CN109163675B - 一种基于激光跟踪仪检测角摆轴位置精度的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于激光跟踪仪检测角摆轴位置精度的方法，具体包括以下步骤：步骤S1：测量准备；步骤S2：设定测量规划；步骤S3：数据测量；步骤S4：数据处理；步骤S5：根据德国VDI/DGQ3441标准，计算角摆轴的定位精度P及重复定位精度Psmax。本发明的有益效果是：本发明能够有效测量计算角摆轴的定位精度及重复定位精度，操作简单、方便；本发明通过以激光跟踪仪为测量工具来解决无角摆仪、激光干涉仪等测量工具的难题。本发明不仅可以用于该末端执行器角摆轴的定位精度与重复定位精度测量计算，也可以应用于数控机床各类旋转轴（如A轴、B轴、C轴等）的定位精度与重复定位精度测量计算。
Description
技术领域
本发明涉及末端执行器角摆轴定位技术领域，具体的说，是一种基于激光跟踪仪检测角摆轴位置精度的方法。
背景技术
随着航空制造技术的进步，对飞机产品的装配制造精度要求日益增高，各类数控机床以及各类满足不同加工需求的末端执行器被引入飞机装配制造中。针对某飞机需要进行椭圆窝加工的需求，一种基于激光跟踪仪检测角摆轴位置精度的方法能实现带动主轴进行左右摇摆加工的末端执行器被得以设计。然而，该末端执行器角摆轴的定位精度及重复定位精度(位置精度)将会影响椭圆窝的加工精度，如何检测其角摆轴的位置精度成为一项难点。数控机床旋转轴(如A轴、B轴、C轴等)的定位精度以及重复定位精度的常规检测方法是使用角摆仪、激光干涉仪等工具进行测量分析，该末端执行器角摆轴与数控机床旋转轴的不同之处在于其没有实际的旋转中心，而仅有一个虚拟的旋转中心，且由于主轴的安装位置干扰影响，无法架设激光干涉仪等工具进行测量(该末端执行器的结构简图如图4所示)。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于激光跟踪仪检测角摆轴位置精度的方法，。
本发明通过下述技术方案实现：
一种基于激光跟踪仪检测角摆轴位置精度的方法，具体包括以下步骤：
步骤S1：测量准备；
步骤S11：将反射镜靶标球固定在角摆轴远离旋转中心的位置；
步骤S12：将计算机与激光跟踪仪器连接；
步骤S2：设定测量规划；具体是指：根据角摆轴的行程大小，将角摆轴行程等分为n-1段，并设置越程距离，其中点P0为负向越程点，点Pn+1为正向越程点，点P1至点Pn为所等分的测量点；
步骤S3：数据测量；
将角摆轴依次从点P0向点Pn+1进行正向摆动，再从点Pn+1向点P0进行反向摆动；
在摆动过程中，遇到点P1、P2、…、Pn时，角摆轴暂停，等待激光跟踪仪采集当前反射镜靶标球的位置坐标Pij↗(x，y，z)和Pij↙(x，y，z)；
其中：Pij↗(x，y，z)表示第i次正向摆动时在点Pj处所采集的坐标；
Pij↙(x，y，z)表示第i次反向摆动时在点Pj处所采集的坐标；
步骤S4：数据处理；
步骤S41：拟合圆心；
步骤S42：计算角度值；
步骤S43：计算角摆轴在各点处的角度偏差；
步骤S5：计算角摆轴的定位精度P及重复定位精度Psmax。
进一步地，为了更好的实现本发明，所述步骤S41具体是指：利用所有采集到的点P1、P2、…、Pn的位置坐标Pij↗(x，y，z)和Pij↙(x，y，z)并基于最小二乘法拟合该角摆轴的旋转中心坐标O(x，y，z)。
进一步地，为了更好的实现本发明，所述步骤S42具体是指：计算所有采集到的点Pij↗、点Pij↙与点O构成的直线与直线OP11↗所构成的夹角，所述夹角采用θij↗、θij↙表示；
进一步地，为了更好的实现本发明，所述步骤S43具体是指：根据步骤S42行程等分的测量规划方式计算角摆轴在各点处的理论角度值，使用步骤S42所得的实际夹角的角度值减去理论角度值得到角度偏差，所述角度偏差采用δij↗、δij↙表示。
进一步地，为了更好的实现本发明，所述步骤S5具体包括以下步骤：
步骤S51：计算正向趋近点Pj时，角度偏差的平均值
步骤S52：计算反向趋近点Pj时，角度偏差的平均值
步骤S53：计算正向趋近点Pj时，角度偏差的标准偏差Sj↗：
步骤S54：计算反向趋近点Pj时，角度偏差的标准偏差Sj↙：
步骤S54：计算点Pj处角度偏差的平均标准偏差
步骤S54：计算角摆轴的重复定位精度Psmax：
步骤S54：计算角摆轴的定位精度p：
进一步地，为了更好的实现本发明，还包括步骤S6：测量系统精度分析；具体是指：激光跟踪仪的测量不确定度U、反射镜靶标球与角摆轴旋转中心O的距离R直接决定了该测量系统测量角度的测量不确定度U′；计算得到U′＝2arcsin(U/2R)，其中U由激光跟踪仪本身精度决定。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：
(1)本发明能够有效测量计算角摆轴的定位精度及重复定位精度，操作简单、方便；
(2)本发明通过以激光跟踪仪为测量工具来解决无角摆仪、激光干涉仪等测量工具的难题；
(3)本发明不仅可以用于该末端执行器角摆轴的定位精度与重复定位精度测量计算，也可以应用于数控机床各类旋转轴(如A轴、B轴、C轴等)的定位精度与重复定位精度测量计算。
附图说明
图1为本发明所采用的测量系统组成示意图；
图2为本发明中实施例2涉及的测量规划的示意图；
图3为本发明中实施例2涉及的几何关系示意图；
图4为末端执行器的结构简图；
其中1-计算机，2-激光跟踪仪，3-反射镜靶标球。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1：
本发明通过下述技术方案实现，如图1-图3所示，一种基于激光跟踪仪2检测角摆轴位置精度的方法，具体包括以下步骤：
步骤S1：测量准备；
步骤S11：将反射镜靶标球3固定在角摆轴远离旋转中心的位置；
步骤S12：将计算机1与激光跟踪仪2器连接；
步骤S2：设定测量规划；具体是指：根据角摆轴的行程大小，将角摆轴行程等分为n-1段，并设置越程距离，其中点P0为负向越程点，点Pn+1为正向越程点，点P1至点Pn为所等分的测量点；
步骤S3：数据测量；
将角摆轴依次从点P0向点Pn+1进行正向摆动，再从点Pn+1向点P0进行反向摆动；
在摆动过程中，遇到点P1、P2、…、Pn时，角摆轴暂停，等待激光跟踪仪2采集当前反射镜靶标球3的位置坐标Pij↗x，y，z和Pij↙x，y，z；
其中：Pij↗x，y，z表示第i次正向摆动时在点Pj处所采集的坐标；
Pij↙x，y，z表示第i次反向摆动时在点Pj处所采集的坐标；
步骤S4：数据处理；
步骤S41：拟合圆心；
步骤S42：计算角度值；
步骤S43：计算角摆轴在各点处的角度偏差；
步骤S5：根据德国VDI/DGQ3441标准，计算角摆轴的定位精度P及重复定位精度Psmax。
需要说明的是，通过上述改进，如图2所示，本发明所使用的测量系统由安装有Spatial Analyzer测量软件的计算机1、激光跟踪仪2、反射镜靶标球3构成，该测量系统可以测量反射镜靶标球3的位置坐标。
Spatial Analyzer测量软件:SA软件是美国NRK(New River Kinematics)公司的创始人Joe Calkins和Bob Salerno开发的，首次发布是在1996年。
在20世纪90年代早期，作为核电厂机器人技术研究的一部分，Joe Calkins和BobSalerno开发了通用算法，以补偿几乎任何机器人系统中的机器人连杆偏转。
1994年，机械工程博士Joe Calkins和Bob Salerno成立了NRK公司，重点是先进的机器人仿真和控制，空间变换和先进的优化技术。NRK公司的第一个软件产品Robotassist为各行业提供了强大的机器人设计和仿真功能。
为解决机器人领域中的6D转换的完美模拟以及统一来自不同采集系统的测量数据，Joe Calkins和Bob Salerno利用他们的专业知识开始构建强大而强大的测量软件包，以填补行业空白。1996年，NRK首次发布SpatialanalyzerSA软件，彻底改变了3D坐标测量行业。
此后的20多年里，SA软件被不断更新和加强，始终保持业内领先的地位。
SA软件是一款功能强大坐标测量软件，可以连接大部分便携三坐标测量设备包括便携式测量臂，经纬仪，跟踪仪，全站仪激光扫描系统等设备。主要应用在航空航天、汽车、船舶、铁路、桥梁风电和核电行业。
主要特点：
强大USMN
usmn适用于大尺寸测量，多台设备组合或一台设备多次转站完成一个测量任务，可以大大提高测量精度。采用点云方式模拟仪器“不确定度”，根据仪器位置和公差特性来确定该仪器在测量网络中的权重。综合计算最后得到最佳测量点坐标。
RelatinShip
可以用于完成实时更新两对象之间变化，优化同时可使测量值直接逼近理论值。并找到空间的一个方向，使相关联距离最小。在水电行业应用、航空等应用。
MP和SDK编程
MP是SA软件脚本编程语言，可以是程序自动执行，大大提高工作效率。针对经常重复的工件测量，是很好的选择。一风电过度桩为例。在C++和VB.NET的环境下SDK是用户可以利用SA的MP编写自己的测量程序。
NATIVE CAD
Native CAD提供原cad文件直读，其中包括现行的主要的cad系统：CATIA V4 V5，Pro/Engineer,SolidWorks,Unigraphics。
机器人校准
使用精密便携设备校准机器人到更高精度，测量机器人Tool Center PointTCP点进行优化运算得出机器人关节更精确更接近实际情况的运动模型。
管道拟合
大型管道的安装施工应用，例如精密确定切除位置，通过精密的测量和优化运算，确定截断位置，可以减少返工，增加效益。
本实施例的其他部分与上述实施例相同，故不再赘述。
实施例2：
本实施例在上述实施例的基础上做进一步优化，如图1所示，进一步地，为了更好的实现本发明，所述步骤S41具体是指：利用所有采集到的点P1、P2、…、Pn的位置坐标Pij↗x，y，z和Pij↙x，y，z并基于最小二乘法拟合该角摆轴的旋转中心坐标Ox，y，z。
进一步地，为了更好的实现本发明，所述步骤S42具体是指：计算所有采集到的点Pij↗、Pij↙与点O构成的直线与直线OP11↗所构成的夹角，所述夹角采用θij↗、θij↙表示；
进一步地，为了更好的实现本发明，所述步骤S43具体是指：根据步骤S42行程等分的测量规划方式计算角摆轴在各点处的理论角度值，使用步骤S42所得的实际夹角的角度值减去理论角度值得到角度偏差，所述角度偏差采用δij↗、δij↙表示。
进一步地，为了更好的实现本发明，所述步骤S5具体包括以下步骤：
步骤S51：计算正向趋近点Pj时，角度偏差的平均值
步骤S52：计算反向趋近点Pj时，角度偏差的平均值
步骤S53：计算正向趋近点Pj时，角度偏差的标准偏差Sj↗：
步骤S54：计算反向趋近点Pj时，角度偏差的标准偏差Sj↙：
步骤S54：计算点Pj处角度偏差的平均标准偏差
步骤S54：计算角摆轴的重复定位精度Psmax：
步骤S54：计算角摆轴的定位精度p：
进一步地，为了更好的实现本发明，还包括步骤S6：测量系统精度分析；具体是指：激光跟踪仪2的测量不确定度U、反射镜靶标球3与角摆轴旋转中心O的距离R直接决定了该测量系统测量角度的测量不确定度U′；如图4所示的几何关系，计算得到U′＝2arcsin(U/2R)，其中U由激光跟踪仪2本身精度决定。
本发明的测量精度将直接影响角摆轴位置精度的测量结果，因此需对测量系统进行测量精度分析。激光跟踪仪2的测量不确定度U、反射镜靶标球3与角摆轴旋转中心O的距离R直接决定了该测量系统测量角度的测量不确定度U′。根据简单的几何关系如图4所示，可计算得到U′＝2arcsin(U/2R)，其中U由激光跟踪仪2本身精度决定。
需要说明的是，通过上述改进，本发明可以测量计算角摆轴的定位精度及重复定位精度，操作简单、方便。通过以激光跟踪仪2为测量工具来解决无角摆仪、激光干涉仪等测量工具的难题。同时，不仅可以用于该末端执行器角摆轴的定位精度与重复定位精度测量计算，也可以应用于数控机床各类旋转轴如A轴、B轴、C轴等的定位精度与重复定位精度测量计算。
本实施例的其他部分与上述实施例相同，故不再赘述。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于激光跟踪仪检测角摆轴位置精度的方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
步骤S1：测量准备；
步骤S11：将反射镜靶标球(3)固定在角摆轴远离旋转中心的位置；
步骤S12：将计算机(1)与激光跟踪仪(2)器连接；
步骤S2：设定测量规划；具体是指：根据角摆轴的行程大小，将角摆轴行程等分为n-1段，并设置越程距离，其中点P0为负向越程点，点Pn+1为正向越程点，点P1至点Pn为所等分的测量点；
步骤S3：数据测量；
将角摆轴依次从点P0向点Pn+1进行正向摆动，再从点Pn+1向点P0进行反向摆动；
在摆动过程中，遇到点P1、P2、…、Pn时，角摆轴暂停，等待激光跟踪仪(2)采集当前反射镜靶标球(3)的位置坐标Pij↗(x，y，z)和Pij↙(x，y，z)；
其中：Pij↗(x，y，z)表示第i次正向摆动时在点Pj处所采集的坐标；
Pij↙(x，y，z)表示第i次反向摆动时在点Pj处所采集的坐标；
步骤S4：数据处理；
步骤S41：拟合圆心；
步骤S42：计算角度值；
步骤S43：计算角摆轴在各点处的角度偏差；
步骤S5：计算角摆轴的定位精度P及重复定位精度Psmax。
2.根据权利要求1所述的一种基于激光跟踪仪检测角摆轴位置精度的方法，其特征在于：所述步骤S41具体是指：利用所有采集到的点P1、P2、…、Pn的位置坐标Pij↗(x，y，z)和Pij↙(x，y，z)并基于最小二乘法拟合该角摆轴的旋转中心坐标O(x，y，z)。
3.根据权利要求2所述的一种基于激光跟踪仪检测角摆轴位置精度的方法，其特征在于：所述步骤S42具体是指：计算所有采集到的点Pij↗、点Pij↙与点O构成的直线与直线OP11↗所构成的夹角，所述夹角采用θij↗、θij↙表示。
4.根据权利要求3所述的一种基于激光跟踪仪检测角摆轴位置精度的方法，其特征在于：所述步骤S43具体是指：根据步骤S42行程等分的测量规划方式计算角摆轴在各点处的理论角度值，使用步骤S42所得的实际夹角的角度值减去理论角度值得到角度偏差，所述角度偏差采用δij↗、δij↙表示。
5.根据权利要求4所述的一种基于激光跟踪仪检测角摆轴位置精度的方法，其特征在于：所述步骤S5具体包括以下步骤：
步骤S51：计算正向趋近点Pj时，角度偏差的平均值
步骤S52：计算反向趋近点Pj时，角度偏差的平均值
步骤S53：计算正向趋近点Pj时，角度偏差的标准偏差Sj↗：
步骤S54：计算反向趋近点Pj时，角度偏差的标准偏差Sj↙：
步骤S54：计算点Pj处角度偏差的平均标准偏差
步骤S54：计算角摆轴的重复定位精度Psmax：
步骤S54：计算角摆轴的定位精度p：
6.根据权利要求1-5任一项所述的一种基于激光跟踪仪检测角摆轴位置精度的方法，其特征在于：还包括步骤S6：测量系统精度分析；具体是指：激光跟踪仪(2)的测量不确定度U、反射镜靶标球(3)与角摆轴旋转中心O的距离R直接决定了该测量系统测量角度的测量不确定度U′；计算得到U′＝2arcsin(U/2R)，其中U由激光跟踪仪本身精度决定。
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