CN107957234A - 一种测量自由曲面任意点处法向矢量的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量自由曲面任意点处法向矢量的装置，包括纵向驱动装置、纵向导轨、固定机架、制孔装置、纵向滑台、横向驱动装置、旋转气缸、线激光传感器、横向滑台和横向导轨，所述固定机架的顶端固定连接有纵向驱动装置，所述固定机架内固定连接有纵向导轨，所述纵向导轨上滑动连接有相匹配的纵向滑台，所述纵向滑台的底端安装有制孔装置，所述纵向驱动装置的输出端与纵向滑台的顶端固定连接，所述固定机架的底端固定连接有横向导轨，所述固定机架的底端右侧固定连接有横向驱动装置。本发明省去了曲面拟合的复杂过程，可解决目前主流的矩形面片法在待测点附近有横梁或台阶等干扰因素时，对法矢测量精度的影响问题。

Description

一种测量自由曲面任意点处法向矢量的方法及装置

技术领域

本发明涉及光学测量技术领域，尤其涉及一种测量自由曲面任意点处法向矢量的方法及装置。

背景技术

机器人自动钻铆技术依托机器人的高度柔性成为飞机大部件自动钻铆技术的研究热点。在机器人自动钻铆系统中，柔性制孔是对薄壁结构柔性钻铆的重要环节，铆接点孔位的垂直度直接影响到壁板铆接质量，在飞机、高速列车等蒙皮、壁板曲度高度复杂的应用领域，对柔性制孔的法向找正提出了很高的要求。由于蒙皮多采用铆接结构，钻孔法向精度超差导致的孔质量缺陷直接影响蒙皮的气动外形及部件结构的安全性能。飞机蒙皮一般很薄，并具有复杂的曲度，孔的法线方向随曲面外形变化而变化，钻孔时，法线偏差对孔的质量有明显的影响，法线偏差要求小于0.5º，如果铆钉孔中心线与蒙皮曲面法线夹角过大，将会导致铆钉不能垂直打入蒙皮，破坏蒙皮表面光滑度，并使连接件在连接处受力不均匀。

目前国内外常用确定自由曲面上任意一点法向矢量的方法有以下几种：

1、手工调平法

手工钻孔时，操作人员采用一种特定装置（如转杯、钻套）进行校正。钻孔时，3个支脚顶在工件表面，使杯形装置垂直于工件表面。杯形装置套在钻头上，通过弹簧预加负载力使杯形装置紧贴工件表面，钻头沿导向槽可以伸出和缩回，保证钻孔时钻孔刀具基本垂直于工件表面。该方法的不足是调平时间长且垂直精度主要依靠操作人员的经验，效率低、精度差。

2、曲面拟合法

通过采集待测曲面上的数据点进行曲面拟合，获得一个与待测曲面近似的曲面片，再根据该曲面片求出待测点的法向矢量。该方法计算复杂，工作量较大，往往需要获取曲面上的几十个数据点的坐标才可以获得较高的计算精度，由于测量技术、工作效率、以及自动钻铆设备机械结构的限制，在实际自动钻铆加工过程中，无法实现蒙皮壁板表面大量数据点坐标的测量，使该方法失去了实际应用的价值。

3、矩形面片法

采用微小矩形平面近似模拟曲面，法线由四点组成的矩形平面确定，这是目前主流的法向矢量检测方法。该方法的不足是采用微小矩形平面近似模拟曲面，当待测曲面为变曲率自由曲面时、或待测点附近有横梁或台阶等干扰因素时，必然会有测量误差。

4、二维曲线测量法

CN102248450B公开了“用于大曲率半径曲面法向矢量快速检测方法”，在该专利文书中所描述的测量法向矢量的方法是利用两个相互垂直平面与工件曲面相交，得到曲面点的两条坐标曲线，然后分别检测两条坐标曲线上以曲面点为中心的微小曲线切向矢量，从而得到曲面数据点的法向矢量。该方法的不足是采用两个激光传感器的两个反馈数据确定的直线近似模拟曲线切向矢量，再换算成法向矢量，是矩形面片法的另一种变换形式，当待测曲面为变曲率自由曲面时、或待测点附近有横梁或台阶等干扰因素时，必然会有测量误差。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种测量自由曲面任意点处法向矢量的方法及装置，采用曲线拟合代替了曲面拟合，可以直接在自由曲面待加工点上精确得到法线方程组，并计算出曲面法向矢量。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种测量自由曲面任意点处法向矢量的装置，包括纵向驱动装置、纵向导轨、固定机架、制孔装置、纵向滑台、横向驱动装置、旋转气缸、线激光传感器、横向滑台和横向导轨，所述固定机架的顶端固定连接有纵向驱动装置，所述固定机架内固定连接有纵向导轨，所述纵向导轨上滑动连接有相匹配的纵向滑台，所述纵向滑台的底端安装有制孔装置，所述纵向驱动装置的输出端与纵向滑台的顶端固定连接，所述固定机架的底端固定连接有横向导轨，所述固定机架的底端右侧固定连接有横向驱动装置，所述横向导轨上滑动连接有相匹配的横向滑台，所述横向驱动装置的输出端与横向滑台的右侧固定连接，所述横向滑台的底端固定连接有的旋转气缸，所述旋转气缸的法兰上安装有线激光传感器，所述线激光传感器、纵向驱动装置、横向驱动装置和制孔装置分别与计算机电性连接，所述固定机架和外部机器人末端法兰固定连接。

优选的，所述固定机架包括底架和设置在底架上端左侧的中空的长方体机架，所述长方体机架的底部设有供制孔装置穿出的通孔。

优选的，所述纵向驱动装置和横向驱动装置可以是电机或气缸。

优选的，所述横向滑台的横截面类似于L型。

优选的，所述的测量自由曲面任意点处法向矢量的方法如下：

S1、在机器人的末端执行器上建立机器人坐标系O-XYZ，工具坐标系T-XYZ；

S2、通过移动机械臂，使制孔装置中心轴线TR通过自由曲面上的待测点R，RI为目标曲面Q1Q2Q3Q4的理论法矢；

S3、二坐标机械臂驱动线激光传感器以T为中心，沿直线P1P2、P3P4进行扫描测量，在自由曲面上得到两条正交的曲线Q1RQ2、Q3RQ4，两条正交曲线的交点与自由曲面上的待测点R重合，且每一条曲线Q1RQ2、Q3RQ4都分别处于一个平面XTZ、YTZ内；

S4、计算机先对曲线Q1RQ2、Q3RQ4数据进行数字滤波处理，排除噪声干扰；

S5、再采用阈值比较法，从R点开始分别向两侧逐点搜索阶跃信号S1、S2及S3、S4，如未搜索到则认为Q1RQ2、Q3RQ4是连续曲线，否则认为S1RS2、S3RS4为连续曲线，剔除两端无效数据，可解决待测点附近有横梁或台阶等干扰因素时对法矢测量精度的影响；

S6、计算机采用最小二乘法二次曲线拟合算法求得曲线Q1RQ2、Q3RQ4或S1RS2、S3RS4的二次多项式回归方程组z=f(x)、z=f(y)：，，对以上方程组求导，有：，，设待测点R坐标为（X0,Y0,Z0）,根据导数的几何意义，可得到曲线Q1RQ2、Q3RQ4或S1RS2、S3RS4在点R（X0,Y0,Z0）处的切线方程组：，，并可得到曲线Q1RQ2、Q3RQ4或S1RS2、S3RS4在点R（X0,Y0,Z0）处的法线方程组：，；

S7、S6中的法线方程分别为目标曲面Q1Q2Q3Q4的理论法矢RI在工具坐标系的XTZ平面内和YTZ平面内的投影RM、RN，设θ为RT与RI的夹角（当前姿态刀具轴线与目标姿态刀具轴线的夹角），θ1为RM与RT的夹角，θ2为RN与RT的夹角,由立体几何原理可知，通过控制θ1和θ2即可达到控制θ的目的；

S8、计算机根据以上法线方程组求得θ1和θ2，并将该目标姿态传送给机器人控制器，控制机器人完成法向找正。

本发明中，采用曲线拟合代替了曲面拟合，相对曲面拟合法，测量数据点数较少，省去了曲面拟合的复杂过程，而且在测量变曲率自由曲面时也能精确测出待测点处的法矢，并可解决目前主流的矩形面片法在待测点附近有横梁或台阶等干扰因素时，对法矢测量精度的影响问题。具有结构简单、操作灵活、可靠性高、性价比高等优点。

附图说明

图1为本发明提出的一种测量自由曲面任意点处法向矢量的装置的测量状态结构示意图。

图2为本发明提出的一种测量自由曲面任意点处法向矢量的装置的制孔状态结构示意图。

图3为本发明提出的坐标系O-XYZ和工具坐标系T-XYZ示意图。

图中：1纵向驱动装置、2纵向导轨、3固定机架、3-1长方体机架、3-2底架、4纵向滑台、5横向驱动装置、6旋转气缸、7线激光传感器、8被测量曲面、9激光光幕、10横向滑台、11横向导轨、12制孔装置。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

参照图1-3，一种测量自由曲面任意点处法向矢量的装置，包括纵向驱动装置1、纵向导轨2、固定机架3、制孔装置12、纵向滑台4、横向驱动装置5、旋转气缸6、线激光传感器7、横向滑台10和横向导轨11，固定机架3的顶端固定连接有纵向驱动装置1，固定机架3内固定连接有纵向导轨2，纵向导轨2上滑动连接有相匹配的纵向滑台4，纵向滑台4的底端安装有制孔装置12，纵向驱动装置1的输出端与纵向滑台4的顶端固定连接，固定机架3的底端固定连接有横向导轨11，固定机架3的底端右侧固定连接有横向驱动装置5，横向导轨11上滑动连接有相匹配的横向滑台10，横向驱动装置5的输出端与横向滑台10的右侧固定连接，横向滑台10的底端固定连接有的旋转气缸6，旋转气缸6的法兰上安装有线激光传感器7，线激光传感器7、纵向驱动装置1、横向驱动装置5和制孔装置12分别与计算机电性连接，固定机架3和外部机器人末端法兰固定连接。

固定机架3包括底架3-2和设置在底架上端左侧的中空的长方体机架3-1，长方体机架3-1的底部设有供制孔装置12穿出的通孔，纵向驱动装置1和横向驱动装置5可以是电机（电机型号为SGM7J-01A,厂家为日本安川）或气缸（气缸型号为MDB1B3-2-200,厂家为日本SMC），横向滑台10的横截面类似于L型。

制孔装置型号：HF100-10A-38-CKPV,厂家为瑞士IBA，旋转气缸型号：MSQA50,厂家为日本SMC，线激光传感器型号：LS-100CN,厂家为日本OPTEX。

测量自由曲面任意点处法向矢量的方法如下：

S1、在机器人的末端执行器上建立机器人坐标系O-XYZ，工具坐标系T-XYZ；

S2、通过移动机械臂，使制孔装置12中心轴线TR通过自由曲面上的待测点R，RI为目标曲面Q1Q2Q3Q4的理论法矢；

S3、二坐标机械臂驱动线激光传感器7以T为中心，沿直线P1P2、P3P4进行扫描测量，在自由曲面上得到两条正交的曲线Q1RQ2、Q3RQ4，两条正交曲线的交点与自由曲面上的待测点R重合，且每一条曲线Q1RQ2、Q3RQ4都分别处于一个平面XTZ、YTZ内；

S4、计算机先对曲线Q1RQ2、Q3RQ4数据进行数字滤波处理，排除噪声干扰；

S5、再采用阈值比较法，从R点开始分别向两侧逐点搜索阶跃信号S1、S2及S3、S4，如未搜索到则认为Q1RQ2、Q3RQ4是连续曲线，否则认为S1RS2、S3RS4为连续曲线，剔除两端无效数据，可解决待测点附近有横梁或台阶等干扰因素时对法矢测量精度的影响；

S6、计算机采用最小二乘法二次曲线拟合算法求得曲线Q1RQ2、Q3RQ4或S1RS2、S3RS4的二次多项式回归方程组z=f(x)、z=f(y)：，，对以上方程组求导，有：，，设待测点R坐标为（X0,Y0,Z0）,根据导数的几何意义，可得到曲线Q1RQ2、Q3RQ4或S1RS2、S3RS4在点R（X0,Y0,Z0）处的切线方程组：，，并可得到曲线Q1RQ2、Q3RQ4或S1RS2、S3RS4在点R（X0,Y0,Z0）处的法线方程组：，；

S7、S6中的法线方程分别为目标曲面Q1Q2Q3Q4的理论法矢RI在工具坐标系的XTZ平面内和YTZ平面内的投影RM、RN，设θ为RT与RI的夹角（当前姿态刀具轴线与目标姿态刀具轴线的夹角），θ1为RM与RT的夹角，θ2为RN与RT的夹角,由立体几何原理可知，通过控制θ1和θ2即可达到控制θ的目的；

S8、计算机根据以上法线方程组求得θ1和θ2，并将该目标姿态传送给机器人控制器，控制机器人完成法向找正。

测量时，横向驱动装置5的输出端伸长推动横向滑台10伸出，横向滑台10上安装一个旋转气缸6，旋转气缸6可按顺时针或逆时针方向旋转90°，旋转气缸6上安装一个线激光传感器7，线激光传感器7发射激光光幕9照射在被测量曲面8上，在被测量曲面8上得到两条正交的曲线，待系统测量法矢完毕且控制机器人完成法向找正后，准备制孔，下部横向滑台10退回，纵向滑台4向下移动，制孔装置12伸出到达被测量曲面8上待加工点进行制孔。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种测量自由曲面任意点处法向矢量的装置，其特征在于：包括纵向驱动装置、纵向导轨、固定机架、制孔装置、纵向滑台、横向驱动装置、旋转气缸、线激光传感器、横向滑台和横向导轨，所述固定机架的顶端固定连接有纵向驱动装置，所述固定机架内固定连接有纵向导轨，所述纵向导轨上滑动连接有相匹配的纵向滑台，所述纵向滑台的底端安装有制孔装置，所述纵向驱动装置的输出端与纵向滑台的顶端固定连接，所述固定机架的底端固定连接有横向导轨，所述固定机架的底端右侧固定连接有横向驱动装置，所述横向导轨上滑动连接有相匹配的横向滑台，所述横向驱动装置的输出端与横向滑台的右侧固定连接，所述横向滑台的底端固定连接有的旋转气缸，所述旋转气缸的法兰上安装有线激光传感器，所述线激光传感器、纵向驱动装置、横向驱动装置和制孔装置分别与计算机电性连接，所述固定机架和外部机器人末端法兰固定连接。

2.根据权利要求1所述的测量自由曲面任意点处法向矢量的装置，其特征在于：所述固定机架包括底架和设置在底架上端左侧的中空的长方体机架，所述长方体机架的底部设有供制孔装置穿出的通孔。

3.根据权利要求1所述的测量自由曲面任意点处法向矢量的装置，其特征在于：所述纵向驱动装置和横向驱动装置可以是电机或气缸。

4.根据权利要求1所述的测量自由曲面任意点处法向矢量的装置，其特征在于：所述横向滑台的横截面类似于L型。

5.根据权利要求4所述的测量自由曲面任意点处法向矢量的方法，其特征在于：包含如下方法步骤，

S1、在机器人的末端执行器上建立机器人坐标系O-XYZ，工具坐标系T-XYZ；

S2、通过移动机械臂，使制孔装置中心轴线TR通过自由曲面上的待测点R，RI为目标曲面Q1Q2Q3Q4的理论法矢；

S3、二坐标机械臂驱动线激光传感器以T为中心，沿直线P1P2、P3P4进行扫描测量，在自由曲面上得到两条正交的曲线Q1RQ2、Q3RQ4，两条正交曲线的交点与自由曲面上的待测点R重合，且每一条曲线Q1RQ2、Q3RQ4都分别处于一个平面XTZ、YTZ内；

S4、计算机先对曲线Q1RQ2、Q3RQ4数据进行数字滤波处理，排除噪声干扰；

S5、再采用阈值比较法，从R点开始分别向两侧逐点搜索阶跃信号S1、S2及S3、S4，如未搜索到则认为Q1RQ2、Q3RQ4是连续曲线，否则认为S1RS2、S3RS4为连续曲线，剔除两端无效数据，可解决待测点附近有横梁或台阶等干扰因素时对法矢测量精度的影响；

S6、计算机采用最小二乘法二次曲线拟合算法求得曲线Q1RQ2、Q3RQ4或S1RS2、S3RS4的二次多项式回归方程组z=f(x)、z=f(y)：，，对以上方程组求导，有：，，设待测点R坐标为（X0,Y0,Z0）,根据导数的几何意义，可得到曲线Q1RQ2、Q3RQ4或S1RS2、S3RS4在点R（X0,Y0,Z0）处的切线方程组：，，并可得到曲线Q1RQ2、Q3RQ4或S1RS2、S3RS4在点R（X0,Y0,Z0）处的法线方程组：，；

S7、S6中的法线方程分别为目标曲面Q1Q2Q3Q4的理论法矢RI在工具坐标系的XTZ平面内和YTZ平面内的投影RM、RN，设θ为RT与RI的夹角（当前姿态刀具轴线与目标姿态刀具轴线的夹角），θ1为RM与RT的夹角，θ2为RN与RT的夹角,由立体几何原理可知，通过控制θ1和θ2即可达到控制θ的目的；

S8、计算机根据以上法线方程组求得θ1和θ2，并将该目标姿态传送给机器人控制器，控制机器人完成法向找正。