CN105403145A

CN105403145A - 一种基于轮廓扫描的方形贴片精确定位方法

Info

Publication number: CN105403145A
Application number: CN201510731021.5A
Authority: CN
Inventors: 张开富; 谢欢欢; 程晖; 邹鹏; 刘平; 严小烨
Original assignee: Northwestern Polytechnical University
Current assignee: Northwestern Polytechnical University
Priority date: 2015-11-02
Filing date: 2015-11-02
Publication date: 2016-03-16
Anticipated expiration: 2035-11-02
Also published as: CN105403145B

Abstract

本发明提出一种基于轮廓扫描的方形贴片精确定位方法，利用轮廓测量系统、上位机以及机器人集成所形成的闭环系统，实时测量反馈待贴片区域边缘已有隔热片的位置信息，通过边界几何点自动计算目标点的实际空间位置，通过闭环系统迭代修正，保证机器人贴片定位点的位置精度。通过传感器定位，边缘陶瓷片扫描、自动计算修正偏差、机器人运动、传感器二次找正等过程，实现飞机壁板精确、快速贴片，保证飞机壁板的高装配精度要求，降低劳动强度。

Description

一种基于轮廓扫描的方形贴片精确定位方法

技术领域

本发明属于先进数字化装配领域，具体涉及一种基于轮廓扫描的方形贴片精确定位方法，用于在机器人贴片系统进行自动贴片装配时，自动根据贴片预装配位置周围的轮廓信息，精确找准飞机壁板上目标点的位置坐标，满足待贴片与临近隔热片的边距的精度要求，实现贴片的精确、快速装配。

背景技术

为了满足耐高温的技术要求，某些特殊用途的小型飞机需要在机身外围覆盖一层隔热片，而相邻隔热片间的间距是保证隔热质量的重要技术参数，其间隙必须严格满足精度需求。

机器人自动化设备技术是飞机柔性装配技术的重要应用和研究方向，其能够显著提高工作精度与贴片效率。而目前飞机壁板的隔热片的粘贴方式主要以人工手动完成，其定位、找正等过程，主要依靠手工划线和工人经验，精度和效率低、劳动强度大，无法满足设计要求。以工业机器人为基础的机器视觉系统，以其测量精度高、定位速度快、数据实时准确等特点，在自动化制孔、铣边等领域应用广泛。但是机器视觉系统存在的一个问题是为了满足精度要求，其识别范围相对较小，无法对较大零件实现一次性完整测量，造成使用上的局限性。而隔热片的形状是方形，其尺寸超出一般视觉系统的测量范围，不能实现对隔热片的一次全面测量。同时，隔热片在装配时与周围隔热片的间隙要求很高，因而需要寻求新的测量设备及方法，实现精确定位。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种基于轮廓扫描的方形贴片精确定位方法，用于飞机壁板的机器人自动贴片过程。本发明设计的自动边缘扫描定位方法，在贴片末端执行器的基础上利用轮廓测量仪获取边距，能在贴片区域的周边进行大范围扫描，全面可靠的获得贴片周边的几何数据信息，精确定位隔热片。

该方法利用轮廓测量系统、上位机以及机器人集成所形成的闭环系统，可以实时测量反馈待贴片区域边缘已有隔热片的位置信息，通过边界几何点自动计算目标点的实际空间位置，通过闭环系统迭代修正，保证机器人贴片定位点的位置精度。通过传感器定位，边缘陶瓷片扫描、自动计算修正偏差、机器人运动、传感器二次找正等过程，实现飞机壁板精确、快速贴片，保证飞机壁板的高装配精度要求，降低劳动强度。

本发明的技术方案为：

所述一种基于轮廓扫描的方形贴片精确定位方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：对工具坐标系与贴片定位点位置进行标定：

所述工具坐标系OXYZ的原点O为第一轮廓扫描仪运动导轨中心轴线与第二轮廓扫描仪运动导轨中心轴线的交点，工具坐标系OX轴沿第一轮廓扫描仪运动导轨中心轴线，工具坐标系OY轴沿第二轮廓扫描仪运动导轨中心轴线；

第一轮廓扫描仪和第二轮廓扫描仪安装在贴片机器人末端执行器上，第一轮廓扫描仪运动导轨中心轴线与第二轮廓扫描仪运动导轨中心轴线垂直相交；第一轮廓扫描仪运动导轨中心轴线平行于贴片机器人末端执行器抓取的贴片的一条边，第二轮廓扫描仪运动导轨中心轴线平行于贴片机器人末端执行器抓取的贴片的另一条边；

所述贴片定位点为贴片机器人末端执行器抓取的贴片的四个顶点中，最接近工具坐标系OXYZ原点的顶点；

测量贴片机器人末端执行器吸盘中心与第一轮廓扫描仪运动导轨中心轴线的距离L₂以及与第二轮廓扫描仪运动导轨中心轴线的距离L₁，得到贴片机器人末端执行器吸盘中心在工具坐标系下的坐标(L₁,L₂)；测量方形贴片的尺寸a和b，其中a为沿工具坐标系OX轴的尺寸，b为沿工具坐标系OY轴的尺寸；得到贴片定位点在工具坐标系下的坐标(X_c,Y_c)为：

\{\begin{matrix} X_{c} = L_{1} - \frac{a}{2} \\ Y_{c} = L_{2} - \frac{b}{2} \end{matrix};

步骤2：按照离线程序，驱动贴片机器人末端执行器运动到目标点理论位置；

步骤3：第一轮廓扫描仪沿工具坐标系OX轴运动，第二轮廓扫描仪沿工具坐标系OY轴运动，对待贴片区域的周边贴片边缘轮廓进行双向扫描，得到与定位点方位对应的周边贴片边缘轮廓顶点在工具坐标系下的坐标(X_C,Y_C)；

步骤4：根据装配要求的贴片边距偏置值(l₂,l₁)，得到工具坐标系下目标点的坐标(X_d,Y_d)为：

\{\begin{matrix} X_{d} = X_{C} + l_{2} \\ Y_{d} = Y_{C} + l_{1} \end{matrix};

步骤5：判断是否满足X_d2＜σ且Y_d2＜σ，σ为精度要求，若满足，则进入步骤6，否则根据工具坐标系与机器人全局坐标系转换矩阵，将坐标(X_d,Y_d)转换为机器人全局坐标系下的坐标偏置值(ΔX',ΔY',ΔZ')，并依据坐标偏置值(ΔX',ΔY',ΔZ')驱动机器人运动，然后返回步骤3；

步骤6：根据工具坐标系与机器人全局坐标系转换矩阵，将坐标(X_c,Y_c)转换为机器人全局坐标系下的坐标偏置值(ΔX,ΔY,ΔZ)，依据坐标偏置值(ΔX,ΔY,ΔZ)驱动机器人运动，实现定位点与目标点精确定位。

进一步的优选方案，所述一种基于轮廓扫描的方形贴片精确定位方法，其特征在于：步骤3中与定位点方位对应的周边贴片边缘轮廓顶点在工具坐标系下的坐标(X_C,Y_C)由和确定，其中为第二轮廓扫描仪扫描的周边贴片边缘轮廓与工具坐标系OY轴在装配面法向投影的平均距离，为第一轮廓扫描仪扫描的周边贴片边缘轮廓与工具坐标系OX轴在装配面法向投影的平均距离。

有益效果

本发明具有的优点如下：

1、轮廓扫描仪测量、运动机构与控制系统形成测量反馈与误差补偿的闭环系统，能够实时监测目标点坐标位置误差，保证贴片位置误差满足精度要求。

2、实现了贴片装配定位、程序修正和精确贴片，能够显著降低劳动强度，提高了工作效率。

本发明的附加方面和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：工具坐标系和定位点；

图3：贴片要求示意图；

图4：工具坐标系与定位点之间位置标定示意图；

图5：轮廓扫描仪扫描及测量点坐标计算示意图；

图6：边缘轮廓几何信息处理示意图。

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。

本实施例是针对长×宽×厚＝5000mm×1400mm×2mm带曲度的铝合金飞机壁板进行精确贴片，贴片边距为l1、l2精度均控制在1mm±0.08mm以内(如图3所示)。

本发明方法原理是轮廓扫描系统由分别沿工具坐标系X、Y向移动的第一轮廓扫描仪和第二轮廓扫描仪及其各自的导轨丝杠系统组成，扫描范围覆盖待贴片区域周边的区域。机器人首先按照离线程序，将工具坐标系定位到目标点；启动电机双向扫描程序，使轮廓扫描仪系统进行双向扫描，通过扫描到的测量点得到周边陶瓷片边缘轮廓在工具坐标系下的几何信息；根据装配的边距要求，得到目标点在工具坐标系下的坐标偏差；最后通过坐标转换，将工具坐标系下坐标偏差转换为机器人全局坐标系下的坐标偏差值，相应的数据将传送到机器人控制器中，驱动机器人运动，形成测量反馈与误差补偿闭环系统，直到偏差值达到边距的精度要求，从而保证隔热片装配的位置精度

具体步骤如下：

步骤1：对工具坐标系与贴片定位点位置进行标定：

所述工具坐标系OXYZ的原点O为第一轮廓扫描仪运动导轨中心轴线与第二轮廓扫描仪运动导轨中心轴线的交点，工具坐标系OX轴沿第一轮廓扫描仪运动导轨中心轴线，工具坐标系OY轴沿第二轮廓扫描仪运动导轨中心轴线；如图2所示。

第一轮廓扫描仪和第二轮廓扫描仪安装在贴片机器人末端执行器上，第一轮廓扫描仪运动导轨中心轴线与第二轮廓扫描仪运动导轨中心轴线垂直相交；第一轮廓扫描仪运动导轨中心轴线平行于贴片机器人末端执行器抓取的贴片的一条边，第二轮廓扫描仪运动导轨中心轴线平行于贴片机器人末端执行器抓取的贴片的另一条边；如图2所示。

所述贴片定位点为贴片机器人末端执行器抓取的贴片的四个顶点中，最接近工具坐标系OXYZ原点的顶点；如图2所示。定位点是末端执行器上贴片的参考点，将定位点贴合到目标点处实现贴片。

工具坐标系原点与定位点之间位置标定目的是标定出在机器人全局坐标系下两者的位置偏置。对某种尺寸的待贴隔热片进行标定时，首先以工具坐标系的XY平面作为标定的工具平面坐标系，标定出定位点的工具平面坐标；然后根据工具坐标系与机器人全局坐标系的转换矩阵，计算得到在机器人全局坐标系下工具坐标系原点与定位点位置的偏置值。

工具坐标系原点与定位点之间位置标定过程：

利用激光跟踪仪精确测量贴片机器人末端执行器吸盘中心与第一轮廓扫描仪运动导轨中心轴线的距离L₂以及与第二轮廓扫描仪运动导轨中心轴线的距离L₁，得到贴片机器人末端执行器吸盘中心在工具坐标系下的坐标(L₁,L₂)；测量方形贴片的尺寸a和b，其中a为沿工具坐标系OX轴的尺寸，b为沿工具坐标系OY轴的尺寸；得到贴片定位点在工具坐标系下的坐标(X_c,Y_c)，如图4所示：

\{\begin{matrix} X_{c} = L_{1} - \frac{a}{2} \\ Y_{c} = L_{2} - \frac{b}{2} \end{matrix} .

步骤2：按照离线程序，驱动贴片机器人末端执行器运动到目标点理论位置。

步骤3：第一轮廓扫描仪沿工具坐标系OX轴运动，第二轮廓扫描仪沿工具坐标系OY轴运动，对待贴片区域的周边贴片边缘轮廓进行双向扫描，得到与定位点方位对应的周边贴片边缘轮廓顶点在工具坐标系下的坐标(X_C,Y_C)。

与定位点方位对应的周边贴片边缘轮廓顶点在工具坐标系下的坐标(X_C,Y_C)由采用图像处理方式获得的和确定，其中为第二轮廓扫描仪扫描的周边贴片边缘轮廓与工具坐标系OY轴在装配面法向投影的平均距离，为第一轮廓扫描仪扫描的周边贴片边缘轮廓与工具坐标系OX轴在装配面法向投影的平均距离。

如图5所示，从第二轮廓扫描仪图像存储卡中存储的图像数据中，提取包含待贴片区域的周边贴片边缘轮廓点的5帧图像，读取图像数据，获得第二轮廓扫描仪扫描的周边贴片边缘轮廓与工具坐标系OY轴在装配面法向投影的距离x_ti，i＝1,2,3,4,5，得到平均值为从第一轮廓扫描仪图像存储卡中存储的图像数据中，提取包含待贴片区域的周边贴片边缘轮廓点的5帧图像，读取图像数据，获得第一轮廓扫描仪扫描的周边贴片边缘轮廓与工具坐标系OX轴在装配面法向投影的距离x_ti'，i＝1,2,3,4,5，得到平均值为在如图5所示的方位下，

\{\begin{matrix} X_{C} = - \overset{&OverBar;}{x} \\ Y_{C} = - \overset{&OverBar;}{x^{'}} \end{matrix} .

步骤4：根据装配要求的贴片边距偏置值(l₂,l₁)，得到工具坐标系下目标点的坐标(X_d,Y_d)，如图6所示：

\{\begin{matrix} X_{d} = X_{C} + l_{2} \\ Y_{d} = Y_{C} + l_{1} \end{matrix} .

步骤5：判断是否满足X_d2＜σ且Y_d2＜σ，σ为精度要求，取接近0的小值，本实施例取0.01mm，若满足，则进入步骤6，否则根据工具坐标系与机器人全局坐标系转换矩阵，将坐标(X_d,Y_d)转换为机器人全局坐标系下的坐标偏置值(ΔX',ΔY',ΔZ')，并依据坐标偏置值(ΔX',ΔY',ΔZ')驱动机器人运动，然后返回步骤3。实现将工具坐标系原点精确定位到目标点。

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

1.一种基于轮廓扫描的方形贴片精确定位方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：对工具坐标系与贴片定位点位置进行标定：

\{\begin{matrix} X_{c} = L_{1} - \frac{a}{2} \\ Y_{c} = L_{2} - \frac{b}{2} \end{matrix};

\{\begin{matrix} X_{d} = X_{C} + l_{2} \\ Y_{d} = Y_{C} + l_{1} \end{matrix};

2.根据权利要求1所述一种基于轮廓扫描的方形贴片精确定位方法，其特征在于：

步骤3中与定位点方位对应的周边贴片边缘轮廓顶点在工具坐标系下的坐标(X_C,Y_C)由和确定，其中为第二轮廓扫描仪扫描的周边贴片边缘轮廓与工具坐标系OY轴在装配面法向投影的平均距离，为第一轮廓扫描仪扫描的周边贴片边缘轮廓与工具坐标系OX轴在装配面法向投影的平均距离。