1.一种激光加工中三维零件标定系统,其特征在于:包括机械手(1)、机械手末端法兰(2)、振镜系统(3)、旁轴安装板(4)、工业相机(5)、待加工零件(6)和试刻靶标;
所述振镜系统(3)通过所述机械手末端法兰(2)安装在所述机械手(1)上;所述振镜系统(3)通过所述旁轴安装板(4)与所述工业相机(5)按旁轴方式安装在一起;所述待加工零件(6)、试刻靶标均分别固定在工作台面上,位于所述工业相机(5)下部。
2.一种激光加工中三维零件标定方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1:对工业相机(5)进行标定,得到相机的焦距、镜头畸变系数及主点坐标;
步骤2:建立工业相机(5)的相机坐标系Oc-XcYcZc,建立振镜系统(3)的振镜坐标系OL-XLYLZL;其中,Oc表示相机光心,OcZc与相机光轴重合,OcXc平行于相机像元水平方向,OcYc平行于相机像元垂直方向;OL表示振镜光心,OLZL与振镜光轴重合,OLXL沿振镜系统的X方向,OLYL沿振镜系统的Y方向;
步骤3:在振镜下方放置试刻靶标,使试刻靶标位于振镜视野范围内,调整机械手(1)的位置,使得试刻靶标位于振镜的焦平面上;
步骤4:调整激光加工工艺参数,使得激光能够在试刻靶标上清晰的刻蚀出圆形图案,并且在工业相机中能够清晰成像;启动振镜系统(3),在试刻靶标上刻蚀圆阵列图案,圆阵列的行列数值尽可能大,但不能超出工业相机(5)的幅面,记下圆阵列中各个圆的圆心在振镜坐标系OL-XLYLZL下的坐标,用序列{(XLi,YLi,0)}表示;
步骤5:记下此时机械手(1)的位置和姿态信息PS1;
步骤6:移动机械手(1),使试刻靶标上的圆阵列全部位于工业相机(5)的视野中,并位于相机的焦平面;
步骤7:记下此时机械手(1)的位姿信息PS2;
步骤8:工业相机(5)对试刻靶标上的圆阵列拍照获取图像,得到圆阵列中的圆心像素坐标,得到圆阵列的圆心在相机坐标系下的坐标,记为坐标序列{(XCi,YCi,0)};
步骤9:采用矩阵向量MCL表示振镜坐标系和相机坐标系间的位置关系,即
利用的旁轴视觉引导与振镜系统标定方法,得到矩阵向量MCL;
步骤10:在振镜下方放置新的试刻靶标,调整机械手(1),使机械手末端法兰平面坐标系与试刻靶标平面平行,让振镜的中心轴与试刻靶标垂直;
步骤11:启动振镜系统(3),在新的试刻靶标上刻蚀与步骤4中一样的圆形阵列图案,并在圆形阵列的最低一行所在边线的延长线上以同等阵列间距补刻一个相同大小的圆,阵列大小应保证所有圆及补刻的圆均能被相机视野所包括;设补刻的圆的圆心为B,所在的行的另外一端的圆的圆心为OL,OL所在列的另外一端的圆的圆心为A;振镜光轴与机械手末端法兰(2)中心并不重合,存在偏心,记为(Tx,Ty);振镜的X、Y轴与机械手末端法兰平面坐标系的X、Y轴并不平行,存在夹角θ;
步骤12:保证新的试刻靶标位置不变,调整机械手(1),使机械手末端法兰(2)旋转180度,再次在新的试刻靶标上刻蚀与步骤11一样的图案,得到基于机械手末端法兰平面坐标系原点对称的圆阵列;
步骤13:调整机械手(1),平移工业相机(5)的镜头,使试刻靶标上刻蚀的圆形阵列均在相机视野范围内,得到所有圆心在相机坐标系下的坐标{(xli,yli)}及{(x′li,y′li)},及求所有坐标的均值,得到机械手末端法兰原点在相机坐标系下的坐标(T’x,T’y),由MCL矩阵,转换为振镜坐标系下的坐标;
步骤14:由步骤11中定义的圆心A、B、OL三点在相机坐标系下的坐标,求得旋转角θ,求出振镜坐标系与机械手末端法兰平面坐标系之间的关系矩阵;
步骤15:将待加工零件摆放在工作台面上,让待加工零件的基准平面与系统的工作台面重合;
步骤16:在平行于待加工零件的基准平面的某一面上有若干定位特征孔,定位特征孔的端面位于同一平面,且与加工基准面平行;设这些定位特征孔在待加工零件坐标系下的坐标为P1、P2、…、PN;
步骤17:移动机械手(1),使定位特征孔逐一位于工业相机的视野范围内,拍照获取特征孔图像,得到其圆心坐标,并计算得到待加工零件上特征孔在相机坐标系下的坐标序列,根据相机坐标系与机械手末端法兰平面坐标系的关系矩阵MCL,得到待加工零件特征孔在机械手末端法兰平面坐标系下的坐标{(XRi,YRi,ZRi)};
步骤18:采用矩阵向量MPR表示待加工零件坐标系和机械手末端法兰平面坐标系间的位置关系,即 由于已知特征孔在待加工零件坐标系下的坐标,记为{(XPi,YPi,ZPi)},计算得到了特征孔在机械手末端法兰平面坐标系下的坐标{(XRi,YRi,ZRi)},由LM优化算法获得MPR;
步骤19:对于零件上的任意一点P0、由关系矩阵MPR计算得到其在机械手末端法兰平面坐标系下的坐标,从而实现三维零件的激光加工。
3.根据权利要求2所述的激光加工中三维零件标定方法,其特征在于:步骤14中,直接在机械手控制系统中将偏心与旋转角度作为系统补偿值,将当前位置与姿态加上偏心与角度偏移,即将振镜加工的焦点作为机械手末端法兰平面坐标系的虚拟原点,这样矩阵向量MCL就能作为工业相机(5)与机械手(1)之间的坐标转换关系矩阵。
4.根据权利要求2-3任意一项所述的激光加工中三维零件标定方法,其特征在于:步骤
16中,N≥3。