刀具形貌激光视觉检测系统标定方法的研究

　　1　引言

　　钻削是最基本的切削方法之一,被广泛应用于金属切削加工中,而钻头的性能和寿命对提高生产率、降低成本具有非常重要的作用。近年来,随着数控技 术的发展,对钻削提出了两个新的要求:(1)快的切削进给速度,因而希望钻头具有新的形貌特征参数以满足大的切削力、耐磨性好、切削力矩小等要求;(2) 基于现代加工领域小批量、多品种的特点,要求钻头的形貌能根据实际生产需要实现快速设计和刃磨。尽管钻头的设计如此重要,但现有钻头形貌的优化设计还主要 依靠试验及设计者的经验,而不是严密的理论分析,其主要原因是没有一套有效的获得钻头三维形貌特征的手段。

　　在机械制造业中,现有的钻头测量仪有PG1000、Tool Analyzer 560等。此类仪器只能获得钻头的二维投影像及某些特定位置的几何参数。为了得到钻头的三维形貌,有人尝试使用三坐标测量机及断层扫描技术,但这两种方法 测量速度慢、造价高,无法满足实际钻头设计和性能分析的需要。因此,快速而准确的钻头三维形貌测量系统是机械加工领域亟需解决的问题。

　　本文提出了一种基于线结构光的激光视觉检测系统以实现钻头三维形貌的测量,重点讨论了不同坐标系间数据的标定方法。由于钻头是复杂形貌的回转 体,需要旋转才可以获得整体三维数据,因此如何将传感器坐标系中的测量数据统一于钻头坐标系中,并补偿系统的安装误差,是决定测量系统精度的关键。由此获 得的高精度的钻头形貌及参数,对于建立钻头的实体模型、快速设计和制造、性能分析进而实现钻头刃磨的逆向工程具有实用价值。

　　2　测量系统

　　测量系统的原理框图如图1所示。它主要包括两大部分:一个是美国Perceptron公司生产的线结构光传感器,它可以得到钻头的三维坐标点; 另一个是工作台,它包括沿y、z两个方向的线性运动和沿y及六爪夹盘轴线的旋转运动。激光传感器采用三角测量原理,由激光器沿z轴方向出射一束线结构光, 光线打在钻头表面,其形状被钻头表面的形貌调制,CCD拍下被调制的激光线纹,并根据CCD像敏面上的像坐标解算出钻头被照明部分的三维坐标,该坐标处于 传感器坐标系中。钻头安装于六爪夹盘上,通过六爪夹盘的旋转,使激光束扫过钻头整个横截面的一个圆周。

　　在测量系统中共定义三个坐标系,即传感器坐标系osxsyszs;钻头坐标系odxdydzd;和工作台坐标系otxtytzt。为了保证光线可以扫描到光线刃沟的横截面,要求测量系统的三个坐标系满足以下关系:

　　(1)工作台坐标系的xt和钻头坐标系的xd重合。

　　(2)钻头坐标系和传感器坐标系平行。但是在实际的测量系统中存在着安装误差,主要有:钻头的旋转轴与xs不平行、六爪夹盘轴线的倾斜、夹盘轴线和旋转轴间的偏心。现以标准棒为例说明这些误差对测量结果的影响。