CN109290758A - 一种基于激光准直仪检测的位置对中方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激光准直仪检测的位置对中方法，涉及孔轴装配技术领域，本发明包括以下步骤：(1)将激光准直仪的发射端安装在工件头上，激光准直仪的接收端设置有两个，一个接收端安装至模拟容器孔中，另一个接收端安装在Y运动机构上；(2)将工件吊装在机械手上后，通过激光准直仪发射的激光束与Y运动机构上的接收端对中，通过Y、Z运动机构将激光准直仪发射的激光束与模拟容器孔上的接收端对中，并测算出孔心位置；(3)通过智能孔轴装配动态引导器精确检测装配的孔轴同轴误差，由控制系统计算各关节电机的调整量，最后通过X运动机构完成工件推送安装，本发明具有操作规范、定位精确度高、容易达到装配要求的优点。

Description

一种基于激光准直仪检测的位置对中方法

技术领域

本发明涉及孔轴装配技术领域，更具体的是涉及一种基于激光准直仪检测的位置对中方法。

背景技术

激光准直仪由激光器作为光源的发射系统、光电接收系统及附件三大部分组成，将激光束作为定向发射而在空间形成的一条光束作为准直的基准线，以标定直线的一种工程测量仪器，激光准直仪由激光器作为光源的发射系统、光电接收系统及附件三大部分组成。激光准直仪可用于船舶艉轴孔加工、检测、维修和安装工作；大型机床轴系检测、安装和调整；大型汽轮机发电机主机的安装、检测以及其它回转长轴系的检测调整等。

目前孔轴装配方法主要有：主动柔顺孔轴装配、被动柔顺孔轴装配、自动寻找法孔轴装配，其中被动柔顺孔轴装配是指通过传感器检测出孔轴偏差，装配控制系统根据反馈偏差信息，修正被装对象的姿态，根据引导的方式可分为视觉引导、接近觉引导和力控制引导。

视觉引导是指通过分析处理由工业相机拍下的孔和轴的图像，得出孔轴的轴线偏差反馈给控制系统，控制系统根据反馈调整机械手位姿，反复检查和调整指导孔轴偏差在一定范围后在实施精装配。视觉引导的精度受相机的分辨率、平行光源的强度、周围光线、孔轴配合间隙和配合长度的影响，同时实时处理图像花费时间，处理相机和装配运动系统之间的坐标转换也需要大量时间，整个系统相应性不好，因此，在装配环境恶劣的情况下，使用视觉引导很难达到装配要求。

接近觉引导是通过装配系统末端的接近觉传感检测出与被装对象的距离和现对倾角，配合搜索和识别功能的软件程序来完成装配，这种方式对传感器的精度要求很高，适合一些配合精度不高的场所。

力控制引导是靠力觉反馈，调整机械手姿态，使轴孔由接触到非接触状态转换，因此，靠这种方式并不能使轴孔配合后有均匀的间隙，对于有台阶的轴孔配合时很可能在下一个轴段不能配合在一起，另外当检测到力后，系统并不能立即停止，为了减小碰撞冲击，只能降低速度提高系统的响应速度。

故如何解决上述技术问题，对于本领域技术人员来说很有现实意义。

发明内容

本发明的目的在于：为了解决现有孔轴装配操作不规范、定位不精确导致难以达到装配要求的技术问题，本发明提供一种基于激光准直仪检测的位置对中方法。

本发明为了实现上述目的具体采用以下技术方案：

一种基于激光准直仪检测的位置对中方法，包括以下步骤：

(1)将激光准直仪的发射端通过工装安装在工件头上，使发射端发射的激光束与工件头同轴同心，发射端上安装有激光传感器，激光准直仪的接收端设置有两个，一个接收端安装至模拟容器孔中，并使接收端中心与模拟容器孔同心同轴，另一个接收端安装在Y运动机构上，并使其接收中心与X运动机构平行；

(2)将工件吊装在机械手上后，通过激光准直仪发射的激光束与Y运动机构上的接收端对中，然后通过机械手将工件运输至工件口，并通过Y运动机构、Z运动机构将激光准直仪发射的激光束与模拟容器孔上的接收端对中，并测算出孔心位置；

(3)通过智能孔轴装配动态引导器精确检测装配的孔轴同轴误差，并把孔轴之间轴线的偏差反馈给控制系统，由控制系统计算各关节电机的调整量，最后通过X运动机构完成工件推送安装。

进一步地，在步骤(1)中，激光准直仪的接收端上设置有用于调校发射端及接收端的位置度和夹角的调校工装。

进一步地，在步骤(3)中，将工件抽出时，机械手通过X运动机构、Y运动机构及Z运动机构将工件夹持机构推送至工件位置将工件夹持住，最后X运动机构运行将工件拔出模拟容器。

进一步地，工件夹持机构上安装有检测定位机构，检测定位机构包括机械工装和激光传感器，机械工装用于激光传感器的安装、定位及调节，激光传感器用于模拟容器内的工件位置检测。

进一步地，在步骤(3)中，智能孔轴装配动态引导器包括引导头、孔套和四个PSD传感器，引导头与工件端部圆柱配合，孔套与压力容器周向孔配合，四个PSD传感器均布安装在孔套法兰面。

本发明的有益效果如下：

1、通过采用激光准直仪作为检测仪器，从根本上保证了检测精度，激光准直仪上的发射端上安装有激光传感器，可检测工件推送是否到位，工件吊装在机械手上后，通过激光准直仪和模拟容器孔互相配合对准，并经过一系列精确计算，测算出孔心位置，但加工过程中存在加工偏差或孔轴的相对位置误差，使孔的轴线与压力容器的轴线不正交，将引起装配过程某一时刻的“卡死”，因此，通过智能孔轴装配动态引导器精确检测装配的孔轴同轴误差，并把孔轴之间轴线的偏差反馈给控制系统，由控制系统计算各关节电机的调整量，通过一系列规范操作和精准定位，能更容易达到孔轴装配要求。

2、激光准直仪的接收端上设置有用于调校发射端及接收端的位置度和夹角的调校工装，通过设置调校工装，便于调校发射端及接收端的位置度和夹角偏差，提高定位精确度。

附图说明

图1是检测坐标系与初始位置时的示意图；

图2是轴向位置差示意图；

图3是轴向位置确定时的示意图；

图4是智能孔轴装配动态引导器的结构示意图；

图5是工件上端圆柱与安装孔同轴时的示意图；

图6是工件存在上下倾角或Z向偏移误差时的示意图；

图7是工件存在左右倾角或Y方向偏移误差时的示意图；

图8是工件在左右、上下倾角以及Z方向、Y方向都存在偏移时的示意图。

具体实施方式

为了本技术领域的人员更好的理解本发明，下面结合附图和以下实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例1

本实施例提供一种基于激光准直仪检测的位置对中方法，包括以下步骤：

(1)将激光准直仪的发射端通过工装安装在工件头上，使发射端发射的激光束与工件头同轴同心，发射端上安装有激光传感器，激光准直仪的接收端设置有两个，一个接收端安装至模拟容器孔中，并使接收端中心与模拟容器孔同心同轴，另一个接收端安装在Y运动机构上，并使其接收中心与X运动机构平行；

(2)将工件吊装在机械手上后，通过激光准直仪发射的激光束与Y运动机构上的接收端对中，然后通过机械手将工件运输至工件口，并通过Y运动机构、Z运动机构将激光准直仪发射的激光束与模拟容器孔上的接收端对中，并测算出孔心位置；

(3)通过智能孔轴装配动态引导器精确检测装配的孔轴同轴误差，并把孔轴之间轴线的偏差反馈给控制系统，由控制系统计算各关节电机的调整量，最后通过X运动机构完成工件推送安装。

进一步地，在步骤(1)中，激光准直仪的接收端上设置有用于调校发射端及接收端的位置度和夹角的调校工装。

进一步地，在步骤(3)中，将工件抽出时，机械手通过X运动机构、Y运动机构及Z运动机构将工件夹持机构推送至工件位置将工件夹持住，最后X运动机构运行将工件拔出模拟容器。

进一步地，工件夹持机构上安装有检测定位机构，检测定位机构包括机械工装和激光传感器，机械工装用于激光传感器的安装、定位及调节，激光传感器用于模拟容器内的工件位置检测。

进一步地，在步骤(3)中，智能孔轴装配动态引导器包括引导头、孔套和四个PSD传感器，引导头与工件端部圆柱配合，孔套与压力容器周向孔配合，四个PSD传感器均布安装在孔套法兰面。

本实施例中，将激光准直仪的发射端通过工装安装在工件头上，通过工装保证激光发射端发射的激光束与工件头同轴同心，其中激光准直仪接收端共设计两个，一个通过工装可人工安装至模拟容器孔中，并保证接收端中心(靶心)与模拟容器同心同轴，另一个接收端通过微调机构安装在Y运动机构上，通过微调机构调节接收中心与X运动机构平行，并在X运动机构的两个导轨中间。

检测时工件安装好发射端，模拟容器安装好接收端，将工件吊装在机械手上后，通过机械的运动机构及微调机构调整工件的激光准直仪发射的激光束与Y运动机构上的接收端对中，以保证工件头与X运动方向平行，然后通过运动机构将工件运输至工件口，并通过Y运动机构、Z运动机构及回旋机构的运动将激光准直仪发射的激光束与模拟容器孔上的接收端对中，最后通过X运动机构完成工件推送安装操作。同时在发射端的检测工装安装有激光传感器，用于检测工件推送是否到位，检测原理是通过激光测距，通过激光传感器照射接收端，以检测距离接收端的距离。

其中发射端由激光准直仪发端、自定心工装、涨紧工装及微调机构组成，激光准直仪发射端用于激光束发射，自定心工装设计为三个涨紧块涨紧，实现自定心功能，涨紧工装用于推动自定心工装与工件定位孔定位涨紧固定，微调机构用于激光发射端的位置度及角度调节。

其中接收端由激光准直仪接收端、自定心工装、涨紧工装及微调机构组成，激光准直仪接收端用于接收激光束检测激光束的位置及夹角，自定心工装设计为三个涨紧块涨紧自定心功能，涨紧工装用于推动自定心工装与工件定位孔定位涨紧固定，微调机构用于激光接收端的位置度及角度调节，同时设计标准调校工装，用于调校发射端及接收端的位置度及夹角。

设计模拟容器内工件检测定位机构，检测定位机构包括机械工装和激光传感器，其中机械工装用于传感器的安装、定位及调节，激光传感器用于模拟容器内的工件位置检测，整个检测定位机构安装在工件夹持机构上，通过传感器检测定位工件后，机械手通过X、Y、Z运动机构将工件夹持机构推送至工件位置将工件夹持住，然后弹簧释放/压缩机构压缩工件支撑弹簧，最后X运动机构运行将工件拔出模拟容器，再配合运动机构将工件运出模拟容器。

具体操作时，将两只放射式光电传感器分别安装在支撑板A/B上，通过调节回转运动使横向移动方向基本平行压力容器周向其中一个孔的轴线，初始状态时，如图1所示，机器设备的坐标系原点在压力容器坐标系下坐标为(Δθ，x_o1，y_o1，)，然后，轴向移动装置下降，将两只传感器送到周向孔位置，纵向移动装置向左移动直到左边传感器检测到孔的边缘，移动距离回到初始位置，再往右移动直到右边传感器检测到孔边缘，移动距离可得：

其中，ΔY_n为第N次测得机器设备坐标原地在Y方向上到压力容器坐标系x₀轴的距离。

轴向移动装置上下运动时，边缘传感器可以检测到孔上下的边缘，由于ΔY(ΔX)、Δθ的存在，使两只传感器不是同时检测到孔的上边缘，出现高度差如图2所示，可得：

其中，为第N次左右传感器检测到孔上边沿时轴向的高度差。

当ΔY、Δθ同时减小时，随着而减小，当ΔY＝0、Δθ＝0时，

即：

由于无法获得ΔY、Δθ相互之间的具体函数关系，但三者之间的变化趋势可采用离散趋近的方法。第一次检测出dy₂、dy1后，纵向移动装置移动ΔY₁，使机器坐标原点o在压力容器坐标系的X轴上。然后，轴向检测孔的边缘，分别记录传感器检测到时的坐标当时，朝方向旋转单位θ；当时，朝方向旋转单位θ。重复以上过程，直到(轴向移动装置的运动精度)。校核ΔY₁ ⁿ，当ΔY₁ ⁿ＜ε_y(纵向移动装置的运动精度)时，趋近为零，可以认为机器坐标系的X轴与压力容器坐标系的x₀轴重合。

再次轴向检测压力容器此周向孔的上下边缘得到如图3所示，可到孔心在轴向的位置为：

完成以上过程，记录所检测的孔心在装配机器人坐标下坐标(，y，z，θ)，这样装配机器人就可以通过轨迹规划，计算各关节的运动量，控制各关节电机移动到该位置。

位置对中检测，确定了周向孔在内壁面上圆心的位置，但加工过程中存在加工偏差或孔轴的相对位置误差，使孔的轴线与压力容器的轴线不正交，将引起装配过程某一时刻的“卡死”，因此，只检测位置实现对中无法确保工件颈部与孔在装配过程中动态同轴，智能孔轴装配动态引导器精确检测装配的孔轴同轴误差，并把轴孔之间轴线的偏差反馈给控制系统，由控制系统通过逆运算计算各关节电机的调整量，从调节工件的位姿，实现动态同轴。智能孔轴装配动态引导器包括引导头、孔套和四个PSD传感器，引导头与工件端部圆柱配合，孔套与压力容器周向孔配合，四个PSD传感器均布安装在孔套法兰面，如图4所示。

工件带着引导头插入到容器周向安装孔中，四个测距传感器分别检测到引导头端部圆柱面到传感器的距离d₁、d₂、d₃、d₄。

根据d₁、d₂、d₃、d₄做如下判断：

1)如图5所示，当d₁＝d₂且d₃＝d₄时，工件上端圆柱与安装孔同轴；

2)如图6所示，当d₁≠d₃且d₂＝d₄时，说明工件存在上下倾角或Z向偏移误差。

先调节度俯仰机构转动α，使得引导头轴线与孔轴线平行，然后再次测试若轴向运动装置运动d_z；若工件上端圆柱与安装孔同轴；

其中，d-引导头轴端直径，mm；

L-上下传感器之间的距离，mm；

3)如图7所示，当d₁＝d₃且d₂≠d₄时，说明工件存在左右倾角或Y方向偏移误差。

先调节回转消隙装置转动β，使引导头的轴线与孔轴线平行；然后再次测试若纵向运动装置运动d_y；

4)如图8所示，当d₁≠d₃且d₂≠d₄时，说明工件在左右、上下倾角以及Z方向、Y方向都存在偏移。

横向移动装置(X轴)向前移动L_x，再次读数为n取自然数，根据所测的数据，俯仰机构和回转消隙装置分别调节α_n、β_n，然后横向移动装置(X轴)向后退L_x，再次读数若或时，俯仰机构和回转消隙装置分别调节α_n+1、β_n+1。重复以上过程，直到且时，说明引导头的轴线与孔轴线平行，然后轴向移动装置调节d_z，纵向动装置调节d_y。

通过上述四种状况的处理，智能孔轴装配动态引导器实现了动态引导管接头颈部与容器孔位的同轴，实现了柔顺装配。

其中，X运动机构主要包括交流伺服系统(一体化驱动伺服电机：LXM32iBMI1003P37F，额定扭矩7.2N.m)、手轮力、电磁离合器、扭矩传感器(SSM-TQ513、扭矩检测范围0-50N.m)、精密减速机、导轨、滚珠丝杆、原点传感器、限位传感器、磁栅尺、手轮等。丝杆轴配备旋转变压器，检测旋转定位精度，检测精度正负5′。其中交流伺服电机和伺服驱动器采用施耐德交流伺服系统，电机功率、扭矩、转速等参数的选择以满足使用要求为原则，丝杆导轨满足承载要求，其他机构部件满足回转操作台的功能和技术要求。

X运动机构技术参数如下：

(1)X轴行程大于1500mm，保证工件能完全实现径向定位与安装、及在拔取工件时的力矩输出，并使操作人员在需要时，可搭乘人员自动升降梯，从第一层操作平台进入容器内，进行观察操控：

(2)X轴速度为40～400mm/min，速度可通过控制软件界面设定，提供夹持工件时的慢速精密进给、不带工件时的快速空回；

(3)进给定位精度不低于0.05mm；

(4)重复定位精度不低于0.05mm；

Y运动机构主要包括交流伺服系统(一体化驱动伺服电机：LXM32i BMI1003P37F，额定扭矩7.2N.m)、手轮力、电磁离合器、扭矩传感器(SSM-TQ513、扭矩检测范围0-50N.m)、精密减速机、导轨、滚珠丝杆、原点传感器、限位传感器、磁栅尺、手轮等。丝杆轴配备旋转变压器，检测旋转定位精度，检测精度正负5′。其中交流伺服电机和伺服驱动器采用施耐德交流伺服系统，电机功率、扭矩、转速等参数的选择以满足使用要求为原则，丝杠导轨满足承载要求，其他机构部件满足回转操作台的功能和技术要求。

Y运动机构用于工件与容器孔位的对中微调，技术参数如下：

(1)Y轴行程：220mm；

(2)进给速度：不大于100mm/min；

(3)进给定位精度：0.05mm；

(4)重复定位精度：0.05mm；

Z运动机构主要包括交流伺服系统(一体化驱动伺服电机：LXM32i BMI1003P37F，额定扭矩7.2N.m)、精密减速机、传动杆、导轨、梯形丝杠、原点传感器、限位传感器、磁栅尺、手轮与扭矩传感器(SSM-TQ513、扭矩检测范围0-50N.m)等。其中交流伺服电机和伺服驱动器采用施耐德交流伺服系统，电机功率、扭矩、转速等参数的选择以满足使用要求为原则，丝杠导轨材质选择满足承载要求，其他机构部件满足回转操作台的功能和技术要求。

Z运动机构技术参数如下：

(1)Z轴行程大于4000mm，保证工件能在工件吊装位置，使机械手夹持工件，并将工件输送到安装位，完成各自由度的调整实现孔轴对中后，X轴进给并安装；

(2)Z轴行程为4000mm；

(3)进给速度：40～400mm/min；

(4)定位精度：0.05mm；

(5)重复定位精度：0.05mm。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，本发明的专利保护范围以权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种基于激光准直仪检测的位置对中方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将激光准直仪的发射端通过工装安装在工件头上，使发射端发射的激光束与工件头同轴同心，发射端上安装有激光传感器，激光准直仪的接收端设置有两个，一个接收端安装至模拟容器孔中，并使接收端中心与模拟容器孔同心同轴，另一个接收端安装在Y运动机构上，并使其接收中心与X运动机构平行；

(2)将工件吊装在机械手上后，通过激光准直仪发射的激光束与Y运动机构上的接收端对中，然后通过机械手将工件运输至工件口，并通过Y运动机构、Z运动机构将激光准直仪发射的激光束与模拟容器孔上的接收端对中，并测算出孔心位置；

(3)通过智能孔轴装配动态引导器精确检测装配的孔轴同轴误差，并把孔轴之间轴线的偏差反馈给控制系统，由控制系统计算各关节电机的调整量，最后通过X运动机构完成工件推送安装。

2.根据权利要求1所述的一种基于激光准直仪检测的位置对中方法，其特征在于，在步骤(1)中，激光准直仪的接收端上设置有用于调校发射端及接收端的位置度和夹角的调校工装。

3.根据权利要求1所述的一种基于激光准直仪检测的位置对中方法，其特征在于，在步骤(3)中，将工件抽出时，机械手通过X运动机构、Y运动机构及Z运动机构将工件夹持机构推送至工件位置将工件夹持住，最后X运动机构运行将工件拔出模拟容器。

4.根据权利要求3所述的一种基于激光准直仪检测的位置对中方法，其特征在于，工件夹持机构上安装有检测定位机构，检测定位机构包括机械工装和激光传感器，机械工装用于激光传感器的安装、定位及调节，激光传感器用于模拟容器内的工件位置检测。

5.根据权利要求1所述的一种基于激光准直仪检测的位置对中方法，其特征在于，在步骤(3)中，智能孔轴装配动态引导器包括引导头、孔套和四个PSD传感器，引导头与工件端部圆柱配合，孔套与压力容器周向孔配合，四个PSD传感器均布安装在孔套法兰面。