CN105222712A - 一种改进的大曲率半径曲面零件法向测量与调整方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种改进的大曲率半径曲面零件法向测量与调整方法，将四个传感器的安装方向改为向内倾斜锥度安装，从而缩小壁板上激光测量区域，采用位移传感器测量壁板曲面上四个点的距离，计算工具坐标系相对于壁板探测区域平面的偏差角度，然后驱动机器人末端相对于工具坐标系原点转动相应的角度，通过迭代调整满足精度要求。本方法依次调整两轴的角度误差，由于第一个轴的角度偏差调整后，传感器系统的坐标系相对于壁板平面相对位置发生变化，在调整第二个轴角度偏差之前，需再次采集测距信息，依据更新后的测距信息，进行第二轴与平面的偏差计算与调整控制。本发明能够提高大曲率曲面零件自动加工和装配的精度和质量。

Description

一种改进的大曲率半径曲面零件法向测量与调整方法

技术领域

本发明属于先进数字化装配领域，具体涉及一种改进的大曲率半径曲面零件法向测量与调整方法。用于在机器人及其末端执行器在智能装配(贴片、制孔)过程中，自动识别计算装配区域的法向信息，根据计算结果进行相应的机器人位姿调整，以便满足法向精度要求，为进一步的装配提供精度保障。

背景技术

曲面零件的自动加工和装配过程中，末端执行器需要在曲面的法向上进行制孔或贴片等操作。因此曲面零件自动加工前需要进行曲面的法向调整，使得加工进给方向与加工点的法向重合。法向调整的精度对加工质量和产品的使用寿命有很大的影响。因而，高效稳定的法向测量调整方法可以提高曲面零件自动加工的质量和效率。

目前，曲面零件法向的测量及调整主要采用手动调整法和传感器测量法。人工手动调整法调整效率低、精度差且调整质量也不稳定；传感器测量法是目前精度较高的测量方法。专利CN102768006A就属于传感器测量法，该专利基于四个平行安装的电涡流传感器，PLC数据采集及机器人控制技术，通过一定的算法可以测得曲面上待测区域的法向量，但是该方法在工程应用中存在一定的问题。该方法中传感器的安装平行于末端执行器进给方向，曲面上测量区域与电涡流传感器中心所在长方形区域大小相同，测量区域的尺寸比较大，同时由于测量区域近似处理为平面，用平面的法向代替局部曲面的法向，使存在曲率的测量范围内曲面几何信息失真。为了提高目标点处法向计算精度，需要缩小测量范围。本专利从结构设计方面入手，在结构上将四个传感器的安装方向改为向内倾斜锥度安装，从而缩小壁板上激光测量区域，用测量区域近似平面的法向可较准确的代替该处曲面目标点的法向，有效提高测量精度。

发明内容

为了解决现有方法因为传感器安装要求或末端设计问题导致的法向测量范围过大进而导致精度低的问题，本发明提供一种改进的大曲率半径曲面零件法向测量与调整方法，采用位移传感器测量壁板曲面上四个点的距离，计算法向误差，生成机器人的调整参数，控制系统依据参数改变机器人的姿态实现曲面法向的自动调整，从而提高大曲率曲面零件自动加工和装配的精度和质量。

本发明的技术方案为：

如图1所示，末端执行器上安装有A、B、C、D四个激光位移传感器，组成传感器系统，四个激光位移传感器向内倾斜锥度安装，使得激光照射区域小于激光传感器组成的矩形区域，传感器的安装位置及空间角度图中标明。末端执行器安装在机器人第六关节末端，在机器人的带动下，到达预设定的空间位置。此时开启传感器进行空间测距，根据四个传感器采集到的距离信息，计算传感器系统坐标系(工具坐标系)相对于壁板探测区域平面的偏差角度，即X、Y轴与平面的夹角σ、，然后驱动机器人末端相对于传感器坐标系原点转动相应的角度，通过迭代调整满足精度要求。本方法依次调整两轴的角度误差，由于第一个轴的角度偏差调整后，传感器系统的坐标系相对于壁板平面相对位置发生变化，在调整第二个轴角度偏差之前，需再次采集测距信息，依据更新后的测距信息，进行第二轴与平面的偏差计算与调整控制。整个方法的步骤如下：

步骤1：对末端执行器上四个激光位移传感器组成的传感器系统进行标定：四个激光位移传感器的测量中心组成一个矩形平面ABCD，测量矩形平面长度AD＝a和宽度AB＝b，并以矩形平面中心为工具坐标系OXYZ的原点，矩形平面为工具坐标系OXYZ的XY面，OX轴平行于矩形平面宽度方向，OY轴平行于矩形平面长度方向，工具坐标系OXYZ固连在末端执行器上；四个激光位移传感器向内倾斜锥度安装；A、D两点的激光在同一平面ε上，且该平面ε与OZ轴的夹角为α；B、C两点的激光在同一平面ζ上，且该平面ζ与OZ轴的夹角为α；A、B两点的激光在同一平面η上，且该平面η与OZ轴的夹角为β；C、D两点的激光在同一平面ξ上，且该平面ξ与OZ轴的夹角为β；

步骤2：控制末端执行器运动到预定工作位置；

步骤3：利用激光位移传感器测得激光位移传感器测量中心与工作面距离AA_x1、BB_x1、CC_x1、DD_x1；利用距离AA_x1、BB_x1、CC_x1、DD_x1计算OX轴与工作面上的局部平面γ的夹角σ₁，所述局部平面γ为四个激光位移传感器照射在工作面上的点A_x1、B_x1、C_x1、D_x1组成的面；

${\mathrm{\σ}}_1=\arctan \frac{(V_1{V}_2-V_3{V}_4)cos\mathrm{\α}}{V_1{V}_4-(V_3{V}_4+V_1{V}_2)sin\mathrm{\α}}$

$V_1{V}_2=\frac{({\mathrm{AA}}_{x1}+{\mathrm{DD}}_{x1})cos\mathrm{\β}}{2}$

$V_3{V}_4=\frac{({\mathrm{BB}}_{x1}+{\mathrm{CC}}_{x1})cos\mathrm{\β}}{2}$

V₁V₄＝b；

步骤4：判断夹角σ₁是否满足精度要求，若满足，则进入步骤5，如不满足，则调整末端执行器，使工具坐标系绕OY轴旋转角度σ₁，然后返回步骤3；

步骤5：利用激光位移传感器测得激光位移传感器测量中心与工作面距离AA_y1、BB_y1、CC_y1、DD_y1；利用距离AA_y1、BB_y1、CC_y1、DD_y1计算OY轴与工作面上的局部平面δ的夹角所述局部平面δ为四个激光位移传感器照射在工作面上的点A_y1、B_y1、C_y1、D_y1组成的面；

$V_5{V}_6=\frac{({\mathrm{AA}}_{y1}+{\mathrm{BB}}_{y1})cos\mathrm{\α}}{2}$

$V_7{V}_8=\frac{({\mathrm{DD}}_{y1}+{\mathrm{CC}}_{y1})cos\mathrm{\α}}{2}$

V₅V₈＝a

步骤6：判断夹角是否满足精度要求，若满足，调整结束，如不满足，则调整末端执行器，使工具坐标系绕OX轴旋转角度然后返回步骤5。

有益效果

本发明相比与现有技术，具有以下优点：

1)采用机器人作为法向调整的运动机构，增加了操作空间的开敞性，提高了法向调整的灵活性。

2)将激光位移传感器与机器人控制系统通过PLC集成，使得该发明具有良好的软件和硬件扩展性。在机器人端部的测量头上添加设备并与PLC相连，可以方便的扩展设备的功能。

3)四个激光位移传感器向内倾斜锥度安装，使得激光照射区域小于激光传感器组成的矩形区域，在结构设计上巧妙的提高了测量区域的法向找准精度，避免测量范围过大而导致的曲面壁板探测区域几何信息失真。

本发明优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1贴片应用示意图；

图2末端执行器示意图；

图3激光传感器系统及工具坐标系；

图4激光位移传感器工作原理示意图；

图5末端执行器ZOX平面示意图；

图6末端执行器ZOY平面示意图；

图7工具坐标系X轴与平面γ角度偏差σ；

图8V₁V₂、V₃V₄求解过程；

图9工具坐标系Y轴与平面γ角度偏差

图10V₅V₆、V₇V₈求解过程。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

本实施例要解决现有技术因为传感器安装要求或末端设计问题导致的法向测量范围过大进而导致精度低的问题。如图1所示，末端执行器上安装有A、B、C、D四个激光位移传感器，组成传感器系统，四个激光位移传感器向内倾斜锥度安装，使得激光照射区域小于激光传感器组成的矩形区域，传感器的安装位置及空间角度图中标明。末端执行器安装在机器人第六关节末端，在机器人的带动下，到达预设定的空间位置。此时开启传感器进行空间测距，根据四个传感器采集到的距离信息，计算传感器系统坐标系(工具坐标系)相对于壁板探测区域平面的偏差角度，即X、Y轴与平面的夹角σ、然后驱动机器人末端相对于传感器坐标系原点转动相应的角度，通过迭代调整满足精度要求。本方法依次调整两轴的角度误差，由于第一个轴的角度偏差调整后，传感器系统的坐标系相对于壁板平面相对位置发生变化，在调整第二个轴角度偏差之前，需再次采集测距信息，依据更新后的测距信息，进行第二轴与平面的偏差计算与调整控制。

本实施例用于具有大曲率半径曲面的零件自动贴片装配过程，在贴片前，通过位移传感器、机器人和控制系统的配合，实现零件法向的测量和自动调整。

整个方法的步骤如下：

步骤1：传感器系统标定及工具坐标系建立：

由于传感器坐标系统相对于壁板平面的角度偏差计算涉及传感器系统的结构尺寸，需要进行相关尺寸标定。四个传感器的测量中心组成一个矩形平面，通过激光干涉仪精确测量传感器中心间距，标定矩形长、宽尺寸，在传感器系统中心建立工具坐标系，以此作为机器人系统的执行点。

即：对末端执行器上四个激光位移传感器组成的传感器系统进行标定：四个激光位移传感器的测量中心组成一个矩形平面ABCD，通过激光干涉仪精确测量矩形平面长度AD＝a和宽度AB＝b，并以矩形平面中心为工具坐标系OXYZ的原点，矩形平面为工具坐标系OXYZ的XY面，OX轴平行于矩形平面宽度方向，OY轴平行于矩形平面长度方向，工具坐标系OXYZ固连在末端执行器上。通过机器人全局坐标系与第六关节坐标系的转换矩阵，以及第六关节坐标系与工具坐标系的转换矩阵，来自动计算工具坐标系下坐标值与机器人第六关节在机器人全局坐标系下的坐标关系，从而控制机器人六关节的姿态调整，相关的坐标系转换矩阵算法在机器人内部设定。

四个激光位移传感器向内倾斜锥度安装；A、D两点的激光在同一平面ε上，且该平面ε与OZ轴的夹角为α；B、C两点的激光在同一平面ζ上，且该平面ζ与OZ轴的夹角为α；A、B两点的激光在同一平面η上，且该平面η与OZ轴的夹角为β；C、D两点的激光在同一平面ξ上，且该平面ξ与OZ轴的夹角为β。

步骤2：机器人按照离线程序控制末端执行器运动到预定工作位置；

步骤3：开启激光位移传感器，以一定的脉冲频率采集传感器与壁板间距离数据。通过PLC把激光位移传感器采集的电压信号传输给控制系统，控制系统将电压值转换为位移值，从而得到四个激光位移传感器与壁板的距离。

即：利用激光位移传感器测得激光位移传感器测量中心与工作面距离AA_x1、BB_x1、CC_x1、DD_x1。

由于激光位移传感器系统向内倾斜锥度安装，使得测量区域十分小，这样的优势在于可以将四个照射点组成的区域近似于一个局部平面。要实现工具坐标系的OZ轴与局部平面的法向平行，就要实现工具坐标OXY平面与局部平面平行，因此本方法中依次调整工具坐标系的OX、OY轴，实现其与局部平面平行。首先进行工具坐标系OX轴的调整。利用距离AA_x1、BB_x1、CC_x1、DD_x1计算OX轴与工作面上的局部平面γ的夹角σ₁，所述局部平面γ为四个激光位移传感器照射在工作面上的点A_x1、B_x1、C_x1、D_x1组成的面；

${\mathrm{\σ}}_1=\arctan \frac{(V_1{V}_2-V_3{V}_4)cos\mathrm{\α}}{V_1{V}_4-(V_3{V}_4+V_1{V}_2)sin\mathrm{\α}}$

$V_1{V}_2=\frac{({\mathrm{AA}}_{x1}+{\mathrm{DD}}_{x1})cos\mathrm{\β}}{2}$

$V_3{V}_4=\frac{({\mathrm{BB}}_{x1}+{\mathrm{CC}}_{x1})cos\mathrm{\β}}{2}$

V₁V₄＝b。

步骤4：判断夹角σ₁是否满足精度要求，若满足，则进入步骤5，如不满足，则调整末端执行器，使工具坐标系绕OY轴旋转角度σ₁，然后返回步骤3；经过“调整—采集—计算—调整”迭代过程，将角度偏差控制在要求的精度范围，此时认为末端执行器工具坐标系OX轴与局部平面平行。

步骤5：利用激光位移传感器测得激光位移传感器测量中心与工作面距离AA_y1、BB_y1、CC_y1、DD_y1；利用距离AA_y1、BB_y1、CC_y1、DD_y1计算OY轴与工作面上的局部平面δ的夹角所述局部平面δ为四个激光位移传感器照射在工作面上的点A_y1、B_y1、C_y1、D_y1组成的面；

$V_5{V}_6=\frac{({\mathrm{AA}}_{y1}+{\mathrm{BB}}_{y1})cos\mathrm{\α}}{2}$

$V_7{V}_8=\frac{({\mathrm{DD}}_{y1}+{\mathrm{CC}}_{y1})cos\mathrm{\α}}{2}$

V₅V₈＝a

步骤6：判断夹角是否满足精度要求，若满足，调整结束，如不满足，则调整末端执行器，使工具坐标系绕OX轴旋转角度然后返回步骤5。经过“调整—采集—计算—调整”迭代过程，将角度偏差控制在要求的精度范围，使末端执行器工具坐标系OY轴看作与局部平面平行。此时工具坐标系的XY平面与局部平面平行，此时工具坐标系的OZ轴方向即为曲面的测量区域的法向。

在完成上述法向测量与调整过程后，就可以进行下一步贴片工作。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (1)

1.一种改进的大曲率半径曲面零件法向测量与调整方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：对末端执行器上四个激光位移传感器组成的传感器系统进行标定：四个激光位移传感器的测量中心组成一个矩形平面ABCD，测量矩形平面长度AD＝a和宽度AB＝b，并以矩形平面中心为工具坐标系OXYZ的原点，矩形平面为工具坐标系OXYZ的XY面，OX轴平行于矩形平面宽度方向，OY轴平行于矩形平面长度方向，工具坐标系OXYZ固连在末端执行器上；四个激光位移传感器向内倾斜锥度安装；A、D两点的激光在同一平面ε上，且该平面ε与OZ轴的夹角为α；B、C两点的激光在同一平面ζ上，且该平面ζ与OZ轴的夹角为α；A、B两点的激光在同一平面η上，且该平面η与OZ轴的夹角为β；C、D两点的激光在同一平面ξ上，且该平面ξ与OZ轴的夹角为β；

步骤2：控制末端执行器运动到预定工作位置；

步骤3：利用激光位移传感器测得激光位移传感器测量中心与工作面距离AA_x1、BB_x1、CC_x1、DD_x1；利用距离AA_x1、BB_x1、CC_x1、DD_x1计算OX轴与工作面上的局部平面γ的夹角σ₁，所述局部平面γ为四个激光位移传感器照射在工作面上的点A_x1、B_x1、C_x1、D_x1组成的面；

${\mathrm{\σ}}_1=\arctan \frac{(V_1{V}_2-V_3{V}_4)cos\mathrm{\α}}{V_1{V}_4-(V_3{V}_4+V_1{V}_2)sin\mathrm{\α}}$

$V_1{V}_2=\frac{({\mathrm{AA}}_{x1}+{\mathrm{DD}}_{x1})cos\mathrm{\β}}{2}$

$V_3{V}_4=\frac{({\mathrm{BB}}_{x1}+{\mathrm{CC}}_{x1})cos\mathrm{\β}}{2}$

V₁V₄＝b；

步骤4：判断夹角σ₁是否满足精度要求，若满足，则进入步骤5，如不满足，则调整末端执行器，使工具坐标系绕OY轴旋转角度σ₁，然后返回步骤3；

步骤5：利用激光位移传感器测得激光位移传感器测量中心与工作面距离AA_y1、BB_y1、CC_y1、DD_y1；利用距离AA_y1、BB_y1、CC_y1、DD_y1计算OY轴与工作面上的局部平面δ的夹角φ₁，所述局部平面δ为四个激光位移传感器照射在工作面上的点A_y1、B_y1、C_y1、D_y1组成的面；

$V_5{V}_6=\frac{({\mathrm{AA}}_{y1}+{\mathrm{BB}}_{y1})cos\mathrm{\α}}{2}$

$V_7{V}_8=\frac{({\mathrm{DD}}_{y1}+{\mathrm{CC}}_{y1})cos\mathrm{\α}}{2}$

V₅V₈＝a

步骤6：判断夹角是否满足精度要求，若满足，调整结束，如不满足，则调整末端执行器，使工具坐标系绕OX轴旋转角度然后返回步骤5。