高精度复合式测量机的坐标统一标定器及标定方法
【专利摘要】一种高精度复合式测量机的坐标统一标定器及标定方法，标定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，包括圆柱体，圆柱体的上端面固定设置有圆锥台，圆锥台与所述圆柱体同轴设置。方法包括：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；以单个传感器完成标定为前提，完成工件的测量，具体是用一个标定器实现图像传感器、接触式传感器、非接触位移传感器的两两坐标或三者坐标统一。本发明图像传感器对锥顶圆一次成像，求取圆心；接触式传感器二维运动于圆柱表面取点，求取圆心，从而减少了测量时的机械运动误差。有利于高精度复合测量机的坐标统一或位置标定。
【专利说明】
高精度复合式测量机的坐标统一标定器及标定方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种标定器。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复合式测量机的坐标统一标定器及标定方法。
【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要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。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够支持测量机高精度复合测量的高精度复合式测量机的坐标统一标定器及标定方法。
[0006]本发明所采用的技术方案是:一种高精度复合式测量机的坐标统一标定器及标定方法。一种高精度复合式测量机的坐标统一标定器，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，包括圆柱体，所述圆柱体的上端面固定设置有圆锥台，所述圆锥台与所述圆柱体同轴设置。
[0007]—种高精度复合式测量机的坐标统一标定器的标定方法，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:
[0009]图像传感器的测量包括:
[0010](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；
[0011](2)通过图像传感器获取标定器圆锥台上端面的圆边界；
[0012](3)通过所述圆边界得到圆锥台上端面的圆心；
[0013](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Vo;
[0014I接触式传感器的测量包括:
[0015](I)使用接触式传感器测量圆柱体(I)同一截面圆周的多个点；
[0016](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;
[0017]非接触位移传感器的测量包括:
[0018](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；
[0019](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；
[0020](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。
[0021]2)采用接触式传感器测量圆柱的上端面得到高度Zp;
[0022]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;
[0023]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。
[0024]本发明的高精度复合式测量机的坐标统一标定器及标定方法，以单个传感器已完成标定为前提，即能够单独完成工件的测量，具体是用一个标定器实现图像传感器、接触式传感器、非接触位移传感器的两两坐标或三者坐标统一，操作简单方便，标定效率高。本发明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。图像传感器对锥顶圆一次成像，求取圆心;接触式传感器二维运动于圆柱表面取点，求取圆心，减少了多维运动带入的影响，从而减少了测量时的机械运动误差。有利于高精度复合测量机的坐标统一或位置标定。
【附图说明】
[0025]图1是本发明高精度复合式测量机的坐标统一标定器的结构图；
[0026]图2是本发明高精度复合式测量机的坐标统一标定器的侧视图；
[0027]图3是图2的俯视图；
[0028]图4是复合式坐标测量机的结构示意图；
[0029]图5是本发明高精度复合式测量机的坐标统一标定器标定时的示意图；
[0030]图6是复合式坐标测量机标定XY方向的模型示意图；
[0031 ]图7是复合式坐标测量机标定Z方向的模型示意图。
[0032]图中
[0033]1:圆柱体2:圆锥台
[0034]3:复合式坐标测量机X轴4:复合式坐标测量机Z轴
[0035]5:工作台(Y轴)6:标定器
[0036]7:机架V:图像传感器
[0037]P:接触式传感器L:非接触位移传感器
【具体实施方式】
[0038]下面结合实施例和附图对本发明的高精度复合式测量机的坐标统一标定器及标定方法做出详细说明。
[0039]如图1、图2、图3、图4、图5所示，本发明的高精度复合式测量机的坐标统一标定器，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，所述的标定器包括圆柱体I，所述圆柱体I的上顶面固定设置有圆锥台2，所述圆锥台2与所述圆柱体I同轴设置。
[0040]其中:
[0041]所述圆锥台2上端面Zs的直径Iv小于复合式坐标测量机的图像传感器V的测量视场范围。所述圆锥台2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L所能测量的角度范围内，或者圆锥台2的上端面与下端面垂直距离hi在非接触位移传感器的测量范围内。
[0042]本发明的高精度复合式测量机的坐标统一标定器的标定方法，包括如下步骤:
[0043]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
[0044]图像传感器的测量包括:
[0045](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；
[0046](2)通过图像传感器V获取标定器圆锥台2上端面Zs的圆边界；
[0047](3)通过所述圆边界得到圆锥台2上端面的圆心V0;
[0048](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。
[0049]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。
[0050]接触式传感器的测量包括:
[0051](I)使用接触式传感器P测量圆柱体I同一位置Ysc的截面圆周的多个点；
[0052](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。
[0053]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。
[0054]非接触位移传感器的测量包括:
[0055](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2;
[0056](2)根据扫描结果找出圆锥台2的对称中心或对称轴作为圆锥台2上端面的中心
Lo;
[0057](3)将圆锥台2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。
[0058]2)使用接触式传感器测量圆柱的顶面得到高度Zp;
[0059]3)使用非接触位移传感器测量圆锥台2的上表面得到高度Zi;
[0060]4)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6得到如图6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ΛYVL、ΛYPV、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7所示的Z向坐标之差ΛΖ。
[0061]从而可完成图像传感器V、接触式传感器P和非接触位移传感器L三者间的坐标统一或标定。
[0062]在本发明的高精度复合式测量机的坐标统一标定器的标定方法中，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。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。所述的图像传感器是采用影像测量仪所用的图像传感器。
【主权项】
1.一种高精度复合式测量机的坐标统一标定器，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，包括圆柱体(I)，所述圆柱体(I)的上端面固定设置有圆锥台(2)，所述圆锥台(2)与所述圆柱体(I)同轴设置。2.根据权利要求1所述的高精度复合式测量机的坐标统一标定器，其特征在于，所述圆锥台(2)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。3.根据权利要求1所述的高精度复合式测量机的坐标统一标定器，其特征在于，所述圆锥台(2)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。4.根据权利要求1所述的高精度复合式测量机的坐标统一标定器，其特征在于，所述圆锥台(2)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。5.—种权利要求1所述的高精度复合式测量机的坐标统一标定器的标定方法，其特征在于，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(2)上端面的圆边界； (3)通过所述圆边界得到圆锥台(2)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(I)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(2); (2)根据扫描结果找出圆锥台(2)的对称中心或对称轴作为圆锥台(2)上端面的中心； (3)将圆锥台(2)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(I)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(2)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(I)的上端面高度Zp与圆锥台(2)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。6.根据权利要求5所述的高精度复合式测量机的坐标统一标定器的标定方法，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。7.根据权利要求5所述的高精度复合式测量机的坐标统一标定器的标定方法，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。8.根据权利要求5所述的高精度复合式测量机的坐标统一标定器的标定方法，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。
【文档编号】G01B21/00GK106092008SQ201610496535
【公开日】2016年11月9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