五轴运动平台的参数标定方法、终端设备及存储介质与流程

1.本发明涉及自动化设备技术领域，尤其涉及一种五轴运动平台的参数标定方法、终端设备及计算机存储介质。


背景技术：

2.随着智能硬件行业的快速发展，人们对产品的用户体验、舒适性和产品外观等的要求越来越高，产品的形态和外观越来越复杂，对于这些产品的加工制造业提出了更高的要求，导致了对五轴类设备的需求也随之增加。而目前机床行业所采用的借助球杆仪和激光干涉仪等设备对机床机械参数进行测量的方式，然后再进行标定。这些方法虽然精度很高，但是存在着标定成本较大，且效率低下的问题。


技术实现要素：

3.本发明的主要目的在于提供一种五轴运动平台的参数标定方法、装置、终端设备以及计算机存储介质，旨在解决五轴运动平台的标定成本较大，且效率低下的技术问题。
4.为实现上述目的，本发明提供一种五轴运动平台的参数标定方法，应用于五轴运动平台，五轴运动平台的z轴上安装一个单目相机和一个激光测距单元，其中单目相机与激光测距单元的轴线方向与z轴的轴线方向平行；在五轴运动平台的第一旋转轴上放置一个标定板，标定板上设有标定点，其中第一旋转轴的轴线与z轴平行；
5.该方法包括：
6.在第一旋转轴和第二旋转轴分别为各预设旋转角度组合时，通过单目相机和激光测距单元，得到单目相机对齐标定点时对应的各设备空间坐标；
7.获取五轴运动平台的设备空间坐标系与工件坐标系之间的变换关系，其中变换关系包含误差项；
8.根据各设备空间坐标、标定点的预设工件坐标和变换关系，得到误差项的误差参数，以实现五轴运动平台的参数标定。
9.可选地，在第一旋转轴和第二旋转轴分别为各预设旋转角度组合时，通过单目相机和激光测距单元，得到单目相机对齐标定点时的对应的各设备空间坐标的步骤前，包括:
10.获取激光测距单元和单目相机的径向偏移值以及轴向偏移值。
11.可选地，在第一旋转轴和第二旋转轴分别为各预设旋转角度组合时，通过单目相机和激光测距单元，得到单目相机对齐标定点时对应的各设备空间坐标的步骤包括，包括：
12.在第一旋转轴和第二旋转轴为任一组旋转角度组合时，控制五轴运动平台的x轴、y轴和z轴进行运动，直至单目相机的光心对齐标定点，得到第一空间坐标；
13.根据第一空间坐标、径向偏移值和轴向偏移值，得到第一对齐坐标；
14.控制五轴运动平台的x轴、y轴和z轴运动至第一对齐坐标，以使激光测距单元的光斑对齐标定点，并控制z轴进行运动，直至激光测距单元的示数为预设激光高度对应的数值，得到第二对齐坐标；
15.根据第二对齐坐标、径向偏移值和轴向偏移值，得到第三对齐坐标，并将第三对齐坐标作为旋转角度组合对应的设备空间坐标。
16.可选地，根据第二对齐坐标、径向偏移值和轴向偏移值，得到第三对齐坐标的步骤之后，包括:
17.控制五轴运动平台的x轴、y轴和z轴运动至第三对齐坐标，再控制五轴运动平台的x轴和y轴进行运动，以使单目相机的光心对齐标定点，得到旋转角度组合对应的设备空间坐标。
18.可选地，获取五轴运动平台的设备空间坐标系与工件坐标系之间的变换关系，变换关系包含误差项的步骤，包括:
19.获取五轴运动平台的工件传递链误差矩阵和刀具传递链误差矩阵；
20.根据工件传递链误差矩阵和刀具传递链误差矩阵，得到工件坐标系下的位置坐标表达式和位姿矢量表达式，将位置坐标表达式和位姿矢量表达式作为设备空间坐标系与工件坐标系之间的变换关系。
21.可选地，根据各设备空间坐标、标定点的预设工件坐标和变换关系，得到误差项的误差参数的步骤，包括：
22.将各设备空间坐标和预设工件坐标代入位置坐标表达式和位姿矢量表达式，得到对应的非线性方程组；
23.基于牛顿迭代法对非线性方程组进行求解，得到误差项的误差参数；
24.根据误差参数对五轴运动平台的现有误差参数进行更新，以实现五轴运动平台的参数标定。
25.可选地，获取激光测距单元和单目相机的径向偏移值的步骤，包括：
26.在五轴运动平台的第一旋转轴与第二旋转轴的旋转角度均为零度时，控制五轴运动平台的x轴与y轴进行运动，直至激光测距单元的光斑刚好落入至五轴运动平台的载台上与光斑尺寸相同的预设小孔中，得到第一激光横纵坐标；
27.控制五轴运动平台的x轴、y轴和z轴进行运动，直至单目相机的光心与预设小孔对齐，得到第一相机横纵坐标；
28.根据第一激光横纵坐标和第一相机横纵坐标，得到激光测距单元和单目相机的径向偏移值。
29.可选地，获取激光测距单元和单目相机的径向偏移值的步骤，还包括：
30.控制五轴运动平台的x轴、y轴和z轴进行运动，直至激光测距单元的光斑落到五轴运动平台的载台上预设小球的表面，且与表面保持预设固定距离，得到预设小球的多个球面坐标；
31.根据多个球面坐标进行球拟合，得到预设小球的球心坐标；
32.控制五轴运动平台的x轴和y轴进行运动，直至单目相机的光心对齐预设小球图像上的圆心，得到圆心坐标；
33.根据球心坐标和圆心坐标，得到激光测距单元和单目相机的径向偏移值。
34.可选地，获取激光测距单元和单目相机的径向偏移值的步骤，还包括：
35.控制五轴运动平台的x轴与y轴进行运动，使得激光测距单元分别扫描第一直线与第二直线，获得第一直线的多个第一直线坐标和第二直线的第二直线坐标，其中第一直线
与第二直线存在交点；
36.对多个第一直线坐标进行直线拟合得到第一直线方程，对多个第二直线坐标进行直线拟合，得到第二直线方程；
37.根据第一直线方程和第二直线方程，得到交点的第一交点坐标；
38.控制五轴运动平台的x轴与y轴进行运动，直至单目相机的光心与交点对齐，得到交点的第二交点坐标；
39.根据第一交点坐标和第二交点坐标，得到激光测距单元和单目相机的径向偏移值。
40.可选地，获取激光测距单元和单目相机的轴向偏移值的步骤，包括：
41.控制五轴运动平台的x轴、y轴和z轴进行运动，直至单目相机的光心对齐标定板上的标定点，得到相机竖坐标；
42.根据径向偏移值，控制五轴运动平台的x轴和y轴进行运动，以使激光测距单元的光斑对齐标定点，并且控制五轴运动平台的z轴进行运动，直至激光测距单元的示数为预设激光高度对应的数值，得到激光竖坐标；
43.根据相机竖坐标和激光竖坐标，得到激光测距单元和单目相机的轴向偏移值。
44.此外，为实现上述目的，本发明还提供一种终端设备，终端设备包括：存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的五轴运动平台的参数标定程序，五轴运动平台的参数标定程序被处理器执行时实现如上的五轴运动平台的参数标定方法的步骤。
45.此外，为实现上述目的，本发明还提供一种计算机存储介质，计算机存储介质上存储有五轴运动平台的参数标定程序，五轴运动平台的参数标定程序被处理器执行时实现如上的五轴运动平台的参数标定方法的步骤。
46.本发明提供一种五轴运动平台的参数标定方法、终端设备及计算机存储介质，应用于五轴运动平台，五轴运动平台的z轴上安装一个单目相机和一个激光测距单元，其中单目相机与激光测距单元的轴线方向与z轴的轴线方向平行；在五轴运动平台的第一旋转轴上放置一个标定板，标定板上设有标定点，其中第一旋转轴的轴线与z轴平行。在第一旋转轴和第二旋转轴分别为各预设旋转角度组合时，通过单目相机和激光测距单元，得到单目相机对齐标定点时对应的各设备空间坐标；获取五轴运动平台的设备空间坐标系与工件坐标系之间的变换关系，变换关系包含误差项；根据各设备空间坐标、标定点的预设工件坐标和变换关系，得到误差项的误差参数，以实现五轴运动平台的参数标定。
47.在本发明一实施例中，通过在五轴运动平台的z轴上安装一个单目相机和一个激光测距单元，其中单目相机与激光测距单元的轴线方向与z轴平行；并在五轴运动平台的第一旋转轴上放置一个标定板，该标定板上设有标定点，其中第一旋转轴的轴线与z轴平行。然后在第一旋转轴和第二旋转轴分别为各预设旋转角度组合时，该标定板呈现不同的姿态，通过单目相机确定对齐标定点时准确的径向位置，通过激光测距单元确定单目相机对齐标定点时准确的轴向位置，得到单目相机对齐标定点时对应的各设备空间坐标。然后获取五轴运动平台的设备空间坐标系与工件坐标系之间的变换关系，变换关系包含误差项。最后根据各设备空间坐标、标定点的预设工件坐标和变换关系，得到误差项的误差参数，以实现五轴运动平台的参数标定。
48.如此，本发明通过激光测距单元和单目相机进行结合的方式完成五轴运动平台的
误差参数的计算和标定，有效降低了标定成本，同时也提高了标定效率。并且本发明的标定方法可适用于大多数五轴设备，普适性较强，也有利于五轴类设备的快速普及和应用。
附图说明
49.图1为本发明实施例方案涉及的硬件运行环境的设备结构示意图；
50.图2为本发明五轴运动平台的参数标定方法一实施例的流程示意图；
51.图3为本发明五轴运动平台的参数标定方法一实施例涉及的应用场景示意图；
52.图4为本发明涉及的获取激光测距单元和单目相机的径向偏移值的一场景示意图；
53.图5为本发明涉及的获取激光测距单元和单目相机的径向偏移值的另一场景示意图；
54.图6为本发明涉及的获取激光测距单元和单目相机的径向偏移值的另一场景示意图；
55.图7为本发明涉及的单目相机的光心与标定点对齐的一场景示意图。
56.本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
57.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。
58.参照图1，图1为本发明实施例方案涉及的硬件运行环境的设备结构示意图。
59.本发明实施例终端设备可以是mcu(microcontroller unit，微控制单元，又称single chip microcomputer，单片微型计算机或者单片机、微控制器)、智能手机、pc(personal computer，个人计算机)、平板电脑、便携计算机或者服务器等设备。
60.如图1所示，该终端设备可以包括：处理器1001，例如中央处理器(central processing unit，cpu)，通信总线1002、用户接口1003，网络接口1004，存储器1005。其中，通信总线1002用于实现这些组件之间的连接通信。用户接口1003可以包括显示屏(display)、输入单元比如键盘(keyboard)，可选用户接口1003还可以包括标准的有线接口、无线接口。网络接口1004可选的可以包括标准的有线接口、无线接口(如无线保真(wireless-fidelity，wi-fi)接口)。存储器1005可以是高速的随机存取存储器(random access memory，ram)，也可以是稳定的非易失性存储器(non-volatile memory，nvm)，例如磁盘存储器。存储器1005可选的还可以是独立于前述处理器1001的存储装置。
61.本领域技术人员可以理解，图1中示出的设备结构并不构成对终端设备的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件布置。
62.如图1所示，作为一种计算机存储介质的存储器1005中可以包括操作系统、网络通信模块、用户接口模块以及五轴运动平台的参数标定程序。
63.在图1所示的终端中，网络接口1004主要用于连接后台服务器，与后台服务器进行数据通信；用户接口1003主要用于连接客户端，与客户端进行数据通信；而处理器1001可以用于调用存储器1005中存储的五轴运动平台的参数标定程序，并执行以下步骤：
64.在第一旋转轴和第二旋转轴分别为各预设旋转角度组合时，通过单目相机和激光测距单元，得到单目相机对齐标定点时对应的各设备空间坐标；
65.获取五轴运动平台的设备空间坐标系与工件坐标系之间的变换关系，其中变换关系包含误差项；
66.根据各设备空间坐标、标定点的预设工件坐标和变换关系，得到误差项的误差参数，以实现五轴运动平台的参数标定。
67.进一步地，处理器1001可以用于调用存储器1005中存储的五轴运动平台的参数标定程序，还执行以下步骤：
68.获取激光测距单元和单目相机的径向偏移值以及轴向偏移值。
69.进一步地，处理器1001可以用于调用存储器1005中存储的五轴运动平台的参数标定程序，还执行以下步骤：
70.在第一旋转轴和第二旋转轴为任一组旋转角度组合时，控制五轴运动平台的x轴、y轴和z轴进行运动，直至单目相机的光心对齐标定点，得到第一空间坐标；
71.根据第一空间坐标、径向偏移值和轴向偏移值，得到第一对齐坐标；
72.控制五轴运动平台的x轴、y轴和z轴运动至第一对齐坐标，以使激光测距单元的光斑对齐标定点，并控制z轴进行运动，直至激光测距单元的示数为预设激光高度对应的数值，得到第二对齐坐标；
73.根据第二对齐坐标、径向偏移值和轴向偏移值，得到第三对齐坐标，并将第三对齐坐标作为旋转角度组合对应的设备空间坐标。
74.进一步地，处理器1001可以用于调用存储器1005中存储的五轴运动平台的参数标定程序，还执行以下步骤：
75.控制五轴运动平台的x轴、y轴和z轴运动至第三对齐坐标，再控制五轴运动平台的x轴和y轴进行运动，以使单目相机的光心对齐标定点，得到旋转角度组合对应的设备空间坐标。
76.进一步地，处理器1001可以用于调用存储器1005中存储的五轴运动平台的参数标定程序，还执行以下步骤：
77.获取五轴运动平台的工件传递链误差矩阵和刀具传递链误差矩阵；
78.根据工件传递链误差矩阵和刀具传递链误差矩阵，得到工件坐标系下的位置坐标表达式和位姿矢量表达式，将位置坐标表达式和位姿矢量表达式作为设备空间坐标系与工件坐标系之间的变换关系。
79.进一步地，处理器1001可以用于调用存储器1005中存储的五轴运动平台的参数标定程序，还执行以下步骤：
80.将各设备空间坐标和预设工件坐标代入位置坐标表达式和位姿矢量表达式，得到对应的非线性方程组；
81.基于牛顿迭代法对非线性方程组进行求解，得到误差项的误差参数；
82.根据误差参数对五轴运动平台的现有误差参数进行更新，以实现五轴运动平台的参数标定。
83.进一步地，处理器1001可以用于调用存储器1005中存储的五轴运动平台的参数标定程序，还执行以下步骤：
84.在五轴运动平台的第一旋转轴与第二旋转轴的旋转角度均为零度时，控制五轴运动平台的x轴与y轴进行运动，直至激光测距单元的光斑刚好落入至五轴运动平台的载台上
与光斑尺寸相同的预设小孔中，得到第一激光横纵坐标；
85.控制五轴运动平台的x轴、y轴和z轴进行运动，直至单目相机的光心与预设小孔对齐，得到第一相机横纵坐标；
86.根据第一激光横纵坐标和第一相机横纵坐标，得到激光测距单元和单目相机的径向偏移值。
87.进一步地，处理器1001可以用于调用存储器1005中存储的五轴运动平台的参数标定程序，还执行以下步骤：
88.控制五轴运动平台的x轴、y轴和z轴进行运动，直至激光测距单元的光斑落到五轴运动平台的载台上预设小球的表面，且与表面保持预设固定距离，得到预设小球的多个球面坐标；
89.根据多个球面坐标进行球拟合，得到预设小球的球心坐标；
90.控制五轴运动平台的x轴和y轴进行运动，直至单目相机的光心对齐预设小球图像上的圆心，得到圆心坐标；
91.根据球心坐标和圆心坐标，得到激光测距单元和单目相机的径向偏移值。
92.进一步地，处理器1001可以用于调用存储器1005中存储的五轴运动平台的参数标定程序，还执行以下步骤：
93.控制五轴运动平台的x轴与y轴进行运动，使得激光测距单元分别扫描第一直线与第二直线，获得第一直线的多个第一直线坐标和第二直线的第二直线坐标，其中第一直线与第二直线存在交点；
94.对多个第一直线坐标进行直线拟合得到第一直线方程，对多个第二直线坐标进行直线拟合，得到第二直线方程；
95.根据第一直线方程和第二直线方程，得到交点的第一交点坐标；
96.控制五轴运动平台的x轴与y轴进行运动，直至单目相机的光心与交点对齐，得到交点的第二交点坐标；
97.根据第一交点坐标和第二交点坐标，得到激光测距单元和单目相机的径向偏移值。
98.进一步地，处理器1001可以用于调用存储器1005中存储的五轴运动平台的参数标定程序，还执行以下步骤：
99.控制五轴运动平台的x轴、y轴和z轴进行运动，直至单目相机的光心对齐标定板上的标定点，得到相机竖坐标；
100.根据径向偏移值，控制五轴运动平台的x轴和y轴进行运动，以使激光测距单元的光斑对齐标定点，并且控制五轴运动平台的z轴进行运动，直至激光测距单元的示数为预设激光高度对应的数值，得到激光竖坐标；
101.根据相机竖坐标和激光竖坐标，得到激光测距单元和单目相机的轴向偏移值。
102.基于上述硬件结构，提出本发明五轴运动平台的参数标定方法的各实施例。
103.需要说明的是，随着智能硬件行业的快速发展，人们对产品的用户体验、舒适性和产品外观等的要求越来越高，产品的形态和外观越来越复杂，对于这些产品的加工制造业提出了更高的要求，主要表现在由以前二维平面加工逐渐转化向三维立体加工，产品尺寸小，结构紧凑，精度要求高等方面，对于五轴类设备需求的增加。在五轴机床机械参数辨识
方面，机床行业比较常规的做法是借用球杆仪以及激光干涉仪等设备对机床的各项误差参数进行测量和建模求解。随着机器视觉技术的发展，使用视觉对五轴设备的机械参数辨识也越来越多，由于单目相机在其轴线方向上难以准备获得距离信息，因此有人使用双目相机实现对三维空间点坐标的测量，也有学者对用单目相机拍摄图片，通过对二维图片信息的分析，估算出相机轴向坐标方向的信息。然后这些测量坐标的基础上，对五轴设备进行建模，进而求解出相关的机械参数。
104.但是，机床行业所采用的借助球杆仪和激光干涉仪等设备对机床机械参数进行测量的方式，虽然精度很高，但是存在着测量成本较大，检测效率低下的问题。而采用双目视觉对空间点位坐标进行测量，一方面是其机械结构较大，另一方面其成本相对较高。若是单纯使用单目相机估计测量的相机轴坐标信息，则会存在精度不足的问题。
105.上述产品的加工制造业对五轴类设备精度的要求远不及高精度五轴机床或者五轴加工中心那么高，没有必要按照机床行业的方式对五轴类设备进行校准和测试。因此，需要寻找一些简单、快捷、低成本的方式对五轴类设备进行建模，并对其安装误差参数等进行辨识和补偿，进而提升五轴类设备的精度。
106.针对上述问题，在本发明提供的五轴运动平台的参数标定方法的各实施例中，通过在五轴运动平台的z轴上安装一个单目相机和一个激光测距单元，其中单目相机与激光测距单元的轴线方向与z轴平行；并在五轴运动平台的第一旋转轴上放置一个标定板，该标定板上设有标定点，其中第一旋转轴的轴线与z轴平行。在第一旋转轴和第二旋转轴分别为各预设旋转角度组合时，该标定板呈现不同的姿态，进而通过单目相机和激光测距单元，得到单目相机对齐标定点时对应的各设备空间坐标。然后获取五轴运动平台的设备空间坐标系与工件坐标系之间的变换关系，变换关系包含误差项。最后根据各设备空间坐标、标定点的预设工件坐标和变换关系，得到误差项的误差参数，以实现五轴运动平台的参数标定。本发明通过激光测距单元和单目相机进行结合的方式完成五轴运动平台的误差参数的计算和标定，有效降低了标定成本，同时也提高了标定效率。并且本发明的标定方法可适用于大多数五轴设备，普适性较强，也有利于五轴类设备的快速普及和应用。
107.请参照图2，图2为本发明一实施例提供的五轴运动平台的参数标定方法的流程示意图。需要说明的是，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。在本实施例中，该五轴运动平台的参数标定方法应用于五轴运动平台，五轴运动平台的z轴上安装一个单目相机和一个激光测距单元，其中单目相机与激光测距单元的轴线方向与z轴平行；在五轴运动平台的第一旋转轴上放置一个标定板，标定板上设有标定点，其中第一旋转轴的轴线与z轴平行。
108.可参照图3，图3为本发明五轴运动平台的参数标定方法一实施例涉及的应用场景示意图。五轴运动平台一般包含三个直线运动轴，分别为x、y、z轴以及两个旋转轴。两个旋转轴分别为b轴和c轴，其中b轴的轴线与y轴平行，c轴的轴线与z轴平行。五轴类设备由于轴布局和定义不同，具备很多种变种同类结构，但其核心原理均是相同的。本实施例中，五轴运动平台可以是双转台类五轴设备，也可以是双摆头类五轴设备、单摆头-单转台类五轴设备等五轴设备。图3中的五轴运动平台为双转台类五轴设备，以下内容以该双转台类五轴设备为例进行描述。
109.在五轴运动平台的z轴上安装一个单目相机和一个激光测距单元(如点激光位置
传感器，即图中“点激光”)，其中单目相机与激光测距单元的轴线方向均与z轴的轴线方向平行，该单目相机与激光测距单元可以并排安装在该z轴的与轴线方向平行的同一平面上，也可以安装在与轴线方向平行的不同平面上。然后在五轴运动平台的第一旋转轴(即图中“c轴”)上放置一个标定板，标定板上设有标定点(即图中“mark点”)，其中第一旋转轴的轴线与z轴平行。
110.此外，图3中五轴运动平台还包括第二旋转轴(即图中“b轴”)对于rcs(reference coordinate system，基座坐标系)、wcs(workpiece coordinate system，工件坐标系)、xcs(x coordinate system，x轴坐标系)、ycs(ycoordinate system，y轴坐标系)和zcs(z coordinate system，z轴坐标系)的表示。
111.本发明实施例提供的五轴运动平台的参数标定方法，包括：
112.步骤s10，在第一旋转轴和第二旋转轴分别为各预设旋转角度组合时，根据径向偏移值和轴向偏移值，得到单目相机对齐标定点时对应的各设备空间坐标；
113.第一旋转轴和第二旋转轴的旋转角度可以具备多种组合方式，从而使得第一旋转轴上的标定板呈现不同的姿态。在标定板处于任一姿态时，可以通过控制五轴运动平台的x轴、y轴以及z轴进行运动，直至单目相机的光心对齐该标定板上的标定点从而确定单目相机对齐标定点时准确的横纵坐标(即xy坐标)。由于单目相机在径向(即x轴和y轴方向)上的对齐是准确的，但轴向(即z轴方向)上会存在一定的误差，而激光测距单元可以准确地确定轴向上的位置，因此，可以根据单目相机与激光测距单元的径向偏移值和轴向偏移值，控制x轴、y轴以及z轴再次进行运动，则此时激光测距单元的光斑对齐该标定点。然后再控制z轴进行运动，直至激光测距单元的示数到达预设激光高度对应的数值。进而根据此时激光测距单元所在预设激光高度，以及单目相机与激光测距单元在轴向上的轴向偏移值，确定单目相机对齐标定点时准确的竖坐标(即z坐标)，则可以得到该旋转角度组合下，单目相机对齐该标定点时对应的设备空间位置。从而可以得到在第一旋转轴和第二旋转轴分别为各预设旋转角度组合时，各预设旋转角度组合对应的各设备空间坐标。
114.本实施例，通过单目相机确定径向上的位置，通过激光测距单元确定轴向上的位置，以得到在第一旋转轴和第二旋转轴分别为各预设旋转角度组合时，单目相机对齐不同姿态标定板上的标定点时对应的各设备空间坐标。
115.进一步地，在步骤s10之前还包括：
116.步骤a1，获取激光测距单元和单目相机的径向偏移值以及轴向偏移值；
117.在五轴运动平台的z轴上安装的单目相机和激光测距单元虽然与z轴的轴线方向平行，但是单目相机的和激光测距单元的实际安装位置在径向(即x轴与y轴的方向)以及轴向(即z轴的方向)上均是存在一定的偏移。因此，可以在第一旋转轴和第二旋转轴的旋转角度均为零度时，通过单目相机的光心和激光测距单元发出激光的光斑分别对齐五轴运动平台的载台上的某一标记点时获得的两个坐标在径向上的差值，得到激光测距单元和单目相机的径向偏移值。对于轴向偏移，则可以通过单目相机的光心对齐五轴运动平台的载台上的某一标记点时的相机竖坐标值，以及激光测距单元在预设激光高度下发出激光的光斑对齐同一标记点时的激光竖坐标，然后计算相机竖坐标与激光竖坐标的差值，得到激光测距单元和单目相机的轴向偏移值。
118.其中，步骤s10包括以下步骤：
119.步骤s11，在第一旋转轴和第二旋转轴为任一组旋转角度组合时，控制五轴运动平台的x轴、y轴和z轴进行运动，直至单目相机的光心对齐标定点，得到第一空间坐标；
120.步骤s12，根据第一空间坐标、径向偏移值和轴向偏移值，得到第一对齐坐标；
121.步骤s13，控制五轴运动平台的x轴、y轴和z轴运动至第一对齐坐标，以使激光测距单元的光斑对齐标定点，并控制z轴进行运动，直至激光测距单元的示数为预设激光高度对应的数值，得到第二对齐坐标；
122.步骤s14，根据所述第二对齐坐标、径向偏移值和轴向偏移值，得到第三对齐坐标，并将第三对齐坐标作为旋转角度组合对应的设备空间坐标。
123.具体地，预设激光高度为预先设置激光测距单元与标定板上标定点之间的距离，例如70mm、80mm、90mm等，该预设激光高度可以根据具体需求进行设置。预设激光高度对应的数值则根据采用激光测距单元的种类确定，以预设激光高度为80mm为例，某点激光位移传感器的测量范围为80
±
15mm，则其基准测量距离为80mm，量程为
±
15mm，一般来讲，激光测距单元的示数是表示距离基准测量距离的相对偏差值，也就是说，当实际距离为80mm时，此时激光测距单元的示数为0。当然也可以是采用显示实际距离的激光测距单元，激光测距单元的示数是表示实际测量距离，即实际距离为80mm，则激光测距单元的示数为80。
124.在第一旋转轴和第二旋转轴为任一组旋转角度组合(例如第一旋转轴c＝0
°
，第二旋转轴b＝0
°
)时，可以控制五轴运动平台的x轴、y轴和z轴进行运动，直至单目相机的光心对齐标定点，记录此时五轴运动平台的设备空间坐标，得到第一空间坐标。此时，单目相机虽然已经在径向上对准了标定点，但是轴向上依旧存在偏差。而由于激光测距单元只能确定z轴上的位置，因此可以根据第一空间坐标、径向偏移值和轴向偏移值，计算得到激光测距单元的光斑能够对齐该标定点时的第一对齐坐标。然后控制五轴运动平台的x轴、y轴和z轴运动至该第一对齐坐标，从而使得激光测距单元的光斑对齐标定点。并进一步控制五轴运动平台的z轴进行运动，直至激光测距单元的示数为预设激光高度对应的数值，得到第二对齐坐标，此时第二对齐坐标中预设激光高度对应的z轴坐标是准确的，则进而可以根据所述第二对齐坐标、径向偏移值和轴向偏移值，得到第三对齐坐标，则该第三对齐坐标为单目相机对齐标定点的坐标，因此可以将第三对齐坐标作为旋转角度组合对应的设备空间坐标。可以理解的是，单目相机对齐标定点时所处的高度可以是预设激光高度与轴向偏移值之和，也可以是预设激光高度与轴向偏移值之差，或者是预设激光高度与轴向偏移值之和/差的基础上增加或减去预设调节值所得到的值。通过对各旋转角度组合时，单目相机对齐标定点时记录五轴运动平台的设备空间坐标，从而可以得到在第一旋转轴和第二旋转轴分别为各预设旋转角度组合时，各预设旋转角度组合对应的各设备空间坐标。其中设备空间坐标包括五轴运动平台在x轴、y轴、z轴、第一旋转轴以及第二旋转轴的坐标值，即(x,y,z,b,c)。
125.示例性地，可以控制五轴运动平台的x轴、y轴和z轴进行运动，从而在单目相机视野清晰的范围内，使得单目相机的光心与标定点对齐，然后在此时五轴运动平台的设备坐标的基础上加上激光测距单元和单目相机的径向偏移值以及轴向偏移值，就获得了激光测距单元对齐标定点时的第一对齐坐标。然后控制五轴运动平台运动至该第一对齐坐标，使得激光测距单元对齐标定点。然后再控制z轴移动，使得激光测距单元的为预设激光高度对应的数值，然后记录此时的第二对齐坐标。然后第二对齐坐标再减去径向偏移值以及轴向
偏移值，就获得了单目相机对齐标定点时的第三对齐坐标。
126.本实施例通过设定第一旋转轴和第二旋转轴不同的旋转角度，按照上述方式，先使得单目相机的光心对齐标定点，然后根据径向偏移值以及轴向偏移值移动点使得激光测距单元的光斑对齐标定点，并控制z轴移动，使得激光测距单元的为预设激光高度对应的数值。之后再次使得单目相机的光心对齐标定点，得到单目相机的光心对齐不同的姿态下标定点的设备空间坐标。
127.进一步地，在步骤s14中根据第二对齐坐标、径向偏移值和轴向偏移值，得到第三对齐坐标的步骤之后，该方法还包括:
128.步骤s15，控制五轴运动平台的x轴、y轴和z轴运动至第三对齐坐标，再控制五轴运动平台的x轴和y轴进行运动，以使单目相机的光心对齐标定点，得到旋转角度组合对应的设备空间坐标。
129.由于单目相机的光心在不同高度下对齐标定点时，在径向上可能会存在一定的偏差。因此，在获得第三对齐坐标后，可以控制五轴运动平台的x轴、y轴和z轴运动至第三对齐坐标，再控制五轴运动平台的x轴和y轴进行运动，以使单目相机的光心在第三对齐坐标的竖坐标下对齐标定点，此时记录五轴运动平台的xyzbc轴的坐标，就得到该标定点的一组设备空间坐标。
130.本实施例中，在获得第三对齐坐标后，控制单目相机的光心在第三对其坐标的竖坐标下对齐标定点，从而规避了可能由于单目相机高度不同带来的径向上细微的差异，进而进一步提高了各旋转角度组合对应的各设备空间坐标的准确性。
131.步骤s20，获取五轴运动平台的设备空间坐标系与工件坐标系之间的变换关系，其中变换关系包含误差项；
132.具体地，可以根据该五轴运动平台的具体结构建立对应的运动学模型，该运动学模型中包含有多个误差项。然后通过该运动学模型的两条误差传递链，工件传递链：基座坐标系(rcs)
→
y轴
→
b轴
→
c轴
→
工件坐标系(wcs)；以及刀具传递链：基座坐标系(rcs)
→
x轴
→
z轴
→
单目相机(相对于刀具坐标系，tcs)。根据刚体之间运动变化矩阵得到上述两条误差传递链的各坐标系之间的转换矩阵。然后根据上述转换矩阵，得到五轴运动平台的设备空间坐标系与工件坐标系之间的变换关系，因此，变换关系也包含了上述运动学模型中的多个误差项。
133.其中，步骤s20包括以下步骤：
134.步骤s21，获取五轴运动平台的工件传递链误差矩阵和刀具传递链误差矩阵；
135.步骤s22，根据工件传递链误差矩阵和刀具传递链误差矩阵，得到工件坐标系下的位置坐标表达式和位姿矢量表达式，将位置坐标表达式和位姿矢量表达式作为设备空间坐标系与工件坐标系之间的变换关系。
136.具体地，可以基于齐次变换理论建立含误差参数的五轴机床的运动学模型，模型中涉及到的结构误差参数主要有下表所示：
137.表1五轴运动平台的运动学模型误差参数表
138.[0139][0140]
其中，pdge为与运动轴定位指令相关的误差，pige与运动轴定位指令无关的误差。
[0141]
而五轴运动模型存在着两条误差传递链，分别为：
[0142]
工件传递链：基座坐标系(rcs)
‑‑‑
》y轴
‑‑‑
》b轴
‑‑‑
》c轴
‑‑‑
》工件坐标系(wcs)；
[0143]
刀具传递链：基座坐标系(rcs)
‑‑‑
》x轴
‑‑‑
》z轴
‑‑‑
》单目相机(相对于刀具坐标系，tcs)。
[0144]
其中，对于工件传递链，根据刚体之间运动变化矩阵，工件传递链误差矩阵如下：
[0145]
y轴坐标系相对于基座坐标系rcs的变换矩阵为：
[0146][0147]
b轴坐标系到y轴坐标系的转换关系为：
[0148][0149]
c轴坐标系到b轴坐标系的转换关系为：
[0150][0151]
工件坐标系wcs到c轴坐标系的转换关系为：
[0152][0153]
其中，对于刀具传递链，刀具传递链误差矩阵如下：
[0154]
x轴坐标系到基座坐标系rcs的变换矩阵为：
[0155][0156]
z轴坐标系到x轴坐标系的变换矩阵为：
[0157]
[0158]
单目相机坐标系到z轴坐标系的变换矩阵为：
[0159][0160]
因此，根据工件传递链误差矩阵和刀具传递链误差矩阵，可以建立用来表示工件坐标系下的实际位姿状态的关系式：
[0161][0162][0163]
其中pw和vw分别表示工件坐标系中的位置坐标和位姿矢量。
[0164]
根据以上两个关系式，可以求得工件坐标系下的位置和位姿矢量表达式为：
[0165][0166][0167]
由此，得到了五轴运动平台的设备空间坐标系与工件坐标系之间的变换关系，变换关系包含五轴运动平台各误差参数对应的误差项。
[0168]
步骤s30，根据各设备空间坐标、标定点的预设工件坐标和变换关系，得到误差项的误差参数，以实现五轴运动平台的参数标定。
[0169]
在本实施例中，可以为该标定板上的标定点预先定义一个工件坐标系中的坐标，即预设工件坐标。然后将该标定点的预设工件坐标和各设备空间坐标代入变换关系中，得到对应的非线性方程组。例如，可以将该标定点的位置指定为工件坐标系的坐标原点(0,0,0)，该标定点的方向矢量设定为(0,0,1)，则对应非线性方程组描述如下：
[0170][0171]
然后，通过对上述非线性方程组进行求解，则可以计算得出变换关系中各误差项的误差参数。可以理解的是，该设备空间坐标的数量需要根据变换关系中误差项的数量确定。例如，误差项有41个，则对应的设备空间坐标的数量则至少为41*3＝123个。
[0172]
其中，步骤s30包括以下步骤：
[0173]
步骤s31，将各设备空间坐标和预设工件坐标代入位置坐标表达式和位姿矢量表达式，得到对应的非线性方程组；
[0174]
步骤s32，基于牛顿迭代法对非线性方程组进行求解，得到误差项的误差参数；
[0175]
步骤s33，根据误差参数对五轴运动平台的现有误差参数进行更新，以实现五轴运动平台的参数标定。
[0176]
具体地，将各设备空间坐标和预设工件坐标代入位置坐标表达式和位姿矢量表达式，得到对应的非线性方程组。然后基于牛顿迭代法对非线性方程组进行求解，得到误差项的误差参数。根据误差参数对五轴运动平台的现有误差参数进行更新，以实现五轴运动平台的参数标定。
[0177]
在本实施例中，通过在五轴运动平台的z轴上安装一个单目相机和一个激光测距
单元，其中单目相机与激光测距单元的轴线方向与z轴平行；并在五轴运动平台的第一旋转轴上放置一个标定板，该标定板上设有标定点，其中第一旋转轴的轴线与z轴平行。通过获取激光测距单元和单目相机的径向偏移值以及轴向偏移值。然后在第一旋转轴和第二旋转轴分别为各预设旋转角度组合时，该标定板呈现不同的姿态，进而通过单目相机确定对齐标定点时准确的径向位置，通过激光测距单元确定单目相机对齐标定点时准确的轴向位置，得到单目相机对齐标定点时对应的各设备空间坐标。然后获取五轴运动平台的设备空间坐标系与工件坐标系之间的变换关系，变换关系包含误差项。最后根据各设备空间坐标、标定点的预设工件坐标和变换关系，得到误差项的误差参数，以实现五轴运动平台的参数标定。本实施例，通过激光测距单元和单目相机进行结合的方式完成五轴运动平台的误差参数的计算和标定，本实施例的标定方式适用范围广、效率高、成本低，同时也有利于五轴类设备的快速普及和应用。
[0178]
进一步地，参照图4，图4为本发明涉及的获取激光测距单元和单目相机的径向偏移值的一场景示意图。在另一实施例中，步骤a1获取激光测距单元和单目相机的径向偏移值的步骤，包括：
[0179]
步骤b10，在五轴运动平台的第一旋转轴与第二旋转轴的旋转角度均为零度时，控制五轴运动平台的x轴与y轴进行运动，直至激光测距单元的光斑刚好落入至五轴运动平台的载台上与光斑尺寸相同的预设小孔中，得到第一激光横纵坐标；
[0180]
步骤b20，控制五轴运动平台的x轴、y轴和z轴进行运动，直至单目相机的光心与预设小孔对齐，得到第一相机横纵坐标；
[0181]
步骤b30，根据第一激光横纵坐标和第一相机横纵坐标，得到激光测距单元和单目相机的径向偏移值。
[0182]
当单目相机和激光测距单元在五轴运动平台的z轴上安装完毕后，其在径向(即xy轴方向)上存在着固定偏差值，单目相机由于景深的影响在光心的轴线方向上距离拍摄的物体只要在一定的距离范围内均可以成像清晰。激光测距单元通常量程为在其基准测量距离上下浮动一定距离，例如某点激光位移传感器的测量范围为80
±
15mm，则其基准测量距离为80mm，量程为
±
15mm，一般来讲，激光检测单元的示数是表示距离基准测量距离的相对偏差值，也就是说，当实际距离为80mm时，此时激光传感器示数为0，下文的激光检测单元的示数均指的是该相对距离。
[0183]
为了较为准确获得激光测距单元和单目相机的径向偏移值，在此获取径向偏移值的过程中，五轴运动平台的第一旋转轴(c轴)和第二旋转轴(b轴)均保持在0度位置。
[0184]
如图4所示，首先制作一个测量器件，该测量器件具备与激光测距单元的光斑尺寸基本相同的预设小孔，可以将该测量器具放置在五轴运动平台的载台上。然后控制五轴运动平台的x轴与y轴进行运动，直至激光测距单元的光斑刚好落入至五轴运动平台的载台上与光斑尺寸相同的预设小孔中，得到第一激光横纵坐标，记作(x_laser，y_laser)。然后控制五轴运动平台的x轴、y轴和z轴进行运动，使得单目相机拍摄的预设小孔成像清晰，并且单目相机的光心与预设小孔对齐，得到第一相机横纵坐标使得相机，记作(x_cam，y_cam)。最后，可以根据第一激光横纵坐标和第一相机横纵坐标的差值，得到激光测距单元和单目相机的径向偏移值。例如，detax＝x_laser-x_cam；detay＝y_laser-y_cam。
[0185]
进一步地，参照图5，图5为本发明涉及的获取激光测距单元和单目相机的径向偏
移值的另一场景示意图，获取激光测距单元和单目相机的径向偏移值的步骤，还包括：
[0186]
步骤c10，控制五轴运动平台的x轴、y轴与z轴进行运动，直至激光测距单元的光斑落到五轴运动平台的载台上预设小球的表面，且与表面保持预设固定距离，得到预设小球的多个球面坐标；
[0187]
步骤c20，根据多个球面坐标进行球拟合，得到预设小球的球心坐标；
[0188]
步骤c3，控制五轴运动平台的x轴与y轴进行运动，直至单目相机的光心对齐预设小球图像上的圆心，得到圆心坐标；
[0189]
步骤c40，根据球心坐标和圆心坐标，得到激光测距单元和单目相机的径向偏移值。
[0190]
如图5所示，控制五轴运动平台的x轴、y轴进行运动，直至激光测距单元的光斑落到五轴运动平台的载台上预设小球的表面。然后在控制z轴进行运动，使得激光测距单元的示数为预设激光高度对应的数值(例如0
°
)，记录此时的五轴运动单元的xyz坐标值，作为一个球面坐标。然后采用同样的方式预设小球的多个球面坐标。然后，对获得的多个球面坐标进行球拟合，计算获得预设小球的球心坐标；然后控制五轴运动平台的x轴与y轴进行运动，直至在对焦清晰的情况下单目相机的光心对齐预设小球图像上的圆心，得到圆心坐标。然后可以根据球心坐标和圆心坐标在径向上的差值，得到激光测距单元和单目相机的径向偏移值。
[0191]
进一步地，参照图6，图6为本发明涉及的获取激光测距单元和单目相机的径向偏移值的另一场景示意图。获取激光测距单元和单目相机的径向偏移值的步骤，还包括：
[0192]
步骤d10，控制五轴运动平台的x轴与y轴进行运动，使得激光测距单元分别扫描第一直线与第二直线，获得第一直线的多个第一直线坐标和第二直线的第二直线坐标，其中第一直线与第二直线存在交点；
[0193]
步骤d20，对多个第一直线坐标进行直线拟合得到第一直线方程，对多个第二直线坐标进行直线拟合，得到第二直线方程；
[0194]
步骤d30，根据第一直线方程和第二直线方程，得到交点的第一交点坐标；
[0195]
步骤d40，控制五轴运动平台的x轴与y轴进行运动，直至单目相机的光心与交点对齐，得到交点的第二交点坐标；
[0196]
步骤d50，根据第一交点坐标和第二交点坐标，得到激光测距单元和单目相机的径向偏移值。
[0197]
如图6所示，将一个未倒角且直线度比较好的两条直线边的器件放置在五轴运动平台的载台上，上述两条直线边存在交点。然后控制五轴运动平台的x轴与y轴进行运动，使得激光测距单元分别扫描第一直线与第二直线，通过记录激光测距单元的示数突变时刻的xy坐标值，获得第一直线的多个第一直线坐标和第二直线的第二直线坐标。然后对多个第一直线坐标进行直线拟合得到第一直线方程，对多个第二直线坐标进行直线拟合，得到第二直线方程。再根据第一直线方程和第二直线方程，得到交点的第一交点坐标。再然后，控制五轴运动平台的x轴与y轴进行运动，直至单目相机的光心与交点对齐，得到交点的第二交点坐标。从而根据第一交点坐标和第二交点坐标的差值，得到激光测距单元和单目相机的径向偏移值。
[0198]
更进一步地，参照图7，图7为本发明涉及的单目相机的光心与标定点对齐的一场
景示意图。获取激光测距单元和单目相机的轴向偏移值的步骤，包括：
[0199]
步骤e10，控制五轴运动平台的x轴、y轴和z轴进行运动，直至单目相机的光心对齐标定板上的标定点，得到相机竖坐标；
[0200]
步骤e20，根据径向偏移值，控制五轴运动平台的x轴和y轴进行运动，以使激光测距单元的光斑对齐标定点，并且控制五轴运动平台的z轴进行运动，直至激光测距单元的示数为预设激光高度对应的数值，得到激光竖坐标；
[0201]
步骤e30，根据相机竖坐标和激光竖坐标，得到激光测距单元和单目相机的轴向偏移值。
[0202]
参照图7，通过控制五轴运动平台的x轴、y轴和z轴进行运动，直至单目相机的光心对齐标定板上的标定点，得到相机竖坐标。然后再根据获得的径向偏移值，控制五轴运动平台的x轴和y轴进行运动，以使激光测距单元的光斑对齐标定点。然后再控制五轴运动平台的z轴进行运动，直至激光测距单元的示数为预设激光高度对应的数值，得到激光竖坐标。根据相机竖坐标和激光竖坐标的差值，得到激光测距单元和单目相机的轴向偏移值。
[0203]
本发明还提供一种计算机存储介质，该计算机存储介质上存储有五轴运动平台的参数标定程序，五轴运动平台的参数标定程序被处理器执行时实现如以上任一项实施例的五轴运动平台的参数标定方法的步骤。
[0204]
本发明计算机存储介质的具体实施例与上述五轴运动平台的参数标定方法各实施例基本相同，在此不作赘述。
[0205]
本发明还提供一种计算机程序产品，计算机程序产品包括计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现如以上任一项实施例的五轴运动平台的参数标定方法的步骤。
[0206]
本发明计算机程序产品的具体实施例与上述五轴运动平台的参数标定方法各实施例基本相同，在此不作赘述。
[0207]
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。