CN110850808B - 一种基于圆柱面基准约束与余量约束的配准方法 - Google Patents

一种基于圆柱面基准约束与余量约束的配准方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于圆柱面基准约束与余量约束的配准方法，包括以下步骤：S1：根据圆柱面选择理论圆柱面基准；S2：对零件的待加工面和参考部分别进行检测；S3：通过对圆柱面检测点进行拟合得到拟合圆柱面基准，通过理论圆柱面基准向拟合圆柱面基准运动，得到第一旋转矩阵R1和第一平移矢量T1，再根据第一旋转矩阵R1和第一平移矢量T1将待加工面检测点进行变换得到理论加工点；S4：建立局部坐标系，然后在局部坐标系下建立配准模型，通过局部坐标系限制运动自由度，通过余量约束控制待加工面的加工余量，并求解配准模型；S5：将局部坐标系中计算的配准结果转换至全局坐标系中并输出最终的配准结果。本发明应用于机械加工领域。

Description

一种基于圆柱面基准约束与余量约束的配准方法
技术领域
本发明涉及机械加工技术领域，具体涉及一种基于圆柱面基准约束与余量约束的配准方法。
背景技术
对于大尺寸的航空结构件，由于其装配的要求，需要保持不同零件之间相关孔或轴的位置关系，因此对于每个零件来说，孔或轴的位置极其重要，其他的几何特征需要保证相对于这些孔或轴的位置关系。例如对于某大型滑轨零件，其导轨面相对于某基准孔的位置关系是该零件的重要指标，对保证飞机襟翼的运动具有重要的作用。由于孔或轴的加工方法较为简单，因此通常在精加工前已完成了制备，精加工过程仅针对轮廓度要求较高或变形较大的曲面进行加工，且精加工的面仅具有少量的加工余量。
在基准轴或基准孔已加工完成的情况下，对于这种对加工精度与位置度有要求的待加工面，应当使用已加工好的理论圆柱面基准作为约束，在零件安装于机床后进行反复地找正，使得加工后的面能够保持与理论圆柱面基准之间的位置关系，并使得待加工面具有较好的余量分布。即考虑到后续的检测、装配工序，必须首先保证待加工面相对于理论圆柱面基准的位置关系，再进行余量的适应性分配。
针对这种基准孔(或基准轴)已制备的零件，在采用基于测量点的配准技术来实现零件的自适应定位的过程中，不能仅仅依靠待加工面的检测点与其理论曲面之间的距离最小进行配准。这会造成待加工的理论面与实测面之间虽然能够匹配，但是由于实测面本身相对于理论圆柱面基准的位置关系较差，因而精加工后的面相对于理论圆柱面基准的位置关系难以保证。其本质原因是实际测量的待加工面上的点已经与基准孔(或基准轴)具有一定的位置关系，而这个位置关系达不到理论模型上待加工面与基准孔(或基准轴)的关系。因此在配准过程中，必须先统一理论模型上的基准孔(或基准轴)与实测模型上的基准孔(或基准轴)的位置，然后在保证理论圆柱面基准不动的前提下进行待加工面的配准，从而实现能够保证基准孔(或基准轴)位置的自适应定位。因此，本发明中提出应当首先保证该理论圆柱面基准，建立相应的运动约束，再建立基于余量的配准模型，从而实现理论圆柱面基准约束优先下的配准定位过程。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是提供一种基于圆柱面基准约束与余量约束的配准方法，能够在保证零件关键型面相对于基准孔的位置精度的前提下保证零件具有合理的加工余量，能够提高配准过程的计算效率，提高零件的加工质量。
(二)技术方案
为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于圆柱面基准约束与余量约束的配准方法，包括以下步骤：
S1：将待加工的零件固定后，根据零件的待加工面的设计要求或检测要求确定参考部，所述参考部为圆柱面，根据圆柱面选择理论圆柱面基准；
S2：对零件的待加工面和参考部分别进行检测，分别得到待加工面检测点和圆柱面检测点；
S3：通过对圆柱面检测点进行拟合得到拟合圆柱面基准，通过理论圆柱面基准向拟合圆柱面基准运动，得到第一旋转矩阵R1和第一平移矢量T1，再根据第一旋转矩阵R1和第一平移矢量T1将待加工面检测点进行变换得到理论加工点；
S4：根据理论圆柱面基准建立局部坐标系，然后在局部坐标系下建立配准模型，通过局部坐标系限制运动自由度，通过余量约束控制待加工面的加工余量，并求解配准模型；
S5：将局部坐标系中计算的配准结果转换至全局坐标系中并输出最终的配准结果。
进一步改进的，步骤S5中，将局部坐标系导入全局坐标系后得到第二旋转矩阵R2和平移矢量T2，输出结果为：R1R2，(T1+T2)。
进一步改进的，步骤S4中，所述局部坐标系的原点设在圆柱面的底面的中心或顶面中心，所述局部坐标系的Z轴设在圆柱面的中心轴上，所述局部坐标系的X轴和Y轴分别设在圆柱面的底面或顶面上。
进一步改进的，步骤S4中，建立局部坐标系，然后在局部坐标系下建立带有理论圆柱面基准约束与加工余量约束的配准模型，配准模型中通过圆柱面约束配准模型的运动自由度，通过加工余量约束配准后待加工面的实测位置相对于理论位置的距离。
进一步改进的，步骤S1中，将待加工的零件固定在数控机床上；步骤S2中，通过数控机床对零件的待加工面和参考部分别进行检测，分别得到待加工面检测点和圆柱面检测点。
(三)有益效果
本发明的上述技术方案具有如下优点：
本发明通过拟合圆柱面基准向理论圆柱面基准运动得到第一旋转矩阵R1和第一平移矢量T1，再根据第一旋转矩阵R1和第一平移矢量T1将待加工面检测点进行变换，随后根据理论圆柱面基准约束构造相应的局部坐标系，在局部坐标系下构造配准算法数学模型，并通过对局部坐标系下的运动自由度的限制，保证了零件待加工面相对于理论圆柱面基准的位置关系，使得配准过程中理论圆柱面基准的位置始终不变，能够保证待加工面的加工余量均匀分布且大于预设值。其次，本发明通过增加基于理论圆柱面基准建立的局部坐标系，减少了零件在配准模型求解过程中所需要计算的自由度，降低了配准过程的计算时间，提高了整个加工过程的效率。
附图说明
图1为待加工零件；
图2为具有待加工面检测点和圆柱面检测点的待加工零件；
图3为建立拟合圆柱面基准的示意图；
图4为建立局部坐标系时的示意图；
图5为在局部坐标系下建立配准模型的示意图；
图6为最终配准结果输出过程示意图；
图7为配准示意图。
图中：1、参考部；2、待加工面；3、理论圆柱面基准；4、圆柱面检测点；5、余量；6、待加工面检测点。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
请参照图1至图7，目前，通过配准的方式来提高零件的找正效率、分配合适的加工余量是几何自适应加工技术的一个重要的研究内容。在配准算法方面，基于ICP算法的多种改进方法是目前主要应用的配准方法。然而目前的配准方法没有考虑到在数控加工的实际应用中的加工工序与加工工艺所带来的相关约束，没有考虑到零件在实际加工过程中所必须优先保证的相对位置约束问题。
对于实际加工过程来说，考虑到零件加工的经济性与工序分散原则，在绝大多数情况下，精加工工序仅加工零件的某个关键型面，而其它型面则在前置工序中已完成了制造。若待加工面2与理论圆柱面基准3之间具有一定的位置要求，则必须首先保证该待加工面2与相关理论圆柱面基准3的相对位置关系，从而保证整个加工与检测工序、装配工序的基准一致，保证加工零件相关位置尺寸的合格，这对于具有相对位置度要求或平行度要求的零件来说具有重要的意义。
例如在某大型滑轨零件的导轨面的精加工中，根据设计图纸的要求导轨面相对于某基准孔的平行度有较高的要求。在此情况下，如果在精加工之前的配准过程中加工坐标系没有基于基准孔的约束进行调整，则将导致调整后的加工坐标系本就不与基准孔的中轴重合，则在该坐标系下加工结果必然会影响到该导轨面相对于基准孔的平行度。
因此，本实施例对现存的配准方法进行相应的改进，将原先具有6个自由度的配准改进为基于加工工艺需求的带理论圆柱面基准3约束的配准方法，并结合待加工面2上的余量约束，建立用于数控精加工阶段专用的配准方法，以实现在优先保证加工面的配准结果相对于理论圆柱面基准3位置精度的基础上进行的带余量的配准。目前，国内外尚不存在相关的配准方法，因而制约了配准技术在数字化制造领域内的合理应用，限制了计算技术与制造技术的有效结合。
本实施例中的配准、计算等模拟方法可使用UG二次开发技术开发相关的功能实现。具体的，一种基于圆柱面基准约束与余量约束的配准方法，包括以下步骤：
S1：将待加工的零件固定后，根据零件的待加工面2的设计要求或检测要求确定参考部1，根据参考部1得到理论圆柱面基准3；所述参考部1为圆柱面，圆柱面为基准孔或基准轴。
S2：优选的，将待加工的零件固定在数控机床上；对零件的待加工面2和参考部1分别进行检测，分别得到待加工面检测点6和圆柱面检测点4；
S3：通过对圆柱面检测点4进行拟合得到拟合圆柱面基准，通过拟合圆柱面基准向理论圆柱面基准3运动，得到第一旋转矩阵R1和第一平移矢量T1，再根据第一旋转矩阵R1和第一平移矢量T1将待加工面检测点6进行变换；具体的，在拟合圆柱面基准向理论圆柱面基准3运动的同时带动待加工面检测点6根据第一旋转矩阵R1和第一平移矢量T1运动。基于理论圆柱面基准3首先建立局部坐标系，将待加工面检测点6的坐标换算至局部坐标系下，然后在局部坐标系下建立配准运动模型，通过控制局部坐标系下运动的自由度来控制待加工面2的检测点在理论圆柱面基准3的约束下运动，该运动不使拟合圆柱面基准偏离理论圆柱面基准3，即始终保证理论圆柱面基准3和拟合圆柱面基准重合，进而限制整个待加工面检测点6的自由度，在此基础上建立基于余量约束的配准模型，并通过求解配准模型得到相应的运动变换关系，最终得到配准后的第二旋转矩阵R2和第二平移矢量T2。通过该方案，将能够保证拟合圆柱面基准的位置与理论圆柱面基准3位置的一致性。通过减少运动自由度来控制零件实际模型在变换运动中不发生使得参考部1改变的运动，从而使得无论配准结果如何，都能够保证加工坐标系相对于拟合圆柱面基准的相对位置关系。随后通过建立余量约束模型控制待加工面2的余量分布状态，并计算相应的结果并输出。
S4：根据理论圆柱面基准3建立局部坐标系，然后在局部坐标系下建立并求解配准模型；请参照图6，配准就是通过对测量点和理论模型的比较，将真实模型向理论模型旋转移动的过程，使得最终的真实模型与理论模型之间满足一定的位置关系。配准模型是在测量点到配准曲面距离求解的基础上建立的优化模型，其基本的形式如下所示，式中的di为第i个测量点到理论面的最近距离，
Figure BDA0002278818280000051
为第i个测量点到理论面的余量，εi为第i个点对应的余量下限值。由于测量点在局部坐标系下进行配准，因此配准过程中在使用旋转矩阵RL2与平移矢量TL2时，可通过限制矩阵RL2的变量来限制局部坐标系下的旋转自由度，同样可限制平移矢量TL2的平移方向。所以在局部坐标系下的配准是带着基准约束和余量约束的模型，相应的配准结果也将满足基准约束与余量约束。
Figure BDA0002278818280000061
对于实际零件来说，通常选用设计图纸中指定的基准孔或基准轴所对应的圆柱面作为圆柱面基准3进行配准，相应的圆柱面的中心轴即为圆柱面约束。如图7所示，选定零件上的一个孔作为圆柱面基准3，零件上其它尺寸必须相对于此基准具有一定的位置关系。零件的待加工面2上具有一定的材料，因而圆柱面检测点4的位置相较其理论点的位置来说有一定的偏离，将每个圆柱面检测点4相对于其理论点的偏差量(沿法矢方向)作为余量5，通过在配准模型中增加约束关系来保证此余量5的值大于某一设定值。从而实现配准之后圆柱面基准3的位置不变的情况下，待加工面2上都具有大于某一值的余量5。
S5：将局部坐标系下求解的结果导入全局坐标系中，并输出结果。优选的，根据理论圆柱面基准3建立局部坐标系。进一步优选的，建立局部坐标系，然后在局部坐标系下建立带有加工余量约束的配准模型。将局部坐标系下求解的结果导入全局坐标系后得到第二旋转矩阵R2和平移矢量T2，最终输出结果为：旋转矩阵R＝R1R2，平移矢量T＝(T1+T2)。配准后的第二旋转矩阵R2和第二平移矢量T2，用于零件配准后的定位。请参照图6，最终的配准结果中旋转矩阵R＝R1R2，平移矢量T＝(T1+T2)。R1与R2是工件坐标系(OwXwYwZw)下的变换矩阵，矩阵为3x3的矩阵，T1与T2是工件坐标系(OwXwYwZw)下的平移矢量，矢量为3x1的矢量，OLXLYLZL为局部坐标系，OTXTYTZT为理论坐标系。首先通过测量点拟合的圆柱面建立坐标系O1X1Y1Z1；其次通过R1与T1将Z1轴变换至ZT轴，即使两矢量重合；再次建立局部坐标系OLXLYLZL，在局部坐标系内通过绕ZL轴的旋转与沿ZL轴的平移将待加工面2的测量点向待加工面2的理论模型进行配准，配准模型中对每个点通过不等式方程进行余量约束，通过优化方法(可选罚函数等方法)解得局部坐标系下的旋转矩阵RL2与平移矢量TL2；然后将局部坐标系下的旋转矩阵RL2与平移矢量TL2转换至工件坐标系(OwXwYwZw)下，得到R2与T2；最后输出最终的旋转矩阵R＝R1R2，T＝(T1+T2)。
进一步优选的，所述局部坐标系的原点设在圆柱面的底面的中心，所述局部坐标系的Z轴设在圆柱面的中心轴上，所述局部坐标系的X轴和Y轴分别设在圆柱面的底面上。也可以将局部坐标系的原点进行一定的移动，比如可以将局部坐标系的原点设在圆柱面的顶面的中心。
本实施例的一种基于圆柱面基准约束与余量约束的配准方法，可用于带有基准孔或基准轴的零件关键型面的精加工，从而确保关键型面相对于零件中的基准孔或基准轴的位置度。该类零件的模型中具有基准孔或基准轴，该基准孔或基准轴通常在后续的检测或装配中起到重要的定位或配合作用，因此必须保证零件上的其他型面相对该孔或轴的位置关系，该基准孔或基准轴即称为理论圆柱面基准3。通常情况下，在零件的精加工工序前已制备相应的理论圆柱面基准3，因而需要进行带有圆柱面约束的配准，从而保证加工基准与检测基准的统一性，保证待加工面2的理论状态相对于理论圆柱面基准3的位置度关系。本实施例的方法可用于需要首先保证精加工面相对于基准孔或基准轴的位置关系的零件的精加工工序，能够在保证位置关系正确的基础上控制待精加工的型面的余量分配的均匀性。本实施例可在带有测头的加工系统中进行使用，是一种基于圆柱面基准约束与余量约束的配准方法，可用于各种带有基准孔或基准轴的零件的自适应精加工中。
为了解决航空大尺寸零件精加工中的配准结果的实用性问题，本实施例提供了一种基于圆柱面基准约束与余量约束的配准方法，用于实现合理的零件姿态的调整。在保证加工后零件的型面相对于某一基准孔或基准轴的相对位置关系的基础上，进行零件姿态的调整，从而控制精加工时的待加工面2上的余量分布的均匀性。本实施例优先保证零件的待加工面2相对于理论圆柱面基准3的位置关系，在此基础上确定待加工零件的位置与姿态，实现加工余量的均匀分布。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于圆柱面基准约束与余量约束的配准方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将待加工的零件固定后，根据零件的待加工面的设计要求或检测要求确定参考部，所述参考部为圆柱面，根据圆柱面选择理论圆柱面基准；
S2：对零件的待加工面和参考部分别进行检测，分别得到待加工面检测点和圆柱面检测点；
S3：通过对圆柱面检测点进行拟合得到拟合圆柱面基准，通过理论圆柱面基准向拟合圆柱面基准运动，得到第一旋转矩阵R1和第一平移矢量T1，再根据第一旋转矩阵R1和第一平移矢量T1将待加工面检测点进行变换得到理论加工点；
S4：根据理论圆柱面基准建立局部坐标系，然后在局部坐标系下建立配准模型，所述配准模型基本的形式如下所示：
Figure FDA0002654731370000011
式中的di为第i个测量点到理论面的最近距离，
Figure FDA0002654731370000012
为第i个测量点到理论面的余量，εi为第i个点对应的余量下限值；
通过局部坐标系限制运动自由度，通过余量约束控制待加工面的加工余量，并求解配准模型；
S5：将局部坐标系中计算的配准结果转换至全局坐标系中并输出最终的配准结果。
2.根据权利要求1所述基于圆柱面基准约束与余量约束的配准方法，其特征在于，步骤S5中，将局部坐标系导入全局坐标系后得到第二旋转矩阵R2和平移矢量T2，输出结果为：R1R2，(T1+T2)。
3.根据权利要求1所述基于圆柱面基准约束与余量约束的配准方法，其特征在于，步骤S4中，所述局部坐标系的原点设在圆柱面的底面的中心或顶面中心，所述局部坐标系的Z轴设在圆柱面的中心轴上，所述局部坐标系的X轴和Y轴分别设在圆柱面的底面或顶面上。
4.根据权利要求1所述基于圆柱面基准约束与余量约束的配准方法，其特征在于，步骤S4中，建立局部坐标系，然后在局部坐标系下建立带有理论圆柱面基准约束与加工余量约束的配准模型，配准模型中通过圆柱面约束配准模型的运动自由度，通过加工余量约束配准后待加工面的实测位置相对于理论位置的距离。
5.根据权利要求1所述基于圆柱面基准约束与余量约束的配准方法，其特征在于，步骤S1中，将待加工的零件固定在数控机床上；步骤S2中，通过数控机床对零件的待加工面和参考部分别进行检测，分别得到待加工面检测点和圆柱面检测点。
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