CN110686655B - 三维曲面工件的定位方法、装置及系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于曲面工件定位领域，提供了一种三维曲面工件的定位方法、装置及系统，该方法包括：根据关键特征点的理论参数，在三维曲面工件截取面片特征生成网格点阵，获取测量传感器在机床坐标系下的坐标，通过所述测量传感器测量所述关键特征点以确定所述关键特征点在机床坐标系下的坐标，根据测量值在网格点阵中进行迭代计算，根据选取的目标网格点与测量值，确定相应的旋转矩阵和平移矩阵，以及根据待加工点位坐标和旋转矩阵及平移矩阵计算加工点位的机床坐标，从而能够使最终得到的加工点逼近于实际加工位置，大大提高了三维曲面工件中的定位精度。

Description

三维曲面工件的定位方法、装置及系统

技术领域

本发明属于激光加工技术领域，尤其涉及三维曲面工件的定位方法、装置及系统。

背景技术

目前在三维曲面工件定位加工如制孔、刻蚀、点焊等加工过程中，主要通过对工装定位来建立机床坐标系，假设机床坐标系与理论模型坐标系重合，从而在机床坐标系下进行相应加工。

然而，由于真实的三维曲面工件与理论模型之间存在差异，在假设机床坐标系与理论模型坐标系重合的前提下，在机床坐标系下进行相应定位加工时，将导致实际加工位置和方向与目标加工位置和方向之间存在偏差，从而影响加工质量，造成加工失败和良品率降低。

发明内容

本发明的目的在于提供三维曲面工件的定位方法、装置及系统，旨在解决由于现有技术中对三维曲面工件进行定位加工时的实际加工位置和方向与目标加工位置和方向之间存在偏差的技术问题。

本发明提供了一种三维曲面工件的定位方法，包括：

在三维曲面工件理论模型上选取关键特征点，在所述关键特征点的邻域内截取面片特征生成网格点阵；

获取测量传感器在机床坐标系下的空间坐标；

通过所述测量传感器测量所述关键特征点，确定所述关键特征点在所述机床坐标系下的坐标，作为测量值；

根据所述测量值在网格点阵中进行最近点迭代计算；

根据选取的目标网格点与测量值，确定相应的旋转矩阵及平移矩阵；

根据待加工点位坐标和所述旋转矩阵以及平移矩阵计算加工点位的机床坐标。

本发明还提供了一种三维曲面工件的定位装置，包括：

网格点阵生成模块，用于在三维曲面工件理论模型上选取关键特征点，在所述关键特征点的邻域内截取面片特征生成网格点阵；

传感器坐标获取模块，用于获取测量传感器在机床坐标系下的空间坐标；

测量值确定模块，用于通过所述测量传感器测量所述关键特征点，确定所述关键特征点在所述机床坐标系下的坐标，作为测量值；

迭代计算模块，用于根据所述测量值在网格点阵中进行最近点迭代计算；

矩阵确定模块，用于根据选取的目标网格点与测量值，确定相应的旋转矩阵及平移矩阵；

加工点位机床坐标计算模块，用于根据待加工点位坐标和所述旋转矩阵以及平移矩阵计算加工点位的机床坐标。

本发明提供了三维曲面工件的定位方法，根据在三维曲面工件理论模型上选取的关键特征点，在三维曲面工件截取面片特征生成网格点阵，获取测量传感器在机床坐标系下的坐标，通过所述测量传感器测量所述加工点在所述机床坐标系下的测量值，根据所述测量值在所述网格点阵中进行最近点迭代计算，直至选取的目标网格点与所述测量点之间的距离满足预设误差，并通过待加工点位坐标和相互之间的旋转矩阵以及平移矩阵计算加工点位的机床坐标，从而通过相对理论加工点与实际加工点之间进行坐标转换，使最终得到的加工点逼近于实际加工位置，避免因实际加工位置和方向与目标加工位置和方向之间存在的偏差而影响加工质量，大大提高了三维曲面工件中的定位精度。

附图说明

图1示出了本发明实施例一提供的三维曲面工件的定位方法的实现流程；

图2是根据图1对应实施例示出的步骤S110的方法流程图；

图3是根据图1对应实施例示出的步骤S120的方法流程图；

图4示出了本发明实施例一提供的进行加工点坐标矫正的示意图；

图5示出了本发明实施例二提供的三维曲面工件的定位装置的结构图；

图6示出了本发明实施例三提供的三维曲面工件的定位系统的结构。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述：

实施例一：

图1示出了本发明实施例一提供的三维曲面工件的定位方法的实现流程，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，详述如下，可包括步骤S110、步骤S120、步骤S130、步骤S140、步骤S150：

步骤S110，在三维曲面工件理论模型上选取关键特征点，在该关键特征点的邻域内截取面片特征生成网格点阵。

本发明实施例适用于激光加工机床或传统机械加工机床，以进行三维曲面工件的定位和加工。

在本发明实施例中，可通过在激光加工机床或传统机械加工机床中设置三维曲面工件的定位系统，以进行三维曲面工件的精准定位。

具体地，如图2所示，步骤S110可以包括步骤S111、步骤S112、步骤S113。

步骤S111，接收输入的三维曲面工件的理论模型，在其上设置多个所述关键特征点。

步骤S112，以任一关键特征点为中心，在所述关键特征点的局部邻域内截取面片特征。

步骤S113，在面片特征上生成网格点阵。

在工件理论模型中选取待测量的至少六个关键特征点的理论位置坐标(x，y，z，u，v，w)，其中，(x，y，z)表示该点的三维坐标，(u，v，w)表示该点的法矢方向；

以上述六个关键特征点的任一点为中心，在其局部邻域内截取面片特征，在该面片特征上生成网格点阵(约为100*100)；网格点阵按照矩阵方式存储，矩阵行列对应于网格点阵行列，矩阵元素以(x，y，z)描述，记录相应网格节点的三维坐标；

此外，系统还被输入了所有待加工点位的理论参数：每个待加工点位以(x，y，z，u，v，w)描述，其中(x，y，z)表示该点位的中心位置，记录相应网格节点的三维坐标；

步骤S120，获取测量传感器在机床坐标系下的空间坐标。

具体地，如图3所示，步骤S120可以包括步骤S121、步骤S122。

步骤S121，保持标定件在机床坐标系下固定不动，控制测量传感器沿着X、Y、Z三个方向移动，测量移动不同距离时的点的位置。

步骤S122，调整标定件的位置，并执行随后的测量传感器的所述移动和测量。

步骤S123，调整标定件的位置三次，并且根据所有测量结果计算出测量传感器在机床坐标系下的空间坐标。

测量传感器可以是一维测量传感器也可以是其他可以测取目标点坐标的传感器。在标定过程中，将测量传感器固定安装在机床的某个位置处，然后在机床工作台上放置一块高精度平板进行标定，即，计算测量传感器在机床坐标系下的坐标(x，y，z，u，v，w)，其中，(x，y，z)表示测量传感器的原点位置，(u，v，w)表示测量传感器的测距方向，为单位向量。

在确定测量传感器在机床坐标系下的坐标时，可以采用一块高精度平板，其标定表面为高精度标准平面，则设定标定板在机床坐标系上固定不动，令测量传感器沿着X、Y、Z三个方向按照一定步距分别移动n步，共测得标定板上m(m＝n³)个点。则测量传感器测得标定板上的任意一点都满足如下平面方程：

a(x_i+h_i*u)+b(y_i+h_i*v)+c(z_i+h_i*w)+d＝0，另e＝au+bv+cw。

上式可以写作：x_i*a+y_i*b+z_i*c+h_i*e+d＝0

当m>4时，可以确定a、b、c、d、e这五个参数。再次调整标定板的位置重复上述过程，每次位置调整时即可确定一组a、b、c、d、e，最终获得t组，每组都满足a_ju+b_jv+c_jw＝e_j。当调整次数t>3时可确定坐标的u、v、w，可以获得测量传感器的最终标定参数，由此结合机床读数和测量传感器的读数h可以确定测量点在机床坐标系下的坐标。

步骤S130，通过测量传感器测量关键特征点以确定关键特征点在机床坐标系下的坐标(测量值)。

由于在步骤S120中，已获取到测量传感器在机床坐标系下的空间坐标。因此，通过测量测量传感器到关键特征点的距离h，即可确定关键特征点在机床坐标系下的坐标值。

可选的，为了保证定位时所有测量点均落在所选点云内，可以在定位前对基面进行测量以得到该类工件的定位粗基准。

基面测量可以采用人为选择标定点的方式，通过在工件表面按测量顺序选择一组待标定点，使用本系统的定位原理(最近点迭代)，使理论点与选定的测量点(标定点)做最优匹配，则可得到旋转矩阵R和平移矩阵T。将该旋转与平移矩阵作为初始转换矩阵，可以保证测量点在点云范围内。

步骤S140，根据测量值在网格点阵中进行最近点迭代计算(ICP最近点迭代)。

步骤S150，根据选取的目标网格点与测量值，确定相应的旋转矩阵及平移矩阵模块，以获取待加工点位坐标与加工点位的机床坐标之间的关系。

每测量一个点，其测量结果是基于机床坐标系的。根据理论模型确定的测量点(x_i,y_i,z_i,u_i,v_i,w_i)，i≥6，按顺序对目标点进行测量，其中，测量点(关键特征点)坐标的选择基于工件的待加工位置或区域、工件制造时的关键特征点进行选择。测量时，令机床移动至测量点(x_i,y_i,z_i,u_i,v_i,w_i)，使测量传感器的方向矢量与该测量点的矢量共线，此时可以得到该测量点在机床坐标系下的实际坐标，由此按顺序测量，得到共六个测量点的坐标值。在执行基面测量的实施方式中，机床移动至经初始旋转矩阵和平移矩阵转换后的测量坐标，由此可以更精确快速得得到最终变换矩阵。

由于实际模型和理论模型存在误差，在测量点与理论定位点之间的误差不满足设定误差阈值时，通过对实际测量点进行不断的最近点迭代计算而逼近理论模型，获得理论模型与实际模型之间的转换矩阵和平移矩阵。

对于给定的每个测量点，寻找其相应网格点阵中的网格点作为对应点，使该网格点与测量点之间的距离最小，在所有测量点都距离保持稳定时，确定旋转矩阵和平移矩阵。

保持6个测量点固定不动，每次从网格点阵中寻找与给定测量点空间距离最近的网格点作为其对应点，由此建立6组点对。根据这6组点对估计从对应点到测量点的刚体变换参数，即旋转矩阵和平移向量，基于本次估计的结果更新网格点阵数据，持续迭代直到6组点对的变换误差不再减小保持稳定，从而确定出旋转矩阵和平移向量。

可选的，为提高定位精度，可以进行多次测量迭代。在该实施方式中，可以设定理论坐标系和实际坐标系偏离的误差值。在一组的测量之后，当不满足误差要求时，通过利用获得的旋转矩阵和平移矩阵得到新的测量点坐标，基于新的测量点坐标使机床运动到相应位置继续进行测量，从而实现不断迭代使每次迭代进行新的测量点优化从而逼近理论模型，通过判断理论模型的定位点与测量点间的误差判断定位是否完成，获得最终的旋转矩阵和平移矩阵。

根据最终的旋转矩阵和平移矩阵即可确定出理论坐标系与实际加工坐标系的关系，并确定出实际加工点位坐标，从而得到更高定位精度的加工零件。

可以理解的是，通过待加工点位坐标和旋转矩阵以及平移矩阵即可计算加工点位机床坐标。

具体地，在加工机床进行工件加工时，需确定待加工点位与机床加工点位置的关系，即，将工件的待加工点位运动至机床加工点位置使二者重合，使得激光钻头的光路或机械钻头的轴和加工点(孔)的方向共线，而且其焦点位置或加工位置和加工位置中心(或孔位中心)重合。

先根据已建立的实际机床坐标系确定加工位置(孔位)的坐标。

通过输入的待加工点位坐标和获得的平移矩阵、旋转矩阵可以确定待加工点位在机床坐标系下的位置。

此外，需要确定机床旋转轴和加工焦点的坐标。其步骤包括：

在待测转轴上装夹一块高精度平板并使平板与待测轴形成30～60°夹角，在平板在轴旋转过程中不发生空间姿态变化的情况下，测量待测轴在0，30，60，120，180，240六个不同角度在机床坐标系下所形成的空间平面，在其他实施方式中，所测平面个数最少为5个，由此通过平面方程求解可得机床转轴的直线方向。

机床加工点位置(x、y、z，u、v、w)中，加工轴线矢量方向因设定为与Z轴平行，故设定为(0,0,-1)，加工点位置可通过在C轴放置平板，将加工轴线与C轴旋转中心重合，则将当前机床状态移至测量传感器0点位置，根据X、Y、Z移动的相对距离即可确定加工点在机床坐标系下的位置。

使待加工点位A绕着标定后的旋转轴(OU和OV)旋转从而到达机床加工点B，具体过程如图4所示，使点A绕着轴OU旋转角度α，然后再绕轴OV旋转角度β，到达点B：

空间一点围绕给定轴旋转的旋转轨迹为一圆周，且圆周法向与旋转轴方向一致，圆周半径为该点与旋转中心的距离，可以通过以下方程组描述：

U^TX–a＝0

V^TX–b＝0

X^TX＝1

上式中，u、v、a、b分别表示轴OU、轴OV、点A、点B对应的几何参数。方程组的前两项表示一条直线：x＝p+λw，可以通过叉积(或者特征值分解)的方式求出该直线的方向向量w，通过添加约束平面(假设：111x＝0)的方法求出该直线上任意一点p，将该直线表达式代入方程组第三项，整理可得：

W^TW*λ²+2WTP*λ+P^TP＝1

求解上述一元二次方程，通过λ值即可确定旋转过程中的过渡点X，然后进一步求出α、β。

现在结合具体的机床结构类型，如图4所示，以AC摆动式机床为例，将激光钻头装置在Z轴上，将叶片安装在C轴工作台上。假设机床转轴和激光钻头已经标定，而且待加工孔在机床坐标系下的表达已知，那么对于给定的C轴转角c，如果将激光钻头的方向参数和孔的方向参数看作单位球上的两点，则可采用上述求解两轴旋转变换的方法计算每个孔对应的机床参数u、v，一旦u、v确定，每个孔对应的机床参数x、y、z易于求解，从而可以确定给定加工点位在线加工时对应的机床参数。

在加工点位坐标确定后，因加工点位附近可能出现形变误差，优选地，仍需对具体坐标进行补偿以确定使激光焦点落在待加工工件表面的点位坐标上。其具体步骤如下：

使用计算得的加工点位的机床坐标，沿待测点位(孔位)的法线方向进行测量，确定其法线上的实际误差值；

通过所述法线方向上的实际误差值对所述加工点位的机床坐标进行加工方向及坐标的补偿，直至完成所有加工点位的测量。

具体的，在通过所述法线方向上的实际误差值对所述加工点位的机床坐标进行加工方向及坐标的补偿时，基于该误差值对加工点位的机床坐标进行补偿；然后使用矫正坐标沿加工点位的加工方向进行测量，确定进一步的加工方向的误差值；再基于该误差值对加工点位的机床坐标进一步进行补偿；记录矫正坐标并且将点位序号加1(N+1)对剩下点进行测量矫正；依次测量后判断是否完成所有加工点位数据的测量；完成后结束整个定位流程。

根据一示例性实施例示出的一种三维曲面工件的定位方法。首先通过进行测量点与理论点之间的迭代运算，进行机床坐标系的校准，在确定每个加工点位在机床坐标系下的机床参数后，再进行加工点位坐标的校准，直至所有坐标已校准完毕。经过确定所述定位方法可以确定出理论坐标系与实际加工坐标系的关系，并确定出实际加工点位坐标，从而得到更高定位精度的加工零件。

实施例二：

图5示出了本发明实施例二提供的三维曲面工件的定位装置的结构图，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，其中包括：

网格点阵生成模块110，用于在三维曲面工件理论模型上选取关键特征点，在所述关键特征点的邻域内截取面片特征生成网格点阵；

传感器坐标获取模块120，用于获取测量传感器在机床坐标系下的空间坐标；

测量值确定模块130，用于通过所述测量传感器测量所述关键特征点，确定所述关键特征点在所述机床坐标系下的坐标，作为测量值；

迭代计算模块140，用于根据所述测量值在网格点阵中进行最近点迭代计算；

矩阵确定模块150，用于根据选取的目标网格点与测量值，确定相应的旋转矩阵及平移矩阵模块，以获取待加工点位坐标与加工点位的机床坐标之间的关系。

优选地，网格点阵生成模块110包括：

理论加工点接收单元111，用于接收输入的三维曲面工件的理论模型并在其上设置多个所述关键特征点；

面片特征截取单元112，用于以任一关键特征点为中心，在所述关键特征点的局部邻域内截取面片特征；

网格点阵生成单元113，用于在面片特征上生成网格点阵。

优选地，传感器坐标获取模块120具体应用于：

保持标定件在机床坐标系下固定不动，控制测量传感器沿着X、Y、Z三个方向移动，测量移动不同距离时的点的位置；调整所述标定件的位置，并执行随后的测量传感器的所述移动和测量；调整所述标定件的位置三次，并且根据所有测量结果计算出所述测量传感器在机床坐标系下的空间坐标。

优选地，该三维曲面工件的定位装置还包括：

实际误差值确定模块210，用于使用加工点位的机床坐标，沿加工点位的法线方向进行测量，确定其法线方向上的实际误差值；

补偿模块220，用于通过所述法线方向上的实际误差值对所述加工点位的机床坐标进行坐标矫正。

可选的，该三维曲面工件的定位装置还可包括：

加工误差值确定模块310，用于使用得到的补偿坐标沿加工点位的加工方向进行测量，确定加工方向的误差值；

矫正模块320，用于基于所述误差值对加工点位的机床坐标进一步进行矫正。

在本发明实施例中，该三维曲面工件的定位装置的各模块可由相应的硬件或软件实现，各模块可以为独立的软、硬件模块，也可以集成为一个软、硬件模块，在此不用以限制本发明。各单元的具体实施方式可参考实施例一的描述，在此不再赘述。

实施例三：

图6示出了本发明实施例三提供的三维曲面工件的定位系统的结构，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分。

本发明实施例提供了一种三维曲面工件的定位系统4，该三维曲面工件的定位系统包括数控机床61、测量传感器62、工装夹具63以及控制器64。

其中，测量传感器可以安装在机床Z轴进给模块上，测量方向与Z轴轴线平行。工装夹具设置于机床加工台上用于固定待加工工件，A轴(旋转轴)和C轴(旋转轴)与Z轴独立运动。在定位系统操作过程中，控制器控制机床运动使得测量传感器以期望方向测量目标点位的实际坐标值，测量传感器将该数值发送至控制器。控制器根据存储在其存储器中的理论工件模型，控制机床运动至下一个点的测量位置和方向，进行下一个点的测量。由此，经过六次测量后，完成实际工件的测量过程。

控制器包括数据库模块和CNC控制模块，数据库模块被配置成存储待加工工件的模型数据，控制器从数据库模块中调取相应模型并计算各测量点的参数，随后控制器向机床CNC控制模块发送指令从而机床运动成使测量点运动到(x，y，z，u，v，w)，测量传感器对相应点位进行测量，将数据存储在存储器中。控制器对测量的点位数据进行处理并建立相应的工件坐标系，并且将理论模型坐标与机床坐标相比较，当判断error>设定值(误差)时，结束定位，将结果数据发送至位置解析模块。位置解析模块被配置成计算孔位机床坐标并且沿待测孔位法线方向测量，矫正测量点机床坐标，直至所有孔测量解析结束。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种三维曲面工件的定位方法，其特征在于，所述方法包括：

接收输入的三维曲面工件的理论模型并在其上设置多个关键特征点；

以任一关键特征点为中心，在所述关键特征点的局部邻域内截取面片特征；

在所述面片特征上生成网格点阵；

获取测量传感器在机床坐标系下的空间坐标；

通过所述测量传感器测量所述关键特征点，确定所述关键特征点在所述机床坐标系下的坐标，作为测量值；

根据所述测量值在网格点阵中进行最近点迭代计算；

根据选取的目标网格点与测量值，确定相应的旋转矩阵及平移矩阵，以获取待加工点位坐标与加工点位的机床坐标之间的关系；

所述获取测量传感器在机床坐标系下的空间坐标的步骤包括：

保持标定件在机床坐标系下固定不动，控制测量传感器沿着X、Y、Z三个方向移动，测量移动不同距离时的点的位置；

调整所述标定件的位置，并执行随后的测量传感器的所述移动和测量；

调整所述标定件的位置三次，并且根据所有测量结果计算出所述测量传感器在机床坐标系下的空间坐标。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

选定一组测量值，通过最近点迭代使所述关键特征点与选定的所述测量点之间实现最佳匹配，从而得到初始旋转矩阵和初始平移矩阵。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

设定所述关键特征点与所述测量值的误差，在所述测量点与所述关键特征点之间不满足预设误差时，基于最近点迭代对迭代后的测量值继续进行测量和所述迭代后的测量值在网格点阵中的最近点迭代计算，直至满足误差为止。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

使用加工点位的机床坐标，沿所述加工点位的法线方向进行测量，确定其法线方向上的实际误差值；

通过所述法线方向上的实际误差值对所述加工点位的机床坐标进行坐标矫正。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

使用得到的补偿坐标沿加工点位的加工方向进行测量，确定加工方向的误差值；

基于所述误差值对加工点位的机床坐标进一步进行矫正。

6.一种三维曲面工件的定位装置，其特征在于，所述装置包括：

网格点阵生成模块，用于接收输入的三维曲面工件的理论模型并在其上设置多个关键特征点；以任一关键特征点为中心，在所述关键特征点的局部邻域内截取面片特征；在所述面片特征上生成网格点阵；

传感器坐标获取模块，用于获取测量传感器在机床坐标系下的空间坐标；

测量值确定模块，用于通过所述测量传感器测量所述关键特征点，确定所述关键特征点在所述机床坐标系下的坐标，作为测量值；

迭代计算模块，用于根据所述测量值在网格点阵中进行最近点迭代计算；

矩阵确定模块，用于根据选取的目标网格点与测量值，确定相应的旋转矩阵及平移矩阵；

加工点位机床坐标计算模块，用于根据待加工点位坐标和所述旋转矩阵以及平移矩阵计算加工点位的机床坐标。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

实际误差值确定模块，用于使用加工点位的机床坐标，沿所述加工点位的法线方向进行测量，确定其法线方向上的实际误差值；

补偿模块，用于通过所述法线方向上的实际误差值对所述加工点位的机床坐标进行坐标矫正。

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