一种点激光位移传感器在任意安装位姿下的光束标定方法与流程

本发明涉及点激光位移传感器，尤其是涉及一种点激光位移传感器在任意安装位姿下的光束标定方法。

背景技术：

激光三角测距法作为一种比较成熟的非接触式测量位移方法，具有测量精度高、抗干扰能力强、结构简单和使用灵活等优点，被广泛应用于实际工业生产现场。随着该测量方法与现有高精度测量系统的融合，使激光三角测距传感器实现工件的高精度测量成为可能。由激光三角测距的原理可知，激光三角法测量的误差因素主要有：1)成像系统误差，主要受横向放大倍率和物镜畸变的影响；2)数据处理误差和系统安装误差；3)温度、湿度等环境因素误差；4)测量位姿引起的误差；主要包括被测表面颜色、粗糙度、安装倾角、安装转角等误差因素引起的位移值偏离误差。其中对于现有激光位移传感器而言，其数据的处理误差、系统安装误差、物镜畸变率、温度及湿度等环境因素均得到较高的控制。因此，影响激光三角测距精度的主要误差因素为测量位姿引入+的误差。

参考文献1～3中激光位移传感器的激光束校准方法，然而这些研究在对激光束位姿的标定过程中，并未考虑入射倾角、入射转角、入射偏角等对测量精度的影响，这影响了激光束的位姿标定精度和后续的检测精度。

参考文献：

[1]zhou,h.c.,zeng,l.z.,chen,j.h.,calibrationoflightbeam'sdirectionofpointlightsourceprobe,chinesejournalofscientificinstrument25(3),388-391(2004).

[2]lu,k.q.,wang,w.,chen,z.c.,calibrationoflaserbeam-directionforpointlasersensors,opticsandprecisionengineering18(4),880-886(2010).

[3]zhang,l.y.,yi,h.m.,liu,s.l.,linearcalibrationforon-machinemeasurementoflaserprobepose,editorialofficeofopticsandprecisionengineering24(4),681-689(2016).

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种点激光位移传感器在任意安装位姿下的光束标定方法。

本发明主要包括：通过定义激光束在任意安装位姿下，被测物面的入射倾角、入射转角和入射偏角等被测物面几何特性的数学模型，并结合实验分析这些参数对测量精度的影响；建立基于激光测量系统的自由曲面四维误差补偿模型；确定激光束在任意安装位姿下的光束标定方法。

本发明的具体步骤为：

1)激光三角法误差分析；

在步骤1)中，所述激光三角法误差分析的具体方法可为：采用激光三角法测距原理，激光源发射的激光束经过汇聚透镜后形成直径很小的汇聚点投射到被测物体的表面上，产生的漫反射光通过接收物镜在ccd光敏面上成像，当被测物体表面发生位移时，ccd上成像点的位置将产生位移，准确测出像点在ccd上的变化量，通过激光三角法计算出被测工件的移动距离。

2)点激光位移传感器误差校对；

在步骤2)中，所述点激光位移传感器误差校对的具体方法可为：根据激光三角法测距原理，对点激光位移传感器进行入射倾角、入射转角和入射摆角三个测量位姿参数的误差校对，通过调整标准量块的高度获得，分别对入射倾角为-45°～45°，入射转角为0°～±180°进行激光误差校对，并建立入射倾角、入射转角、测量深度以及测量误差的点激光位移传感器四维误差图。

3)坐标系的建立与转换；

在步骤3)中，所述坐标系的建立与转换的具体方法可为：为了保证点激光传感器的测量精度，对激光位移传感器的安装位姿进行标定；假设激光位移传感器安装在四坐标测量仪的z轴上，测量过程中，将点激光位移传感器的测量值从自身坐标系转换到基准坐标系下。

4)点激光位移传感器激光束单位方向向量公式推导；

5)标定块设计及点激光位移传感器激光束单位方向向量误差补偿；

在步骤5)中，所述标定块设计及点激光位移传感器激光束单位方向向量误差补偿的具体方法可为：结合入射倾角、入射转角、测量深度以及测量误差的点激光位移传感器四维误差图对测量值进行误差迭代补偿。

6)激光束的校准；

在步骤6)中，所述激光束的校准具体方法可为：

(1)结合校准块的高度和正弦规的相关安装参数，入射倾斜角、入射旋转角和入射偏转角由平面α、平面β的基本参数a,b,c和点激光位移传感器的估计安装姿态确定；

(2)旋转测量平台，调整点激光位移传感器与校准平面α之间的距离，使得点激光位移传感器在可测量范围内测量平面α，记录激光值d1和测量点的初始坐标(x1,y1,z1)；

(3)令点激光位移传感器沿-x轴等距移动，测量系统每一步采样一次δx，分别记录激光值d1和x轴上的光栅读数xi，假设进给数为n，则可以获得n+1组补偿数据

(4)a1的初始补偿值可以通过公式获得，其中：

(5)当点激光位移传感器沿-y轴移动δy或沿-z轴移动δz时，可以获得b1或c1的初始补偿值；

(6)重复步骤(2)～(5)，得到另一个校准平面β的a2，b2和c2的初始补偿值，获得激光束l、m、n的初始单位矢量：

(7)假设误差函数是f(l,m,n,a1,2,b1,2,c1,2)，然后在重复迭代之后，可以得到精确的l、m、n值。

本发明涉及一种点激光位移传感器在任意安装位姿下的光束标定方法，相较于当前点激光位移传感器的标定方法，本发明通过定义激光束在任意安装位姿下的数学模型，利用现有的正弦规和分度盘组成点激光位移传感器光束标定系统，并建立标定系统的数学模型进行标定，非常便利、且快速有效的点激光位移传感器光束的标定。同时相较于当前点激光位移传感器的标定方法，本发明还推导点激光位移传感器测量物面时入射倾角、入射转角和入射偏角等的数学模型，通过误差校对实验，建立入射倾角、入射转角、入射偏角与测量深度的自由曲面四维误差补偿模型，对标定结果进行迭代补偿，有效提高点激光位移传感器光束的标定精度。

附图说明

图1为激光三角法测量原理图。

图2为误差实验原理图。在图2中，标记为：1点激光位移传感器、2分度盘、3正弦规、4量块。

图3为激光位移传感器四维误差图。在图3中，(a)为0～180°，(b)为-180～0°。

图4为坐标系转换过程。在图4中，标记为：1点激光位移传感器、2标准棒。

图5为单项向量标定过程简图。

图6为标定块安装原理图。在图6中，标记为：1正弦规、2分度盘、3点激光位移传感器、4量块、5平面α、6平面β。

具体实施方式

以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。

1、激光三角法误差分析

由激光三角法的测距原理可知，激光源发射的激光束经过汇聚透镜后形成直径很小的汇聚点投射到被测物体的表面上，产生的漫反射光通过接收物镜在ccd光敏面上成像，当被测物体表面发生位移时，ccd上成像点的位置也将产生位移。当被测物体位于汇聚透镜焦点上(激光传感器位移值为0)，光点a将被物镜成像于b点。物体离焦时，光点a’将成像与b’。由图1可知，如果能够准确测出像点在ccd上的变化量x’，那么通过激光三角法的测量原理，就可以进一步计算出被测工件的移动距离x。

由如图1可知，利用相似三角形的比例关系，则被测物体表面沿着法向方向的移动位移为：

式中，a是接收透镜的物距，即a点与接收透镜前主面的距离；b代表接收透镜的像距，即接收透镜的后主面与成像面中心点的距离。被测物面移动在参考平面下方时取正号，反之取负号。由式中可以看出，x'、a、b、θ1、θ2在测量中出现真实值和标准值之间的偏差都会不同程度的影响系统测量精度。对于激光检测而言，主要影响因素为入射倾角、入射转角与入射偏角。

假设a、b、θ1、θ2为定值，计算得到理论测量误差δx的简化关系式为：

δx的大小主要受被测表面的特性所影响，如被测表面的入射转角、入射倾角与入射摆角等误差因素。

2、点激光位移传感器误差校对

如图2所示，根据激光三角法的测距原理，需要对点激光位移传感器1进行入射倾角、入射转角以及入射摆角三个测量位姿参数的误差校对实验。在o-xyz坐标系上，ab为正弦规3长度，bc代表标准量块4的高度，则正弦规3的倾斜角度α可以通过调整标准量块的高度来获得，即在△abc中：

bc＝ab·sinα(3)

由式可知，正弦规3不变，通过选取不同高度量块4进行组合，即可搭建出一定的物面倾角。p点为物面测量点，pn为物面法向，ep代表入射光束，pf为激光三角法接收光束，则△epf代表激光位移传感器测量平面，在xoz平面上，定义入射光束ep与接收光速pf在物面法向pn异侧时(即倾斜方向对应于激光位移传感器的光束接收面)，正弦规3的角度为正，同侧(即倾斜方向相反于激光位移传感器的光束接收面)则为负。在yoz平面上，定义入射光束ep与z轴的夹角γ为入射摆角，其中y轴方向为正，反之为负。在xoy平面上，定义入射光束点e'与接收光束点f'组成的连线与x轴的夹角β为入射转角，当测量平面△epf与倾斜面△abc共面且倾斜方向对应于点激光位移传感器的光束接收面时，夹角β为0°，逆时针为正，顺时针为负，由分度盘2进行控制。

鉴于光束标定方法，本发明分别对入射倾角为﹣45°～45°，入射转角为0°～±180°，测量深度在﹣10mm～10mm之间进行点激光位移传感器误差校对，并建立入射倾角、入射转角、测量深度以及测量误差的点激光位移传感器四维误差图(如图3所示)。

3、坐标系的建立与转换

为了保证点激光传感器的测量精度,在测量过程中必须把倾斜角控制在一定范围内，这就需要对点激光位移传感器的安装位姿进行标定。如图4所示，假设点激光位移传感器安装在三坐标测量仪的z轴上，测量过程中，需要将点激光位移传感器1的测量值从自身坐标系转换到基准坐标系下，这需要建立3个坐标系：

1)测量机机床坐标系o-xyz。该坐标系以y轴光栅尺0位为原点，3个坐标轴的方向分别与测量机的3个导轨方向一致；

2)点激光位移传感器1测量坐标系os-xsyszs。该坐标系以点激光位移传感器1上测量值为0的点为原点，3个坐标轴的方向分别与xyz轴方向一致；

3)机器坐标系om-xmymzm。该坐标系以测量机在回0状态下，点激光位移传感器1上测量值为0的点为原点，3个坐标轴的方向分别与x、y、z轴方向一致。

点激光位移传感器1的测量值从osxsyszs到omxmymzm的坐标转换顺序为osxsyszs→omxmymzm。相应的齐次坐标表示为：

式中，[xsyszs]^t为点激光位移传感器1在osxsyszs中的测量值，激光束在osxsyszs中单位向量为l、m、n，长度为d(可从点激光位移传感器1中直接读出)；r1和t1分别为osxsyszs相对于omxmymzm的旋转矩阵与平移矩阵；t1为光栅值读数xm0,ym0,zm0。

通过上式便可把点激光位移传感器1在osxsyszs上的测量值转化到omxmymzm中。

4、标定方案的设计

如图5所示，设定标定面α的平面方程为

ax+by+cz+d＝0(6)

a、b、c为平面α的法向量。

假设激光与平面α的交点为p1，激光的数值为d1，光栅读数为xm1,ym1,zm1,则结合式(12)和式(13)可得：

a(xm1+ld1)+b(ym1+md1)+c(zm1+nd1)+d＝0(7)

当点激光位移传感器沿着-x方向移动δx，其中δx为光栅沿着x方向的光栅变化值。点激光位移传感器与平面α的交点为p2，激光的数值为d2,光栅读数为xm1-δx,ym1,zm1,则

a(xm1+ld2-δx)+b(ym1+md2)+c(zm1+nd2)+d＝0(8)

将以上两个式子相减即可得到：

同理，分别沿着-y方向移动δy，沿着-z方向移动δz，可得：

其中，u＝al+bm+cn为常数，化简后得：

lδdx/δx+mδdy/δy+nδdz/δz＝0(11)

令a1＝δdx/δx、b1＝δdy/δy、c1＝δdz/δz，则：

a1l+b1m+c1n＝0(12)

同理，将点激光位移传感器激光束与另外一个平面β相交，则可获得另外一个式子：

a2l+b2m+c2n＝0(13)

又由于：

l²+m²+n²＝1(14)

则由式(12)～(14)，即可获得点激光位移传感器激光束单位方向向量l、m、n的值。

5、标定块设计

如图6所示，本发明在分度盘2上安装正弦规1，通过量块4调节正弦规1的倾斜角度及其在分度盘2上的旋转角度，建立平面α5与平面β6两个测量平面。

在对平面α进行测量时，通过转台径向平分线确定正弦规1的初始位置，由转台径向平分线和正弦规1倾角即可确定平面α5的空间位置，完成a1、b1、c1的初始值标定；在对平面β进行测量时，由于平面β6通过平面α5沿着测量转台转轴旋转一定转角以及调整量块4高度获得，因此，结合平面α5的空间位置、旋转角以及量块4高度即可确定平面β6的空间位置，进一步完成a2、b2、c2的初始值标定。

但在实际测量中，由于被测表面入射转角、入射倾角及入射偏角的存在，在对平面α5和平面β6进行检测的过程中存在测量误差，这将导致点激光位移传感器3激光束单位方向向量l、m、n的标定中存在误差，影响点激光位移传感器3的测量精度。为了尽量避免l、m、n的误差带来的影响：

1)在初步估算激光束的安装位置的情况下，由激光束的安装位置与平面α5空间位置，获得相应的初始入射转角、入射倾角及入射偏角。结合入射转角、入射倾角及入射偏角的误差补偿即可获得补偿后的a1、b1、c1的初始值，即：

式中，εx、εy、εz为相应的补偿量。

2)同理，当点激光位移传感器3对平面β6进行测量时，结合入射倾角误差、入射转角误差补偿即可对点激光位移传感器3的a2、b2、c2的值进行补偿。采用以上的测量步骤，将获得的a1、b1、c1和a2、b2、c2的初始值进行误差补偿，即可获得l、m、n的初始值。

3)结合l、m、n初始值与平面α5和平面β6的基本参数，修正相应的入射转角、入射倾角及入射偏角。结合相应的误差补偿曲线，对1)和2)中的激光测量结果进行补偿，获得l、m、n的二次补偿值。设误差函数为f(l,m,n,a,b,c)，a、b、c为平面α5和平面β6法向量，迭代次数为p，则迭代公式为：

若p＝1，初始条件为：

若p＞1

迭代条件为：

迭代收敛后的结果为：

l＝lp,m＝mp,n＝np

6、激光束的校准过程如下：

(1)结合校准块的高度和正弦规的相关安装参数，入射倾斜角，入射旋转角和入射偏转角由平面α5、平面β6的基本参数a,b,c和点激光位移传感器3的估计安装姿态确定。。

(2)旋转测量平台，调整点激光位移传感器3与校准平面α之间的距离，使得点激光位移传感器3在可测量范围内测量平面α5。记录激光值d1和测量点的初始坐标(x1,y1,z1)。

(3)令点激光位移传感器3沿-x轴等距移动。测量系统每一步采样一次δx，分别记录激光值d1和x轴上的光栅读数xi。假设进给数为n，则可以获得n+1组补偿数据如表1所示。

(4)a1的初始补偿值可以通过式(15)获得，其中：

(5)类似地，当点激光位移传感器3沿-y轴移动δy或沿-z轴移动δz时，可以获得b1或c1的初始补偿值；

(6)重复前面的步骤，得到另一个校准平面β6的a2、b2和c2的初始补偿值。通过公式12—公式14，激光束l、m、n的初始单位矢量可以获得。

(7)假设误差函数是f(l,m,n,a1,2,b1,2,c1,2)，然后在重复迭代之后，可以得到精确的l、m、n值，并且可以通过与已知值(通过四自由度转盘精确获得)来验证测量方法)。

表1点激光位移传感器激光束的位置和方向数据

假设激光测量系统的平均误差和标准偏差是：

则在3σ范围内，任何一个测量值误差值可能出现在区间内，即点激光位移传感器3沿任意方向的检测误差为e＝0.0670°±3×0.0268°。