多传感器测量机坐标统一和精度检定的标准器及使用方法
【专利摘要】多传感器测量机坐标统一和精度检定的标准器及使用方法，标准器包括有底座和固定设置在底座上的2个以上结构相同高度不同的标定器。方法是采用标准器中任意一个标定器对复合式坐标测量机的多传感器进行坐标统一标定；以及是对基于图像传感器、接触式传感器和非接触位移传感器的复合式坐标测量机测量精度的检测，本发明可实现接触式传感器、图像传感器、非接触位移传感器的两两坐标统一或三者坐标统一。以及测量机全局测量空间内测量精度检定，操作简单方便，标定效率高。图像传感器对锥台顶圆一次成像，接触式传感器二维测圆，减少了多维运动带入的影响。由2个以上所述的标定器组成的标准器，适用于高精度复合测量机的全局测量空间或局部测量空间的精度检定。
【专利说明】
多传感器测量机坐标统一和精度检定的标准器及使用方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种坐标统一和精度检定标准器。特别是涉及一种集图像传感器，接触式传感器和非接触位移传感器等多种传感器的多传感器测量机坐标统一和精度检定的标准器及使用方法。
【背景技术】
[0002]坐标测量机是工件尺寸测量的重要手段，在多个行业中广泛应用。目前，由于工件更加精密化、专业化，结构也越发精巧复杂，传统的接触式单一传感器很多情况下难以满足测量的需求。多传感器复合测量机能够实现以往单个传感器难以完成的测量工作。将图像传感器，接触式传感器和非接触位移传感器等多个传感器等集成到同一个测量机上，能够实现不同特征、尺寸的竞争型、合作型和互补型测量，达到最优测量的目的。例如:利用影像测量微孔的直径，利用非接触位移传感器测量镜头的自由曲面等。
[0003]实现多传感器的复合测量，需要将多个传感器进行坐标的统一，即将多个坐标系统一到同一个坐标系下。通常具有某种几何特征或某几种几何特征组合的实物标准器作为多传感器坐标融合(配准)的媒介，例如传统坐标机检定时所最长使用的标准球。在仅使用单一接触式传感器的测量机上，以标准球作为实物标准器表现出很好效果，广为业界接受。在理论上，接触式传感器于标准球上多处取点，可以测得球心的三维坐标；图像传感器测得标准球的赤道圆可以解得球心二维坐标;非接触距离传感器捕获标准球的天顶极点，也可获知球心二维坐标。但是在精度要求较高时，如亚微米级的高精度复合测量中，如何将多个传感器的不同坐标系统一到同一个坐标系下，上述传统方法存在不足。以非接触距离传感器捕获天顶极点为例，受距离传感器分辨力限制，传感器获得极点，数值不再改变时，在X—一Y平面上所对应不是唯一的一个点，而是一个区域。再如，图像传感器在标准球赤道圆上采点时，对光源照明质量提出很高要求。此外，球体加工需特殊工艺，当需要与其它物体结合或再加工时都存在工艺难度。
[0004]在亚微米级复合测量中如何将多个传感器的不同坐标系高精度的统一到同一个坐标系中，以实现测量机的高精度测量;如何解决传统接触式坐标测量机所使用的标准球在多传感器坐标统一中的不适用性;如何检定复合式测量机的测量精度，等等多个问题需要解决。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的技术问题是，提供一种多传感器测量机坐标统一和精度检定的标准器及使用方法。
[0006]本发明所采用的技术方案是:一种多传感器测量机坐标统一和精度检定的标准器，是用于集图像传感器、接触式传感器和非接触位移传感器为一体的复合式坐标测量机的标定，其特征在于，包括有底座和固定设置在底座上的2个以上结构相同高度不同的标定器。
[0007]—种使用多传感器测量机坐标统一和精度检定的标准器对复合式坐标测量机的标定方法，采用标准器中任意一个标定器对复合式坐标测量机的多传感器进行坐标统一标定，所述的标定包括如下步骤:
[0008]I)分别采用图像传感器、接触式传感器和非接触位移传感器对标定器进行测量；其中:图像传感器的测量包括:
[0009](I)将图像传感器V对准标准器中任意一个标定器的圆锥台上端面进行调焦，调焦清晰后标定器的圆锥台上端面整体处于图像传感器V的视场内；
[0010](2)通过图像传感器获取标定器圆锥台上端面的圆边界；
[0011](3)通过所述圆边界得到圆锥台上端面的圆心；
[0012](4)将步骤得到的圆心作为图像传感器在复合式坐标测量机上的位置或坐标点Vo;
[0013I接触式传感器的测量包括:
[0014](I)使用接触式传感器测量圆柱体同一截面圆周的多个点；
[0015](2)提取截面的圆心，所述圆心作为接触式传感器在复合式坐标测量机上的位置或坐标点Po;
[0016]非接触位移传感器的测量包括:
[0017](I)使用非接触位移传感器分别沿X方向和Y方向扫描圆锥台；
[0018](2)根据扫描结果找出圆锥台的对称中心或对称轴作为圆锥台上端面的中心；
[0019](3)将圆锥台上端面的中心作为非接触位移传感器在复合式坐标测量机上的位置或坐标点Lo。
[0020]2)采用接触式传感器测量圆柱的上端面得到高度Zp;
[0021]3)采用非接触位移传感器测量圆锥台的上端面得到高度Z1;
[0022]4)找出在同一坐标系的XY平面下图像传感器的位置或坐标点Vo、接触式传感器的位置或坐标点Po和非接触位移传感器的位置或坐标点Lo之间的差值，以及圆柱的上端面高度Zp与圆锥台的上端面高度?:之差，从而得到图像传感器、接触式传感器和非接触位移传感器的位置关系，完成图像传感器、接触式传感器和非接触位移传感器三者间的坐标统一。
[0023]—种使用多传感器测量机坐标统一和精度检定的标准器对复合式坐标测量机的精度检测方法，是对基于图像传感器、接触式传感器和非接触位移传感器的复合式坐标测量机测量精度的检测，其中:
[0024]基于图像传感器的测量精度检测包括如下步骤:
[0025]I)将图像传感器V对准标准器中任意一个标定器的圆锥台上端面进行调焦，调焦清晰后标定器的圆锥台上端面整体处于图像传感器V的视场内；
[0026]2)通过图像传感器V获取所述标定器的圆锥台上端面的圆边界；
[0027]3)通过所述圆边界得到所述标定器的圆锥台上端面的圆心；
[0028]4)重复步骤I)?步骤3)分别获得标准器中其它标定器的圆锥台的上端面的圆心；
[0029]5)求解每两个标定器的圆锥台上端面之间的圆心中心距，并与所使用的标准器中相对应的两个标定器的圆锥台上端面之间的已知值求差得到差值，所述差值为基于图像传感器的复合式坐标测量机的测量误差。
[0030]基于接触式传感器的测量精度检测包括如下步骤:
[0031]I)使用接触式传感器分别提取标准器中各标定器的圆柱体在设定区域内X、Y方向的圆心坐标；
[0032]2)根据所得到的各标定器的圆心坐标得到每两个标定器之间的中心距；
[0033]3)将步骤2)所述的每两个标定器之间的中心距与所使用的标准器中相对应的两个标定器之间中心距的已知值求差，得到差值，完成对基于接触式传感器的复合式坐标测量机在设定区域内x、Y方向的精度检定；
[0034]4)使用接触式传感器分别测量在设定区域内标准器中各标定器的圆柱体的顶面Ζχ，得到各标定器的圆柱体的高度测量值Zp;
[0035]5)将步骤4)得到的各标定器的圆柱体的高度测量值Zp与标准器中各标定器的圆柱体的顶面已知高度值求差，得到Z向测量误差，完成了对基于接触式传感器的复合式坐标测量机在设定区域Z方向的精度检定。
[0036]基于非接触位移传感器的测量精度检测包括如下步骤:
[0037]I)使用非接触位移传感器L分别测量标准器中各标定器的圆柱体的顶面高度Ζχ，得到各标定器的圆柱体的高度测量值Z1;
[0038]2)将步骤I)所得高度测量值?:与标准器中各标定器的圆柱体已知高度值求差，所述差值为基于非接触位移传感器的复合式坐标测量机Z方向测量误差。
[0039]本发明的多传感器测量机坐标统一和精度检定的标准器及使用方法，可实现接触式传感器、图像传感器、非接触位移传感器的两两坐标统一或三者坐标统一。以及测量机全局测量空间内测量精度检定，操作简单方便，标定效率高。本发明中的标定器以圆柱基材、经典车削工艺、由超精加工设备一次装夹制成，工艺成熟;且可获得圆度、圆柱度、同轴度、垂直度等误差小于几十纳米级别的制件。图像传感器对锥台顶圆一次成像，接触式传感器二维测圆，减少了多维运动带入的影响。由2个以上所述的标定器组成的标准器，适用于高精度复合测量机的全局测量空间或局部测量空间的精度检定。
【附图说明】
[0040]图1是本发明多传感器测量机坐标统一和精度检定的标准器的结构示意图；
[0041]图2是图1的俯视图；
[0042]图3是本发明中标定器的结构示意图；
[0043]图4是本发明中标定器的侧视图；
[0044]图5是图4的俯视图；
[0045]图6是复合式坐标测量机的结构示意图；
[0046]图7是本发明中标定器标定时的示意图；
[0047]图8是复合式坐标测量机标定XY方向的模型示意图；
[0048]图9是复合式坐标测量机标定Z方向的模型示意图。
[0049]图中
[0050]1:底座2:标定器
[0051]21:圆柱体22:圆锥台
[0052]3:复合式坐标测量机机架4:复合式坐标测量机X轴
[0053]5:复合式坐标测量机Z轴6:工作台(Y轴)
[0054]7:标准器V:图像传感器
[0055]P:接触式传感器L:非接触位移传感器
【具体实施方式】
[0056]下面结合实施例和附图对本发明的多传感器测量机坐标统一和精度检定的标准器及使用方法做出详细说明。
[0057]如图1、图2、图6、图7所示，本发明的多传感器测量机坐标统一和精度检定的标准器，是用于集图像传感器、接触式传感器和非接触位移传感器为一体的复合式坐标测量机的标定和精度检定，包括有底座I和固定设置在底座I上的2个以上结构相同高度不同的标定器2。如图2中所示每两个标定器2的中心轴之间距离I为已知。每个标定器2能够单独完成多传感器的坐标统一。
[0058]如图3、图4、图5所示，所述的标定器2包括圆柱体21，所述圆柱体21的上端面固定设置有圆锥台22，所述圆锥台22与所述圆柱体22同轴设置。其中:
[0059]如图7所示，所述圆锥台22上表面Zs的直径Iv小于复合式坐标测量机上的图像传感器测量视场范围。所述圆锥台22的母线(斜面)Zm与圆柱体I上顶面Zx的夹角Θ的大小在复合式坐标测量机上的非接触位移传感器所能测量的角度范围内，或者圆锥台22的上端面与下端面垂直距离hi在在非接触位移传感器的测量范围内。
[0060]本发明的标定器2由超精加工而成，精度优于亚微米级。利用单个标定器2完成图像传感器、接触式传感器和非接触位移传感器的坐标统一。通过移动坐标机的XYZ轴实现图像传感器、接触式传感器和非接触位移传感器对由多个标定器2组成的标准器的水平、垂直距离的测量，完成复合测量机在测量空间内的精度检定。
[0061]本发明的使用多传感器测量机坐标统一和精度检定的标准器的标定方法，采用标准器中任意一个标定器2对复合式坐标测量机的多传感器进行坐标统一标定，所述的标定包括如下步骤:
[0062]I)分别采用图4中所示的图像传感器V、接触式传感器P和非接触位移传感器L对标定器进行测量，其中
[0063 ]图像传感器V的测量包括:
[0064](I)对图像传感器V进行调焦，调焦清晰后使标定器的圆锥台22上端面Zs整体处于图像传感器V的视场内；
[0065](2)通过图像传感器V获取标定器圆锥台22上端面Zs的圆边界；
[0066](3)通过所述圆边界得到圆锥台22上端面的圆心V0;
[0067](4)将步骤(3)得到的圆心Vo作为图像传感器V在复合式坐标测量机上的位置或坐标。
[0068]此时的圆心Vo获取是在图像传感器一次成像，复合式坐标测量机无机械位移下完成，故不会出现机械运动误差。
[0069]接触式传感器P的测量包括:
[0070](I)使用接触式传感器P测量圆柱体21同一位置Ysc的截面圆周的多个点；
[0071](2)提取截面的圆心Po，所述圆心Po作为接触式传感器P在复合式坐标测量机上的位置或坐标。
[0072]此时复合式坐标测量机Z轴处于锁定状态，仅由X轴和Y轴的2维运动实现数据获取，相比测取球心坐标通常所需的3维运动，减少了机械运动误差。
[0073]非接触位移传感器的标定包括:
[0074](I)使用非接触位移传感器L分别沿X方向和Y方向扫描圆锥台22;
[0075](2)根据扫描结果找出圆锥台22的对称中心或对称轴作为圆锥台22上端面的中心
Lo;
[0076](3)将圆锥台22上端面的中心Lo作为非接触位移传感器L在复合式坐标测量机上的位置或坐标。
[0077]2)使用接触式传感器测量圆柱的顶面得到高度Zp;
[0078]3)使用非接触位移传感器测量圆锥台22的上表面得到高度Zi;
[0079]4)找出在同一坐标系的XY平面下图像传感器的位置或坐标点Vo、接触式传感器的位置点Po和非接触位移传感器的位置点Lo之间的偏差值，以及圆柱21的上端面高度Zp与圆锥台22的上端面高度Z1之差，从而得到图像传感器、接触式传感器和非接触位移传感器的位置关系，完成图像传感器、接触式传感器和非接触位移传感器三者间的坐标统一或标定。
[0080]在同一坐标系(其Z轴与标定器的对称轴平行)的XY平面下应该是同一个点，但是，步骤I)采用本发明的标定器2得到如图8所示的图像传感器的位置点Vo、接触式传感器的位置点Po和非接触位移传感器的位置点Lo之间的差值，找出三个位置点Vo、Po和Lo之间的位置差AYVL、AYPV、AYPL、AXVP、AXPL、AXVL，由所述的差值得到图像传感器V、接触式传感器P和非接触位移传感器L三者之间的在xy平面的位置关系;得到如图9所示的Z向坐标之差ΔΖο
[0081]本发明的使用多传感器测量机坐标统一和精度检定的标准器对复合式坐标测量机的精度检测方法，是对基于图像传感器、接触式传感器和非接触位移传感器的复合式坐标测量机测量精度的检测，其中:
[0082]基于图像传感器的测量精度检测包括如下步骤:
[0083]I)将图像传感器V对准标准器中任意一个标定器2的圆锥台22上端面进行调焦，调焦清晰后标定器2的圆锥台22上端面整体处于图像传感器V的视场内；
[0084]2)通过图像传感器V获取所述标定器2的圆锥台22上端面的圆边界；
[0085]3)通过所述圆边界得到所述标定器2的圆锥台22上端面的圆心；
[0086]4)重复步骤I)?步骤3)分别获得标准器中其它标定器的圆锥台22的上端面的圆心；
[0087]5)求解每两个标定器2的圆锥台22上端面之间的圆心中心距，并与所使用的标准器中相对应的两个标定器2的圆锥台22上端面之间的已知值求差得到差值，所述差值为基于图像传感器的复合式坐标测量机的测量误差。
[0088]基于接触式传感器的测量精度检测包括如下步骤:
[0089]I)使用接触式传感器分别提取标准器中各标定器2的圆柱体21在设定区域内Χ、Υ方向的圆心坐标；
[0090]2)根据所得到的各标定器2的圆心坐标得到每两个标定器2之间的中心距；
[0091]3)将步骤2)所述的每两个标定器2之间的中心距与所使用的标准器中相对应的两个标定器2之间中心距的已知值求差，得到差值，完成对基于接触式传感器的复合式坐标测量机在设定区域内x、Y方向的精度检定；
[0092]4)使用接触式传感器分别测量在设定区域内标准器中各标定器2的圆柱体21的顶面Zx，得到各标定器2的圆柱体21的高度测量值Zp;
[0093]5)将步骤4)得到的各标定器2的圆柱体21的高度测量值Zp与标准器中各标定器2的圆柱体21的顶面已知高度值求差，得到Z向测量误差，完成了对基于接触式传感器的复合式坐标测量机在设定区域Z方向的精度检定。
[0094]基于非接触位移传感器的测量精度检测包括如下步骤:
[0095]I)使用非接触位移传感器L分别测量标准器中各标定器2的圆柱体21的顶面高度Zx，得到各标定器2的圆柱体21的高度测量值Zi;
[0096]2)将步骤I)所得高度测量值？:与标准器中各标定器2的圆柱体21已知高度值求差，所述差值为基于非接触位移传感器的复合式坐标测量机Z方向测量误差。
[0097]改变所述的标准器在复合式坐标测量机测量空间中的位置，重复基于图像传感器的测量精度检测的步骤、基于接触式传感器的测量精度检测步骤和基于非接触位移传感器的测量精度检测步骤，完成对复合式坐标测量机不同局部空间的测量精度检定。
[0098]对于标准器整体Z向位置变化是通过利用精度满足要求的平行平面垫高所述的标准器实现，如利用量块组实现。
[0099]由此可实现复合式测量机多传感器坐标统一和测量机测量空间内的测量精度检定。
【主权项】
1.一种多传感器测量机坐标统一和精度检定的标准器，是用于集图像传感器、接触式传感器和非接触位移传感器为一体的复合式坐标测量机的标定，其特征在于，包括有底座(I)和固定设置在底座(I)上的2个以上结构相同高度不同的标定器(2)。2.根据权利要求1所述的多传感器测量机坐标统一和精度检定的标准器，其特征在于，所述的标定器(2)包括圆柱体(21)，所述圆柱体(21)的上端面固定设置有圆锥台(22)，所述圆锥台(22)与所述圆柱体(21)同轴设置。3.根据权利要求2所述的多传感器测量机坐标统一和精度检定的标准器，其特征在于，所述圆锥台(22)上端面的直径小于复合式坐标测量机的图像传感器测量视场范围。4.根据权利要求2所述的多传感器测量机坐标统一和精度检定的标准器，其特征在于，所述圆锥台(22)的母线与圆柱体(I)上顶面夹角的大小在复合式坐标测量机上的非接触位移传感器测量的角度范围内。5.根据权利要求2所述的多传感器测量机坐标统一和精度检定的标准器，其特征在于，所述圆锥台(22)的上端面与下端面垂直距离在非接触位移传感器的测量范围内。6.—种使用权利要求1所述的多传感器测量机坐标统一和精度检定的标准器对复合式坐标测量机的标定方法，其特征在于，采用标准器中任意一个标定器(2)对复合式坐标测量机的多传感器进行坐标统一标定，所述的标定包括如下步骤: 1)分别采用图像传感器、接触式传感器和非接触位移传感器对标定器进行测量;其中: 图像传感器的测量包括: (1)将图像传感器V对准标准器中任意一个标定器(2)的圆锥台(22)上端面进行调焦，调焦清晰后标定器(2)的圆锥台(22)上端面整体处于图像传感器V的视场内； (2)通过图像传感器获取标定器圆锥台(22)上端面的圆边界； (3)通过所述圆边界得到圆锥台(22)上端面的圆心； (4)将步骤(3)得到的圆心作为图像传感器在复合式坐标测量机上的位置或坐标点V0; 接触式传感器的测量包括: (1)使用接触式传感器测量圆柱体(21)同一截面圆周的多个点； (2)提取截面的圆心，所述圆心作为接触式传感器在复合式坐标测量机上的位置或坐标点Po; 非接触位移传感器的测量包括: (1)使用非接触位移传感器分别沿X方向和Y方向扫描圆锥台(22); (2)根据扫描结果找出圆锥台(22)的对称中心或对称轴作为圆锥台(22)上端面的中心； (3)将圆锥台(22)上端面的中心作为非接触位移传感器在复合式坐标测量机上的位置或坐标点Lo。 2)采用接触式传感器测量圆柱(21)的上端面得到高度Zp; 3)采用非接触位移传感器测量圆锥台(22)的上端面得到高度Z1; 4)找出在同一坐标系的XY平面下图像传感器的位置或坐标点Vo、接触式传感器的位置或坐标点Po和非接触位移传感器的位置或坐标点Lo之间的差值，以及圆柱(21)的上端面高度Zp与圆锥台(22)的上端面高度Z1之差，从而得到图像传感器、接触式传感器和非接触位移传感器的位置关系，完成图像传感器、接触式传感器和非接触位移传感器三者间的坐标统一。7.根据权利要求6所述的使用多传感器测量机坐标统一和精度检定的标准器对复合式坐标测量机的标定方法，其特征在于，所述的接触式传感器为用于三坐标测量机的接触式传感器。8.根据权利要求6所述的多传感器测量机坐标统一和精度检定的标准器对复合式坐标测量机的标定方法，其特征在于，所述的非接触位移传感器为光谱共焦传感器、激光三角测距传感器、激光聚焦传感器中的一种。9.根据权利要求6所述的多传感器测量机坐标统一和精度检定的标准器对复合式坐标测量机的标定方法，其特征在于，所述的图像传感器是采用影像测量仪所用的图像传感器。10.—种使用权利要求1所述的多传感器测量机坐标统一和精度检定的标准器对复合式坐标测量机的精度检测方法，其特征在于，是对基于图像传感器、接触式传感器和非接触位移传感器的复合式坐标测量机测量精度的检测，其中: 基于图像传感器的测量精度检测包括如下步骤: 1)将图像传感器V对准标准器中任意一个标定器(2)的圆锥台(22)上端面进行调焦，调焦清晰后标定器(2)的圆锥台(22)上端面整体处于图像传感器V的视场内； 2)通过图像传感器V获取所述标定器(2)的圆锥台(22)上端面的圆边界； 3)通过所述圆边界得到所述标定器(2)的圆锥台(22)上端面的圆心； 4)重复步骤I)?步骤3)分别获得标准器中其它标定器的圆锥台(22)的上端面的圆心； 5)求解每两个标定器(2)的圆锥台(22)上端面之间的圆心中心距，并与所使用的标准器中相对应的两个标定器(2)的圆锥台(22)上端面之间的已知值求差得到差值，所述差值为基于图像传感器的复合式坐标测量机的测量误差。 基于接触式传感器的测量精度检测包括如下步骤: 1)使用接触式传感器分别提取标准器中各标定器(2)的圆柱体(21)在设定区域内X、Y方向的圆心坐标； 2)根据所得到的各标定器(2)的圆心坐标得到每两个标定器(2)之间的中心距； 3)将步骤2)所述的每两个标定器(2)之间的中心距与所使用的标准器中相对应的两个标定器(2)之间中心距的已知值求差，得到差值，完成对基于接触式传感器的复合式坐标测量机在设定区域内Χ、Υ方向的精度检定； 4)使用接触式传感器分别测量在设定区域内标准器中各标定器(2)的圆柱体(21)的顶面Zx，得到各标定器(2)的圆柱体(21)的高度测量值Zp; 5)将步骤4)得到的各标定器(2)的圆柱体(21)的高度测量值Zp与标准器中各标定器(2)的圆柱体(21)的顶面已知高度值求差，得到Z向测量误差，完成了对基于接触式传感器的复合式坐标测量机在设定区域Z方向的精度检定。 基于非接触位移传感器的测量精度检测包括如下步骤: 1)使用非接触位移传感器L分别测量标准器中各标定器(2)的圆柱体(21)的顶面高度Zx，得到各标定器(2)的圆柱体(21)的高度测量值Z1; 2)将步骤I)所得高度测量值?:与标准器中各标定器(2)的圆柱体(21)已知高度值求差，所述差值为基于非接触位移传感器的复合式坐标测量机Z方向测量误差。11.根据权利要求10所述的使用权利要求1所述的多传感器测量机坐标统一和精度检定的标准器对复合式坐标测量机的精度检测方法，其特征在于，改变所述的标准器在复合式坐标测量机测量空间中的位置，重复基于图像传感器的测量精度检测的步骤、基于接触式传感器的测量精度检测步骤和基于非接触位移传感器的测量精度检测步骤，完成对复合式坐标测量机不同局部空间的测量精度检定。
【文档编号】G01B21/00GK106052607SQ201610496534
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年6月28日
【发明人】王仲, 赵炎, 付鲁华, 文信, 王祎雯
【申请人】天津大学