基于单目立体视觉的机床几何误差辨识方法 .pdf

基于单目立体视觉的机床几何误差辨识方法

潘翼;王福吉;刘巍;李肖;梁冰;周孟德

【期刊名称】《《计测技术》》

【年(卷),期】2019(039)005

【总页数】7页(P8-14)

【关键词】机器视觉;三维重建;单目立体视觉;误差辨识;机床几何误差

【作者】潘翼;王福吉;刘巍;李肖;梁冰;周孟德

【作者单位】大连理工大学机械工程学院辽宁大连116024

【正文语种】中文

【中图分类】TB9

0引言

五轴数控机床被广泛应用于现代工业的各个加工生产领域，但由于机床制造、装配

等缺陷，系统内部存在几何误差(包括直线轴及回转轴几何误差)降低加工精度，而

相对成熟的直线轴几何误差辨识补偿研究使得回转轴成为主要研究对象[1]。因此，

为提升加工精度，研究机床回转轴几何误差测量辨识设备与方法具有重要意义。

回转轴几何误差包含3项位置误差及3项转角误差，其在实际加工中的直接表现

为误差运动。利用误差运动逐项辨识的直接测量手段效率低且易产生人工误差，而

间接手段降低人工干扰的同时具备高效自动化测量能力，因此现行主要测量方法有：

球杆仪测量法[2]、R-test检测法[3,4]、在机测量法[5]与激光测量系统[6]。球杆仪

基于刀具球与工件球的相对位移变化分离并辨识几何误差，而在多个位置下基于圆

轮廓的测量方式引入了安装误差;在机测量法为避免干涉，导致触控探针接近方向

存在限制，且需要精密标准件辅助标定；R-test方法结合三个位移传感器可测量

在任意回转角度下的误差运动，但该装置移动范围过小，需适配多轴联动辅助测量，

因此引入了多轴联动误差；激光测量系统采用多基站测量方法，可高精度采集回转

轴误差运动，但设备调试繁琐，经济性与普适性较差。近年来，基于视差原理实现

三维特征重建的机器视觉[7]因非接触式高精测量、数据采集便捷等优势[8]而备受

关注。但传统双目视觉布局易受有限空间限制且成本高，而单目视觉测量精度低。

此外，单目立体视觉因经济性与集成性良好被用于三维形变测量[9-10]。其中，机

床运动信息高品质采集，图像高精度处理与系统参数优化选取是制约回转轴几何误

差视觉高精度辨识的主要因素。

为此，本文提出基于单目立体视觉的机床回转轴几何误差辨识方法，降低双目测量

成本且提高了单目测量精度，基于误差放大思想设计的成像靶标保证回转轴全量程

运动信息采集，均匀背光照明确保了标识图像的高质量获取，提出的单目立体成像

光路仿真分析方法，指导了靶标结构尺寸和系统结构参数的优化选取，并通过实验

室试验验证了本文方法的高精度。

1基于单目立体视觉的机床回转轴几何误差测量系统

1.1几何误差定义

如图1所示，本文测试对象为具备倾斜转台的五轴数控机床，包含X,Y,Z三个线性

轴与A,C两个回转轴，在C轴工作台表面建立世界坐标系(其X,Y,Z轴分别与机床

X,Y,Z轴运动方向一致)，其原点为C轴轴线与工作台平面的交点。设C轴上某一

初始位置为P0，该点在回转角度θc下的理论位置为点P1，由于误差

Ec=[εxc,εyc,εzc,δxc,δyc,的δ影响zc]T，其实际运动位置为P1′，根据齐次坐标变

换描述理论与实际运动回转位置的关系为

(1)

图1机床回转轴几何误差影响

1.2系统总体测量辨识流程

为准确测量与辨识上述回转轴几何误差，搭建单目立体视觉系统，硬件包括：特征

靶标(精密哑光靶球、背向均匀照明和固定夹具)、单目立体采集系统(高分辨率工

业相机、光学镜头与反射成像装置)和支撑结构，如图2所示。具体流程如下：基

于误差放大思想初步设计靶标结构，建立单目立体光路成像模型进行仿真分析，以

优化系统结构参数并计算理论测量精度，同时作为指导靶标结构设计的依据；基于

张氏标定法标定单目立体视觉系统，将特征靶标安装至机床C轴工作台并设置初

始零位，使用精密哑光靶球与背向均匀照明组合以保证图像高品质获取；驱动机床

C轴定角度间歇回转，带动靶球交替重复地在视场中进行误差运动，同时控制单目

立体视觉系统采集，得到以单图像左右区域分别承载虚拟双目两成像视角的图像序

列；经过图像处理提取靶球投影圆心的二维像素坐标，基于标定结果重建表征机床

运动信息的球心实际运动轨迹，将其转换至世界坐标系下与理论回转位置对比，最

终实现机床回转轴几何误差辨识。

图2单目立体视觉回转轴几何误差测量系统硬件

2机床回转轴几何误差测量辨识方案

2.1单目立体采集系统设计

传统双目或多目视觉系统存在相机同步化调试及高精测量条件下相机布局易