CN108168432A - 一种管件法兰相对位姿测量系统及测量方法 - Google Patents

Abstract

一种管件法兰相对位姿测量系统及测量方法，本发明涉及管件法兰相对位姿测量系统及测量方法。本发明为了解决现有技术对接装配误差大，人工装配导致一致性较差以及制造周期长的问题。本发明系统包括：扫描装置、移动段管件和固定段管件；扫描装置包括两个线扫描激光测距传感器、传感器旋转机构和支撑杆，扫描装置设置在移动段管件和固定段管件之间，传感器旋转机构带动两个线扫描激光测距传感器进行圆周运动，两个线扫描激光测距传感器分别扫描移动段管件和固定段管件；支撑杆一端连接传感器旋转机构，另一端通过传感器固定结构固定线扫描激光测距传感器。本发明用于自动化对接领域。

Description

一种管件法兰相对位姿测量系统及测量方法

技术领域

本发明涉及自动化对接装配领域，具体涉及管件法兰相对位姿测量系统及测量方法。

背景技术

现有管件相对位姿测量方法主要有单目视觉即使用工业相机拍照并运用图像处理算法解算相对位姿，缺点是拍照的视场范围广，包含很多无需处理的冗余信息，对计算机的处理能力要求高且工业相机一般价格昂贵。此外主流的方法还有使用激光跟踪仪测量管件相对位姿，缺点是需要使用与激光跟踪仪配套的专用处理器，且动态测量精度不够，测量前需要人工标定，自动化程度低。

在德国提出工业4.0以及国内提出与之对应的中国制造2025战略的时代背景下，传统制造业的数字化、自动化及智能化变革被提上日程。在一些大、长型产品制造领域里，由于产品整体外形尺寸大、质量大等特点，制造业中通常将产品设计成分级分段的形式进行制造，然后将独立完成装配的各个部段组装装配。在中国制造2025战略的要求下，以及国外产品高度自动化的大背景下，需要设计应用于大口径管件自动化对接的对接系统，要求该系统建立在数字化、智能化设备的基础上，能够利用一套工装设备自动地完成两个装配部段的位姿检测和对接装配，同时提高装配产品的质量和精度，缩短制造周期。大口径管件数字化对接技术对于在尺寸和重量上不方便人工移动和装配的产品的生产装配过程将有重要的作用。首先，提高管件装配的精度，保证重要参数一致性；其次，加快装配速度，减少装配过程所需时间，提高生产效率。大口径管件数字化对接系统对管件的对接过程包括三个部分：首先是定位装夹，利用专用或通用的工装对管件进行定位夹紧；然后是位姿检测，利用高精度光学测量设备检测出对接管件的相对位姿；最后进行对接，计算支撑移动段管件的多自由度位姿调节机构的各个自由度的调节量，调节移动段的位姿到目标位姿，并完成对接。

在大口径管件数字化对接系统中，管件相对位姿的检测是其数字化的重要基础。位姿检测系统需要利用高精度的光学测量系统测得对接管件的相关测量值，通过数据处理得到两个管件的相对位姿，以此作为位姿调节的参考信息，因此，管件相对位姿检测系统是管件数字化装配系统的核心。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术对接装配误差大，人工装配导致一致性较差以及制造周期长的缺点，而提出一种管件法兰相对位姿测量系统及测量方法。

一种管件法兰相对位姿测量系统包括：扫描装置、移动段管件和固定段管件；

扫描装置包括两个线扫描激光测距传感器、传感器旋转机构和支撑杆，扫描装置设置在移动段管件和固定段管件之间，传感器旋转机构带动两个线扫描激光测距传感器进行圆周运动，两个线扫描激光测距传感器分别扫描移动段管件和固定段管件；支撑杆一端连接传感器旋转机构，另一端通过传感器固定结构固定线扫描激光测距传感器。

一种管件法兰相对位姿测量方法包括以下步骤：

步骤一：建立世界坐标系；

步骤二：建立移动段管件坐标系：

步骤三：建立固定段管件坐标系；

步骤四：根据步骤一至步骤三建立的坐标系测量移动段管件和固定段管件的相对位姿；

步骤四一：根据步骤一至步骤三建立的坐标系，求得移动段管件相对于世界坐标系的位姿，用位姿变换矩阵^sT_m表示；

步骤四二：采用步骤四一的方法求得固定段管件相对于世界坐标系的位姿，用位姿矩阵^sT_t表示；

步骤四三：移动段管件相对于固定段管件的位姿变换矩阵^tT_m由下式(1)求得：

^tT_m＝^tT_s·^sT_m＝(^sT_t)^-1·^sT_m (1)。

本发明的有益效果为：

两个线扫描激光测距传感器背靠背安装，分别扫描移动段管件和固定段管件的法兰面信息，保证了安装精度，降低了因传感器安装误差造成的测量误差。同时，两个传感器共用传感器旋转机构，即以相同的角速度绕着相同的轴线旋转，保证了两个传感器测量的同步性和一致性。

本发明测量数据量较少，数据处理简单且计算效率高。几乎不需要人工参与，自动化程度高，便于集成到自动化对接装配线。本发明管件相对位姿测量结果精度至少能达到角度偏差0.1度以内，位置偏差0.2mm以内。

附图说明

图1为本发明测量系统组成示意图；

图2为测量系统建立的各坐标系示意图；

图3为移动段管件的法兰面信息示意图，图中1和7为销孔，其余为通孔。固定段管件3法兰面信息与移动段管件2法兰面信息基本一致，区别在于移动段管件2法兰面的1、7处为销孔，而固定段管件3法兰面的1、7处为与销孔配合的销轴。

具体实施方式

具体实施方式一：如图1所示，一种管件法兰相对位姿测量系统包括：扫描装置1、移动段管件2和固定段管件3；

扫描装置1包括两个线扫描激光测距传感器4、传感器旋转机构5和支撑杆6，扫描装置设置在移动段管件2和固定段管件3之间，传感器旋转机构5带动两个线扫描激光测距传感器4进行圆周运动，两个线扫描激光测距传感器4分别扫描移动段管件2和固定段管件3；支撑杆6一端连接传感器旋转机构5，另一端通过传感器固定结构固定线扫描激光测距传感器4。

具体实施方式二：如图2和图3所示，一种管件法兰相对位姿测量方法包括以下步骤：

步骤一：建立世界坐标系；

步骤二：建立移动段管件2坐标系：

步骤三：建立固定段管件3坐标系；

步骤四：根据步骤一至步骤三建立的坐标系测量移动段管件2和固定段管件3的相对位姿；

步骤四一：根据步骤一至步骤三建立的坐标系，求得移动段管件2相对于世界坐标系的位姿，用位姿变换矩阵^sT_m表示；

步骤四二：采用步骤四一的方法求得固定段管件3相对于世界坐标系的位姿，用位姿矩阵^sT_t表示；

步骤四三：移动段管件2相对于固定段管件3的位姿变换矩阵^tT_m由下式(1)求得：

^tT_m＝^tT_s·^sT_m＝(^sT_t)^-1·^sT_m (1)。

最终求得的管件法兰相对位姿即为移动段管件2相对于固定段管件3的位姿。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式二不同的是：所述步骤一中建立世界坐标系具体为：

世界坐标系圆心O_s位于传感器旋转机构旋5转轴线和传感器支撑杆6轴线的交点，x_s轴与传感器旋转机构旋转轴线重合，指向固定段管件3；z_s轴与传感器支撑杆6轴线重合，指向传感器4；y_s轴由右手定则确定。

其它步骤及参数与具体实施方式二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式二或三不同的是：所述步骤二中建立移动段管件2坐标系具体为：

移动段管件2坐标系的圆心O_m位于移动段管件2法兰面圆心，x_m轴与法兰面法向量重合，指向固定段管件3；在移动段管件2法兰面的边缘均匀分布12个通孔，并依次标号，将第一个通孔和第七个通孔作为用于定位的销孔，z_m轴与第7销孔圆心与第1销孔圆心的连线重合，由第7销孔圆心指向第1销孔圆心；y_m轴由右手定则确定。

其它步骤及参数与具体实施方式二或三相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式二至四之一不同的是：所述步骤三中建立固定段管件3坐标系具体为：

固定段管件3法兰面信息与移动段管件2法兰面信息基本一致，区别在于移动段管件2法兰面的1、7处为销孔，而固定段管件3法兰面的1、7处为与销孔配合的销轴。固定段管件3坐标系的建立与移动段管件2坐标系的建立完全一致。

圆心O_t位于固定段管件3法兰面圆心，x_t轴与法兰面法向量重合，指向与x_m轴一致；在固定段管件3法兰面的边缘均匀分布12个通孔，并依次标号，将第一个通孔和第七个通孔作为用于定位的销孔，z_t轴与第7销轴圆心与第1销轴圆心的连线重合，由第7销轴圆心指向第1销轴圆心；y_t轴由右手定则确定。

其它步骤及参数与具体实施方式二至四之一相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式二至五之一不同的是：所述步骤四一中根据步骤一至步骤三建立的坐标系，求得移动段管件2相对于世界坐标系的位姿的具体过程为：

位姿变换矩阵^sT_m利用12个参量表示移动段管件坐标系O_mx_my_mz_m相对于世界坐标系O_sx_sy_sz_s的位姿矩阵。要求解^sT_m，就需要对这12个未知参量进行求解，为此需要列出12个相互独立的约束方程。

采用位姿矩阵^sT_m表示移动段管件坐标系O_mx_my_mz_m相对于世界坐标系O_sx_sy_sz_s的位姿；

其中为x_m轴单位矢量在x_s轴投影，为x_m轴单位矢量在y_s轴投影，为x_m轴单位矢量在z_s轴投影，为y_m轴单位矢量在x_s轴投影，为y_m轴单位矢量在y_s轴投影，为y_m轴单位矢量在z_s轴投影，为z_m轴单位矢量在x_s轴投影，为z_m轴单位矢量在y_s轴投影，为z_m轴单位矢量在z_s轴投影，为O_m在世界坐标系中x坐标值，为O_m在世界坐标系中y坐标值，为O_m在世界坐标系中z坐标值；

旋转矩阵^sR_m表示为：

根据旋转矩阵^sR_m共有9个未知参量，列矢量是单位矢量且两两相互正交，9个参量列出6个相互独立约束方程如式4；因此该旋转矩阵^sR_m仅有三个独立参量。因此，

通过采集线扫描激光测距传感器4的测量信息，得到管件法兰面上销孔和通孔圆心在世界坐标系中的坐标信息(软件直接输出)，利用第1、7销孔圆心以及第4通孔圆心在世界坐标系的坐标对移动段管件2相对世界坐标系的位姿进行求解；

假设第1、7销孔圆心以及第4通孔圆心点坐标为：P₁(x_1s,y_1s,z_1s)，P₇(x_7s,y_7s,z_7s)，P₄(x_4s,y_4s,z_4s)；在坐标系O_mx_my_mz_m中，O_mx_m是移动段管件2法兰面法向量，即是平面O_my_mz_m法向量；取平面O_my_mz_m上三个点P₁，P₄，P₇，组成两个相交向量根据正交性，得到：

联立解得

不考虑管件制造加工误差，则移动段管件法兰面圆心O_m为P₁，P₇的中点，移动段管件法兰面圆心在世界坐标系中的坐标由式6求得：

为O_m点在世界坐标系的坐标，坐标系O_mx_my_mz_m原点O_m在坐标系O_sx_sy_sz_s中的坐标值，即为位姿矩阵^sT_m的和如式(7)所示：

坐标系O_mx_my_mz_m中，O_mz_m轴与P₇P₁重合，且由P₇指向P₁；得到如式(8)所示：

根据得到的^sR_m中的由正交关系求得 ^sT_m中的12个参数全部求得；

即求得了移动段管件坐标系O_mx_my_mz_m相对于世界坐标系O_sx_sy_sz_s的位姿矩阵^sT_m。

其它步骤及参数与具体实施方式二至五之一相同。

本发明还可有其它多种实例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种管件法兰相对位姿测量系统，其特征在于：所述管件法兰相对位姿测量系统包括：扫描装置(1)、移动段管件(2)和固定段管件(3)；

扫描装置(1)包括两个线扫描激光测距传感器(4)、传感器旋转机构(5)和支撑杆(6)，扫描装置设置在移动段管件(2)和固定段管件(3)之间，传感器旋转机构(5)带动两个线扫描激光测距传感器(4)进行圆周运动，两个线扫描激光测距传感器(4)分别扫描移动段管件(2)和固定段管件(3)；支撑杆(6)一端连接传感器旋转机构(5)，另一端通过传感器固定结构固定线扫描激光测距传感器(4)。

2.一种采用权利要求1所述系统的管件法兰相对位姿测量方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

步骤一：建立世界坐标系；

步骤二：建立移动段管件(2)坐标系：

步骤三：建立固定段管件(3)坐标系；

步骤四：根据步骤一至步骤三建立的坐标系测量移动段管件(2)和固定段管件(3)的相对位姿；具体包括以下步骤：

步骤四一：根据步骤一至步骤三建立的坐标系，求得移动段管件(2)相对于世界坐标系的位姿，用位姿变换矩阵^sT_m表示；

步骤四二：采用步骤四一的方法求得固定段管件(3)相对于世界坐标系的位姿，用位姿矩阵^sT_t表示；

步骤四三：移动段管件(2)相对于固定段管件(3)的位姿变换矩阵^tT_m由下式(1)求得：

^tT_m＝^tT_s·^sT_m＝(^sT_t)^-1·^sT_m (1)。

3.根据权利要求2所述的一种管件法兰相对位姿测量方法，其特征在于：所述步骤一中建立世界坐标系具体为：

世界坐标系圆心O_s位于传感器旋转机构(5)旋转轴线和传感器支撑杆(6)轴线的交点，x_s轴与传感器旋转机构旋转轴线重合，指向固定段管件(3)；z_s轴与传感器支撑杆(6)轴线重合，指向传感器(4)；y_s轴由右手定则确定。

4.根据权利要求3所述的一种管件法兰相对位姿测量方法，其特征在于：所述步骤二中建立移动段管件(2)坐标系具体为：

移动段管件(2)坐标系的圆心O_m位于移动段管件(2)法兰面圆心，x_m轴与法兰面法向量重合，指向固定段管件(3)；在移动段管件(2)法兰面的边缘均匀分布12个通孔，并依次标号，将第一个通孔和第七个通孔作为用于定位的销孔，z_m轴与第7销孔圆心与第1销孔圆心的连线重合，由第7销孔圆心指向第1销孔圆心；y_m轴由右手定则确定。

5.根据权利要求4所述的一种管件法兰相对位姿测量方法，其特征在于：所述步骤三中建立固定段管件(3)坐标系具体为：

圆心O_t位于固定段管件(3)法兰面圆心，x_t轴与法兰面法向量重合，指向与x_m轴一致；在固定段管件(3)法兰面的边缘均匀分布12个通孔，并依次标号，将第一个通孔和第七个通孔作为用于定位的销孔，z_t轴与第7销轴圆心与第1销轴圆心的连线重合，由第7销轴圆心指向第1销轴圆心；y_t轴由右手定则确定。

6.根据权利要求5所述的一种管件法兰相对位姿测量方法，其特征在于：所述步骤四一中根据步骤一至步骤三建立的坐标系，求得移动段管件(2)相对于世界坐标系的位姿的具体过程为：

采用位姿矩阵^sT_m表示移动段管件坐标系O_mx_my_mz_m相对于世界坐标系O_sx_sy_sz_s的位姿；

其中为x_m轴单位矢量在x_s轴投影，为x_m轴单位矢量在y_s轴投影，为x_m轴单位矢量在z_s轴投影，为y_m轴单位矢量在x_s轴投影，为y_m轴单位矢量在y_s轴投影，为y_m轴单位矢量在z_s轴投影，为z_m轴单位矢量在x_s轴投影，为z_m轴单位矢量在y_s轴投影，为z_m轴单位矢量在z_s轴投影，为O_m在世界坐标系中x坐标值，为O_m在世界坐标系中y坐标值，为O_m在世界坐标系中z坐标值；

旋转矩阵^sR_m表示为：

根据旋转矩阵^sR_m列矢量是单位矢量且两两相互正交，列出6个相互独立约束方程如式(4)；

通过采集线扫描激光测距传感器(4)的测量信息，得到管件法兰面上各个通孔圆心在世界坐标系中的坐标信息，利用第1、7销孔圆心以及第4通孔圆心在世界坐标系的坐标对移动段管件(2)相对世界坐标系的位姿进行求解；

假设第1、7销孔圆心以及第4通孔圆心点坐标为：P₁(x_1s，y_1s，z_1s)，P₇(x_7s，y_7s，z_7s)，P₄(x_4s，y_4s，z_4s)；在坐标系O_mx_my_mz_m中，O_mx_m是移动段管件(2)法兰面法向量，即是平面O_my_mz_m法向量；取平面O_my_mz_m上三个点P₁，P₄，P₇，组成两个相交向量根据正交性，得到：

联立解得

不考虑管件制造加工误差，则移动段管件法兰面圆心O_m为P₁，P₇的中点，移动段管件法兰面圆心在世界坐标系中的坐标由式(6)求得：

为O_m点在世界坐标系的坐标，坐标系O_mx_my_mz_m原点O_m在坐标系O_sx_sy_sz_s中的坐标值，即为位姿矩阵^sT_m的和如式(7)所示：

坐标系O_mx_my_mz_m中，O_mz_m轴与P₇P₁重合，且由P₇指向P₁；得到如式(8)所示：

根据得到的^sR_m中的由正交关系求得 ^sT_m中的12个参数全部求得；

即求得了移动段管件坐标系O_mx_my_mz_m相对于世界坐标系O_sx_sy_sz_s的位姿矩阵^sT_m。