-uδv=v′-vρ=(u-u0)2+(v-v0)2---(2)]]>其中，u′是空间点使用径向畸变和切向畸变修正后的像素横向坐标，v′是空间点使用径向畸变和切向畸变修正后的像素纵向坐标，u是空间点理想像素横向坐标，v是空间点理想像素纵向坐标，δu是像素横向偏差，δv是像素纵向偏差，ρ是空间点像素坐标与主点之间的距离，k1、k2和k3分别为一阶、二阶和三阶径向畸变系数，k4和k5是一阶和二阶切向畸变系数；经过标定得到相机内部参数f、dx、dy、u0、ν0和外部参数R、t以及畸变参数k1、k2、k3、k4和k5；第三步、编码标志点解码标定完单目相机(1)后，将测量基准(2)固定在机床工作台平面(4)上，机床带动测量基准(2)运动，同时利用单目相机(1)采集测量基准(2)运动序列图像，选取位于图像中央位置的编码标志点解码；解码时首先利用圆度准则区分非编码区中心圆(5)和编码区环形带，圆度准则公式为：S0≤S≤S1l0≤l≤l1C0≤C≤1---(3)]]>式中S0、S1、l0、l1、C0为设定阈值，初步判断目标对象为中心圆，S为封闭对象的面积，l为封闭对象的周长，C＝(4πS)/(l2)表示圆度，C越接近1，对象越近似于圆形；根据以上圆度准则公式(3)设定阈值，区分编码标志点的非编码区中心圆(5)和编码区环形带；利用面积准则如下式：mi=ROUND(Aia,0)---(4)]]>其中，mi是四舍五入到整数的第i个光刻环形带含有基元的个数，ROUND是四舍五入函数，表示将四舍五入到个位数字，Ai为编码区第i个光刻环形带的面积，a为基元面积，然后将中心圆(5)的质心分别与每一个光刻环形带的质心连线，计算相邻光刻环形带之间的非光刻环形带的基元的个数，公式为：其中，qi是四舍五入到整数的第i个光刻环形带顺时针方向相邻的非光刻环形带含有基元的个数，表示将四舍五入到个位数字，n是选用的环形编码标记点含有基元的个数，θi是中心圆质心分别与第i个光刻环形带和其顺时针方向第i+1个光刻环形带质心连线的夹角，Mi是第i个光刻环形带含有基元的个数，Mi+1是第i+1个光刻环形带含有基元的个数；按顺时针排列的顺序读出该编码标志点的n位二进制数值，循环移位得到n个n位二进制数值，转化成十进制，数值最小的就是该编码标志点的编码值；解码后得到环形编码标志点的编码值以及中心圆(5)的质心坐标；第四步、轮廓误差求解在第一帧图像中选取接近视场中央位置的一个编码标志点，它作为测量基准点，通过解码得到它的编码值A及其在相机坐标系下的坐标(x10,y10)；在拍摄的第i帧图像中，取位于视场中央位置的编码标志点作为测量点，通过解码求出该测量点在相机坐标系中的坐标(xi,yi)及编码值B，并解码求出位于测量点右侧距离最近的编码点的坐标(xi1,yi1)及编码值C，通过编码值为A、B、C的编码标志点在测量基准(2)上的位置关系及编码值为B、C的编码标志点在相机坐标系下的坐标，求出编码值为A的编码标志点在拍摄第i帧图像时刻在相机坐标系的坐标，公式为：(xio-xi)2+(yi0-yi)2=d2tanα=|yi0-yixi0-xi-yi1-yixi1-xi1+yi0-yixi0-xi×yi1-yixi1-xi|---(6)]]>其中，(xio,yi0)为编码值为A的测量基准点在拍摄第i帧图像时刻的坐标，α为测量基准(2)上编码值为A、B的编码标记点连线与编码值为B、C的编码标记点连线之间的夹角，d为测量基准(2)上编码值为A的编码标志点和编码值为B的编码标志点之间的距离；由此求出测量基准点在任意时刻的运动轨迹，与机床理论运动轨迹相比求出机床平面轮廓误差。