CN111409071A - 一种适用于机器人自动钻铆系统的法向找正方法 - Google Patents

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陈强
曾德标
潘登
雷沛
孟华林
夏凤琴
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    • B25J9/16—Programme controls
    • B25J9/1679—Programme controls characterised by the tasks executed
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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Abstract

本发明公开了一种适用于机器人自动钻铆系统的法向找正方法，本发明在制孔末端执行器上安装激光线扫描仪，并与计算机连接，计算机通过PLC控制器控制机器人运动；首先建立机器人坐标系，然后在机器人坐标系基础上在制孔末端执行器压力脚断面与刀具轴线交点处建立工具坐标系，并标定出TCP点在机器人坐标系下的坐标；通过激光线扫描仪测量出加工表面与激光线扫描仪之间的距离，从而计算出加工点法向与当前制孔末端执行器制孔方向的偏差，将此偏差值传输给机器人实现法向找正。本发明方法利用加工表面两条过加工点的相交曲线对加工点法向进行计算，能够快速、准确实现机器人钻铆系统法向找正。

Description

一种适用于机器人自动钻铆系统的法向找正方法
技术领域
本发明涉及机器人钻铆精度控制领域，特别是基于激光线扫描仪的法向找正方法。
背景技术
随着智能制造的不断发展，机器人自动钻铆系统在国外得到了广泛的应用和研究，如EI公司，GE公司等都已经开发出了比较成熟的系统。在国内随着高等院校及科研院所研究的不断深入，机器人自动钻铆技术也得到了飞跃的发展，如南京航空航天大学，西北工业大学等都开发出了相关的系统。随着机器人自动钻铆系统的不断推广和应用，如何保证加工质量和稳定性成为了当前研究的重点。铆钉孔的垂直度是飞机装配过程中一个十分重要的指标，它将直接影响飞机的装配质量和强度，以及飞机的使用寿命。因此，保证铆钉孔的垂直度是机器人自动钻铆系统中的一个非常关键的技术指标。
《航空学报》2007第 06 期，公开了一篇大型壁板数控钻铆的三点快速调平算法，其描述了一种通过数控托架调整产品姿态，使刀具轴线与加工位置处的法向一致的法向调姿方法，该方法采用安装在钻铆机动 力头上的三个位移传感器检测法向偏差，以此为依据计算托架各个调整轴的调整量，从而实现法向找正的目的，其不足之处在于飞机部件体积一般比较庞大，结构复杂，调整起来比较困难，调整幅度有限，对数控托架的结构刚度和控制精度提出了较高的要求。
中国发明专利CN 102284956 B公开了一种自动钻铆机器人的法向找正方法，其通过安装在末端执行器上的4 个激光位移传感器检测计算出刀具轴线与制孔处法向的偏差，以此为依据计算机器人6 个关节的调整量，从而调整刀具轴线与蒙皮法向的一致性，该调姿方式主要用于飞机机翼部件、垂尾等小部件装配制孔时的法向调姿。
中国发明专利CN102284956 A公开了一种自动钻铆机器人的法向找正方法，使用的装置包括四个激光位移传感器、模拟量输入模块以及计算机，四个激光位移传感器安装在 机器人的末端执行器上，并通过输入模块连接计算机，计算机连接机器人控制器。该方法首先建立机器人坐标系，并在机器人末端执行器上建立工具坐标系，获取机器人到达TCP时的坐标，然后测量传感器与目标表面之间的距离，计算出机器人目标姿态相对于当前姿态的偏差角，最后计算出机器人应调整到的目标姿态，将该姿态传输给机器人控制器完成法向找正。
对于法向自动找正方法，国内外已经做了大量的研究。其中二次曲面拟合法不适用于一般曲面的法向找正；循环迭代法需要大量的计算过程和时间，不适用于工程应用中。四点法虽然具有运算快的优点，但是针对复杂曲面时，以四点近似平面去逼近加工表面实际法向效果不佳。
发明内容
为解决现有机器人自动钻铆系统法向找正方法的不足，本发明提出了一种基于激光线扫描仪的机器人钻铆系统法向找正方法。
本发明一种适用于机器人自动钻铆系统的法向找正方法，步骤为：
S1 在机器人的制孔末端执行器两侧设置激光线扫描仪，使两侧激光线扫描仪的扫描线在加工表面的投影为两条相交的曲线，并且交点在制孔末端执行器的刀具轴线延长线上；
S2 将机器人运动至指定位置和姿态，并在制孔末端执行器上建立工具中心点TCP坐标系；
S3 运行两个激光线扫描仪，扫描出加工表面上两条投影线距离对应激光线扫描仪的距离；
S4 拟合计算出加工表面加工点法向与制孔刀具轴线之间的角度偏差；
S5 将角度偏差传输给机器人，控制钻铆系统进行法向找正。
所述步骤S4中，激光线扫描仪投影线交点与加工点重合。
本发明在步骤S1之前，还包括，先建立机器人坐标系，然后在机器人坐标系基础上在制孔末端执行器压力脚断面与刀具轴线交点处建立工具坐标系，并标定出TCP点在机器人坐标系下的坐标。
本发明机器人钻铆系统法向找正装置，包括两个激光线扫描仪、计算机、PLC控制器、机器人；机器人设置有制孔末端执行器；激光线扫描仪安装在机器人的制孔末端执行器上，并与计算机连接，计算机通过PLC控制器控制机器人运动；所述两个激光线扫描仪发射出的扫描线在加工表面的投影为两条相交的曲线，并且交点在刀具轴线延长线上。
本发明中，TCP坐标系即机器人工具坐标系，其原点为工具中心点（TCP）。
本发明具有如下优点：
（1）精度高，使机器人自动钻铆系统的法向精度达到±0.5°。
（2）适用范围广，适用于平面、规则曲面以及复杂曲面的法向找正。
（3）能够快速、准确实现机器人钻铆系统法向找正，本发明利用加工表面两条过加工点的相交曲线对加工点法向进行计算，所需检测数据少且易于获取，计算量低。
（4）实现成本低，应用于机器人钻铆系统，无需对末端执行器进行特殊改造，可直接在原末端执行器上进行集成。
附图说明
图1为本发明的法向找正示意图。
图中：S1、S2分别为两个激光线扫描仪，i为机器人TCP坐标系、ii为激光线扫描仪S1的坐标系、iii为激光线扫描仪S2的坐标系、iv为加工表面，
Figure DEST_PATH_IMAGE002
为激光线扫描仪S1的扫描线在加工表面的投影，
Figure DEST_PATH_IMAGE004
为激光线扫描仪S2的扫描线在加工表面的投影，Q为
Figure DEST_PATH_IMAGE006
与
Figure 134DEST_PATH_IMAGE004
交点。
具体实施
下面结合附图和实例对本发明进一步说明。
实施例1
本发明一种适用于机器人自动钻铆系统的法向找正方法，步骤为：
S1 在机器人的制孔末端执行器两侧设置激光线扫描仪，使两侧激光线扫描仪的扫描线在加工表面的投影为两条相交的曲线，并且交点在制孔末端执行器的刀具轴线延长线上；
S2 将机器人运动至指定位置和姿态，并在制孔末端执行器上建立工具中心点TCP坐标系；
S3 运行两个激光线扫描仪，扫描出加工表面上两条投影线距离对应激光线扫描仪的距离；
S4 拟合计算出加工表面加工点法向与制孔刀具轴线之间的角度偏差；
S5 将角度偏差传输给机器人，控制钻铆系统进行法向找正。
实施例2
本发明机器人钻铆系统法向找正装置，包括两个激光线扫描仪、计算机、PLC控制器、机器人；机器人设置有制孔末端执行器；激光线扫描仪安装在机器人的制孔末端执行器上，并与计算机连接，计算机通过PLC控制器控制机器人运动；所述两个激光线扫描仪发射出的扫描线在加工表面的投影为两条相交的曲线，并且交点在刀具轴线延长线上。
实施例3
本发明提出的机器人钻铆系统法向找正方法所使用的装置包含两个激光线扫描仪、计算机、PLC控制器、机器人。激光线扫描仪安装在制孔末端执行器上，通过网线与计算机连接，计算机通过PLC控制器控制机器人运动。其中激光线扫描仪的安装位置为分布在末端执行器两侧，并且保证激光线扫描仪投影线交点与加工点重合。
实施例4
本发明先建立机器人坐标系，然后在机器人坐标系基础上在制孔末端执行器压力脚断面与刀具轴线交点处建立工具坐标系，并标定出TCP点在机器人坐标系下的坐标，通过激光线扫描仪测量出加工表面与激光线扫描仪之间的距离，从而计算出加工点法向与当前制孔末端执行器制孔方向的偏差，最后将此偏差值传输给机器人实现法向找正，具体为“
步骤1：标定出两个激光线扫描仪坐标系与机器人TCP坐标系之间的关系，并分别表示为T1、T2；
步骤2：利用坐标转换原理，分别将
Figure DEST_PATH_IMAGE006A
与
Figure 104225DEST_PATH_IMAGE004
转换至机器人TCP坐标系下表示，分别为：T1.
Figure DEST_PATH_IMAGE006AA
、T2.
Figure DEST_PATH_IMAGE008
；
步骤3：利用最小二乘法计算
Figure DEST_PATH_IMAGE006AAA
与
Figure 510061DEST_PATH_IMAGE004
在交点Q处的法向量
Figure DEST_PATH_IMAGE010
；
步骤4：计算法向量
Figure 842953DEST_PATH_IMAGE010
与TCP坐标系Z轴的夹角，即为法向偏差α。将法向偏差传输给机器人，最终实现法向找正。

Claims (4)

1.一种适用于机器人自动钻铆系统的法向找正方法，其特征在于，步骤为：
S1 在机器人的制孔末端执行器两侧设置激光线扫描仪，使两侧激光线扫描仪的扫描线在加工表面的投影为两条相交的曲线，并且交点在制孔末端执行器的刀具轴线延长线上；
S2 将机器人运动至指定位置和姿态，并在制孔末端执行器上建立工具中心点TCP坐标系；
S3 运行两个激光线扫描仪，扫描出加工表面上两条投影线距离对应激光线扫描仪的距离；
S4 拟合计算出加工表面加工点法向与制孔刀具轴线之间的角度偏差；
S5 将角度偏差传输给机器人，控制钻铆系统进行法向找正。
2.根据权利要求1所述一种适用于机器人自动钻铆系统的法向找正方法，其特征在于，所述步骤S4中，激光线扫描仪投影线交点与加工点重合。
3.根据权利要求1所述一种适用于机器人自动钻铆系统的法向找正方法，其特征在于，在所述步骤S1之前，先建立机器人坐标系，然后在机器人坐标系基础上在制孔末端执行器压力脚断面与刀具轴线交点处建立工具坐标系，并标定出TCP点在机器人坐标系下的坐标。
4.一种机器人钻铆系统法向找正装置，其特征在于，包括两个激光线扫描仪、计算机、PLC控制器、机器人；机器人设置有制孔末端执行器；激光线扫描仪安装在机器人的制孔末端执行器上，并与计算机连接，计算机通过PLC控制器控制机器人运动；所述两个激光线扫描仪发射出的扫描线在加工表面的投影为两条相交的曲线，并且交点在刀具轴线延长线上。
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