CN104006786A - 曲面法矢测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种曲面法矢测量装置，包括：法兰基准面，安装于移动驱动装置；四个支架，安装在法兰基准面上；四个距离传感器，分别安装于四个支架，使各距离传感器的轴线垂直于法兰基准面且顶表面设置有测头点，检测工件曲面的距离。各距离传感器的测头点到法兰基准面的垂直投影点的连线构成菱形ABCD的四个顶点，使菱形ABCD的中心点O为工件曲面上待测点O’在法兰基准面上的投影；以菱形ABCD的中心点O为原点、菱形ABCD的对角线AC为X轴及X转轴、菱形ABCD的对角线BD为Y轴及Y转轴、菱形ABCD的中心点O与待测点O’之间的连线为Z轴建立XYZ三维测量坐标系；测得菱形ABCD四个顶点到工件曲面的垂直距离为h_A、h_B、h_C、h_D，AO＝CO＝R_Y、BO＝DO＝R_X；待测点O’的法矢绕X和Y转轴的偏角计算公式为： 。

Description

曲面法矢测量装置

技术领域

本发明涉及自动化装备及制造领域的测量装置，尤其涉及一种曲面法矢测量装置。

背景技术

在现代的自动化装备及制造中，尤其是大型装备中，对象经常是复杂的曲面。在复杂曲面的自动化加工、装配中，对曲面法矢的实时测量已经成为数字化加工和数字化装配中的关键问题。尤其在大型装备的自动化制孔中，其制孔数量庞大，包括制孔垂直度在内的制孔质量对大型装备的寿命起着至关重要的作用；对于大型装备外表面的铆接孔，制孔的垂直度还会影响装备件的曲面光滑度。如果没有法矢实时测量，仅根据数字模型的参数进行加工和装配，其生产柔性将大大受限；又由于实际零件与数字模型的外形偏差，将导致加工的质量缺陷，对疲劳寿命带来较大程度的影响。

发明内容

鉴于背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种曲面法矢测量装置，其能快速测量工件曲面上的待测点的法矢。

本发明的目的在于提供一种曲面法矢测量装置，其结构简单、安装方便。

为了实现上述目的，本发明提供了一种曲面法矢测量装置，其包括：法兰基准面，安装于移动驱动装置；四个支架，安装在法兰基准面上；四个距离传感器，分别安装于四个支架，使各距离传感器的轴线垂直于法兰基准面且顶表面设置有测头点，用于检测工件曲面的距离。其中，各距离传感器的测头点到法兰基准面的垂直投影点的连线构成菱形ABCD的四个顶点，且使菱形ABCD的中心点O为工件曲面上待测点O’在法兰基准面上的投影；以菱形ABCD的中心点O为原点、菱形ABCD的对角线AC为X轴及X转轴、菱形ABCD的对角线BD为Y轴及Y转轴、菱形ABCD的中心点O与待测点O’之间的连线为Z轴建立XYZ三维测量坐标系；通过距离传感器测得菱形ABCD的四个顶点到工件曲面的垂直距离分别为h_A、h_B、h_C、h_D，且AO＝CO＝R_Y、BO＝DO＝R_X；

工件曲面上待测点O’的法矢在测量坐标系中绕X转轴和Y转轴的偏角计算公式为：

${\mathrm{\α}}_X=\arctan \left(\frac{h_D-h_B}{2R_X}\right)$

${\mathrm{\α}}_Y=\arctan \left(\frac{h_C-h_A}{2R_Y}\right)$

当待测点O’位于工件曲面的边缘而导致只能测得h_A,h_B,h_C h_D中的三个时，则工件曲面上待测点O’的法矢在测量坐标系中绕X转轴和Y转轴的偏角计算公式为：

当缺乏h_A时， ${\mathrm{\α}}_X=\arctan \left(\frac{h_D-h_B}{2R_X}\right),{\mathrm{\α}}_Y=\arctan \left[\frac{{2h}_C-(h_B+h_D)}{{2R}_Y}\right]$

当缺乏h_B时， ${\mathrm{\α}}_X=\arctan \left[\frac{{2h}_C-(h_A+h_C)}{{2R}_X}\right],{\mathrm{\α}}_X=\arctan \left(\frac{h_C-h_A}{{2R}_Y}\right)$

当缺乏h_C时， ${\mathrm{\α}}_X=\arctan \left(\frac{h_D-h_B}{2R_X}\right),{\mathrm{\α}}_Y=\arctan \left[\frac{{(h_B+h_D)-2h}_A}{{2R}_Y}\right]$

当缺乏h_D时， ${\mathrm{\α}}_X=\arctan \left[\frac{(h_A+h_C)-{2h}_B}{{2R}_X}\right],{\mathrm{\α}}_Y=\arctan \left(\frac{h_C-h_A}{{2R}_Y}\right)$

本发明的有益效果如下：

本发明的曲面法矢测量装置利用四个距离传感器检测工件曲面的法矢，可以快速检测工件曲面的待测点的法矢，法矢偏角计算公式简单；对于工件曲面的边缘处，可以只通过其中三个距离传感器的数据计算工件曲面上待测点的法矢，为自动化装备和制造提供法矢校正的测量数据。此外，法兰基准面可快速安装于移动驱动装置，从而结构简单、安装方便。

附图说明

图1为根据本发明的曲面法矢测量装置的立体图；

图2为根据本发明的曲面法矢测量装置测量工件曲面上待测点的法矢的示意图；

图3为根据本发明的曲面法矢测量装置测量工件曲面上待测点的法矢的计算原理示意图。

其中，附图标记说明如下：

1法兰基准面           3距离传感器

11连接孔              31测头点

2支架                 4工件曲面

具体实施方式

下面参照附图来详细说明根据本发明的曲面法矢测量装置。

参照图1至图3，根据本发明的曲面法矢测量装置包括：法兰基准面1，安装于移动驱动装置(未示出)；四个支架2，安装在法兰基准面1上；四个距离传感器3，分别安装于四个支架2，使各距离传感器3的轴线垂直于法兰基准面1且顶表面设置有测头点31，用于检测工件曲面4的距离。

其中，各距离传感器3的测头点31到法兰基准面1的垂直投影点的连线构成菱形ABCD的四个顶点，且使菱形ABCD的中心点O为工件曲面4上待测点O’在法兰基准面1上的投影；

以菱形ABCD的中心点O为原点、菱形ABCD的对角线AC为X轴及X转轴、菱形ABCD的对角线BD为Y轴及Y转轴、菱形ABCD的中心点O与待测点O’之间的连线为Z轴建立XYZ三维测量坐标系；

通过距离传感器3测得菱形ABCD的四个顶点到工件曲面4的垂直距离分别为h_A、h_B、h_C、h_D，且AO＝CO＝R_Y、BO＝DO＝R_X；

当工件曲面4上待测点O’的法矢在测量坐标系中绕X转轴和Y转轴的偏角计算公式为：

${\mathrm{\α}}_X=\arctan \left(\frac{h_D-h_B}{2R_X}\right)$

${\mathrm{\α}}_Y=\arctan \left(\frac{h_C-h_A}{2R_Y}\right)$

当待测点O’位于工件曲面4的边缘而导致只能测得h_A,h_B,h_C h_D中的三个时，则工件曲面4上待测点O’的法矢在测量坐标系中绕X转轴和Y转轴的偏角计算公式为：

当缺乏h_A时， ${\mathrm{\α}}_X=\arctan \left(\frac{h_D-h_B}{2R_X}\right),{\mathrm{\α}}_Y=\arctan \left[\frac{{2h}_C-(h_B+h_D)}{{2R}_Y}\right]$

当缺乏h_B时， ${\mathrm{\α}}_X=\arctan \left[\frac{{2h}_C-(h_A+h_C)}{{2R}_X}\right],{\mathrm{\α}}_X=\arctan \left(\frac{h_C-h_A}{{2R}_Y}\right)$

当缺乏h_C时， ${\mathrm{\α}}_X=\arctan \left(\frac{h_D-h_B}{2R_X}\right),{\mathrm{\α}}_Y=\arctan \left[\frac{{(h_B+h_D)-2h}_A}{{2R}_Y}\right]$

当缺乏h_D时， ${\mathrm{\α}}_X=\arctan \left[\frac{(h_A+h_C)-{2h}_B}{{2R}_X}\right],{\mathrm{\α}}_Y=\arctan \left(\frac{h_C-h_A}{{2R}_Y}\right)$

具体地，参照图3，将待测点O’附近的菱形区域近似看做小平面，工件曲面4上待测点O’的法矢为O’G，待测点O’的法矢O’G在测量坐标系中的法矢偏角为α_X和α_Y。其中，在平面B B’D’D中，O’O为梯形B B’D’D的中位线，且D’H⊥B’B、O’F⊥B’D’，所以α_X＝∠B'D'H。在平面AA’C’C中，O’O为梯形AA’C’C的中位线，且O’E⊥A’C’、A’I⊥C’C，所以α_Y＝∠C'A'I。从而待测点O’的法矢O’G在测量坐标系中的法矢偏角α_X和α_Y可以由以下等式计算出：

${\mathrm{\α}}_X=\∠B^{\′}{D}^{\′}H=\arctan \left(\frac{h_D-h_B}{2R_X}\right)$

${\mathrm{\α}}_Y=\∠C^{\′}{A}^{\′}I=\arctan \left(\frac{h_C-h_A}{2R_Y}\right)$

在平面AA’C’C中，由于O’O为梯形AA’C’C的中位线，则h_A+h_C＝2O’O，在平面B B’D’D中，由于O’O为梯形B B’D’D的中位线，则h_B+h_D＝2O’O，所以h_A+h_C＝h_B+h_D，因此，当待测点O’位于工件曲面4的边缘而导致只能测得h_A,h_B,h_C h_D中的三个时，可以由测得的三个值计算出另外一个值，从而计算出工件曲面4上待测点O’的法矢在测量坐标系中绕X转轴和Y转轴的偏角。

本发明的曲面法矢测量装置利用四个距离传感器3检测工件曲面4的法矢，可以快速检测工件曲面4的待测点的法矢，法矢偏角计算公式简单；对于工件曲面4的边缘处，可以只通过其中三个距离传感器3的数据计算工件曲面4上待测点O’的法矢，为自动化装备和制造提供法矢校正的测量数据。此外，法兰基准面1可快速安装于移动驱动装置，结构简单、安装方便。

在根据本发明的曲面法矢测量装置的一实施例中，参照图1，法兰基准面1上可设有连接孔11，法兰基准面1通过连接孔11安装于移动驱动装置。在一实施例中，法兰基准面1通过连接孔11安装于移动驱动装置的末端。在另一实施例中，移动驱动装置为机器人、机械手或机床。

Claims (4)

1.一种曲面法矢测量装置，其特征在于，包括： 

法兰基准面(1)，安装于移动驱动装置； 

四个支架(2)，安装在法兰基准面(1)上； 

四个距离传感器(3)，分别安装于四个支架(2)，使各距离传感器(3)的轴线垂直于法兰基准面(1)且顶表面设置有测头点(31)，用于检测工件曲面(4)的距离； 

其中， 

各距离传感器(3)的测头点(31)到法兰基准面(1)的垂直投影点的连线构成菱形ABCD的四个顶点，且使菱形ABCD的中心点O为工件曲面(4)上待测点O’在法兰基准面(1)上的投影； 

以菱形ABCD的中心点O为原点、菱形ABCD的对角线AC为X轴及X转轴、菱形ABCD的对角线BD为Y轴及Y转轴、菱形ABCD的中心点O与待测点O’之间的连线为Z轴建立XYZ三维测量坐标系； 

通过距离传感器(3)测得菱形ABCD的四个顶点到工件曲面(4)的垂直距离分别为h_A、h_B、h_C、h_D，且AO＝CO＝R_Y、BO＝DO＝R_X； 

工件曲面(4)上待测点O’的法矢在测量坐标系中绕X转轴和Y转轴的偏角计算公式为： 

当待测点O’位于工件曲面(4)的边缘而导致只能测得h_A,h_B,h_C h_D中的三个时，则工件曲面(4)上待测点O’的法矢在测量坐标系中绕X转轴和Y转轴的偏角计算公式为： 

当缺乏h_A时，

当缺乏h_B时，

当缺乏h_C时，

当缺乏h_D时，。

2.根据权利要求1所述的曲面法矢测量装置，其特征在于，法兰基准面(1)上设有连接孔(11)，法兰基准面(1)通过连接孔(11)安装于移动驱动装置。 

3.根据权利要求2所述的曲面法矢测量装置，其特征在于，法兰基准面(1)通过连接孔(11)安装于移动驱动装置的末端。 

4.根据权利要求3所述的曲面法矢测量装置，其特征在于，移动驱动装置为机器人、机械手或机床。