CN111964589B - 一种用于法向检测的激光位移传感器标定装置及标定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于法向检测的激光位移传感器标定装置及标定方法，属于飞机数字化装配自动钻铆技术领域。所述标定装置由末端执行器、标定块、三坐标测量仪组成，所述标定块包括制孔平面和六个两两互不平行的斜面，所述标定方法为，首先利用自动钻铆设备在标定块平面上进行制孔，然后通过位移传感器读数计算标定块上各斜面的法向量，进而求解出各斜面法向与刀具轴线方向的夹角，最后结合三坐标测量仪检测得到的标定块上各斜面法向与制孔轴线方向的夹角，计算得到位移传感器在自动钻铆设备工具坐标系下的位置和方向。本发明标定精度高，操作简单，通用性强。

Description

一种用于法向检测的激光位移传感器标定装置及标定方法
技术领域
本发明属于飞机数字化装配自动钻铆技术领域，具体涉及一种用于法向检测的激光位移传感器标定装置及标定方法。
背景技术
在飞机自动化装配过程中，连接件高达上百万个，连接孔的垂直度对铆接质量的影响非常显著，而铆接质量直接影响飞机的使用寿命和安全性。在自动化制孔过程中，通常利用位移传感器，根据制孔部位的实际外形求解孔位法向，并据此对末端执行器进行姿态调整，直至刀具轴向与孔位法向之间的夹角满足精度要求。由于不可避免的存在制造、安装等误差因素，位移传感器的安装位置和方向与理论数据总是存在偏差。为了保证法向找正精度，必须对位移传感器进行标定，获得位移传感器的实际零点位置和方向。
公告号CN104567690B的发明公开了一种激光束现场标定方法及装置。该方法只是关于激光位移传感器方向的标定，未涉及位置的标定。公告号为CN106441113B的发明公开了一种激光位移传感器的标定装置及其标定方法。该方法首先需要调整四个激光位移传感器的安装位置，直到四个激光照射点光斑分别对准标定板上的一组方形工艺孔，接着按照当前位置固定住位移传感器，然后电主轴进给至压力脚端面并贴紧标定板，将位移传感器读数置零，最后电主轴再次进给至四个光斑分别对准标定板上的方形工艺孔，重复三次操作即可完成标定。该方法需要根据标定板上工艺孔的位置来确定激光位移传感器的最终安装位置，而在实际情况下，位移传感器事先已固定好。另外，因为标定板上每组孔的分布形式为正方形，所以该方法只适用于位移传感器正方形布局的情况，通用性差。其次，依靠目测判断光斑是否对准工艺孔以及标定板是否贴紧压力脚端面存在很大的不确定性。文献《机器人自动化制孔系统》利用激光跟踪仪和标准平面平板对激光位移传感器进行标定。该方法至少需要一个人操作激光跟踪仪，同时另一个人操作末端执行器，操作复杂、效率低。其次，该方法需要激光跟踪仪在线建立工具坐标系，在线扫描获得点云数据并拟合出标定平板的平面方程，如果激光跟踪仪在使用过程中发生微小晃动，所有数据都要重新采集。另外，在使用过程中，激光跟踪仪和与之配套的靶标球之间易受工装影响发生断光，所以该方法受环境影响较大。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种用于法向检测的激光位移传感器标定装置及标定方法，以解决现有技术存在的通用性差、操作复杂、效率低、无法进行离线测量、受环境影响较大等问题。
为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：
一种用于法向检测的激光位移传感器标定装置，其中：包括激光位移传感器、末端执行器、标定块和三坐标测量仪，所述激光位移传感器安装在末端执行器上，所述末端执行器包括制孔刀具、电主轴、第一驱动装置、压力脚、第二驱动装置；
所述第一驱动装置驱动端连接电主轴，所述电主轴末端安装有制孔刀具，所述第一驱动装置外侧安装有支撑架，所述支撑架两侧壁安装有第二驱动装置，所述第二驱动装置末端固定连接定位架，所述定位架中间安装有压力脚，所述压力脚开设有通孔，围绕压力脚设置有若干个激光位移传感器；
所述标定块包含制孔平面和标定斜面，所述标定斜面由六个两两互不平行的斜面组成，所述制孔平面上通过螺栓连接安装有制孔平板，所述制孔刀具可穿过压力脚中间的通孔在制孔平板上进行制孔；所述三坐标测量仪用来检测标定块上所制孔的轴线方向与各斜面法向的夹角。
为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
进一步地，第一驱动装置为进给电机，所述第二驱动装置为气缸。
进一步地，标定斜面的外形由半圆等分为若干份后取其中连续的六份弦长拼接而成。
进一步地，标定斜面的六个斜面的形状大小一致，不同标定块上的标定斜面均互不平行。
进一步地，激光位移传感器为四个，等距周向分布。
一种用于法向检测的激光位移传感器标定方法，包括以下步骤：
步骤S1：将标定块固定在工装上，调节末端执行器初始姿态，使制孔刀具的轴线方向与标定块上的制孔平板垂直；调整末端执行器与标定块的相对位置，使得当标定块上的各斜面处于法向检测区域时，各位移传感器读数处于量程范围内，在压力脚端面建立直角空间坐标系；
步骤S2：沿X轴方向移动末端执行器，使得标定块上的制孔平板处于制孔区域，启动气缸，使压力脚沿Z轴运动压紧在标定块的制孔平板上，电主轴转动，进给电机带动电主轴上的制孔刀具穿过压力脚的通孔在制孔平板上进行制孔；
步骤S3：制孔结束后，进给电机带动电主轴后退至初始位置，电主轴停止转动，缩回气缸，压力脚回退到初始位置，再次沿X轴方向移动末端执行器，通过激光位移传感器依次检测激光位移传感器的零点与标定块上标定斜面之间的距离；
步骤S4：取下标定块，利用三坐标测量仪检测步骤S2中所制孔的轴线方向与标定块上各斜面法向的夹角；
步骤S5：利用步骤S3中的激光位移传感器检测的距离数值和步骤S4中的三坐标测量仪的测量数值，计算得到激光位移传感器的标定数值。
进一步地，步骤S5中计算激光位移传感器标定数值的具体过程为：
设第i个激光位移传感器在工具坐标系中的零点位置和方向为
(xi,yi,zi,mi,ni,pi),i＝1,2,3,4；
其中：xi表示第i个激光位移传感器在工具坐标系中X轴方向的位置坐标，yi表示第i个激光位移传感器在工具坐标系中Y轴方向的位置坐标，zi表示第i个激光位移传感器在工具坐标系中Z轴方向的位置坐标；mi表示第i个激光位移传感器的激光发射方向向量在工具坐标系中X轴方向上的分量，ni表示第i 个激光位移传感器的激光发射方向向量在工具坐标系中Y轴方向上的分量，pi表示第i个激光位移传感器的激光发射方向向量在工具坐标系中Z轴方向上的分量。
则4个激光位移传感器对应的照射点Aij、Bij、Cij、Dij在工具坐标系下的位置坐标表示为
Figure RE-GDA0002703817160000031
其中：Aij表示第1个激光位移传感器在标定块i的第j个斜面上的照射点，l1ij表示第1个激光位移传感器照射在标定块i的第j个斜面时的距离读数；Bij表示第2个激光位移传感器在标定块i的第j个斜面上的照射点，l2ij表示第2个激光位移传感器照射在标定块i的第j个斜面时的距离读数；Cij表示第3 个激光位移传感器在标定块i的第j个斜面上的照射点，l3ij表示第3个激光位移传感器照射在标定块i的第j个斜面时的距离读数；Dij表示第4个激光位移传感器在标定块i的第j个斜面上的照射点，l4ij表示第4个激光位移传感器照射在标定块i的第j个斜面时的距离读数；
计算相邻两个激光位移传感器在同一斜面上的照射点组成的向量
Figure RE-GDA0002703817160000032
式中，
Figure RE-GDA0002703817160000033
表示第1个位移传感器在标定块i的第j个斜面上的照射点Aij和第2个位移传感器在标定块i的第j个斜面上的照射点Bij组成的向量，
Figure RE-GDA0002703817160000034
表示第2个位移传感器在标定块i的第j个斜面上的照射点Bij和第3个位移传感器在标定块i的第j个斜面上的照射点Cij组成的向量，
Figure RE-GDA0002703817160000035
表示第3个位移传感器在标定块i的第j个斜面上的照射点Cij和第4个位移传感器在标定块i的第j个斜面上的照射点Dij组成的向量，
Figure RE-GDA0002703817160000041
表示第4个位移传感器在标定块i的第j个斜面上的照射点Dij和第1个位移传感器在标定块i的第j个斜面上的照射点Aij组成的向量；
计算各个标定块各个斜面的法向量
Figure RE-GDA0002703817160000042
其中，
Figure RE-GDA0002703817160000043
表示第i个标定块上第j个斜面的第n个法向；
将通过位移传感器测量读数计算得到的第i个标定块上第j个斜面的法向取平均值为
Figure RE-GDA0002703817160000044
通过三坐标测量仪检测得到的制孔刀具轴向与第i个标定块上第j个斜面法向的夹角为θij，则
Figure RE-GDA0002703817160000045
依次更换为其它3个标定块，得到如下方程组
Figure RE-GDA0002703817160000046
联立求解上述方程组，得到4个位移传感器的标定参数(xi,yi,zi,mi,ni,pi),i＝1,2,3,4，即为4个激光位移传感器在工具坐标系下的零点位置和发射方向。
本发明的有益效果：
本发明一种用于法向检测的激光位移传感器标定装置，标定块结构简单，便于加工制作，用标定块平面上的制孔轴向代表工具坐标系的Z轴，标定过程更加贴合实际工况；本发明一种用于法向检测的激光位移传感器标定方法，不需要外部设备在线实时测量，能够快速、准确、方便地实现位移传感器的标定；标定过程不依赖于末端执行器的定位精度，操作简单；适用于激光位移传感器和接触式直线位移传感器的标定，通用性强。
附图说明
图1为本发明的自动钻铆设备末端执行器示意图；
图2为本发明的标定块示意图；
图3为本发明的标定过程示意图；
图4为本发明的标定过程局部示意图；
图5为本发明的标定流程示意图。
附图标记为：制孔刀具1、电主轴2、第一驱动装置3、压力脚4、第二驱动装置5、激光位移传感器 6、激光位移传感器61、激光位移传感器62、激光位移传感器63、激光位移传感器64、标定块7、制孔平板8、标定斜面9。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。
如图1所示，自动钻铆末端执行器由用于安装制孔刀具1的电主轴2、用于实现电主轴2进给运动的进给电机3、用于压紧工件表面的压力脚4、用于驱动压力脚伸缩运动的气缸5、安装在压力脚周边的位移传感器6组成。在压力脚4端面所建工具坐标系的Z轴为制孔刀具1轴线方向，Y轴为竖直方向，X轴为水平方向。
激光位移传感器6包括激光位移传感器61、激光位移传感器62、激光位移传感器63、激光位移传感器64，四个激光位移传感器等距周向分布。
如图2所示，标定块7上有1个制孔平面和标定斜面9，所述制孔平面上通过螺栓连接有制孔平板8，所述标定斜面包括六个两两互不平行的斜面；制孔平板8用于制孔，标定斜面9用于激光位移传感器检测距离，所述制孔平板可以进行更换，便于重复使用标定块。
一种用于法向检测的激光位移传感器标定方法，包括如下步骤：
步骤S1：将标定块7固定在工装上，调节末端执行器初始姿态，使制孔刀具1的轴线方向与标定块7 上的制孔平板8垂直；调整末端执行器与标定块7的相对位置，使得当标定块7上的各斜面处于法向检测区域时，各位移传感器6读数处于量程范围内，在压力脚4端面建立直角空间坐标系。
步骤S2：沿X轴方向移动末端执行器，使得标定块7上的制孔平板处于制孔区域，启动气缸5，使压力脚4沿Z轴运动压紧在标定块7的制孔平板8上，进给电机3带动制孔刀具1穿过压力脚4的通孔在制孔平板8上进行制孔，进给电机3回退到初始位置，气缸5驱动压力脚4缩回，电主轴2停转，因为所制孔的轴向始终与制孔刀具1的轴向重合，而制孔刀具1的轴向又与工具坐标系的Z轴重合，所以制孔轴向与工具坐标系的Z轴重合，记为
Figure RE-GDA0002703817160000061
步骤S3：制孔结束后，进给电机3带动电主轴2后退至初始位置，电主轴2停止转动，缩回气缸5，压力脚4回退到初始位置，再次沿X轴方向移动末端执行器，通过激光位移传感器6从靠近制孔平板8的斜面开始依次检测激光位移传感器的零点与标定块7上标定斜面9之间的距离；
步骤S4：取下当前标定块7，分别换上其余3个标定块，重复上述步骤，利用三坐标测量仪检测步骤 S2中制孔轴线方向与标定块7上各斜面法向的夹角；
步骤S5：利用步骤S3中的激光位移传感器检测的距离数值和步骤S4中的三坐标测量仪的测量数值，计算得到位激光位移传感器6的标定数值。
如图3和图4所示，检测第i个标定块上第j个斜面的法向
Figure RE-GDA0002703817160000062
再通过计算得到制孔刀具轴向与斜面法向的夹角θij，以此为例，将步骤S5中的标定算法具体阐述如下：
设第i个激光位移传感器在工具坐标系中的零点位置和方向为
(xi,yi,zi,mi,ni,pi),i＝1,2,3,4；
其中：xi表示第i个激光位移传感器在工具坐标系中X轴方向的位置坐标，yi表示第i个激光位移传感器在工具坐标系中Y轴方向的位置坐标，zi表示第i个激光位移传感器在工具坐标系中Z轴方向的位置坐标；mi表示第i个激光位移传感器的激光发射方向向量在工具坐标系中X轴方向上的分量，ni表示第i 个激光位移传感器的激光发射方向向量在工具坐标系中Y轴方向上的分量，pi表示第i个激光位移传感器的激光发射方向向量在工具坐标系中Z轴方向上的分量。
则4个激光位移传感器对应的照射点Aij、Bij、Cij、Dij在工具坐标系下的位置坐标可以表示为
Figure RE-GDA0002703817160000063
式中，Aij表示第1个激光位移传感器在标定块i的第j个斜面上的照射点，l1ij表示第1个激光位移传感器照射在标定块i的第j个斜面时的读数；Bij表示第2个激光位移传感器在标定块i的第j个斜面上的照射点，l2ij表示第1个激光位移传感器照射在标定块i的第j个斜面时的距离读数；Cij表示第3个激光位移传感器在标定块i的第j个斜面上的照射点，l3ij表示第3个激光位移传感器照射在标定块i的第j个斜面时的距离读数；Dij表示第4个激光位移传感器在标定块i的第j个斜面上的照射点，l4ij表示第4个激光位移传感器照射在标定块i的第j个斜面时的距离读数。
计算相邻两个激光位移传感器在同一斜面上的照射点组成的向量
Figure RE-GDA0002703817160000071
式中，
Figure RE-GDA0002703817160000072
表示第1个激光位移传感器在标定块i的第j个斜面上的照射点Aij和第2个激光位移传感器在标定块i的第j个斜面上的照射点Bij组成的向量，
Figure RE-GDA0002703817160000073
表示第2个激光位移传感器在标定块i的第j个斜面上的照射点Bij和第3个激光位移传感器在标定块i的第j个斜面上的照射点Cij组成的向量，
Figure RE-GDA0002703817160000074
表示第3个激光位移传感器在标定块i的第j个斜面上的照射点Cij和第4个激光位移传感器在标定块i的第j个斜面上的照射点Dij组成的向量，
Figure RE-GDA0002703817160000075
表示第4个激光位移传感器在标定块i的第j个斜面上的照射点Dij和第1个激光位移传感器在标定块i的第j个斜面上的照射点Aij组成的向量。
计算各个标定块各个斜面的法向量
Figure RE-GDA0002703817160000076
式中，
Figure RE-GDA0002703817160000077
表示第i个标定块上第j个斜面的第n个法向，为了减小误差，将激光位移传感器所测量的第i个标定块上第j个斜面的法向取平均值为
Figure RE-GDA0002703817160000078
在工具坐标系下，刀具轴向与Z坐标轴正方向同向，表示为
Figure RE-GDA0002703817160000079
则通过激光位移传感器检测得到的刀具轴向与第i个标定块上第j个斜面法向的夹角为
Figure RE-GDA00027038171600000710
通过三坐标测量仪检测得到的刀具轴向与第i个标定块上第j个斜面法向的夹角为θij，则
Figure RE-GDA0002703817160000081
依次更换为其它3个标定块，重复上述操作，得到如下方程组
Figure RE-GDA0002703817160000082
联立求解包含24个方程的方程组，可得到4个激光位移传感器的标定参数 (xi,yi,zi,mi,ni,pi),i＝1,2,3,4，即为4个激光位移传感器在工具坐标系下的零点位置和发射方向。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种用于法向检测的激光位移传感器标定装置，其特征在于，包括：激光位移传感器(6)、末端执行器、标定块(7)和三坐标测量仪，所述激光位移传感器安装在末端执行器上，所述末端执行器包括制孔刀具(1)、电主轴(2)、第一驱动装置(3)、压力脚(4)、第二驱动装置(5)；所述第一驱动装置(3)驱动端连接电主轴(2)，所述电主轴(2)末端安装有制孔刀具(1)，所述第一驱动装置(3)外侧安装有支撑架，所述支撑架两侧壁安装有第二驱动装置(5)，所述第二驱动装置(5)末端固定连接定位架，所述定位架中间安装有压力脚(4)，所述压力脚(4)开设有通孔，围绕压力脚(4)设置有若干个激光位移传感器(6)；所述第一驱动装置(3)为进给电机，所述第二驱动装置(5)为气缸；
所述标定块(7)包含制孔平面和标定斜面(9)，所述标定斜面(9)由六个两两互不平行的斜面组成，所述制孔平面上通过螺栓连接安装有制孔平板(8)，所述制孔刀具(1)可穿过压力脚(4)中间的通孔在制孔平板(8)上进行制孔；
所述三坐标测量仪用来检测标定块(7)上所制孔的轴线方向与各斜面法向的夹角；
所述的用于法向检测的激光位移传感器标定装置的标定方法包括以下步骤：
步骤S1：将标定块(7)固定在工装上，调节末端执行器初始姿态，使制孔刀具(1)的轴线方向与标定块(7)上的制孔平板(8)垂直；调整末端执行器与标定块(7)的相对位置，使得当标定块(7)上的各斜面处于法向检测区域时，各激光位移传感器(6)读数处于量程范围内，在压力脚(4)端面建立直角空间坐标系；
步骤S2：沿X轴方向移动末端执行器，使得标定块(7)上的制孔平板(8)处于制孔区域，启动气缸，使压力脚(4)沿Z轴运动压紧在标定块(7)的制孔平板(8)上，电主轴(2)转动，进给电机带动电主轴(2)上的制孔刀具(1)穿过压力脚(4)的通孔在制孔平板(8)上进行制孔；
步骤S3：制孔结束后，进给电机带动电主轴(2)后退至初始位置，电主轴(2)停止转动，气缸缩回，压力脚(4)回退到初始位置，再次沿X轴方向移动末端执行器，通过激光位移传感器(6)依次检测激光位移传感器的零点与标定块(7)上标定斜面(9)之间的距离；
步骤S4：取下标定块(7)，利用三坐标测量仪检测步骤S2中所制孔的轴线方向与标定块(7)上各斜面法向的夹角；
步骤S5：利用步骤S3中的激光位移传感器(6)检测的距离数值和步骤S4中的三坐标测量仪的测量数值，计算得到位激光移传感器(6)的标定数值；
所述步骤S5中计算激光位移传感器(6)标定数值的具体过程为：
设第i个激光位移传感器在工具坐标系中的零点位置和方向为
(xi,yi,zi,mi,ni,pi),i＝1,2,3,4；
其中：xi表示第i个激光位移传感器在工具坐标系中X轴方向的位置坐标，yi表示第i个激光位移传感器在工具坐标系中Y轴方向的位置坐标，zi表示第i个激光位移传感器在工具坐标系中Z轴方向的位置坐标；mi表示第i个激光位移传感器的激光发射方向向量在工具坐标系中X轴方向上的分量，ni表示第i个激光位移传感器的激光发射方向向量在工具坐标系中Y轴方向上的分量，pi表示第i个激光位移传感器的激光发射方向向量在工具坐标系中Z轴方向上的分量；
则4个激光位移传感器对应的照射点Aij、Bij、Cij、Dij在工具坐标系下的位置坐标表示为
Figure FDA0003486779540000021
其中：Aij表示第1个激光位移传感器在标定块i的第j个斜面上的照射点，l1ij表示第1个激光位移传感器照射在标定块i的第j个斜面时的距离读数；Bij表示第2个激光位移传感器在标定块i的第j个斜面上的照射点，l2ij表示第2个激光位移传感器照射在标定块i的第j个斜面时的距离读数；Cij表示第3个激光位移传感器在标定块i的第j个斜面上的照射点，l3ij表示第3个激光位移传感器照射在标定块i的第j个斜面时的距离读数；Dij表示第4个激光位移传感器在标定块i的第j个斜面上的照射点，l4ij表示第4个激光位移传感器照射在标定块i的第j个斜面时的距离读数；
计算相邻两个激光位移传感器在同一斜面上的照射点组成的向量
Figure FDA0003486779540000022
式中，
Figure FDA0003486779540000023
表示第1个位移传感器在标定块i的第j个斜面上的照射点Aij和第2个位移传感器在标定块i的第j个斜面上的照射点Bij组成的向量，
Figure FDA0003486779540000024
表示第2个位移传感器在标定块i的第j个斜面上的照射点Bij和第3个位移传感器在标定块i的第j个斜面上的照射点Cij组成的向量，
Figure FDA0003486779540000025
表示第3个位移传感器在标定块i的第j个斜面上的照射点Cij和第4个位移传感器在标定块i的第j个斜面上的照射点Dij组成的向量，
Figure FDA0003486779540000026
表示第4个位移传感器在标定块i的第j个斜面上的照射点Dij和第1个位移传感器在标定块i的第j个斜面上的照射点Aij组成的向量；
计算各个标定块上各个斜面的法向量
Figure FDA0003486779540000027
其中，
Figure FDA0003486779540000028
(n＝1,2,3,4)表示第i个标定块上第j个斜面的第n个法向；
将通过位移传感器测量读数计算得到的第i个标定块上第j个斜面的法向取平均值为
Figure FDA0003486779540000029
通过三坐标测量仪检测得到的制孔刀具轴向与第i个标定块上第j个斜面法向的夹角为θij，则
Figure FDA0003486779540000031
依次更换为其它3个标定块，得到如下方程组
Figure FDA0003486779540000032
联立求解上述方程组，得到4个激光位移传感器的标定参数(xi,yi,zi,mi,ni,pi),i＝1,2,3,4，即为4个激光位移传感器在工具坐标系下的零点位置和发射方向。
2.根据权利要求1所述的一种用于法向检测的激光位移传感器标定装置，其特征在于：所述标定斜面(9)的外形由半圆等分为若干份后取其中连续的六份弦长拼接而成。
3.根据权利要求2所述的一种用于法向检测的激光位移传感器标定装置，其特征在于：所述标定斜面(9)的六个斜面的形状大小一致，不同标定块(7)上的标定斜面(9)均互不平行。
4.根据权利要求1所述的一种用于法向检测的激光位移传感器标定装置，其特征在于：所述激光位移传感器(6)为四个，等距周向分布。
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