CN109443273B - 利用三维测量系统对待测工件进行精确定位的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用三维测量系统对待测工件进行精确定位的方法，三维测量系统安装于工位内，工位内还包括用于安装固定待测工件的夹具，夹具包括多个定位销，当待测工件安装在夹具上时，定位销插入到待测工件上对应的定位孔内；在多个定位销与夹具连接处的侧面分别固定一个辅件；利用Bursa模型分别解算待测工件安装在夹具前、后的坐标系与理论坐标系的转换关系，实现了对待测工件的精确定位，避免了在装配过程中引入的误差，提高了测量精度。
Description
技术领域
本发明涉及自动化视觉测量领域，具体涉及利用三维测量系统对待测工件进行精确定位的方法。
背景技术
在制造业中，加工精度是衡量工艺水平的重要依据，而三维测量是评价加工精度的方式。在智能制造的时代，随着测量技术的更新迭代，自动化视觉测量系统开始广泛的应用在汽车、船舶、航空航天等制造领域，待测工件自动化测量时需要建立待测工件坐标系，来评价其加工精度，为了防止待测工件安装位置变动，需要利用高精度夹具将其固定在视觉传感器测量视场的指定位置，高精度夹具会设置多个定位销；
定位销，以待测工件的定位孔作为定位基准，使用时，插入到待测工件的定位孔中，限制待测工件的自由度，控制待测工件在X、Y、Z三个轴向的直线运动，和绕着X、Y、Z的旋转运动的六个自由运动度。
在自动化视觉测量系统中，传统的方式是将夹具固定好后，直接用三维测量系统获取工件特征点的三维坐标并与工件理论坐标比对，判断工件的加工误差；
传统测量方法中，由于夹具调整存在误差，而且一些大尺寸待测工件(如：待测白车身、飞机机身骨架、飞机机身蒙皮等)重量较大，夹具固定待测工件之后也存在一定的形变，这种调节误差、形变会对测量系统引入整体性误差，影响三维测量系统检测结果的精确性，因此需要实时动态的对待测工件位置进行精确定位，获取更精确的待测工件加工偏差。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种利用三维测量系统对待测工件进行精确定位的方法，本方法利用三维测量系统实现了对待测工件的精确定位，避免了在装配过程中引入的误差，提高了测量精度。
一种利用三维测量系统对待测工件进行精确定位的方法，所述三维测量系统安装于工位内，所述工位内还包括用于安装固定待测工件的夹具，所述夹具包括多个定位销，当待测工件安装在夹具上时，所述定位销插入到待测工件上对应的定位孔内，在所述定位销与夹具连接处的侧面分别固定一个辅件；
夹具上的定位销至少有3个，所述定位销控制待测工件在X、Y、Z三个方向的直线运动和围绕X、Y、Z旋转的六个自由运动度；
其特征在于包括如下步骤：
步骤一、利用标定好的三维测量系统测量出每个定位销在三维测量系统坐标系下的坐标值，记为实测坐标(Xvi,Yvi,Zvi),其中，i＝1,2,…m，m为定位销数量；
步骤二、根据Bursa模型求解定位销的实测坐标(Xvi,Yvi,Zvi)与预先存储的定位销的理论坐标(Xri,Yri,Zri)之间的旋转平移转换关系T转；
其中，εx、εy、εz为旋转矩阵的构成参数，Tx、Ty、Tz为平移矩阵的构成参数；
步骤三、利用三维测量系统测量所述步骤一状态下所有辅件的几何中心的三维坐标，记为实测坐标(Xci,Yci,Zci)；
利用所述步骤二中得出的定位销的实测坐标与理论坐标之间的旋转平移转换关系T转，计算得出辅件的理论坐标(Xsi,Ysi,Zsi)：
步骤四、将待测工件安装到所述夹具，夹具的定位销插入到待测工件对应的定位孔中，利用三维测量系统再次一一测量多个所述辅件的几何中心坐标，记为辅件的实际坐标(Xdi,Ydi,Zdi)；
步骤五、依据所述多个辅件的实际坐标(Xdi,Ydi,Zdi)和理论坐标(Xsi,Ysi,Zsi)，构建Bursa模型，联立解算待测工件安装在夹具上后的实际坐标(Xdi,Ydi,Zdi)与理论坐标(Xsi,Ysi,Zsi)的转换关系T转＇中的各个参数；
其中εx'、εy'、εz'为旋转矩阵的构成参数，Tx'、Ty'、Tz'为平移矩阵的构成参数；
步骤六、利用视觉三维测量系统测量得出待测工件上各个待测特征点的实际坐标，记为(Xhj,Yhj,Zhj)其中，j＝1,2,…d，d为待测工件上的待测特征点的数量；通过T转＇计算出各个待测特征点在理论坐标系下的实测坐标值(Xwj,Ywj,Zwj)；
步骤七、将所述步骤六中计算得出的实际测量时工件待测特征点在理论坐标系下的实测坐标值(Xwj,Ywj,Zwj)与预先存储的各个待测特征点的理论坐标值(Xkj,Ykj,Zkj)作差值，得出待测工件加工偏差(dx，dy，dz)，将此加工偏差与工件设计公差对比，分析待测工件是否合格。
进一步，所述步骤二根据Bursa模型求解定位销的实测坐标(Xvi,Yvi,Zvi)与预先存储的定位销的理论坐标(Xri,Yri,Zri)之间的旋转平移转换关系T转的方法为：
利用下式进行解算：
若第1个辅件控制X、Y方向，第2个辅件控制X、Z方向……第M个辅件控制Z方向，则A、b有以下表示：
其中，m为定位销数量，A、b矩阵的行数n，
联立多个所述定位销的理论坐标值(Xri,Yri,Zri)和实测坐标值(Xvi,Yvi,Zvi)解算出：εx、εy、εz、Tx、Ty、Tz；继而得到T转。
进一步，所述理论坐标为理论坐标系下的坐标值，所述理论坐标系是在工件的理论设计阶段根据数模建立的工件理论坐标系；工控机预先存储每个所述定位销的理论坐标(Xri,Yri,Zri)以及待测工件上各个待测特征点的理论坐标(Xkj,Ykj,Zkj)，其中，i＝1,2,…m，m为定位销数量，j＝1,2,…d，d为待测特征点的数量。
进一步，所述步骤七中的工件设计公差为根据工件的加工精度要求，在生产过程中容许的加工误差。
进一步，所述辅件为球体、圆柱体或多面体。
进一步，所述定位销与夹具连接处还设有安装底座，所述安装底座用于通过刚性结构固定辅件。
进一步，所述定位销的坐标值是定位销的中轴线与其底面之间的交点坐标值。
进一步，所述三维测量系统用于获取待测目标的空间三维点坐标。
进一步，所述三维测量系统为激光测距仪、三坐标机或三维扫描仪等。
进一步，所述步骤七中工件待测特征点为根据待测工件特点，人为事先选定的特征孔、槽、圆柱或曲面等。
本发明方案具有以下优点：
1、减小了在夹具安装过程、零件落位过程中的误差，提高了对工件的测量精度；
2、对定位夹具而言仅需要保证辅件与定位销的精度，以及两者之前的刚性关系，对其他部分的加工的要求较低，且支持活动定位销。
3、本方案得出实时性高，适用于自动化测量过程。
附图说明
图1为发明实施例中夹具及辅件的结构示意图。
1、定位销；2、辅件；3、夹具；4、安装底座。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案进行详细描述。
一种利用三维测量系统对待测工件进行精确定位的方法，其中，三维测量系统安装于工位内，用于获取待测目标的空间三维点坐标，本实施例中，三维测量系统为三维扫描仪；
工位内还包括用于安装、固定待测工件的夹具3，夹具3包括4个定位销1，当待测工件安装在夹具3上时，定位销1插入到待测工件上对应的定位孔内，夹具上的定位销至少有3个，控制待测工件在X、Y、Z三个方向的直线运动和围绕X、Y、Z旋转的六个自由运动度；
在定位销1与夹具3连接处具有安装底座4，安装底座4的侧面通过刚性结构固定辅件2，本实施例中辅件为球体；
本实施例中待测工件为汽车整车白车身，依据不同车型特点及测量要求，人为事先选定白车身上的特征孔、槽、圆柱、前盖曲面、车门安装槽等作为待测特征点。
本方法包括如下步骤：
步骤一、利用标定好的三维扫描仪测量出每个定位销在三维扫描仪坐标系下的坐标值，记为实测坐标(Xvi,Yvi,Zvi),其中，i＝1,2,…m，m为定位销数量；
进一步，定位销的坐标值是定位销的中轴线与其底面之间的交点坐标值。
步骤二、根据Bursa模型求解定位销的实测坐标(Xvi,Yvi,Zvi)与预先存储的定位销的理论坐标(Xri,Yri,Zri)之间的旋转平移转换关系T转；
其中，εx、εy、εz为旋转矩阵的构成参数，Tx、Ty、Tz为平移矩阵的构成参数；
步骤三、利用三维扫描仪测量步骤一状态下所有辅件的几何中心的三维坐标，记为实测坐标(Xci,Yci,Zci)；
利用步骤二中得出的定位销的实测坐标与理论坐标之间的旋转平移转换关系T转，计算得出辅件的理论坐标(Xsi,Ysi,Zsi)：
步骤四、将待测白车身安装到夹具，夹具的定位销插入到待测白车身对应的定位孔中，利用三维扫描仪再次一一测量多个辅件的几何中心坐标，记为辅件的实际坐标(Xdi,Ydi,Zdi)；
步骤五、依据多个辅件的实际坐标(Xdi,Ydi,Zdi)和理论坐标(Xsi,Ysi,Zsi)，构建Bursa模型，联立解算待测白车身安装在夹具上后的实际坐标(Xdi,Ydi,Zdi)与理论坐标(Xsi,Ysi,Zsi)的转换关系T转＇中的各个参数；
其中εx'、εy'、εz'为旋转矩阵的构成参数，Tx'、Ty'、Tz'为平移矩阵的构成参数；
步骤六、利用三维扫描仪测量得出待测白车身上各个待测特征点的实际坐标，记为(Xhj,Yhj,Zhj)其中，j＝1,2,…d，d为待测白车身上的待测特征点的数量；通过T转＇计算出各个待测特征点在理论坐标系下的实测坐标值(Xwj,Ywj,Zwj)；
步骤七、将步骤六中计算得出的实际测量时工件待测白车身在理论坐标系下的实测坐标值(Xwj,Ywj,Zwj)与预先存储的各个待测特征点的理论坐标值(Xkj,Ykj,Zkj)作差值，得出待测白车身加工偏差(dx，dy，dz)，将此加工偏差与白车身设计公差对比，分析白车身是否合格。
进一步，步骤二根据Bursa模型求解定位销的实测坐标(Xvi,Yvi,Zvi)与预先存储的定位销的理论坐标(Xri,Yri,Zri)之间的旋转平移转换关系T转的方法为：
利用下式进行解算：
若第1个辅件控制X、Y方向，第2个辅件控制X、Z方向……第M个辅件控制Z方向，则A、b有以下表示：
其中，m为定位销数量，A、b矩阵的行数n，
联立多个所述定位销的理论坐标值(Xri,Yri,Zri)和实测坐标值(Xvi,Yvi,Zvi)解算出：εx、εy、εz、Tx、Ty、Tz；继而得到T转。
进一步，理论坐标为理论坐标系下的坐标值，理论坐标系是在白车身的理论设计阶段根据数模建立的工件理论坐标系；工控机预先存储每个定位销的理论坐标(Xri,Yri,Zri)以及待测白车身上各个待测特征点的理论坐标(Xkj,Ykj,Zkj)，其中，i＝1,2,…m，m为定位销数量，j＝1,2,…d，d为待测特征点的数量。
进一步，步骤七中的工件设计公差为根据白车身的加工精度要求，在生产过程中容许的加工误差。
为了方便解释和精确限定所附权利要求，术语“上”、“下”、“内”和“外”被用于参考附图中所显示的这些特征的位置来描述示例性实施方式的特征。
前面对本发明具体示例性实施方案所呈现的描述是出于说明和描述的目的。前面的描述并不想要成为毫无遗漏的，也不是想要把本发明限制为所公开的精确形式，显然，根据上述教导很多改变和变化都是可能的。选择示例性实施方案并进行描述是为了解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的其它技术人员能够实现并利用本发明的各种示例性实施方案及其不同选择形式和修改形式。本发明的范围旨在由所附权利要求书及其等价形式所限定。
Claims (8)
1.一种利用三维测量系统对待测工件进行精确定位的方法，所述三维测量系统安装于工位内，所述工位内还包括用于安装固定待测工件的夹具，所述夹具包括多个定位销，当待测工件安装在夹具上时，所述定位销插入到待测工件上对应的定位孔内；在所述多个定位销与夹具连接处的侧面分别固定一个辅件；
其特征在于包括如下步骤：
步骤一、利用标定好的三维测量系统测量出每个定位销在三维测量系统坐标系下的坐标值，记为实测坐标(Xvi,Yvi,Zvi),其中，i＝1,2,…m，m为定位销数量；
步骤二、根据Bursa模型求解定位销的实测坐标(Xvi,Yvi,Zvi)与预先存储的定位销的理论坐标(Xri,Yri,Zri)之间的旋转平移转换关系T转；
其中，εx、εy、εz为旋转矩阵的构成参数，Tx、Ty、Tz为平移矩阵的构成参数；
步骤三、利用三维测量系统测量所述步骤一状态下所有辅件的几何中心的三维坐标，记为实测坐标(Xci,Yci,Zci)；
利用所述步骤二中得出的定位销的实测坐标与理论坐标之间的旋转平移转换关系T转，计算得出辅件的理论坐标(Xsi,Ysi,Zsi)：
步骤四、将待测工件安装到所述夹具，夹具的定位销插入到待测工件对应的定位孔中，利用三维测量系统再次一一测量多个所述辅件的几何中心坐标，记为辅件的实际坐标(Xdi,Ydi,Zdi)；
步骤五、依据所述多个辅件的实际坐标(Xdi,Ydi,Zdi)和理论坐标(Xsi,Ysi,Zsi)，构建Bursa模型，联立解算待测工件安装在夹具上后的实际坐标(Xdi,Ydi,Zdi)与理论坐标(Xsi,Ysi,Zsi)的转换关系T转＇中的各个参数；
其中εx'、εy'、εz'为旋转矩阵的构成参数，Tx'、Ty'、Tz'为平移矩阵的构成参数；
步骤六、利用视觉三维测量系统测量得出待测工件上各个待测特征点的实际坐标，记为(Xhj,Yhj,Zhj)其中，j＝1,2,…d，d为待测工件上的待测特征点的数量；通过T转＇计算出各个待测特征点在理论坐标系下的实测坐标值(Xwj,Ywj,Zwj)；
步骤七、将所述步骤六中计算得出的实际测量时工件待测特征点在理论坐标系下的实测坐标值(Xwj,Ywj,Zwj)与预先存储的各个待测特征点的理论坐标值(Xkj,Ykj,Zkj)作差值，得出待测工件加工偏差(dx，dy，dz)，将此加工偏差与工件设计公差对比，分析待测工件是否合格。
2.如权利要求1所述利用三维测量系统对待测工件进行精确定位的方法，其特征在于，所述步骤二根据Bursa模型求解定位销的实测坐标(Xvi,Yvi,Zvi)与预先存储的定位销的理论坐标(Xri,Yri,Zri)之间的旋转平移转换关系T转的方法为：
利用下式进行解算：
若第1个辅件控制X、Y方向，第2个辅件控制X、Z方向……第M个辅件控制Z方向，则A、b有以下表示：
其中，m为定位销数量，A、b矩阵的行数n，
联立多个所述定位销的理论坐标值(Xri,Yri,Zri)和实测坐标值(Xvi,Yvi,Zvi)解算出：εx、εy、εz、Tx、Ty、Tz；继而得到T转。
3.如权利要求1所述利用三维测量系统对待测工件进行精确定位的方法，其特征在于，所述理论坐标为理论坐标系下的坐标值，所述理论坐标系是在工件的理论设计阶段根据数模建立的工件理论坐标系；工控机预先存储每个所述定位销的理论坐标(Xri,Yri,Zri)以及待测工件上各个待测特征点的理论坐标(Xkj,Ykj,Zkj)，其中，i＝1,2,…m，m为定位销数量，j＝1,2,…d，d为待测特征点的数量。
4.如权利要求1所述利用三维测量系统对待测工件进行精确定位的方法，其特征在于，所述辅件为球体、圆柱体或多面体。
5.如权利要求1所述利用三维测量系统对待测工件进行精确定位的方法，其特征在于，所述定位销与夹具连接处还设有安装底座，所述安装底座用于通过刚性结构固定辅件。
6.如权利要求1所述利用三维测量系统对待测工件进行精确定位的方法，其特征在于，所述定位销的坐标值是定位销的中轴线与其底面之间的交点坐标值。
7.如权利要求1所述利用三维测量系统对待测工件进行精确定位的方法，其特征在于，所述三维测量系统为激光测距仪、三坐标机或三维扫描仪。
8.如权利要求1所述利用三维测量系统对待测工件进行精确定位的方法，其特征在于，所述步骤七中工件待测特征点为根据待测工件特点，人为事先选定的特征孔、槽或曲面。
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