CN103292694A - 一种基于光电编码器的汽车车身及底盘三维数据测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的就是解决当前机械式及电子式测量方法存在的使用不便，提供一种基于光电编码器的汽车车身及底盘三维数据测量方法，以提高使用的方便性及测量效率。为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种基于光电编码器的汽车车身及底盘三维数据测量的方法，其特征在于：由多关节相连组成的测量臂，其中关节（1）、关节（2）、关节（3）、关节（4）在同一平面内，关节（4）与关节（3）垂直，关节（5）在与关节（4）垂直的平面内旋转，关节（6）在与关节（5）垂直的平面内旋转；关节旋转轴内分别嵌入光电编码器来测量各关节的旋转角度；通过角度测量及坐标标定及转换计算，可测量汽车车身及底盘任一测量点的三维数据。

Description

一种基于光电编码器的汽车车身及底盘三维数据测量方法

技术领域

本发明涉及一种汽车车身及底盘三维数据测量方法，特别涉及一种基于光电编码器的汽车车身及底盘三维数据测量方法。

背景技术

汽车在钣金整形维修中，经常需要把汽车车身及底盘上的工艺孔、安装孔等作为测量点进行三维数据的测量，并将测量数据与标准数据进行比较，诊断汽车车身及底盘碰撞变形的损坏情况及修复效果。

目前汽车车身及底盘三维数据测量方法有机械式和电子式。机械式测量方法采用各型机械测尺，测量误差大，数据查询不便，测量效率低；电子式测量方法包括超声波方法测量、激光方法测量等，采用这些测量方法的设备虽测量精度较高，但价格昂贵、性价比低、操作复杂，测量点在测量前必须先进行确认才能测量，设备移动也较困难，使用不方便。

发明内容

本发明的目的就是解决当前机械式及电子式测量方法存在的使用不便，提供一种新的基于光电编码器的汽车车身及底盘三维数据测量方法，以提高使用的方便性及测量效率。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于光电编码器的汽车车身及底盘三维数据测量方法，其特征在于：由多关节相连组成的测量臂，其中关节1、关节2、关节3、关节4在同一平面内，关节4与关节3垂直，关节5在与关节4垂直的平面内旋转，关节6在与关节5垂直的平面内旋转；关节旋转轴内分别嵌入光电编码器来测量各关节的旋转角度；通过各关节测量臂的旋转及连接的测量附件，可接触汽车车身及底盘的任一测量点；通过角度测量及坐标标定及转换计算，可测量汽车车身及底盘任一测量点的三维数据。

具体方法是：本发明的系统组成包括多关节测量臂和光电编码器等。

1、多关节测量臂由6段关节组成，分别为关节1、关节2、关节3、关节4、关节5和关节6；除关节4外在其余各关节的旋转轴内都嵌入光电编码器。其中关节1、关节2、关节3、关节4在同一平面内旋转，关节4与关节3垂直，关节5在与关节4垂直的平面内旋转，关节6在与关节5垂直的平面内旋转。

以关节1旋转轴的中心点为坐标原点建立空间直角坐标系ＯＸＹＺ，根据各关节的长度及相互之间的旋转角度，利用空间几何知识，求出关节6的末端对应的测量点G的三维坐标G_x、G_y、G_z；

2、选取完好的测量点为标定点，通过其测量数据与标准数据的标定计算求出空间坐标的变换参数：

设有两空间直角坐标系分别为Ｏ_ＴＸ_ＴＹ_ＴＺ_Ｔ与ＯＸＹＺ，先将坐标系原点平移后，再通过3次旋转完成空间坐标系转换；其中ΔX、ΔY和ΔZ为3个平移参数，ε_ｘ、ε_ｙ、ε_ｚ为3个旋转角度，可用公式（1）描述；其中X_T、Y_T、Z_T是在Ｏ_ＴＸ_ＴＹ_ＴＺ_Ｔ坐标系的三维坐标，X、Y、Z是在ＯＸＹＺ坐标系的三维坐标，Ｒ（ε）是旋转矩阵。

$\left(\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\end{array}\right)=R\left(\mathrm{\ϵ}\right)\left(\begin{array}{c}{X}_T\\ Y_T\\ Z_T\end{array}\right)+\left(\begin{array}{c}\mathrm{\ΔX}\\ \mathrm{\ΔY}\\ \mathrm{\ΔZ}\end{array}\right)$ 公式（1）

式中，Ｒ（ε）＝Ｒ（ε_ｘ）Ｒ（ε_ｙ）Ｒ（ε_ｚ）

标定时选取至少3个完好无损的测量点作为基准点，利用在ＯＸＹＺ坐标系的标准值及在Ｏ_ＴＸ_ＴＹ_ＴＺ_Ｔ坐标系的测量值可求出ΔX、ΔY、ΔZ及3个参数ε_ｘ、ε_ｙ、ε_ｚ的值。

标定完成后，ΔX、ΔY、ΔZ及ε_ｘ、ε_ｙ、ε_ｚ已求出，将G点的三维坐标G_x、G_y、G_z代入公式（1）计算出G点的测量值。

如权利要求1所述的基于光电编码器的汽车车身及底盘三维数据测量的方法，其特征在于：在测量臂固定底座内嵌入导电滑环，以保证多关节组成的测量臂在旋转平面内可旋转任意角度。

本发明的特点是，多关节组成的测量臂旋转灵活，底座内嵌入导电滑环，测量臂可任意角度旋转，可测量车身及底盘的任意测量点；内嵌光电编码器数据测量精确；可方便高效地进行汽车车身及底盘三维数据的测量。

附图说明

图1为本发明原理示意图；

图2为坐标转换示意图。

具体实施方式

参见本发明原理示意图1，关节式测量臂由6段关节组成，AB段为关节1、BC段为关节2、CD段为关节3、DE段为关节4、EF段为关节5、FG段为关节6。测量臂通过座固定在可移动的机柜上，底座固定在A点。关节1的旋转点为A，关节2的旋转点为B，关节3的旋转点为C，关节4的旋转点为D，关节5的旋转点为E，关节6的旋转点为F；在关节旋转点A、B、C、E、F处分别嵌入光电编码器。

关节1、关节2、关节3、关节4在ABCD平面内旋转，关节4与关节3垂直，关节5在与关节4垂直的平面EFH内旋转，关节6在与关节5垂直的平面GFI内旋转。

设关节1至关节6的长度分别为L1、L2、L3、L4、L5、L6；设关节1与空间坐标Y轴正方向的夹角为α；关节2与关节1延长线的夹角为β；关节3与关节2延长线的夹角为γ；关节4与关节3延长线垂直；关节5的旋转平面与关节4垂直，其与ABCD平面之间的夹角为δ；关节6的旋转平面与关节5垂直，其与DEF平面之间的夹角为ε。

以关节1旋转轴的中心点A为坐标原点建立空间直角坐标系ＯＸＹＺ，则关节6的末端对应的测量点G的三维坐标G_x、G_y、G_z分别为：

G_x=L₁*sinα+L₂*sin(α+β)+L₃*sin(α+β+γ)+L₄*cos(α+β+γ)+L₅*cosδ*sin(α+β+γ)+L₆*cosε*cos(α+β+γ)

G_y=L₁*cosα+L₂*cosα+β+L₃*cos(α+β+γ)-L₄*sin(α+β+γ)+L₅*cosδ*cos(α+β+γ)－L₆*cosε*sin(α+β+γ)G_z=L₅*sinδ+L₆*sinε*cosδ      公式（2）

2、选取完好的测量点为标定点，通过其测量数据与标准数据的标定计算求出空间坐标的变换参数选取测量完好无损的测量点，通过其数据标定求出空间坐标变换参数：

参见坐标转换示意图2，设有两空间直角坐标系Ｏ_ＴＸ_ＴＹ_ＴＺ_Ｔ与ＯＸＹＺ，在坐标系转换过程中，先将坐标系原点Ｏ_Ｔ先后沿Ｘ、Ｙ、Ｚ方向平移至另一坐标系原点Ｏ，将具有相同原点的两坐标系通过3次旋转完成空间坐标系转换；转换参数分别是3个平移参数Δｘ、Δｙ和Δｚ，3个旋转参数ε_ｘ、ε_ｙ、ε_ｚ；可用公式（3）、公式（4）、公式（5）、公式（6）、公式（7）描述，其中X_T、Y_T和Z_T是在Ｏ_ＴＸ_ＴＹ_ＴＺ_Ｔ坐标系的三维坐标，X、Y、Z是在ＯＸＹＺ坐标系的三维坐标，Ｒ（ε）是旋转矩阵。

$\left(\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\end{array}\right)=R\left(\mathrm{\ϵ}\right)\left(\begin{array}{c}{X}_T\\ Y_T\\ Z_T\end{array}\right)+\left(\begin{array}{c}\mathrm{\ΔX}\\ \mathrm{\ΔY}\\ \mathrm{\ΔZ}\end{array}\right)$ 公式（3）

式中，Ｒ（ε）＝Ｒ（ε_ｘ）Ｒ（ε_ｙ）Ｒ（ε_ｚ）公式（4）

在XY平面的坐标变换为:

$R\left({\mathrm{\ϵ}}_z\right)=\left(\begin{array}{ccc}{\cos \mathrm{\ϵ}}_z& \sin {\mathrm{\ϵ}}_z& 0\\ -\sin {\mathrm{\ϵ}}_z& \cos {\mathrm{\ϵ}}_z& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right)$ 公式（5）

在YZ平面的坐标变换为:

$R\left({\mathrm{\ϵ}}_x\right)=\left(\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos {\mathrm{\ϵ}}_x& {\sin \mathrm{\ϵ}}_x\\ 0& -\sin {\mathrm{\ϵ}}_x& \cos {\mathrm{\ϵ}}_x\end{array}\right)$ 公式（6）

在ZX平面的坐标变换为:

$R\left({\mathrm{\ϵ}}_y\right)=\left(\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos {\mathrm{\ϵ}}_y& {\sin \mathrm{\ϵ}}_y\\ 0& -\sin {\mathrm{\ϵ}}_y& \cos {\mathrm{\ϵ}}_y\end{array}\right)$ 公式（7）

标定时选取至少3个完好无损的测量点作为基准点，利用在ＯＸＹＺ坐标系的标准值及在Ｏ_ＴＸ_ＴＹ_ＴＺ_Ｔ坐标系的测量值可求出ΔX、ΔY、ΔZ及3个参数ε_ｘ、ε_ｙ、ε_ｚ的值。

标定完成后，ΔX、ΔY、ΔZ及ε_ｘ、ε_ｙ、ε_ｚ已求出，代入公式（4）可求出Ｒ（ε），可将公式（2）计算的测量点的坐标代入公式（3）计算出测量点G的测量值。

本发明在应用中，多关节组成的测量臂旋转灵活，固定底座内嵌入导电滑环使测量臂可任意角度旋转，可测量车身及底盘任意测量点；内嵌光电编码器数据测量精确；进行汽车车身及底盘三维数据测量时操作方法简单，可靠性高，测量效率高。

Claims (2)

1.一种基于光电编码器的汽车车身及底盘三维数据测量方法，其特征在于：由多关节相连组成的测量臂，其中关节（1）、关节（2）、关节（3）、关节（4）在同一平面内，关节（4）与关节（3）垂直，关节（5）在与关节（4）垂直的平面内旋转，关节（6）在与关节（5）垂直的平面内旋转；关节旋转轴内分别嵌入光电编码器来测量各关节的旋转角度；通过各关节测量臂的旋转及连接的测量附件，可接触汽车车身及底盘的任一测量点；通过角度测量及坐标标定及转换计算，可测量汽车车身及底盘任一测量点的三维数据。

2.如权利要求1所述的基于光电编码器的汽车车身及底盘三维数据测量方法，其特征在于：旋转底座内嵌入导电滑环，以保证多关节组成的测量臂可在旋转平面内可连续旋转任意角度。

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