一种多轴联动机器用标定球空间坐标获取装置的制作方法

1.本发明涉及机床技术等领域，具体而言，涉及一种多轴联动机器用标定球空间坐标获取装置。


背景技术：

2.现有机床内的空间坐标标定方法主要有接触式标定和非接触式标定，接触式标定：以三坐标测针、cnc测针、红宝石球头探针、雷尼绍测针和三次元测针等探头从上方及前后左右方向分别接触标定球，依据标定球直径计算标定球球心位置。该方法缺陷是标定球单个位置获取球心坐标时间长。
3.非接触式标定：目前主要有三种，(1)以同轴点激光传感器在标定球上横向和纵向扫描，获取球面最高点坐标，由于已知标定球直径，即可计算球心坐标。缺点是扫描时移动速度慢，获取单个球心坐标所需时间较长；(2)线激光扫描标定球，依据扫描得到的部分球状点云数据拟合计算球心位置。缺点是标定时间长，且一旦机构x轴与3d线扫激光的x不平行，机构y轴与3d线扫激光的y轴不平行，扫描出的球形点云与实际标定球外形不相符，需要进行点云滤波和安装姿态校正等工作，难度高。(3)双目视觉计算拍摄标定球或者mark计算空间坐标，该方案视野大，缺点是精度低。
4.所以无论是接触式标定还是非接触标定，都有标定时间长和精度低的课题，对于机器的生产制造增加了人力和物力，增加了成本，这一问题急需解决。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种多轴联动机器用标定球空间坐标获取装置，标定球球形坐标获取精度高，获取时间短，抗干扰性强且结构简单，方便机器的生产制造，节约生产成本。
6.本发明的实施例是这样实现的：
7.本技术实施例提供一种多轴联动机器用标定球空间坐标获取装置，包括安装架、图像采集组件、光传播组件和光源组件，上述图像采集组件、上述光传播组件和上述光源组件均设于上述安装架上，上述图像采集组件位于上述光传播组件上方，用于测定的标定球位于上述光传播组件和上述光源组件之间，上述光传播组件用于把上述光源组件照射上述标定球产生的上述标定球的xz面轮廓图像和yz面轮廓图像传递到上述图像采集组件。
8.在本发明的一些实施例中，上述光源组件包括第一光源组件和第二光源组件，上述第一光源组件用于照射上述标定球的yz面，上述第二光源组件用于照射上述标定球的xz面。
9.在本发明的一些实施例中，上述光传播组件包括第一光路组件和第二光路组件，上述第一光路组件用于把上述标定球的yz面轮廓图像传递到上述图像采集组件，上述第二光路组件用于把上述标定球的xz面轮廓图像传递到上述图像采集组件。
10.在本发明的一些实施例中，上述第一光路组件包括第一反射镜和第二反射镜；上
述第二反射镜的反射面朝向上述第一光源组件设置，用于把上述第一光源组件发出的光反射到上述第一反射镜上，上述第一反射镜的反射面朝上设置。
11.在本发明的一些实施例中，上述第二光路组件包括第三反射镜和第四反射镜；上述第四反射镜的反射面朝向上述第二光源组件设置，用于把上述第二光源组件发出的光反射到上述第三反射镜上，上述第三反射镜的反射面朝上设置。
12.在本发明的一些实施例中，上述第一光源组件包括第一背光源，上述第二光源组件包括第二背光源。
13.在本发明的一些实施例中，上述图像采集组件包括采集装置，上述采集装置用于采集上述标定球的xz面轮廓图像和yz面轮廓图像。
14.在本发明的一些实施例中，上述图像采集组件包括两个采集装置，两个上述采集装置分别用于采集上述标定球的xz面轮廓图像和yz面轮廓图像。
15.在本发明的一些实施例中，上述采集装置包括图像采集装置和远心镜头，上述远心镜头设于上述图像采集装置的采集端，上述远心镜头设于上述光传播组件的上方。
16.在本发明的一些实施例中，上述安装架包括安装台和安装杆，上述光传播组件、上述标定球和上述光源组件设于上述安装台上，上述安装杆设于上述安装台上，上述图像采集组件设于上述安装杆上，上述安装台上端设有矩形通槽，上述光传播组件、上述标定球和上述光源组件均设于上述矩形通槽内。
17.相对于现有技术，本发明的实施例至少具有如下优点或有益效果：
18.一种多轴联动机器用标定球空间坐标获取装置，包括安装架、图像采集组件、光传播组件和光源组件，上述图像采集组件、上述光传播组件和上述光源组件均设于上述安装架上，上述图像采集组件位于上述光传播组件上方，用于测定的标定球位于上述光传播组件和上述光源组件之间，上述光传播组件用于把上述光源组件照射上述标定球产生的上述标定球的xz面轮廓图像和yz面轮廓图像传递到上述图像采集组件。
19.安装架用于放置图像采集组件、光传播组件和光源组件；用于测定的标定球位于上述光传播组件和上述光源组件之间，通过图像采集组件、光传播组件和光源组件的共同配合实现标定球图像的采集，然后通过现有的平面视觉软件进行数据的处理，实现标定球球形坐标的采集，从而使机床快速实现高精度标定，具体的，光源组件通过从x轴和y轴方向照射标定球，然后从x轴方向照射标定球的光线会经过标定球的外表面，然后经过光传播组件最终反射进入图像采集组件内，从而得到标定球的yz面轮廓图像，同时从y轴方向照射标定球的光线会经过标定球的外表面，然后经过光传播组件最终反射进入图像采集组件内，从而得到标定球的xz面轮廓图像，然后两个图像经过平面视觉系统的处理和校准之后，依次设定x、y和z的基准位置，实际拍照计算时，以当前图像位置和基准位置相减，进而结合当前xyz轴坐标可转化获取标定球的实际球心位置，获取标定球球心坐标的速度快，由于可以获取整个标定球的轮廓，获取精度高，而且是通过光线来采集标定球的yz面轮廓图像和xz面轮廓图像，抗干扰能力强，方便精度复检，而且结构简单，成本低。
附图说明
20.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对
范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
21.图1为本发明整体结构示意图；
22.图2为本发明安装台内第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜第一种安装俯视图；
23.图3为本发明安装台内第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜第二种安装俯视图；
24.图4为本发明图3部分正视图。
25.图标：1-安装架，11-安装台，12-安装杆，13-矩形通槽，2-标定球，3-第一反射镜，4-第二反射镜，5-第三反射镜，6-第四反射镜，7-第一背光源，8-第二背光源，9-图像采集装置，10-远心镜头。
具体实施方式
26.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
27.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
28.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
29.在本发明实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
30.此外，若出现术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
31.在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
32.实施例1
33.如图1-4所示，本实施例提供了一种多轴联动机器用标定球空间坐标获取装置，包
括安装架1、图像采集组件、光传播组件和光源组件，上述图像采集组件、上述光传播组件和上述光源组件均设于上述安装架1上，上述图像采集组件位于上述光传播组件上方，用于测定的标定球2位于上述光传播组件和上述光源组件之间，上述光传播组件用于把上述光源组件照射上述标定球2产生的上述标定球2的xz面轮廓图像和yz面轮廓图像传递到上述图像采集组件。
34.在本实施例中，安装架1用于放置图像采集组件、光传播组件和光源组件；用于测定的标定球2位于光传播组件和光源组件之间，通过图像采集组件、光传播组件、标定球2和光源组件的共同配合，实现标定球2图像的采集，然后通过现有的平面视觉软件进行数据的处理，实现标定球2球心坐标的确定，从而使机床快速进入加工和制造状态中去，具体的，光源组件通过从x轴和y轴方向照射标定球2，然后从x轴方向照射标定球2的光线会经过标定球2的外表面，然后经过光传播组件最终反射进入图像采集组件内，从而得到标定球2的yz面轮廓图像，同时从y轴方向照射标定球2的光线会经过标定球2的外表面，然后经过光传播组件最终反射进入图像采集组件内，从而得到标定球2的xz面轮廓图像，然后两个图像经过平面视觉系统的处理和校准之后，在依次设定x、y和z的基准位置，实际拍照计算时，以当前图像位置和基准位置相减，进而结合当前xyz轴坐标可转化获取标定球2的实际球心位置，获取标定球2球心坐标的速度快，由于可以获取整个标定球2的轮廓，获取精度高，而且是通过光线来采集标定球2的yz面轮廓图像和xz面轮廓图像，抗干扰能力强，方便精度复检，而且结构简单，成本低。
35.实施例2
36.如图1-4所示，本实施例在实施例1的基础上，上述光源组件包括第一光源组件和第二光源组件，上述第一光源组件用于照射上述标定球2的yz面，上述第二光源组件用于照射上述标定球2的xz面。
37.在本实施例中，第一光源组件和第二光源组件均设置在安装架1上，第一光源组件位于标定球2的右侧，第二光源组件位于标定球2的前侧，第一光源组件用于照射标定球2的yz面，从而得到yz面轮廓光线，yz面轮廓光线再度经过光传播组件的传递，从而把标定球2的yz面轮廓光线传递到图像采集组件内，第二光源组件用于照射标定球2的xz面，从而得到xz面轮廓光线，xz面轮廓光线再度经过光传播组件的传递，从而把标定球2的xz面轮廓光线传递到图像采集组件内，结构简单，方便，通过光线传播采集标定球2的轮廓面，从而使得采集的精度更高，而且抗干扰能力强。
38.在本实施例的一些实施方式中，上述光传播组件包括第一光路组件和第二光路组件，上述第一光路组件用于把上述标定球2的yz面轮廓图像传递到上述图像采集组件，上述第二光路组件用于把上述标定球2的xz面轮廓图像传递到上述图像采集组件。
39.在上述实施方式中，第一光路组件用于把标定球2的yz面轮廓图像传递到图像采集组件，第一光路组件与第一光源组件配合，第一光源组件照射标定球2，然后经过标定球2的光通过第一光路组件反射进入图像采集组件内，得到标定球2的yz面轮廓图像，第二光路组件与第二光源组件配合，第二光源组件照射标定球2，然后经过标定球2的光通过第二光路组件反射进入图像采集组件内，得到标定球2的xz面轮廓图像，依次对应工作，从而使得图像采集组件得到的yz面轮廓图像和xz面轮廓图像得到更清晰，互不影响，从而计算出的标定球2球心的坐标精度更好。
40.在本实施例的一些实施方式中，上述第一光路组件包括第一反射镜3和第二反射镜4；上述第二反射镜4的反射面朝向上述第一光源组件设置，用于把上述第一光源组件发出的光反射到上述第一反射镜3上，上述第一反射镜3的反射面朝上设置。
41.在上述实施方式中，第一反射镜3和第二反射镜4位于标定球2的左侧，第一反射镜3位于第二反射镜4的后侧，第一反射镜3位于图像采集组件的下方，第一光源组件发出的光经过标定球2之后，再经过第二反射镜4的反射面发射至第一反射镜3的反射面，然后在经过第一反射镜3的反射面反射进入图像采集组件内，光线传播稳定，从而得到的标定球2的yz面轮廓图像清晰，精度高。
42.在本实施例的一些实施方式中，上述第二光路组件包括第三反射镜5和第四反射镜6；上述第四反射镜6的反射面朝向上述第二光源组件设置，用于把上述第二光源组件发出的光反射到上述第三反射镜5上，上述第三反射镜5的反射面朝上设置。
43.在上述实施方式中，第三反射镜5和第四反射镜6位于标定球2的后侧，第四反射镜6位于第三反射镜5的右侧，第三反射镜5位于图像采集组件的下方，第二光源组件发出的光经过标定球2之后，再经过第二反射镜4的反射面发射至第一反射镜3的反射面，然后在经过第一反射镜3的反射面反射进入图像采集组件内，光线传播稳定，从而得到的标定球2的xz面轮廓图像清晰，精度高。
44.在本实施例的一些实施方式中，上述第一光源组件包括第一背光源7，上述第二光源组件包括第二背光源8。
45.在上述实施方式中，第一背光源7和第二背光源8能够提高光源的亮度和均匀性，可以清晰照出标定球2轮廓，可提高图像圆心计算精确性。
46.实施例3
47.如图1-4所示，本实施例在上述一些实施例的基础上，上述图像采集组件包括采集装置，上述采集装置用于采集上述标定球2的xz面轮廓图像和yz面轮廓图像。
48.在本实施例中，采集装置为一个，并且位于第一反射镜3和第三反射镜5的上方，用于收集标定球2的xz面轮廓图像和yz面轮廓图像，比较方便，如图1所示。
49.在本实施例的一些实施方式中，上述图像采集组件包括两个采集装置，两个上述采集装置分别用于采集上述标定球2的xz面轮廓图像和yz面轮廓图像。
50.在上述实施方式中，两个采集装置分别采集标定球2的xz面轮廓图像和yz面轮廓图像，即两个采集装置分别位于第一反射镜3和第三反射镜5的正上方，使得xz面轮廓图像和yz面轮廓图像的采集更清楚，效果更好，此种实施方式未在图中显示。
51.图像采集组件包括两个采集装置或者包括一个采集装置为两种独立的实施方式。
52.在本实施例的一些实施方式中，上述采集装置包括图像采集装置9和远心镜头10，上述远心镜头10设于上述图像采集装置9的采集端，上述远心镜头10设于上述光传播组件的上方。
53.在上述实施方式中，图像采集装置9用于收集标定球2的面轮廓图像，远心镜头10用于低失真光路传导，从而提高采集的图像精度，使得测得标定球2的球心坐标的精度高。
54.具体的，上述图像采集装置9为相机，成本低，采集图像的精度高。
55.实施例4
56.如图1-4所示，本实施例在上述一些实施例的基础上，上述安装架1包括安装台11
和安装杆12，上述光传播组件、上述标定球2和上述光源组件设于上述安装台11上，上述安装杆12设于上述安装台11上，上述图像采集组件设于上述安装杆12上，上述安装台11上端设有矩形通槽13，上述光传播组件、上述标定球2和上述光源组件均设于上述矩形通槽13内。
57.在本实施例中，安装台11用于安装光传播组件、标定球2和光源组件，即用来安装第一背光源7、第二背光源8、标定球2、第一反射镜3、第二反射镜4、第三反射镜5和第四反射镜6，安装杆12用于安装图像采集组件，使得图像采集组件位于第一反射镜3和第三反射镜5的上方。
58.第一反射镜3和第二反射镜4均安装在矩形通槽13的槽内左侧，第一反射镜3位于第二反射镜4的后侧，第一背光源7安装在矩形通槽13的槽内右侧壁上，第三反射镜5和第四反射镜6均安装在矩形通槽13的槽内后侧，第三反射镜5位于第四反射镜6的左侧，第二背光源8安装在矩形通槽13的槽内前侧壁上，矩形通槽13使得第一反射镜3、第二反射镜4、第三反射镜5、第四反射镜6、第一背光源7和第二背光源8受到一定程度的保护，而且机床上的标定球2可以从安装台11下方伸入至矩形通槽13内，使标定球2位于矩形通槽13槽内的靠中心位置，使得标定球2图像的获取更精准。
59.具体的，第一反射镜3、第二反射镜4、第三反射镜5和第四反射镜6同一高度安装在矩形通槽13内，即第一反射镜3和第二反射镜4安装在矩形通槽13的左侧壁上，第三反射镜5和第四反射镜6安装在矩形通槽13的后侧壁上，且高度一致，如图2所示。
60.具体的，还可以根据实际设置，如果第一光路组件内的光路传输距离大于第二光路组件内的光路传输距离，如图1、3和4所示，矩形通槽13的槽内左侧壁设置可设有第一矩形块，第一反射镜3和第二反射镜4设于第一矩形块上；矩形通槽13的槽内后侧壁设置有第二矩形块，同时第二矩形块的高度低于第一矩形块的高度，而且第二矩形块上端面设置有倾斜块，第三反射镜5和第四反射镜6设于倾斜块上，第四反射镜6位于较高的位置，可以稳定把标定球2的xz面轮廓图像的光路经第三反射镜5反射进入远心镜头10内，进而反射进入相机内，而且倾斜块的设置，不单使第四反射镜6和第三反射镜5在安装位置低于标定球2的情况下可以拍到标定球2的球面轮廓，而且变相的延长第二矩形块上端面的面积，使得第二光路组件内的光路传输距离增大，从而使得第一光路组件内的光路传输距离与第二光路组件内的光路传输距离相等，实现xz面图像和yz面图像都清晰显现标定球2轮廓；而且第二矩形块的高度低于第一矩形块的高度，使得第一反射镜3位于第三反射镜5上方，使得经第一反射镜3反射的标定球2的yz轮廓图像和经第三反射镜5反射的标定球2的xz面轮廓图像进入相机内后，使相机拍摄范围的利用率更高，不会照射到很多除标定球2以外的图像。
61.如果第一光路组件内的光路传输距离小于第二光路组件内的光路传输距离，矩形通槽13的槽内左侧壁设置可设有第一矩形块，矩形通槽13的槽内后侧壁设置有第二矩形块，同时第二矩形块的高度高于第一矩形块的高度，而且第一矩形块上端面设置有倾斜块，第一反射镜3和第二反射镜4设于倾斜块上，第三反射镜5和第四反射镜6设于第二矩形块上端面，且第二反射镜4位于较高的位置，可以稳定把标定球2的yz面轮廓图像的光路经第一反射镜3反射进入远心镜头10内，进而反射进入相机内，而且倾斜块的设置，不单使第一反射镜3和第二反射镜4在安装位置低于标定球2的情况下可以拍到标定球2的球面轮廓，而且变相的延长第一矩形块上端面的面积，使得第一光路组件内的光路传输距离增大，从而使
得第一光路组件内的光路传输距离与第二光路组件内的光路传输距离相等，实现xz面图像和yz面图像都清晰显现标定球2轮廓；而且第二矩形块的高度高于第一矩形块的高度，使得第一反射镜3位于第三反射镜5下方，使得经第一反射镜3反射的标定球2的yz面轮廓图像和经第三反射镜5反射的标定球2的xz面轮廓图像进入相机内后，使相机拍摄范围的利用率更高，不会照射到很多除标定球2以外的图像，此种例子未在图中显示。
62.综上所述，本发明中实施例提供了一种多轴联动机器用标定球空间坐标获取装置，包括安装架1、图像采集组件、光传播组件和光源组件，上述图像采集组件、上述光传播组件和上述光源组件均设于上述安装架1上，上述图像采集组件位于上述光传播组件上方，用于测定的标定球2位于上述光传播组件和上述光源组件之间，上述光传播组件用于把上述光源组件照射上述标定球2产生的上述标定球2的xz面轮廓图像和yz面轮廓图像传递到上述图像采集组件。
63.在本实施例中，安装架1用于放置图像采集组件、光传播组件和光源组件；用于测定的标定球2位于光传播组件和光源组件之间，通过图像采集组件、光传播组件、标定球2和光源组件的共同配合，实现标定球2图像的采集，然后通过现有的平面视觉软件进行数据的处理，实现标定球2球心坐标的确定，从而使机床快速进入加工和制造状态中去，具体的，光源组件通过从x轴和y轴方向照射标定球2，然后从x轴方向照射标定球2的光线会经过标定球2的外表面，然后经过光传播组件最终反射进入图像采集组件内，从而得到标定球2的yz面轮廓图像，同时从y轴方向照射标定球2的光线会经过标定球2的外表面，然后经过光传播组件最终反射进入图像采集组件内，从而得到标定球2的xz面轮廓图像，然后两个图像经过平面视觉系统的处理和校准之后，在依次设定x、y和z的基准位置，实际拍照计算时，以当前图像位置和基准位置相减，进而结合当前xyz轴坐标可转化获取标定球2的实际球心位置，获取标定球2球心坐标的速度快，由于可以获取整个标定球2的轮廓，获取精度高，而且是通过光线来采集标定球2的yz面轮廓图像和xz面轮廓图像，抗干扰能力强，方便精度复检，而且结构简单，成本低。
64.具体的，该装置与双目视觉标定方案比，精度高，此方案以一个相机实现精确获取标定球2三维空间位置，双目视觉检测标定球2或者mark空间位置，但精度很低；与激光类非接触式方案比标定精度高，非接触式(同轴点激光和3d线扫激光)标定技术受限于量程和球面曲度，获取的有效区域只有顶部一小部分，远不足50％有效区域，故球心坐标精度低；与其它所有标定方案比，时间短，五轴标定时，需要检测标定球2在多个位置不同姿态下的空间xyz坐标(一般多于20个)，每个位置只需相机拍摄一张或者两张图象，时间少于1s，而其它标定方式单个位置时间远大于此；抗干扰性强，平面视觉系统采用扫描圆计算圆心方法，进而计算球心，如果标定球2表面有脏污或者磕碰等异常，可轻松排除干扰，其它方式很容易因干扰而影响球心计算精度；方便精度复检，采用视觉标定可轻松便捷的检验标定精度，目前业内其它标定方案较难检测标定精度；而其它方案需要专业培训才能逐步理解。
65.以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。