CN108931186A - 基于交叉激光的曲面测量、基准定位方法及测量设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于交叉激光的曲面测量、基准定位方法及测量设备。曲面测量方法包括：将十字激光发射器与相机分别可调节地设置在设备主轴的两侧，使两者之间具有一定的夹角；十字激光发射器将十字激光束投影到被测曲面上，形成两条交叉激光线；相机拍摄被测曲面上的交叉激光线，获得交叉激光线的图像信息；基于图像信息，分别计算激光束轴线、相机轴线与被测曲面的法向之间的夹角；基于计算所得的夹角矢量与坐标系的三坐标关系，调整设备主轴姿态，使主轴的轴向与被测曲面的法向一致；基于激光束轴线或者相机轴线与被测曲面的法向之间的夹角，利用三角函数，计算获得主轴到被测曲面的法向距离。

Description

基于交叉激光的曲面测量、基准定位方法及测量设备

技术领域

本发明涉及航空制造技术领域，特别是涉及一种基于交叉激光的曲面测量、基准定位方法及测量设备。

背景技术

飞机壁板装配过程中，机械连接仍然是目前应用最广的连接形式，可以有效地保证飞机机体结构的工作寿命和可靠性。为了实现壁板各零部件的连接，需要在蒙皮与肋、长桁、框等零部件上钻连接孔，钻孔定位基准通常是预连接的连接件或预留的定位基准孔，连接孔的位置精度及垂直度对连接强度和疲劳寿命的影响很大，据统计，70％的飞机机体疲劳失效事故起因于结构连接部位，其中80％的疲劳裂纹发生于连接孔处。

目前，性能先进的新型飞机对飞机装配技术提出了高质量、高效率和低成本的要求，因此，急需采用各种自动钻孔、连接设备，实现飞机制造业技术升级。为了实现自动钻孔、连接设备的自主定位和自动钻孔、连接，就需要建立精度和效率高、环境适应能力且可动态测量的在线测量系统，用于检测钻孔的定位基准及钻孔处的曲面法向。

现有技术中，通常采用照相测量的方法检测孔或连接件的圆心，对壁板材质、环境条件等方面的要求较高，且数据处理时间较长。采用多个测距或测力传感器测量曲面法向时，导致必须在非常有限的空间内合理地布置相机和多个传感器，难度较大。

现有的曲面法向测量方法，至少需要3个传感器(通常是4个传感器)，对于大多数设备而言，较难实现均匀的布局，通常需要改变传感器机座的结构、增大传感器机座的尺寸，恶化了设备的工作性能。其次，多个传感器提供的冗余信息影响了数据处理速度。这些问题严重地影响了各种测量方法的使用范围。此外，往往为了均衡考虑各方面因素，无法充分发挥相机和传感器的性能，也就无法同时获得最佳的基准及曲面法向测量结果。

因此，需要提供一种基于交叉激光的曲面测量、基准定位及测量设备。

发明内容

本发明实施例提供了一种基于交叉激光的曲面测量、基准定位及测量设备。能够精确地计算钻孔、连接处的曲面法向，精确计算基准的位置，从而引导钻孔、连接设备精确地调整工作位置和姿态，有效地提高了飞机壁板的装配质量和效率。

第一方面，本发明的实施例提出了一种基于交叉激光的曲面法向测量方法，该方法包括：

将十字激光发射器与相机分别可调节地设置在设备主轴的两侧，使两者之间具有一定夹角；

所述十字激光发射器将十字激光束投影到被测曲面上，形成两条交叉激光线；

所述相机拍摄所述被测曲面上的交叉激光线，获得所述交叉激光线的图像信息；

基于所述图像信息，分别计算激光束轴线、相机轴线与被测曲面的法向之间的夹角；

基于计算所得的夹角矢量与坐标系的三坐标关系，调整设备主轴姿态，使所述主轴的轴向与所述被测曲面的法向一致；

基于所述激光束轴线或者所述相机轴线与所述被测曲面的法向之间的夹角，利用三角函数，计算获得所述主轴到所述被测曲面的法向距离。

在第一种可能的实现方式中，所述基于所述图像信息，分别计算激光束轴线、相机轴线与被测曲面的法向之间的夹角的方法包括：

基于所述图像信息，在三角形的关系中，构建关于所述激光束轴线、相机轴线与被测曲面法向之间的夹角以及相应线段的计算公式；

将所述计算公式预存在数据处理系统中；

将所述相机与所述数据处理系统连接，使所述相机获得所述交叉激光线的图像信息传输至所述数据处理系统，进行相应的数据处理计算；

将数据处理结果反馈至所述设备主轴，进行相应的姿态调整。

第二方面，本发明的实施例提出了一种基于交叉激光的基准定位方法，该方法包括：

采用第一方面所述的曲面法向测量方法获得基准孔或预连接件的法向；

调整所述设备主轴的姿态，使十字激光束垂直于所述基准孔或预连接件；

所述十字激光束在所述相机中成像面内的四点转化成基准面上的四点，利用这四点构造两条相交线段；

基于构造的两条相交线段，做这两条线段的公垂线，并交于一点，该点即为待求的基准孔或预连接件的圆心。

第三方面，本发明的实施例提出了一种基于交叉激光的测量设备，适用于第一方面和/或第二方面的方法中，该测量设备包括：

十字激光发射组件，包括十字激光发射器和发射器安装座，所述十字激光发射器通过紧固件可调节的安装在所述发射器安装座上；

照相测量组件，包括镜头、相机和相机支架，所述镜头安装在所述相机的前端，所述相机通过紧固件可调节的安装在所述相机支架上；

基座，包括用于安装设备主轴的平面底部及两侧的安装斜面，两侧的所述安装斜面分别用于安装所述发射器安装座与所述相机支架，使所述十字激光发射器和所述相机的轴线在被测曲面一侧相交。

在第一种可能的实现方式中，所述基座两侧的安装斜面与平面底部均可拆卸安装，两侧的所述安装斜面相对于所述平面底部地角度可调节。

结合上述可能的实现方式，在第二种可能的实现方式中，所述基座的平面底部有安装孔，用于安装所述设备主轴。

结合上述可能的实现方式，在第三种可能的实现方式中，所述基座两侧的安装斜面以所述安装孔的孔轴相对称。

结合上述可能的实现方式，在第四种可能的实现方式中，所述基座两侧的安装斜面的端部设有用于连接的安装孔。

结合上述可能的实现方式，在第五种可能的实现方式中，所述发射器安装座与所述相机支架均通过螺钉分别安装在所述基座的两侧安装斜面上。

综上，本发明基于交叉激光技术进行曲面法向测量、基准定位并发明了相应的测量设备，只需要采用本发明的一套基于交叉激光的测量设备就能一次实现曲面法向测量和基准定位，为末端执行器法向调整、基准定位及测距提供数据支持，测量方法操作简便、测量准确度高、效率高、成本低。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例的基于交叉激光的曲面法向测量方法的流程示意图。

图2是激光束发射方向向被测曲面投影示意图。

图3是激光束在相机上的成像示意图。

图4是矢量与各坐标轴的夹角示意图。

图5是激光线交点的成像位置变动示意图。

图6是本发明实施例的基于交叉激光的基准定位方法的流程示意图。

图7是基准孔的交叉线构造示意图。

图8是相机成像面与基准的关系示意图。

图9是利用四点求圆心的示意图。

图10是本发明实施例的基于交叉激光的测量设备的结构示意图。

图11是本发明实施例的基于交叉激光的测量设备的应用场景示意图。

图中：1：十字激光发射组件；11：十字激光发射器；12：发射器安装座；2：照相测量组件；21：镜头；22：相机；23：相机支架；3：基准；4：待测工件。

具体实施方式

下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的优选实施例，本发明的范围由权利要求书限定。在附图和下面的描述中，至少部分的公知结构和技术没有被示出，以避免对本发明造成不必要的模糊。此外，下文中所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。

飞机壁板装配过程中，机械连接仍然是目前应用最广的连接形式，可以有效地保证飞机机体结构的工作寿命和可靠性。传统方法中，工人手工加工连接孔，不仅耗时，且精度较低，严重地影响了飞机研制的质量和效率。目前，性能先进的新型飞机对飞机装配技术提出了高质量、高效率和低成本的要求，因此，急需采用各种自动钻孔、连接设备，实现飞机制造业技术升级。

按照通常的做法，需要为被加工工件及其外部环境建立数学模型。然而，由于加工、装配等各方面的误差，飞机壁板及其数学模型往往不一致，因而仅仅依赖数学模型，难以保证钻孔的位置精度和垂直度。因此，为了实现自动钻孔、连接设备的自主定位和自动钻孔、连接，就需要建立精度和效率高、环境适应能力且可动态测量的在线测量系统，用于检测钻孔的定位基准及钻孔处的曲面法向。钻孔定位基准通常是预连接的连接件或预留的定位基准孔，通常采用照相测量的方法检测孔或连接件的圆心，照相测量方法对壁板材质、环境条件等方面的要求较高，且数据处理时间较长。

目前，曲面法向测量的基本原理为：测量某点附近区域的多个点(至少是3个，通常是4个)的位置，利用这几个点的坐标拟合平面或曲面，从而得到该点处的法向。通常，通过测量曲面上的点到传感器的距离换算出曲面上各点的位置。因此，常常采用各类位移传感器直接测出各点的位置，也可以采用力传感器测量，间接地推算出各点的位置。检测钻孔处的曲面法向的方法分为两种：接触式和非接触式。接触式法向测量方法采用直线位移传感器或力传感器。直线位移传感器采用光栅测量原理，测量精度较高，但测量触头容易磨损，无法长期使用。受到侧向力时，会影响测量精度，甚至导致传感器损坏。壁板在压紧状态下，可利用力传感器测量压紧区域内多个点的压紧力，根据压紧力的分布推算出接触区域的法向。由于是根据各点接触力的偏差推算接触点位移的偏差，因此，需要通过大量的试验掌握接触力的偏差与位移偏差的换算关系。飞机壁板结构形式多种多样、材料各异、尺寸差别大，很难找到通用的接触力偏差与位移偏差的换算关系式，因此，利用力传感器测量曲面法向的方法难以推广。

针对现有技术存在的问题，本发明提出了采用一个十字激光发射器既能测量曲面法向，又能对基准孔位进行定位测距的方式。

第一方面，本发明提出了一种基于交叉激光的曲面法向测量方法，图1是本发明实施例的基于交叉激光的曲面法向测量方法的流程示意图。下面将结合图1对该方法进行说明，该方法包括：

步骤S110：将十字激光发射器与相机分别可调节地设置在设备主轴的两侧，使两者之间具有一定夹角。

在本步骤中，可以是将十字激光发射器与相机安装在设备主轴两侧的斜面上，能够使两者之间具有一定的夹角，使十字激光发射器与相机的轴线在被测曲面侧能够相交，并且通过相应的安装座以及安装方式能够相应实现两者夹角的调节。

步骤S120：十字激光发射器将十字激光束投影到被测曲面上，形成两条交叉激光线。

在本步骤中，十字激光束投影在被测曲面上，形成两条交叉激光线的交点为O，交叉点沿图2所示的激光束发射方向向被测曲面投影，在两条激光线交叉点的发射激光上任取一点O₁，即点O₁在被测平面上的投影点为O，直线O₁O垂直于平面O₁AB。做垂直于激光束发射方向的平面，分别与被测曲面上的两条激光线交于点A和点B，过点O做线段AB的垂线，垂足为C，则O₁C也垂直于线段AB。设激光束的发射方向与被测曲面法向之间的夹角为θ₁，则线段O₁C和线段OC之间的夹角也是θ₁。在被测曲面的激光投影示意图中构建三角函数关系。

步骤S130：相机拍摄被测曲面上的交叉激光线，获得所述交叉激光线的图像信息。

在本步骤中，通过相机拍摄的被测曲面上交叉激光线的图像信息，如图3所示的相机成像示意图，投影在被测曲面上的两条激光线OA和OB在相机上成的像分别为O₂A和O₂B，在相机成像图中构建三角函数关系。

步骤S140：基于图像信息，分别计算激光束轴线、相机轴线与被测曲面的法向之间的夹角。

在本步骤中的方法还包括：

(1)基于相机获得的图像信息，在三角形的关系中，构建关于激光束轴线、相机轴线与被测曲面法向之间的夹角以及相应线段的计算公式。

(2)将构建的计算公式预存在数据处理系统中。

(3)将相机与数据处理系统连接，使相机获得交叉激光线的图像信息传输至数据处理系统，进行相应的数据处理计算。

(4)将数据处理结果反馈至设备主轴，进行相应的姿态调整。

具体的，获得三角函数关系式：

为简化计算，可以将激光束轴线与相机轴线垂直布置，即激光束轴线与相机轴线之间的夹角为90°，则式(4)可简化为

式(5)中只有一个未知数θ₂，可直接求解出θ₂，然后求出θ₁。

步骤S150：基于计算所得的夹角矢量与坐标系的三坐标关系，调整设备主轴姿态，使主轴的轴向与被测曲面的法向一致。

由于任一矢量相对于坐标系的三个坐标轴都有如图4所示的3个夹角：与X夹角为α，与Y夹角为β，与Z夹角为γ。三个夹角之间存在如下关系：

cos²α+cos²β+cos²γ＝1 (6)

由式(6)可知，描述一个矢量的方向，需要确定其相对于两个坐标轴的夹角。可以认为式(4)-(5)求出的角度为该矢量与一个坐标轴的夹角，调整设备主轴姿态，转动-θ₂，使其与坐标轴重合。然后，再将十字激光发射器与相机绕设备主轴转动90°，重复上述步骤，即可测量法向矢量与另一个坐标轴的夹角，再次调整设备主轴姿态后，主轴轴向与被测曲面法向一致。

步骤S150：基于激光束轴线或者所述相机轴线与所述被测曲面的法向之间的夹角，利用三角函数，计算获得所述主轴到所述被测曲面的法向距离。

在本步骤中，测量曲面法向，并将设备主轴轴向调整至与被测区域法向一致。如图5所示，已知激光束的起始点C，过点C做设备主轴轴线的垂线，交于点D。沿设备主轴轴向移动设备，两条激光线的交点在相机中的成像为点F。过点D做被测曲面的垂线，与被测平面交于点H。过点F做DH的平行线，与CD交于点N。通过计算获得设备主轴到曲面的法向距离。

第二方面，本发明提供了一种基于交叉激光的基准定位方法，图6是本发明实施例的基于交叉激光的基准定位方法的流程示意图。下面结合图6进行说明，该方法包括：

步骤S610：采用以上本发明第一方面提出的基于交叉激光的曲面法向测量方法获得基准孔或预连接件的法向。

步骤S620：调整设备主轴的姿态，使十字激光束垂直于基准孔或预连接件；

步骤S630：十字激光束在相机中成像面内的四点转化成基准面上的四点，利用这四点构造两条相交线段；

步骤S640：基于构造的两条相交线段，做这两条线段的公垂线，并交于一点，该点即为待求的基准孔或预连接件的圆心。

在本步骤中，一般飞机壁板上的基准分为两种：基准孔或预连接件。两种特征的外形都是圆，当激光倾斜照射时(交叉线的交点位于圆内)，获取的如图7所示的4个特征点分布在一个椭圆上。对于预连接件，可以直接获取两条清晰的交叉线；对于基准孔，则需要利用4个特征点构造两条交叉线。采用上述方法计算基准孔或预连接件的法向，并调整姿态，使激光束垂直于基准孔或预连接件。此时，相机的成像与基准面的夹角为θ₁+θ₂，激光束投影在基准孔或预连接件上的交叉线在相机中成的像如图8所示。成像面内的四点可以转化成基准面上的四点，利用这四点构造直线，则基准面上的各点如图9所示。做圆内的两条线段的公垂线，交于一点，即为待求的基准孔或者预连接件的圆心。

第三方面，本发明提供了一种基于交叉激光的测量设备，图10是本发明实施例的基于交叉激光的测量设备的结构示意图。下面结合图10进行说明。

本发明的测量设备可用于第一方面的曲面法向测量方法中，也可以用于本第二方面的基准定位方法中。该测量设备包括十字激光发射组件1、照相测量组件2和基座3。其中，十字激光发射组件1包括十字激光发射器11和发射器安装座12，该十字激光发射器11通过紧固件可调节的安装在发射器安装座12上；照相测量组件2包括镜头21、相机22和相机支架23，该镜头21安装在相机22的前端，相机22通过紧固件可调节的安装在相机支架23上；基座3包括用于安装设备主轴的平面底部及两侧的安装斜面，两侧的安装斜面分别用于安装发射器安装座12与相机支架23，使十字激光发射器11和相机22的轴线在被测曲面的这一侧相交。

具体地，基座3两侧的安装斜面与平面底部均可拆卸安装，两侧的安装斜面相对于平面底部的角度可调节，当进行测量时，能够根据测量工艺要求进行相应的角度调节。基座3的平面底部有安装孔，用于安装设备主轴，基座3两侧的安装斜面以底部安装孔的孔轴相对称，并且在基座两侧的安装斜面的端部设有用于连接的安装孔，以便将该基座3安装在不同的工装上。

发射器安装座12与相机支架23均通过螺钉分别安装在基座3的两侧安装斜面上。

图11是本发明的基于交叉激光测量设备的应用场景示意图。如图11所示，需要进行曲面法向测量或者是基准定位时，将十字激光发射器11的电源接通并发出十字激光束，照射到待测工件4的被测曲面上，形成两条交叉的激光线13，相机22拍摄待测工件4表面的交叉激光线13，根据相机22获得的图像信息，利用法向测量、基准定位、测距等的计算方法，计算待测工件4的被测点法向或定位基准位置，完成一次法相测量或定位测量循环。

需要说明的是，曲面法向测量方法和基准定位方法中所用到的各计算公式和算法，可以通过在数据处理系统的软件上进行预先编程，构建成数据分析处理程序，通过系统自动智能化实现信息的收集和处理，能够快速准确的进行测量和定位。

综上所述，本发明基于交叉激光技术进行曲面法向测量、基准定位并发明了相应的测量设备，只需要采用本发明的一套基于交叉激光的测量设备就能一次实现曲面法向测量和基准定位，为末端执行器法向调整、基准定位及测距提供数据支持，同时本发明的设备中十字激光发射器与相机可分离，可单独安装，对安装空间要求较低，并且，相机轴线与激光束轴线可以以任意夹角布置，适用于多种安装位置，满足了当今新型飞机装配技术中对飞机装配技术提出的高质量、高效率和低成本的要求，测量设备结构紧凑、体积小，便于与机器人、五坐标机床或其他设备集成，本发明的测量方法操作简便、测量准确度高、效率高。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (9)

1.一种基于交叉激光的曲面法向测量方法，其特征在于，所述方法包括：

将十字激光发射器与相机分别可调节地设置在设备主轴的两侧，使两者之间具有一定夹角；

所述十字激光发射器将十字激光束投影到被测曲面上，形成两条交叉激光线；

所述相机拍摄所述被测曲面上的交叉激光线，获得所述交叉激光线的图像信息；

基于所述图像信息，分别计算激光束轴线、相机轴线与被测曲面的法向之间的夹角；

基于计算所得的夹角矢量与坐标系的三坐标关系，调整设备主轴姿态，使所述主轴的轴向与所述被测曲面的法向一致；

基于所述激光束轴线或者所述相机轴线与所述被测曲面的法向之间的夹角，利用三角函数，计算获得所述主轴到所述被测曲面的法向距离。

2.根据权利要求1所述的基于交叉激光的曲面法向测量方法，其特征在于，所述基于所述图像信息，分别计算激光束轴线、相机轴线与被测曲面的法向之间的夹角的方法包括：

基于所述图像信息，在三角形的关系中，构建关于所述激光束轴线、相机轴线与被测曲面法向之间的夹角以及相应线段的计算公式；

将所述计算公式预存在数据处理系统中；

将所述相机与所述数据处理系统连接，使所述相机获得所述交叉激光线的图像信息传输至所述数据处理系统，进行相应的数据处理计算；

将数据处理结果反馈至所述设备主轴，进行相应的姿态调整。

3.一种基于交叉激光的基准定位方法，其特征在于，所述方法包括：

采用权利要求1所述的曲面法向测量方法获得基准孔或预连接件的法向；

调整所述设备主轴的姿态，使十字激光束垂直于所述基准孔或预连接件；

所述十字激光束在所述相机中成像面内的四点转化成基准面上的四点，利用这四点构造两条相交线段；

基于构造的两条相交线段，做这两条线段的公垂线，并交于一点，该点即为待求的基准孔或预连接件的圆心。

4.一种基于交叉激光的测量设备，其特征在于，适用于权利要求1和/或权利要求3的方法中，所述测量设备包括：

十字激光发射组件，包括十字激光发射器和发射器安装座，所述十字激光发射器通过紧固件可调节的安装在所述发射器安装座上；

照相测量组件，包括镜头、相机和相机支架，所述镜头安装在所述相机的前端，所述相机通过紧固件可调节的安装在所述相机支架上；

基座，包括用于安装设备主轴的平面底部及两侧的安装斜面，两侧的所述安装斜面分别用于安装所述发射器安装座与所述相机支架，使所述十字激光发射器和所述相机的轴线在被测曲面一侧相交。

5.根据权利要求4所述的基于交叉激光的测量设备，其特征在于，所述基座两侧的安装斜面与平面底部均可拆卸安装，两侧的所述安装斜面相对于所述平面底部地角度可调节。

6.根据权利要求4所述的基于交叉激光的测量设备，其特征在于，所述基座的平面底部有安装孔，用于安装所述设备主轴。

7.根据权利要求6所述的基于交叉激光的测量设备，其特征在于，所述基座两侧的安装斜面以所述安装孔的孔轴相对称。

8.根据权利要求4所述的基于交叉激光的测量设备，其特征在于，所述基座两侧的安装斜面的端部设有用于连接的安装孔。

9.根据权利要求4所述的基于交叉激光的测量设备，其特征在于，所述发射器安装座与所述相机支架均通过螺钉分别安装在所述基座的两侧安装斜面上。