一种转台轴线误差校准方法及装置

1.本发明属于测量精度控制技术领域，更具体地，涉及一种转台轴线误差校准方法及装置。


背景技术：

2.转台是回转体测量仪的重要组成部分，转台的回转精度直接影响着测量仪的测量精度，因此对于转台的校准十分重要。近年来，在转台角度测量校准技术方面发展迅速，有圆光栅角测量、激光干涉测量、自准直测和光学内反射测角等。除了角度的影响之外，转台因制造安装等带来的甩尾现象，即转台的主轴旋转轴线偏离转台的设计理论轴线，限制着仪器的性能发挥。对于轴线误差校准的研究目前尚少，陈爽等人提出了基于参数估计的轴线误差校准方法，用实物标准器的几何中心线去表征虚拟轴线，但其过程复杂，需要用到六轴运动平台，控制精度要求极高且标准器的几何中心线也无法完全表征轴线在各截面的具体情况。此外上述方法对于近台面的数据效果较好，对于大型工件需要对转台轴线进行长距离的误差校准，用标准器的方法不适用。
3.因此，需要一种便捷、稳定且能保证长距离校准精度的转台轴线误差校准的方案。


技术实现要素：

4.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种转台轴线误差校准方法及装置，其目的在于通过添加空间直线基准配合相机进行校准，通过得到各截面的旋转中心后拟合轴线的方式，可快速获得任意截面上的误差，有利于后续测量的精度提高。解决了目前无法完全表征轴线在各截面的具体情况的问题。
5.为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种转台轴线误差校准方法，所述方法包括下列步骤：
6.(1)获取转台(5)在初始角度、相机(8)在初始z轴位置z0时的转台图像信息，所述转台图像信息中包括含有光斑的图像，所述光斑为通过无衍射光束直线自下而上垂直地穿过转台(5)中心的圆孔形成的光斑；
7.(2)朝一个方向转动转台(5)并使相机(8)随转台转动，获取间隔预设角度的多个转台图像信息，直至转台(5)回到初始角度；对初始z轴位置z0下的多个转台图像信息进行中心提取算法处理后，进行均值化处理，得到该z轴位置下的转台旋转中心；
8.(3)垂直移动相机使相机移动至下一z轴位置z1，获取转台(5)在初始角度的转台图像信息，然后朝一个方向转动转台(5)并使相机(8)随转台转动，获取间隔预设角度的多个转台图像信息，直至转台回到初始角度；
9.(4)重复步骤(3)后，进行步骤(2)中相同的数据处理得到不同z轴位置下的多个转台旋转中心；
10.(5)将多个z轴位置下的转台旋转中心拟合为一条轴线，获取该轴线与一个z轴位置所在的平面的交点，该交点与该z轴位置的转台旋转中心的矢量差即为该平面上的误差。
11.本发明通过添加空间直线基准配合相机进行校准，可快速获得任意截面上的误差，有利于后续测量的精度提高。其中空间直线基准可不仅作为校准过程中的基准还可作为后续测量时的基准，校准过程中得到的误差将会统一至空间基准张成的坐标系下，后续测量时继续以空间直线基准为基础则可直接进行误差补偿，具有便捷、高精度等优点。
12.优选地，所述步骤(2)中对初始z轴位置z0下的多个转台图像信息进行中心提取算法处理后，进行均值化处理，得到该z轴位置下的转台旋转中心，具体包括下列子步骤：
13.(201)对初始z轴位置z0下的多个转台图像信息进行衍射光中心提取算法处理后，进行均值化处理，得到每个图像中的基准中心在相机坐标系下的平面坐标其中，m为不为零的整数；
14.(202)根据下列公式计算转台旋转中心坐标
[0015][0016]
其中，i和j为不为零的整数；
[0017]
(203)对多个转台旋转中心坐标进行均值化处理得到该z轴位置下的最终转台旋转中心坐标(ao,bo)。
[0018]
优选地，所述步骤(201)具体为：通过无衍射光中心提取算法得到图像中的基准中心的像素坐标(u,v)，通过下列公式得到该基准中心在图像尺寸坐标系下的坐标(x,y)：
[0019][0020]
其中，(u0,v0)为光心在像素坐标系中的位置，dx与dy为每个像素在x轴和y轴方向上的物理尺寸；
[0021]
然后，将基准中心在图像尺寸坐标系下的坐标(x,y)转换为相机坐标系下的平面坐标(xc,yc)；
[0022][0023]
其中，zc为相机光心到光斑的距离，f为相机焦距。本发明中，由于无衍射光直接照射到相机靶面成像，因此zc和f相等，zc/f＝1。
[0024]
优选地，所述步骤(5)还包括下列子步骤：
[0025]
(501)将多个z轴位置下的转台旋转中心投射为测量坐标系下的三维坐标；
[0026]
(502)采用最小二乘法或梯度下降法将多个z轴位置下的转台旋转中心拟合为一条轴线；
[0027]
(503)获取该轴线与一个z轴位置所在的平面的交点，该交点与该z轴位置的转台旋转中心的矢量差即为该平面上的误差，矢量的方向和模即为误差的方向和大小。
[0028]
按照本发明的另一个方面提供了一种转台轴线误差校准装置，包括空间直线基准发生器组件、导轨、移动滑台、相机及数据采集处理单元，其中：
[0029]
所述空间直线基准发生器组件用于发射无衍射光束直线，该发射无衍射光束直线穿过转台中心的圆孔；
[0030]
所述导轨与转台连接并随转台同步旋转，所述导轨垂直于转台的台面，且导轨上设置位移传感器；所述移动滑台设置于导轨上，能够沿导轨移动，相机连接于移动滑台上，且相机的位置能够满足使其镜头能够获取到包含无衍射光束直线的光斑图像；
[0031]
所述数据采集处理单元用于接收相机获取的图像信息、导轨上移动台的位移信息及转台的圆光栅刻度信息，并得出转台的轴线误差。
[0032]
优选地，所述位移传感器为光栅线位移传感器。
[0033]
优选地，所述空间直线基准发生器组件包括无衍射光空间直线基准发生装置和反射镜；所述反射镜用于使无衍射光空间直线基准发生装置发出的无衍射光束直线穿过转台中心的圆孔。
[0034]
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，至少能够取得下列有益效果。
[0035]
(1)本发明将误差统一到由以空间直线基准为参考基准张成的坐标系下且任意截面上的误差都可快速获得，校准过程和后续测量过程可共用不变的空间直线基准，更有利于进行数据处理和误差消除。本发明将误差统一到由以均化的转台主轴实际旋转中心作为校正值可用于转台实际测量时的误差消除，得到各截面的误差后可分别对各截面的测量进行误差修正，相比传统整体共用近台面所测得的误差方式能进行更完整、更精确的误差补偿(传统方式认为轴线整体误差大致相同，而实际情况轴线误差在各截面不同，近台面较小，距离越长误差越大)。同时，本发明的转台轴线误差校准的装置及方法通过无衍射光束作为基准，且成像稳定性，对光学器件的制造、安装误差的包容性好，传播距离长，适用于作为空间误差测量的基准，可进行大范围长距离的误差校准。
[0036]
(2)本发明直接使用相机和无衍射光直线基准对转台回转运动进行观测，无需引入第三方标准件对转台轴线运动进行表征，避免了标准件的误差引入。
附图说明
[0037]
图1为本发明的用转台轴线误差校准的装置进行校准的示意图；
[0038]
图2为本发明的布置测量点示意图。
[0039]
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
[0040]
1-机架、2-无衍射光空间直线基准发生装置、3-反射镜、4-无衍射光束、5-转台、6-导轨、7-移动滑台、8-相机；
[0041]
h代表水平截面测量点，t代表同一截面的测量角。
具体实施方式
[0042]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0043]
激光准直技术是大型工件的几何参数与形位误差的测量基准，以高精度高稳定性的光学直线基础作为保证。无衍射光技术是光学测量领域的一项新技术，它是让激光通过一些特殊的光学元件，进而产生一束光斑形状不随传播距离的变化而变化的光束。它的光束截面的光学发布是贝塞尔函数，截面形状类似同心圆环。其中心光斑小、准直度高、截面形状稳定，在同样物镜数值的孔径下面可有效降低激光的漂移影响。因此无衍射光更适合作为中长距离光学测量的直线基准，轴向工作距离可大于65m。
[0044]
基于此，本发明中采用了无衍射光作为空间直线基准。
[0045]
本发明实施例提供了一种转台轴线误差校准装置，参见图1，其包括空间直线基准发生器组件、导轨6、移动滑台7、相机8及数据采集处理单元，其中：所述空间直线基准发生器组件用于发射无衍射光束直线，该发射无衍射光束直线穿过转台5中心的圆孔；所述导轨6与转台5连接并随转台5同步旋转，所述导轨6垂直于转台5的台面，且导轨6上设置位移传感器；所述移动滑台7设置于导轨6上，能够沿导轨移动，相机8连接于移动滑台7上，且相机8的位置能够满足使其镜头能够获取到包含无衍射光束直线的光斑；所述数据采集处理单元用于接收相机获取的图像信息、导轨上移动台的位移信息及转台的圆光栅刻度信息，并得出转台5的轴线误差。
[0046]
优选地，所述位移传感器为光栅线位移传感器。
[0047]
其中，所述空间直线基准发生器组件包括无衍射光空间直线基准发生装置2和反射镜3；所述反射镜3用于使无衍射光空间直线基准发生装置2发出的无衍射光束直线穿过转台5中心的圆孔。
[0048]
本发明实施例提供了一种转台轴线误差校准方法，所述方法包括下列步骤：
[0049]
步骤(1)：获取转台5在初始角度、相机8在初始z轴位置z0时的转台图像信息，所述转台图像信息中包括含有光斑的图像，所述光斑为通过无衍射光束直线自下而上垂直地穿过转台5中心的圆孔形成的光斑。
[0050]
具体地，在导轨上布置代表水平截面位置的测量点，水平截面位置测量点分别记为h0,h1…hn
，测量角沿转台转动方向分别记为t0,t1…
tm，由一对(hn,tm)即可确定唯一测量位置。为了便于计算和操作取测量角分别为等距离间隔和等角度间隔。例如图2中的h0、h1、h2，h0例如可以为初始z轴位置z0。并以转台零位置为初始设定ccd相机所用的测量角，测量点和测量角分别覆盖整个导轨和转台。将转台转至零位置处并安装校准装置，在移动台上放置ccd相机时，考虑相机坐标系与设定的测量坐标系的关系使得两者坐标轴互相同向平行。
[0051]
步骤(2)朝一个方向转动转台5并使相机8随转台转动，获取间隔预设角度的多个转台图像信息，直至转台5回到初始角度。对初始z轴位置z0下的多个转台图像信息进行中心提取算法处理后，进行均值化处理，得到该z轴位置下的转台旋转中心。
[0052]
在h0截面ccd相机随转台转动并在所设的测量角位置拍摄图像，例如t0、t1、t2、
t3、t4、t5、t6、t7，整个过程中空间直线基准发生器组件保持不变。驱动移动台至导轨上的测量点h0，待稳定后转台从零位置以平稳的速度进行旋转，根据圆光栅读数由相机进行取像并被采集单元接收，一周完成后再次回到零位置。分别得到图像
[0053]
每个截面零位置处的图像用于建立图像坐标系与空间基准张成的坐标系关系。相机在垂直方向移动时可能在x,y方向有偏移，不同截面零位置的图像可以看出移动变化进行修正。
[0054]
该步骤(2)的数据处理具体包括下列子步骤：
[0055]
(201)对初始z轴位置z0下的多个转台图像信息进行衍射光中心提取算法处理后，进行均值化处理，得到每个图像中的基准中心在相机坐标系下的平面坐标其中，m为不为零的整数；
[0056]
所述步骤(201)具体为：通过无衍射光中心提取算法得到图像中的基准中心的像素坐标(u,v)，通过下列公式得到该基准中心在图像尺寸坐标系下的坐标(x,y)：
[0057][0058]
其中，(u0,v0)为光心在像素坐标系中的位置，dx与dy为每个像素在x轴和y轴方向上的物理尺寸；u0、v0、dx、dy为相机自身所带的标定参数。
[0059]
然后，将基准中心在图像尺寸坐标系下的坐标(x,y)转换为相机坐标系下的平面坐标(xc,yc)；
[0060][0061]
其中，zc为相机光心到光斑的距离，f为相机焦距。本发明中，由于无衍射光直接照射到相机靶面成像，因此zc和f相等，zc/f＝1。
[0062]
(202)根据下列公式计算转台旋转中心坐标
[0063]
以测量点序号i及测量角序号j标记转台旋转中心坐标对每一个截面的测量点i，需要三组坐标用于求得旋转中心坐标三组坐标中，一组为初始位置的基准中心坐标另外两组可任意选取不重复的两组基准中心坐标
[0064][0065]
其中，i和j为不为零的整数；
[0066]
(203)对多个转台旋转中心坐标进行均值化处理得到该z轴位置下的最终转台旋转中心坐标(ao,bo)。
[0067]
通过i,j的不同组合方式可得到一组中心坐标集合，一般的选取间距较大的点进行组合以减少误差提高算法稳定性。对中心坐标集合采用均值化处理得到该z轴位置下的最终转台旋转中心坐标(ao,bo)。
[0068]
步骤(3)，垂直移动相机使相机移动至下一z轴位置z1，获取转台(5)在初始角度的转台图像信息，然后朝一个方向转动转台(5)并使相机(8)随转台转动，获取间隔预设角度的多个转台图像信息，直至转台回到初始角度。
[0069]
移动滑台从导轨底部上升到达每一个水平截面位置，例如h1、h2，在h1截面ccd相机随转台转动并在所设的测量角位置拍摄图像，例如t0、t1、t2、t3、t4、t5、t6、t7，整个过程中空间直线基准发生器组件保持不变。在h2截面同理拍摄不同角度的图片。
[0070]
步骤(4)，重复步骤(3)后，进行步骤(2)中相同的数据处理得到不同z轴位置下的多个转台旋转中心；
[0071]
利用与步骤(2)中相同的数据处理方式得到各个截面的最终转台旋转中心坐标(ao,bo) (a1,b1) ... (an,bn)。
[0072]
步骤(5)，将多个z轴位置下的转台旋转中心拟合为一条轴线，获取该轴线与一个z轴位置所在的平面的交点，该交点与该z轴位置的转台旋转中心的矢量差即为该平面上的误差。
[0073]
所述步骤(5)还包括下列子步骤：
[0074]
(501)由布置装置时标定得到的测量坐标系与与相机坐标系的关系就可将多个z轴位置下的转台旋转中心投射为测量坐标系下的三维坐标(ai,bi,zi)；
[0075]
(502)采用最小二乘法或梯度下降法将多个z轴位置下的转台旋转中心拟合为一条轴线；该轴线的表达式为以下方程组：ax by cz＝d，且mx ny oz＝p。
[0076]
(503)获取该轴线与一个z轴位置所在的平面的交点，该交点与该z轴位置的转台旋转中心的矢量差即为该平面上的误差，矢量的方向和模即为误差的方向和大小。
[0077]
具体地，在每个截面零位置处记录的z值为z轴位置所在的平面，例如z＝1,z＝3表示的截面。
[0078]
通过步骤(502)拟合得到的轴线表达式为ax by cz＝d；且mx ny oz＝p。从而结合截面表达式z＝k，即可得到所述交点(x，y)。
[0079]
利用此轴线方程得到与各截面(例如h0、h1、h2所在平面)的交点利用此轴线方程得到与各截面(例如h0、h1、h2所在平面)的交点与旋转中心坐标(ai,bi)这两点矢量差即为该截面的误差，矢量的方向和模即为误差的方向和大小。由此，得到各截面的误差后可分别对各截面的测量进行误差修正，相比传统整体共用近台面所测得的误差方式能进行更完整的误差补偿(传统方式认为轴线整体误差大致相同，而实际情况轴线误差在各截面不同，近台面较小，距离越长误差越大)。
[0080]
本发明误差测量的原理为：利用无衍射光直线基准发出的无衍射光作为空间基准，ccd相机通过导轨和移动滑台的配合可在任意角度和任意高度获取无衍射光束的图像，通过图像集求得各截面上的不动点即旋转中心，由此拟合出转台的理想轴线，并由各截面的实际旋转中心位置和理想旋转中心位置得到误差。
[0081]
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。