CN106248000B - 零件孔轴线的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种零件孔轴线的测量方法，其包括步骤：S1，选取一个模拟轴，模拟轴的直径小于被测零件孔的直径；S2，在模拟轴上设立至少三个不共线的标志点，并采用三维视觉传感器对各标志点进行跟踪测量；S3，在模拟轴上建立标志点坐标系，标定出模拟轴的轴线方向与标志点坐标系之间的关系；S4，将选取的模拟轴逐渐装配到被测零件孔中，对于模拟轴插入被测零件孔中的任意深度d_i时，需要将模拟轴绕被测零件孔的轴线倾斜旋转至最大可允许的偏差角度θ_i，此时然后得到n组模拟轴最大可允许的偏差角度θ_i和对应的模拟轴2的轴线方向S5，基于步骤S4中得到的数据构建目标函数求出使目标函数最小时的最优解该方法操作方便、测量精度高、成本低。

Description

零件孔轴线的测量方法

技术领域

本发明涉及大型轴孔部件装配及测量领域，尤其涉及一种零件孔轴线的测量方法。

背景技术

目前，工业产品的整体质量要求越来越高，在大型设备制造中，装配质量的提升对于产品的整体质量至关重要。但是现有的人工装配方式，对工人的要求较高，且很难达到较高的装配精度要求。因此越来越多的自动化装配系统得到应用。

通过对已公开的文献、专利、工业产品的调研发现，工业应用中大型零部件的轴孔装配都需要事先测量得到孔的轴线方向，从而确定轴的目标位置。现有的对孔的轴线的测量，多是采用激光跟踪仪来完成。但是激光跟踪仪对于大型部件孔的轴线测量，还存在以下不足：(1)测量误差较大，由于大型部件体积大，且装配现场环境复杂，使得激光跟踪仪只有放置在较远的距离，才能完全测得轴和孔，而测量距离的增加，导致了激光跟踪仪测量精度的降低；(1)测量过程很不方便，大型部件往往结构复杂，且装配现场有各种工装型架，这些都很容易对激光跟踪仪的测量光线造成遮挡，从而给测量过程带来不便。

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零件孔轴线的测量方法，其操作方便、测量精度高、成本低。

为了实现上述目的，本发明提供了一种零件孔轴线的测量方法，其包括步骤：S1，选取一个需要装入被测零件孔中的模拟轴，且模拟轴的直径小于被测零件孔的直径，则模拟轴与被测零件孔之间的间隙记为σ；S2，在模拟轴上设立至少三个不共线的标志点，并采用三维视觉传感器对各标志点进行跟踪测量；S3，在模拟轴上建立标志点坐标系，标定出模拟轴的轴线方向与标志点坐标系之间的关系；S4，将选取的模拟轴逐渐装配到被测零件孔中，且在装配过程中，对于模拟轴插入被测零件孔中的任意深度d_i时，需要将模拟轴绕被测零件孔的轴线倾斜旋转至最大可允许的偏差角度θ_i，此时然后基于三维视觉传感器对标志点的实时跟踪测量，在传感器坐标系下，得到n组模拟轴最大可允许的偏差角度θ_i和对应的模拟轴2的轴线方向S5，基于步骤S4中得到的数据构建目标函数求出使目标函数最小时的最优解此时得到的即为被测零件孔的轴线方向。

本发明的有益效果如下：

在根据本发明的零件孔轴线的测量方法中，由于采用三维视觉传感器对模拟轴上的标志点进行实时跟踪测量，而不需要对整个被装配工件进行测量，测量距离近、精度高。在测量过程中，只需要知道模拟轴与被测零件孔的直径的差值σ，而不要求模拟轴与被测零件孔的高精度配合，从而使得模拟轴加工简单，成本低；只需要人工将模拟轴绕被测零件孔的轴线倾斜旋转至最大可允许的偏差角度θ_i，而不需要控制模拟轴的轴线与被测零件孔的轴线重合，方便人工操作。最后基于优化算法求解构建的目标函数，从而得到被测零件孔的轴线方向，求解方法简单、求解结果准确度高。此外，本发明的零件孔轴线的测量方法可应用于大型轴孔部件高精度装配领域。

附图说明

图1是根据本发明的零件孔轴线的测量方法的系统示意图；

图2是测量过程中模拟轴插入的深度与最大可允许的偏差角度之间的关系示意图；

图3是图2中圆圈部分的放大图。

其中，附图标记说明如下：

H被测零件孔

S模拟轴

T三维视觉传感器

1、2、3标志点编号

具体实施方式

下面参照附图来详细说明根据本发明的零件孔轴线的测量方法。

参照图1至图3，根据本发明的零件孔轴线的测量方法，其包括步骤：S1，选取一个需要装入被测零件孔H中的模拟轴S，且模拟轴S的直径小于被测零件孔H的直径，则模拟轴S与被测零件孔H之间的间隙记为σ；S2，在模拟轴S上设立至少三个不共线的标志点，并采用三维视觉传感器T对各标志点进行跟踪测量；S3，在模拟轴S上建立标志点坐标系，标定出模拟轴S的轴线方向与标志点坐标系之间的关系；S4，将选取的模拟轴S逐渐装配到被测零件孔H中，且在装配过程中，对于模拟轴S插入被测零件孔H中的任意深度d_i时，需要将模拟轴S绕被测零件孔H的轴线倾斜旋转至最大可允许的偏差角度θ_i，此时(这里由于θ_i很小，因此)，然后基于三维视觉传感器T对标志点的实时跟踪测量，在传感器坐标系下，得到n组模拟轴S最大可允许的偏差角度θ_i和对应的模拟轴S的轴线方向(对于n组中任意一组，都有)；S5，基于步骤S4中得到的数据构建目标函数求出使目标函数最小时的最优解此时得到的即为被测零件孔H的轴线方向。

在根据本发明的零件孔轴线的测量方法中，由于采用三维视觉传感器T对模拟轴S上的标志点进行实时跟踪测量，而不需要对整个被装配工件进行测量，测量距离近、精度高。在测量过程中，只需要知道模拟轴S与被测零件孔H的直径的差值σ，而不要求模拟轴S与被测零件孔H的高精度配合，从而使得模拟轴S加工简单，成本低；只需要人工将模拟轴S绕被测零件孔H的轴线倾斜旋转至最大可允许的偏差角度θ_i，而不需要控制模拟轴S的轴线与被测零件孔H的轴线重合，方便人工操作。最后基于优化算法求解构建的目标函数，从而得到被测零件孔H的轴线方向，求解方法简单、求解结果准确度高。此外，本发明的零件孔轴线的测量方法可应用于大型轴孔部件高精度装配领域。

根据本发明的零件孔轴线的测量方法，在步骤S3中，标志点坐标系的建立方法为：从所有标志点中选取不共线的三个标志点，分别编号为1、2、3，坐标分别为P1、P2、P3；令并将和叉乘得到 和叉乘得到设为标志点坐标系的X轴，为标志点坐标系的Z轴，为标志点坐标系的Y轴，标志点1为标志点坐标系的原点。

模拟轴S的轴线方向与标志点坐标系之间的关系的标定过程为：

首先，将模拟轴S沿其轴线方向运动N个位置，并用三维视觉传感器T跟踪测量标志点1，将标志点1的轨迹拟合成直线L，即得到模拟轴S的轴线在传感器坐标系下的位姿。

然后，在模拟轴S运动的N个位置中的任意一个位置，用三维视觉传感器T对三个标志点1、2、3分别进行测量，即得到由标志点1、2、3建立的标志点坐标系在传感器坐标系下的位姿。

接着，由于模拟轴S的轴线的位置由标志点1的坐标P1确定，模拟轴S的轴线的姿态由三个向量确定，从而可构建从标志点坐标系到传感器坐标系的转换关系为Y＝RX+T。进一步的，得到从传感器坐标系到标志点坐标系的转换关系X＝R^-1(Y-T)，其中Y为传感器坐标系下的坐标，X为标志点坐标系下的坐标，R是旋转矩阵，T是平移向量且T为标志点1的坐标P1。

最后，基于X＝R^-1(Y-T)，得到模拟轴S的轴线在标志点坐标系下的位姿为X＝R^-1(L-T)。由于模拟轴S沿其轴线运动，所以其在运动的N个位置时，其轴线在标志点坐标系下的姿态均相同，而在各位置之间是沿轴线平移关系，即R相同，T不同，因此模拟轴S的轴线方向在标志点坐标系下的位置可以简单表示为R^-1L。

根据本发明的零件孔轴线的测量方法，在步骤S4中，在传感器坐标系下，首先在模拟轴S的下表面与被测零件的上表面接触时(即模拟轴S即将插入被测零件孔H中)，利用三维视觉传感器T测量出任意一个标志点的坐标，此时模拟轴S插入的深度d₀＝0；然后，继续将模拟轴S插入被测零件孔H中，在插入的任意位置同时测量该标志点的坐标，从而得到模拟轴S插入的深度d_i(i＝1…n)与该标志点的坐标之间的关系。

根据本发明的零件孔轴线的测量方法，在一实施例中，在模拟轴S上仅设立三个不共线的标志点。

在根据本发明的零件孔轴线的测量方法中，在步骤S5中，对目标函数的最优解的求解过程为：

首先，将n组模拟轴S的轴线方向组成矩阵V_p，将n组模拟轴S最大可允许的偏差角度θ₁、θ₂、θ₃…θ_i组成矩阵θ。

然后，对矩阵V_p求伪逆，即得到被测零件孔H的轴线此时的就是目标函数M的最优解。

Claims (2)

1.一种零件孔轴线的测量方法，其特征在于，包括步骤：

S1，选取一个需要装入被测零件孔(H)中的模拟轴(S)，且模拟轴(S)的直径小于被测零件孔(H)的直径，则模拟轴(S)与被测零件孔(H)之间的间隙记为σ；

S2，在模拟轴(S)上设立至少三个不共线的标志点，并采用三维视觉传感器(T)对各标志点进行跟踪测量；

S3，在模拟轴(S)上建立标志点坐标系，标定出模拟轴(S)的轴线方向与标志点坐标系之间的关系；

S4，将选取的模拟轴(S)逐渐装配到被测零件孔(H)中，且在装配过程中，对于模拟轴(S)插入被测零件孔(H)中的任意深度d_i时，需要将模拟轴(S)绕被测零件孔(H)的轴线倾斜旋转至最大可允许的偏差角度θ_i，此时然后基于三维视觉传感器(T)对标志点的实时跟踪测量，在传感器坐标系下，得到n组模拟轴(S)最大可允许的偏差角度θ_i和对应的模拟轴(S)的轴线方向

S5，基于步骤S4中得到的数据构建目标函数求出使目标函数最小时的最优解此时得到的即为被测零件孔(H)的轴线方向；

其中，在步骤S3中，标志点坐标系的建立方法为：

从所有标志点中选取不共线的三个标志点，坐标分别为坐标P1、P2、P3，令并将和叉乘得到 和叉乘得到

设为标志点坐标系的X轴，为标志点坐标系的Z轴，为标志点坐标系的Y轴，坐标P1为标志点坐标系的原点；

模拟轴(S)的轴线方向与标志点坐标系之间的关系的标定过程为：

首先，将模拟轴(S)沿其轴线方向运动N个位置，并用三维视觉传感器(T)跟踪测量坐标P1，将坐标P1的轨迹拟合成直线L，即得到模拟轴(S)的轴线在传感器坐标系下的位姿；

然后，在模拟轴(S)运动的N个位置中的任意一个位置，用三维视觉传感器(T)对三个标志点分别进行测量，即得到由标志点建立的标志点坐标系在传感器坐标系下的位姿；

接着，由于模拟轴(S)的轴线的位置由坐标P1确定，模拟轴(S)的轴线的姿态由三个向量确定，从而可构建从标志点坐标系到传感器坐标系的转换关系为Y＝RX+T，进一步得到从传感器坐标系到标志点坐标系的转换关系X＝R^-1(Y-T)，其中Y为传感器坐标系下的坐标，X为标志点坐标系下的坐标，R是旋转矩阵，T是平移向量且T为坐标P1；

最后，基于X＝R^-1(Y-T)，得到模拟轴(S)的轴线在标志点坐标系下的位姿为X＝R^-1(L-T)。

2.根据权利要求1所述的零件孔轴线的测量方法，其特征在于，在步骤S5中，对目标函数的最优解的求解过程为：

首先，将n组模拟轴(S)的轴线方向组成矩阵V_p，将n组模拟轴(S)最大可允许的偏差角度θ₁、θ₂、θ₃…θ_i组成矩阵θ；

然后，对矩阵V_p求伪逆，即得到被测零件孔(H)的轴线此时的就是目标函数M的最优解。