CN111844807B - 一种用于复合材料铺放设备的接触式自动标定装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种用于复合材料铺放设备的接触式自动标定装置及方法，包括标定测头、把球和控制系统三部分组成；其中标定测头和把球分别安装在机床主体和模具上；标定测头内部带有接触开关并与控制系统相连，当标定测头与把球触碰时，控制系统自动记录机床当前的位置信息；通过控制程序，标定测头按照设定的运动轨迹接触把球，并记录所有接触点的位置信息；控制系统根据所测得的坐标点拟合求出把球球心在机床坐标系下的坐标，完整模具标定。本发明自动化的标定流程与高效的拟合算法，可极大的提升设备标定过中的标定精度与标定效率，减少人为因素对最终制件质量的影响。

Description

一种用于复合材料铺放设备的接触式自动标定装置及方法

技术领域

本发明涉及纤维铺放技术领域，特别涉及一种用于复合材料铺放设备的接触式自动标定装置及方法。

背景技术

先进的纤维增强复合材料具有轻质高强、结构功能一体化和设计制造一体化等诸多优点，尤其在航空航天工业中起着非常重要的作用。近年来复合材料用量大幅提升，而复合材料自动铺放设备是实现其“低成本、高性能、自动化”成型的核心装备，在提高生产效率和构件质量方面具有极大的潜力，得到工业发达国家的重视。典型的自动铺放设备主要由机床主体、铺丝头、纱架系统与模具四部分组成。根据机床主体的不同形式又可将其进一步细分为：卧式铺放装备、龙门式铺放装备与机器人式铺放装备等。在复合材料成型过程中，由机床主体实现铺丝头的快速移动和空间坐标定位；纱架系统实现复合材料丝束的传送、导向和张力控制；铺丝头机构实现材料的重送、剪切、加热，以及在模具表面压紧。

结合设备的结构特点与成型工艺过程可以看出，保证设备运动坐标系与CAD/CAM软件模型的精确一致，是保证铺丝头运动轨迹准确，实现复杂大曲率复合材料构件精准成型的前提与基础，因此对机床主体与复合材料成型模具之间的相对坐标位置进行准确的标定尤为重要。现有的标定方法多采用人工标定的方法确定模具坐标系，标定过程中人工控制安装在机床主体上的接触式侧头去触碰模具上的目标把球，由此标定的模具坐标系精度较差，且标定精度与工人熟练度密切相关。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于复合材料铺放设备的接触式自动标定装置及方法，以解决上述问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种用于复合材料铺放设备的接触式自动标定装置，包括机械臂、标定测头、靶球和控制系统；控制系统连接机械臂，机械臂连接标定测头，靶球固定在模具上，标定测头内部设置有接触开关，并与控制系统相连，当标定测头与靶球触碰时，控制系统接收触碰信号；控制系统连接的机械臂用于读取标定测头的实时位置信息。

进一步的，控制系统为PLC、数控系统、运动控制器或工控机。

进一步的，一种用于复合材料铺放设备的接触式自动标定装置的标定方法，包括以下步骤：

步骤1：将标定测头安装在机械臂上，并将标定测头的测头球心定义为机械臂坐标系原点；同时将靶球固定在模具上，并保证与CAD/CAM软件中的数模一致；

步骤2：标定测量安全点S0，与粗略估算靶球球心O’；

步骤3：编写设备自动化标定程序，控制标定测头按照设定的轨迹触碰模具表面上固定的靶球，分别从不同的方向触碰靶球，记录测头与靶球触碰时的坐标位置P：Xn，Yn，Zn，共测量N+1个不同点位置信息；

步骤4：在控制系统中根据测得的N+1个坐标点，拟合靶球球心在机床坐标系中的位置，实现模具的位置标定。

进一步的，步骤2中标定测量安全点S0，与粗略估算靶球球心O’的方法是：

步骤2.1：在机床坐标系下，移动测头到靶球正上方，记录坐标点S0：Xs0，Ys0，Zs0；

步骤2.2：移动测头缓慢接近靶球顶端，测头触碰靶球后停止运动，并记录当前位置信息P0(X0，Y0，Z0)；

步骤2.3：粗略估算靶球球心位置为O’：Xo’，Yo’，Zo’，其中

进一步的，步骤3中测头触碰靶球的方法是：

步骤3.1：通过计算向量

正交方向向量e0，使测头移动到安全点S1’；

步骤3.2：测头沿向量

的方向向量e1，移动到靶球侧边点S1处；

步骤3.3：测头继续向点O’方向移动，触碰靶球后停止运动，并记录当前位置信息P1：X1，Y1，Z1后，测头向后移动回点S1；

步骤3.4：测头围绕靶球旋转角度a，运动到点S2：Xs2，Ys2，Zs2，使测头向着点P：X1-R，Y1，Z1方向运动，其中:

Xs2＝[Xs1-(X1-R)]×cos(a)–(Ys1-Y1)×sin(a)+(X1-R)，

Ys2＝[Xs1-(X1-R)]×sin(a)+(Ys1-Y1)×cos(a)+Y1，

R为靶球半径；

步骤3.5：当测头触碰靶球后停止运动，并记录当前位置信息P：X2，Y2，Z2；

步骤3.6：重复步骤3.4，直到测量了N＝360/a个点，Pn：Xn，Yn，Zn后，最终获得N+1个点的坐标值。

进一步的，所测量N个不同点位置信息，N必须大于等于4。

进一步的，步骤4中利用所测量的N+1个坐标点拟合出靶球球心位置的算法是：

步骤4.1：根据空间球的方程和所测得的点的信息得到：

其中，靶球球心坐标为O：A/2，B/2，C/2；

步骤4.2：将式化简后得到：

步骤4.3：根据公式在控制器中编写计算程序最终求得靶球圆心，实现铺放设备模具标定。

进一步的，步骤3.3中点S2：Xs2，Ys2，Zs2的坐标计算方法为：

Xs2＝[Xs1-(X1-R)]×cos(a)–(Ys1-Y1)×sin(a)+(X1-R)，

Ys2＝[Xs1-(X1-R)]×sin(a)+(Ys1-Y1)×cos(a)+Y1，

Zs2＝Z1。

与现有技术相比较，本发明的有益效果是：

本发明结合自动铺放设备结构与设备控制系统特点，提出了一套流程化的模具标定工艺，编写程序后可内置于设备的控制系统中，自动化的标定数据采集与高效的拟合算法相结合，可极大的提升设备标定过中的标定精度与标定效率，减少人为因素对最终制件质量的影响。同时，本发明的计算精度与采集数据点的个数成正比关系，可依据不同模具复杂程度，灵活改变，从而在满足工艺要求的情况下进一步提升标定效率，减少停机换件时间。

附图说明

图1为本发明硬件结构示意图；

图2为本发明标定过程流程图；

图3为本发明测头标定安全点S0与P0点示意图

图4为本发明测头触碰把球侧面运动轨迹示意图；

图5为本发明计算向量(S_0P_0)^→正交方向向量e0流程图。

图中1为机械臂，2为测头，3为把球，4为控制系统，5为模具。

具体实施方式

以下结合附图对本发明一种用于复合材料铺放设备的接触式自动标定方法作进一步的详细说明。

参照图1，展示了本发明在机器人式自动铺放设备1中的具体实施方案，本发明包括定测头2、把球3和控制系统4三部分组成；其中，标定测头2内部带有接触开关，并与控制系统4相连，当标定测头2与把球触3碰时，控制系统4可接收触碰信号；控制系统4与铺放设备的机床主体1相连，可读取标定测头2的实时位置信息。

参照图2，具体标定方法包括以下步骤：

步骤1：将标定测头安装在机床主体上，并将标定测头的测头球心定义为机床工具坐标系原点。同时将把球固定在模具上，并保证与CAD/CAM软件中的数模一致；

步骤2：标定测量安全点S0，与粗略估算把球球心O’；

步骤3：编写设备自动化标定程序，控制标定测头按照设定的轨迹触碰模具表面上固定的把球，分别从不同的方向触碰把球，记录测头与把球触碰时的坐标位置P(Xn，Yn，Zn)，共测量N+1个不同点位置信息；

步骤4：在控制系统中根据测得的N+1个坐标点，拟合把球球心在机床坐标系中的位置，实现模具的位置标定。

参照图3，进一步地，步骤2中标定测量安全点S0，与粗略估算把球球心O’的方法是：

步骤2.1：在机床坐标系下，移动测头到把球正上方，记录坐标点S0(Xs0，Ys0，Zs0)；

步骤2.2：移动测头缓慢接近把球顶端，测头触碰把球后停止运动，并记录当前位置信息P0(X0，Y0，Z0)；

步骤2.3：粗略估算把球球心位置为O’(Xo’，Yo’，Zo’)，其中

参照图4和图5进一步地，步骤3中测头触碰把球的方法是：

步骤3.1：计算向量

的单位方向向量e1(X,Y,Z)，并基于此计算出向量

的其中一个正交方向向量e0，使测头移动到安全点S1’，其中向量

的单位方向向量为：

步骤3.2：测头沿向量

的方向向量e1，移动到把球侧边点S1处；

步骤3.3：测头继续向点O’方向移动，触碰把球后停止运动，并记录当前位置信息P1(X1，Y1，Z1)后，测头向后移动回点S1；

步骤3.4：测头围绕把球旋转角度a，运动到点S2(Xs2，Ys2，Zs2)，使测头向着点P(X1-R，Y1，Z1)方向运动，其中:

Xs2＝[Xs1-(X1-R)]×cos(a)–(Ys1-Y1)×sin(a)+(X1-R)，

Ys2＝[Xs1-(X1-R)]×sin(a)+(Ys1-Y1)×cos(a)+Y1，

R为把球半径；

步骤3.5：当测头触碰把球后停止运动，并记录当前位置信息P(X2，Y2，Z2)；

步骤3.6：重复步骤3.4，直到测量了N＝360/a个点，Pn(Xn，Yn，Zn)后，最终获得N+1个点的坐标值；

进一步地，步骤4中利用所测量的N+1个坐标点拟合出把球球心位置的算法是：

步骤4.1：根据空间球的方程和所测得的点的信息可以得到：

其中，把球球心坐标为O(A/2，B/2，C/2)；

步骤4.2：将式化简后可以得到：

步骤4.3：根据公式在控制器中编写计算程序最终求得把球圆心，实现铺放设备模具标定。

Claims (6)

1.一种用于复合材料铺放设备的接触式自动标定装置的标定方法，其特征在于，基于一种用于复合材料铺放设备的接触式自动标定装置，包括机械臂、标定测头、靶球和控制系统；控制系统连接机械臂，机械臂连接标定测头，靶球固定在模具上，标定测头内部设置有接触开关，并与控制系统相连，当标定测头与靶球触碰时，控制系统接收触碰信号；控制系统连接的机械臂用于读取标定测头的实时位置信息；

控制系统为PLC、数控系统、运动控制器或工控机；

包括以下步骤：

步骤1：将标定测头安装在机械臂上，并将标定测头的测头球心定义为机械臂坐标系原点；同时将靶球固定在模具上，并保证与CAD/CAM软件中的数模一致；

步骤2：标定测量安全点S0，与粗略估算靶球球心O’；

步骤3：编写设备自动化标定程序，控制标定测头按照设定的轨迹触碰模具表面上固定的靶球，分别从不同的方向触碰靶球，记录测头与靶球触碰时的坐标位置P：Xn，Yn，Zn，共测量N+1个不同点位置信息；

步骤4：在控制系统中根据测得的N+1个坐标点，拟合靶球球心在机床坐标系中的位置，实现模具的位置标定。

2.根据权利要求1所述的一种用于复合材料铺放设备的接触式自动标定装置的标定方法，其特征在于，步骤2中标定测量安全点S0，与粗略估算靶球球心O’的方法是：

步骤2.1：在机床坐标系下，移动测头到靶球正上方，记录坐标点S0：Xs0，Ys0，Zs0；

步骤2.2：移动测头缓慢接近靶球顶端，测头触碰靶球后停止运动，并记录当前位置信息P0(X0，Y0，Z0)；

步骤2.3：粗略估算靶球球心位置为O’：Xo’，Yo’，Zo’，其中

3.根据权利要求1所述的一种用于复合材料铺放设备的接触式自动标定装置的标定方法，其特征在于，步骤3中测头触碰靶球的方法是：

步骤3.1：通过计算向量

正交方向向量e0，使测头移动到安全点S1’；

步骤3.2：测头沿向量

的方向向量e1，移动到靶球侧边点S1处；

步骤3.3：测头继续向点O’方向移动，触碰靶球后停止运动，并记录当前位置信息P1：X1，Y1，Z1后，测头向后移动回点S1；

步骤3.4：测头围绕靶球旋转角度a，运动到点S2：Xs2，Ys2，Zs2，使测头向着点P：X1-R，Y1，Z1方向运动，其中:

Xs2＝[Xs1-(X1-R)]×cos(a)–(Ys1-Y1)×sin(a)+(X1-R)，

Ys2＝[Xs1-(X1-R)]×sin(a)+(Ys1-Y1)×cos(a)+Y1，

R为靶球半径；

步骤3.5：当测头触碰靶球后停止运动，并记录当前位置信息P：X2，Y2，Z2；

步骤3.6：重复步骤3.4，直到测量了N＝360/a个点，Pn：Xn，Yn，Zn后，最终获得N+1个点的坐标值。

4.根据权利要求1所述的一种用于复合材料铺放设备的接触式自动标定装置的标定方法，其特征在于，所测量N个不同点位置信息，N必须大于等于4。

5.根据权利要求1所述的一种用于复合材料铺放设备的接触式自动标定装置的标定方法，其特征在于，步骤4中利用所测量的N+1个坐标点拟合出靶球球心位置的算法是：

步骤4.1：根据空间球的方程和所测得的点的信息得到：

其中，靶球球心坐标为O：A/2，B/2，C/2；

步骤4.2：将式化简后得到：

步骤4.3：根据公式在控制器中编写计算程序最终求得靶球圆心，实现铺放设备模具标定。

6.根据权利要求1所述的一种用于复合材料铺放设备的接触式自动标定装置的标定方法，其特征在于，步骤3.3中点S2：Xs2，Ys2，Zs2的坐标计算方法为：

Xs2＝[Xs1-(X1-R)]×cos(a)–(Ys1-Y1)×sin(a)+(X1-R)，

Ys2＝[Xs1-(X1-R)]×sin(a)+(Ys1-Y1)×cos(a)+Y1，

Zs2＝Z1。

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