本實用新型涉及一種坐標(biāo)統(tǒng)一和精度檢定標(biāo)準(zhǔn)器。特別是涉及一種集圖像傳感器，接觸式傳感器和非接觸位移傳感器等多種傳感器的多傳感器測量機(jī)坐標(biāo)統(tǒng)一和精度檢定的標(biāo)準(zhǔn)器。

背景技術(shù)：

坐標(biāo)測量機(jī)是工件尺寸測量的重要手段，在多個行業(yè)中廣泛應(yīng)用。目前，由于工件更加精密化、專業(yè)化，結(jié)構(gòu)也越發(fā)精巧復(fù)雜，傳統(tǒng)的接觸式單一傳感器很多情況下難以滿足測量的需求。多傳感器復(fù)合測量機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)以往單個傳感器難以完成的測量工作。將圖像傳感器，接觸式傳感器和非接觸位移傳感器等多個傳感器等集成到同一個測量機(jī)上，能夠?qū)崿F(xiàn)不同特征、尺寸的競爭型、合作型和互補(bǔ)型測量，達(dá)到最優(yōu)測量的目的。例如：利用影像測量微孔的直徑，利用非接觸位移傳感器測量鏡頭的自由曲面等。

實現(xiàn)多傳感器的復(fù)合測量，需要將多個傳感器進(jìn)行坐標(biāo)的統(tǒng)一，即將多個坐標(biāo)系統(tǒng)一到同一個坐標(biāo)系下。通常具有某種幾何特征或某幾種幾何特征組合的實物標(biāo)準(zhǔn)器作為多傳感器坐標(biāo)融合(配準(zhǔn))的媒介，例如傳統(tǒng)坐標(biāo)機(jī)檢定時所最長使用的標(biāo)準(zhǔn)球。在僅使用單一接觸式傳感器的測量機(jī)上，以標(biāo)準(zhǔn)球作為實物標(biāo)準(zhǔn)器表現(xiàn)出很好效果，廣為業(yè)界接受。在理論上，接觸式傳感器于標(biāo)準(zhǔn)球上多處取點，可以測得球心的三維坐標(biāo)；圖像傳感器測得標(biāo)準(zhǔn)球的赤道圓可以解得球心二維坐標(biāo)；非接觸距離傳感器捕獲標(biāo)準(zhǔn)球的天頂極點，也可獲知球心二維坐標(biāo)。但是在精度要求較高時，如亞微米級的高精度復(fù)合測量中，如何將多個傳感器的不同坐標(biāo)系統(tǒng)一到同一個坐標(biāo)系下，上述傳統(tǒng)方法存在不足。以非接觸距離傳感器捕獲天頂極點為例，受距離傳感器分辨力限制，傳感器獲得極點，數(shù)值不再改變時，在X——Y平面上所對應(yīng)不是唯一的一個點，而是一個區(qū)域。再如，圖像傳感器在標(biāo)準(zhǔn)球赤道圓上采點時，對光源照明質(zhì)量提出很高要求。此外，球體加工需特殊工藝，當(dāng)需要與其它物體結(jié)合或再加工時都存在工藝難度。

在亞微米級復(fù)合測量中如何將多個傳感器的不同坐標(biāo)系高精度的統(tǒng)一到同一個坐標(biāo)系中，以實現(xiàn)測量機(jī)的高精度測量；如何解決傳統(tǒng)接觸式坐標(biāo)測量機(jī)所使用的標(biāo)準(zhǔn)球在多傳感器坐標(biāo)統(tǒng)一中的不適用性；如何檢定復(fù)合式測量機(jī)的測量精度，等等多個問題需要解決。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型所要解決的技術(shù)問題是，提供一種多傳感器測量機(jī)坐標(biāo)統(tǒng)一和精度檢定的標(biāo)準(zhǔn)器。

本實用新型所采用的技術(shù)方案是：一種多傳感器測量機(jī)坐標(biāo)統(tǒng)一和精度檢定的標(biāo)準(zhǔn)器，是用于集圖像傳感器、接觸式傳感器和非接觸位移傳感器為一體的復(fù)合式坐標(biāo)測量機(jī)的標(biāo)定，其特征在于，包括有底座和固定設(shè)置在底座上的2個以上結(jié)構(gòu)相同高度不同的標(biāo)定器。

本實用新型的多傳感器測量機(jī)坐標(biāo)統(tǒng)一和精度檢定的標(biāo)準(zhǔn)器，可實現(xiàn)接觸式傳感器、圖像傳感器、非接觸位移傳感器的兩兩坐標(biāo)統(tǒng)一或三者坐標(biāo)統(tǒng)一。以及測量機(jī)全局測量空間內(nèi)測量精度檢定，操作簡單方便，標(biāo)定效率高。本實用新型中的標(biāo)定器以圓柱基材、經(jīng)典車削工藝、由超精加工設(shè)備一次裝夾制成，工藝成熟；且可獲得圓度、圓柱度、同軸度、垂直度等誤差小于幾十納米級別的制件。圖像傳感器對錐臺頂圓一次成像，接觸式傳感器二維測圓，減少了多維運動帶入的影響。由2個以上所述的標(biāo)定器組成的標(biāo)準(zhǔn)器，適用于高精度復(fù)合測量機(jī)的全局測量空間或局部測量空間的精度檢定。

附圖說明

圖1是本實用新型多傳感器測量機(jī)坐標(biāo)統(tǒng)一和精度檢定的標(biāo)準(zhǔn)器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是圖1的俯視圖；

圖3是本實用新型中標(biāo)定器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是本實用新型中標(biāo)定器的側(cè)視圖；

圖5是圖4的俯視圖；

圖6是復(fù)合式坐標(biāo)測量機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7是本實用新型中標(biāo)定器標(biāo)定時的示意圖；

圖8是復(fù)合式坐標(biāo)測量機(jī)標(biāo)定XY方向的模型示意圖；

圖9是復(fù)合式坐標(biāo)測量機(jī)標(biāo)定Z方向的模型示意圖。

圖中

1：底座 2：標(biāo)定器

21：圓柱體 22：圓錐臺

3：復(fù)合式坐標(biāo)測量機(jī)機(jī)架 4：復(fù)合式坐標(biāo)測量機(jī)X軸

5：復(fù)合式坐標(biāo)測量機(jī)Z軸 6：工作臺(Y軸)

7：標(biāo)準(zhǔn)器 V：圖像傳感器

P：接觸式傳感器 L：非接觸位移傳感器

具體實施方式

下面結(jié)合實施例和附圖對本實用新型的多傳感器測量機(jī)坐標(biāo)統(tǒng)一和精度檢定的標(biāo)準(zhǔn)器做出詳細(xì)說明。

如圖1、圖2、圖6、圖7所示，本實用新型的多傳感器測量機(jī)坐標(biāo)統(tǒng)一和精度檢定的標(biāo)準(zhǔn)器，是用于集圖像傳感器、接觸式傳感器和非接觸位移傳感器為一體的復(fù)合式坐標(biāo)測量機(jī)的標(biāo)定和精度檢定，包括有底座1和固定設(shè)置在底座1上的2個以上結(jié)構(gòu)相同高度不同的標(biāo)定器2。如圖2中所示每兩個標(biāo)定器2的中心軸之間距離l為已知。每個標(biāo)定器2能夠單獨完成多傳感器的坐標(biāo)統(tǒng)一。

如圖3、圖4、圖5所示，所述的標(biāo)定器2包括圓柱體21，所述圓柱體21的上端面固定設(shè)置有圓錐臺22，所述圓錐臺22與所述圓柱體22同軸設(shè)置。其中：

如圖7所示，所述圓錐臺22上表面Zs的直徑lv小于復(fù)合式坐標(biāo)測量機(jī)上的圖像傳感器測量視場范圍。所述圓錐臺22的母線(斜面)Zm與圓柱體1上頂面Zx的夾角θ的大小在復(fù)合式坐標(biāo)測量機(jī)上的非接觸位移傳感器所能測量的角度范圍內(nèi)，或者圓錐臺22的上端面與下端面垂直距離h_l在在非接觸位移傳感器的測量范圍內(nèi)。

本實用新型的標(biāo)定器2由超精加工而成，精度優(yōu)于亞微米級。利用單個標(biāo)定器2完成圖像傳感器、接觸式傳感器和非接觸位移傳感器的坐標(biāo)統(tǒng)一。通過移動坐標(biāo)機(jī)的XYZ軸實現(xiàn)圖像傳感器、接觸式傳感器和非接觸位移傳感器對由多個標(biāo)定器2組成的標(biāo)準(zhǔn)器的水平、垂直距離的測量，完成復(fù)合測量機(jī)在測量空間內(nèi)的精度檢定。

本實用新型的使用多傳感器測量機(jī)坐標(biāo)統(tǒng)一和精度檢定的標(biāo)準(zhǔn)器的標(biāo)定方法，采用標(biāo)準(zhǔn)器中任意一個標(biāo)定器2對復(fù)合式坐標(biāo)測量機(jī)的多傳感器進(jìn)行坐標(biāo)統(tǒng)一標(biāo)定，所述的標(biāo)定包括如下步驟：

1)分別采用圖4中所示的圖像傳感器V、接觸式傳感器P和非接觸位移傳感器L對標(biāo)定器進(jìn)行測量，其中

圖像傳感器V的測量包括：

(1)對圖像傳感器V進(jìn)行調(diào)焦，調(diào)焦清晰后使標(biāo)定器的圓錐臺22上端面Zs整體處于圖像傳感器V的視場內(nèi)；

(2)通過圖像傳感器V獲取標(biāo)定器圓錐臺22上端面Zs的圓邊界；

(3)通過所述圓邊界得到圓錐臺22上端面的圓心V₀；

(4)將步驟(3)得到的圓心V₀作為圖像傳感器V在復(fù)合式坐標(biāo)測量機(jī)上的位置或坐標(biāo)。

此時的圓心V₀獲取是在圖像傳感器一次成像，復(fù)合式坐標(biāo)測量機(jī)無機(jī)械位移下完成，故不會出現(xiàn)機(jī)械運動誤差。

接觸式傳感器P的測量包括：

(1)使用接觸式傳感器P測量圓柱體21同一位置Ysc的截面圓周的多個點；

(2)提取截面的圓心P₀，所述圓心P₀作為接觸式傳感器P在復(fù)合式坐標(biāo)測量機(jī)上的位置或坐標(biāo)。

此時復(fù)合式坐標(biāo)測量機(jī)Z軸處于鎖定狀態(tài)，僅由X軸和Y軸的2維運動實現(xiàn)數(shù)據(jù)獲取，相比測取球心坐標(biāo)通常所需的3維運動，減少了機(jī)械運動誤差。

非接觸位移傳感器的標(biāo)定包括：

(1)使用非接觸位移傳感器L分別沿X方向和Y方向掃描圓錐臺22；

(2)根據(jù)掃描結(jié)果找出圓錐臺22的對稱中心或?qū)ΨQ軸作為圓錐臺22上端面的中心L₀；

(3)將圓錐臺22上端面的中心L₀作為非接觸位移傳感器L在復(fù)合式坐標(biāo)測量機(jī)上的位置或坐標(biāo)。

2)使用接觸式傳感器測量圓柱的頂面得到高度Zp；

3)使用非接觸位移傳感器測量圓錐臺22的上表面得到高度Z_l；

4)找出在同一坐標(biāo)系的XY平面下圖像傳感器的位置或坐標(biāo)點V₀、接觸式傳感器的位置點P₀和非接觸位移傳感器的位置點L₀之間的偏差值，以及圓柱21的上端面高度Zp與圓錐臺22的上端面高度Z_l之差，從而得到圖像傳感器、接觸式傳感器和非接觸位移傳感器的位置關(guān)系，完成圖像傳感器、接觸式傳感器和非接觸位移傳感器三者間的坐標(biāo)統(tǒng)一或標(biāo)定。

在同一坐標(biāo)系(其Z軸與標(biāo)定器的對稱軸平行)的XY平面下應(yīng)該是同一個點，但是，步驟1)采用本實用新型的標(biāo)定器2得到如圖8所示的圖像傳感器的位置點V₀、接觸式傳感器的位置點P₀和非接觸位移傳感器的位置點L₀之間的差值，找出三個位置點V₀、P₀和L₀之間的位置差△YVL、△YPV、△YPL、△XVP、△XPL、△XVL，由所述的差值得到圖像傳感器V、接觸式傳感器P和非接觸位移傳感器L三者之間的在xy平面的位置關(guān)系；得到如圖9所示的Z向坐標(biāo)之差△Z。

本實用新型的使用多傳感器測量機(jī)坐標(biāo)統(tǒng)一和精度檢定的標(biāo)準(zhǔn)器對復(fù)合式坐標(biāo)測量機(jī)的精度檢測方法，是對基于圖像傳感器、接觸式傳感器和非接觸位移傳感器的復(fù)合式坐標(biāo)測量機(jī)測量精度的檢測，其中：

基于圖像傳感器的測量精度檢測包括如下步驟：

1)將圖像傳感器V對準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)器中任意一個標(biāo)定器2的圓錐臺22上端面進(jìn)行調(diào)焦，調(diào)焦清晰后標(biāo)定器2的圓錐臺22上端面整體處于圖像傳感器V的視場內(nèi)；

2)通過圖像傳感器V獲取所述標(biāo)定器2的圓錐臺22上端面的圓邊界；

3)通過所述圓邊界得到所述標(biāo)定器2的圓錐臺22上端面的圓心；

4)重復(fù)步驟1)～步驟3)分別獲得標(biāo)準(zhǔn)器中其它標(biāo)定器的圓錐臺22的上端面的圓心；

5)求解每兩個標(biāo)定器2的圓錐臺22上端面之間的圓心中心距，并與所使用的標(biāo)準(zhǔn)器中相對應(yīng)的兩個標(biāo)定器2的圓錐臺22上端面之間的已知值求差得到差值，所述差值為基于圖像傳感器的復(fù)合式坐標(biāo)測量機(jī)的測量誤差。

基于接觸式傳感器的測量精度檢測包括如下步驟：

1)使用接觸式傳感器分別提取標(biāo)準(zhǔn)器中各標(biāo)定器2的圓柱體21在設(shè)定區(qū)域內(nèi)X、Y方向的圓心坐標(biāo)；

2)根據(jù)所得到的各標(biāo)定器2的圓心坐標(biāo)得到每兩個標(biāo)定器2之間的中心距；

3)將步驟2)所述的每兩個標(biāo)定器2之間的中心距與所使用的標(biāo)準(zhǔn)器中相對應(yīng)的兩個標(biāo)定器2之間中心距的已知值求差，得到差值，完成對基于接觸式傳感器的復(fù)合式坐標(biāo)測量機(jī)在設(shè)定區(qū)域內(nèi)X、Y方向的精度檢定；

4)使用接觸式傳感器分別測量在設(shè)定區(qū)域內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)器中各標(biāo)定器2的圓柱體21的頂面Z_X，得到各標(biāo)定器2的圓柱體21的高度測量值Zp；

5)將步驟4)得到的各標(biāo)定器2的圓柱體21的高度測量值Zp與標(biāo)準(zhǔn)器中各標(biāo)定器2的圓柱體21的頂面已知高度值求差，得到Z向測量誤差,完成了對基于接觸式傳感器的復(fù)合式坐標(biāo)測量機(jī)在設(shè)定區(qū)域Z方向的精度檢定。

基于非接觸位移傳感器的測量精度檢測包括如下步驟：

1)使用非接觸位移傳感器L分別測量標(biāo)準(zhǔn)器中各標(biāo)定器2的圓柱體21的頂面高度Z_X，得到各標(biāo)定器2的圓柱體21的高度測量值Z_l；

2)將步驟1)所得高度測量值Z_l與標(biāo)準(zhǔn)器中各標(biāo)定器2的圓柱體21已知高度值求差，所述差值為基于非接觸位移傳感器的復(fù)合式坐標(biāo)測量機(jī)Z方向測量誤差。

改變所述的標(biāo)準(zhǔn)器在復(fù)合式坐標(biāo)測量機(jī)測量空間中的位置，重復(fù)基于圖像傳感器的測量精度檢測的步驟、基于接觸式傳感器的測量精度檢測步驟和基于非接觸位移傳感器的測量精度檢測步驟，完成對復(fù)合式坐標(biāo)測量機(jī)不同局部空間的測量精度檢定。

對于標(biāo)準(zhǔn)器整體Z向位置變化是通過利用精度滿足要求的平行平面墊高所述的標(biāo)準(zhǔn)器實現(xiàn)，如利用量塊組實現(xiàn)。

由此可實現(xiàn)復(fù)合式測量機(jī)多傳感器坐標(biāo)統(tǒng)一和測量機(jī)測量空間內(nèi)的測量精度檢定。