CN112902839B - 一种基于点激光位移传感器的加工余量测量方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于点激光位移传感器的加工余量测量方法和系统。根据零件深腔内壁曲面数据，规划测量路径；在六自由度机器人末端安装点激光位移传感器，采用定点变位姿法获取点激光坐标系到机器人末端坐标系的变换关系；根据规划好的测量路径对零件进行实际测量，获取每一点下点激光到深腔内壁的距离值，以及对应点的机器人位姿信息；根据距离值和位姿信息，进行坐标变换，测得深腔内壁在机器人基坐标系下的点云；将测得的点云与其理论CAD模型进行配准，获取待加工的余量。本发明采用机器人夹持点激光位移传感器的方式进行深腔内壁加工余量获取，灵活性好、通用性强、测量效率高、耗费成本低且结果准确。

Description

一种基于点激光位移传感器的加工余量测量方法和系统

技术领域

本发明属于复杂零件测量领域，更具体地，涉及一种基于点激光位移传感器的加工余量测量方法和系统。

背景技术

当前随着科学技术的不断发展，在航空、航天领域具有复杂曲面和深腔特征的高端零部件(如航空发动机机匣)应用越来越广泛。通常这些具有复杂曲面构型的深腔都要求有较高的加工精度和表面质量，才能达到所需的性能要求。因此，具有复杂曲面构型的深腔零件的高效、高精测量与加工余量获取成为了亟待解决的难题。

目前，具有复杂曲面构型的深腔零件内壁测量方法主要有三坐标测量技术和人工手动测量方式。其中，使用三坐标测量仪对深腔零件进行测量存在可操作性和灵活性差，以及设备成本昂贵的问题，而通过人工对零件内腔进行测量劳动强度大、测量效率低，测量结果不准确，存在的这些问题都严重制约了航空航天领域内带有深腔的复杂曲面零件测量、加工水平的进步。因此寻找一种灵活性好、通用性强、测量效率高、耗费成本低且结果准确的深腔复杂曲面零件测量系统和方法很有必要。

发明内容

针对相关技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于点激光位移传感器的加工余量测量方法和系统，旨在解决深腔复杂曲面零件测量时灵活性差、测量效率低、耗费成本高且结果不准确的问题。

为实现上述目的，本发明一方面提供了一种基于点激光位移传感器的加工余量测量方法，包括以下步骤：

根据待加工零件的深腔内壁曲面数据，利用等弦高差法获取曲面上的测量路径点，并计算所述测量路径点的法线矢量，规划测量路径；

在六自由度机器人末端安装点激光位移传感器，采用定点变位姿方法，获取点激光坐标系到机器人末端坐标系的变换关系；

根据规划好的所述测量路径对零件进行实际测量，获取每一个测量路径点下点激光到深腔内壁的距离值，以及对应所述测量路径点的机器人位姿信息；

根据所述距离值和机器人位姿信息，利用点激光坐标系到机器人末端坐标系的变换关系进行坐标变换，测得深腔内壁在机器人基坐标系下的点云；

将测得的所述点云与其理论CAD模型进行ICP配准，获取待加工的余量。

进一步地，规划测量路径具体包括如下步骤：

根据零件深腔内壁的曲面方程F(x，y，z)＝0，将其转化为参数方程，采用等参数线法得到一系列等间隔的参数线；

对每一条所述参数线采用等弦高差法得到深腔内壁的测量路径点，对每个测量路径点计算其法向量，将其作为测量过程中点激光的测量方向。

进一步地，等弦高差法的计算公式如下：

过测量路径点P₀(x₀，y₀，z₀)的法线方程及法向量计算公式如下：

其中R为测量点处的曲率半径，L为测量步长，δ为弦高误差，

为测量点的法矢量。

进一步地，采用定点变位姿方法，获取点激光坐标系到机器人末端坐标系的变换关系包括：

选取至少5个不同位姿对同一点进行测量，建立点激光坐标系到机器人末端坐标系的矩阵等式：

其中

分别为不同位姿下机器人末端到机器人基座的旋转、平移矩阵，

为每个位姿下对应点激光坐标读数；

通过求解所述矩阵等式获得所述变换关系。

进一步地，采用以下方式测得深腔内壁在机器人基坐标系下的点云：

其中P_i＝[0 0 d_i]^T表示每一个测量路径点下点激光到深腔内壁的距离坐标信息，R_s，t_s为点激光坐标系到机器人末端坐标系的旋转矩阵和平移矩阵，

为对应的每个测量点下机器人末端相对于机器人基坐标系的旋转、平移矩阵，Q_i＝[x_i y_i z_i]^T为机器人基坐标系下零件深腔内壁点云坐标值。

进一步地，将测得的所述点云与其理论CAD模型进行ICP配准具体包括：

R＝UV^T

t＝μ_P-Rμ_Q

其中，S为深腔内壁点云所构成的协方差矩阵，U∑V^T为矩阵S的奇异值分解，μ_P，μ_Q分别为深腔内壁点云模型质心坐标和深腔理论模型质心坐标， p_i，q_i为深腔内壁点云模型与理论模型坐标点，R，t为深腔内壁点云模型与理论模型的旋转、平移关系，E(R，t)为模型配准误差，τ为模型配准误差阈值。

进一步地，所述待加工的余量为ICP配准后每个测量路径点到深腔内壁曲面的最短距离，具体包括：

X^k+1＝X^k-J^-1(X^k)F(X^k)

P^*＝X^k+1＝(x^*，y^*，z^*)

d_smin＝min{D_e，|Q_iP^*|}

其中F(X)为曲面外一点Q_i到曲面上一点连线与曲面上该点法线之间平行关系构成的非线性方程组，J(X^k)为迭代过程中对应点的雅可比矩阵，P^*为通过牛顿迭代求得的曲面上最优解坐标，D_e为点Q_i到曲面边界线最短距离， d_smin为对应点Q_i到曲面的最短距离。

本发明的另一方面还提供了一种基于点激光位移传感器的加工余量测量系统，包括：计算机可读存储介质和处理器；

所述计算机可读存储介质用于存储可执行指令；

所述处理器用于读取所述计算机可读存储介质中存储的可执行指令，执行上述的加工余量测量方法。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：

1.考虑将点激光位移传感器与六自由度机器人相结合，搭建带深腔的复杂曲面零件测量系统。该测量系统相较于传统的手工测量方法，实现了无人化、智能化测量，测量效率得到了明显的提高。

2.根据定点变位姿的方式，利用机器人在不同位姿下测量同一点得到点激光位移传感器相对于机器人末端的坐标变换矩阵。接着利用该坐标变换矩阵结合点激光位移传感器测量得到的距离值信息与机器人在每个测点下对应的位姿信息进行坐标变换，得到深腔零件的内壁点云信息。最终获取的点云能够真实的反映出深腔零件内壁的表面形貌信息。

3.将测量得到的深腔内壁点云与深腔内壁理论模型进行配准，并根据最短距离来计算深腔内壁待加工余量。求得的加工余量与手工测量获取的余量结果(3-7mm)基本一致，体现了该测量系统结果的准确性。

附图说明

图1是带深腔的复杂曲面零件测量示意图；

图2是基于点激光位移传感器的深腔内壁余量测量获取流程框图；

图3是基于点激光位移传感器测量的深腔内壁点云。

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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明实施例针对带有深腔的复杂曲面零件1，采用点激光位移传感器2与六自由度机器人3相结合的测量系统，提供了一种基于点激光位移传感器的加工余量获取方法，包括如下步骤：

S1根据深腔内壁曲面数据，利用等弦高差法离散获取测量路径点，计算曲面上路径点的法线矢量，规划测量路径，保证点激光测量方向与深腔内壁法线方向平行。

S2机器人末端安装点激光位移传感器，采用定点变位姿方法，获取点激光坐标系到机器人末端坐标系变换关系，完成手眼标定。

S3根据规划好的测量路径，对深腔复杂曲面零件进行实际测量，输出保存每一测点下点激光到的深腔内壁的距离值，以及对应该测点的机器人位姿信息。

S4根据距离值和机器人的位姿信息，进行坐标变换，得到深腔内壁在机器人基坐标系下的点云。

S5将测量得到的深腔点云与其理论CAD模型进行ICP配准，然后将配准后每个点到深腔内壁曲面的最短距离作为待加工的余量。

本发明整体的余量测量获取流程框图如图2所示。

步骤S1中，具体采用如下方式进行测量路径规划：

根据深腔零件内壁的曲面方程F(x，y，z)＝0，首先将其转化为参数方程，采用等参数线法得到一系列等间隔的参数线，对每一条参数线采用等弦高差法离散得到深腔内壁测量的路径点，对每个测量点计算其法向量，将其作为测量过程中点激光的测量方向：

等弦高差法的计算公式如下：

过测量点P₀(x₀，y₀，z₀)的法线方程及法向量计算公式如下：

其中R为测量点处的曲率半径，L为测量步长，δ为弦高误差，

为测量点的法矢量。

步骤S2中，具体采用定点变位姿的方式，选取至少5个不同位姿对同一点进行测量，建立点激光坐标系到机器人末端坐标系的变换关系：

其中

分别为不同位姿下机器人末端到机器人基座的旋转、平移矩阵，

为每个位姿下对应点激光坐标读数。

根据定点变位姿方法构建的矩阵等式，将其看成形如A·X＝b的超定线性方程组，得到的最小二乘解即为求得的变换关系：

X＝(A^TA)^-1A^Tb

通过上式求得

后，可获得待求的齐次变换矩阵

步骤S4中，具体采用如下方式将实际使用点激光测量深腔零件获取到的距离值信息转化为机器人基坐标系下深腔内壁点云信息(如图3)：

其中P_i＝[0 0 d_i]^T表示点激光坐标系下测量的距离坐标信息，R_s，t_s为前面所获得的点激光位移传感器到机器人末端的旋转矩阵和平移矩阵，

为对应的每个测量点下机器人末端相对于机器人基坐标系的旋转、平移矩阵，Q_i＝[x_i y_i z_i]^T为获取到的机器人基坐标系下深腔零件内壁点云坐标值。

步骤S5中，具体采用如下方式将使用点激光测量获取的深腔复杂曲面零件点云与理论模型进行配准，并计算其待加工余量信息：

(1)测量的深腔内壁点云模型与理论模型配准：

R＝UV^T

t＝μ_P-Rμ_Q

其中，S为深腔内壁点云所构成的协方差矩阵，U∑V^T为矩阵S的奇异值分解，μ_P，μ_Q分别为深腔内壁点云模型质心坐标和深腔理论模型质心坐标， p_i，q_i为深腔内壁点云模型与理论模型坐标点，R，t为深腔内壁点云模型与理论模型的旋转、平移关系，E(R，t)为模型配准误差，τ为模型配准误差阈值。

(2)深腔复杂曲面零件内壁待加工余量计算：

X^k+1＝X^k-J^-1(X^k)F(X^k)

P^*＝X^k+1＝(x^*，y^*，z^*)

d_smin＝min{D_e，|Q_iP^*|}

将配准后测量的深腔内壁点坐标到理论模型法向最短距离当作内壁待加工的余量值，其中F(X)为曲面外一点Q_i到曲面上一点连线与曲面上该点法线之间平行关系构成的非线性方程组，J(X^k)为迭代过程中对应点的雅可比矩阵，P^*为通过牛顿迭代求得的曲面上最优解坐标，D_e为点Q_i到曲面边界线最短距离，d_smin为对应点Q_i到曲面的最短距离，即求得的加工余量。

本领域的技术人员容易理解，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 (8)

1.一种基于点激光位移传感器的加工余量测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

根据待加工零件的深腔内壁曲面数据，利用等弦高差法获取曲面上的测量路径点，并计算所述测量路径点的法线矢量，规划测量路径；

在六自由度机器人末端安装点激光位移传感器，采用定点变位姿方法，获取点激光坐标系到机器人末端坐标系的变换关系；

根据规划好的所述测量路径对零件进行实际测量，获取每一个测量路径点下点激光到深腔内壁的距离值，以及对应所述测量路径点的机器人位姿信息；

根据所述距离值和机器人位姿信息，利用点激光坐标系到机器人末端坐标系的变换关系进行坐标变换，测得深腔内壁在机器人基坐标系下的点云；

将测得的所述点云与其理论CAD模型进行配准，获取待加工的余量；将配准后每个测量路径点到深腔内壁曲面的最短距离作为待加工的余量。

2.如权利要求1所述的加工余量测量方法，其特征在于，规划测量路径具体包括如下步骤：

根据零件深腔内壁的曲面方程F(x,y,z)＝0，将其转化为参数方程，采用等参数线法得到一系列等间隔的参数线；

对每一条所述参数线采用等弦高差法得到深腔内壁的测量路径点，对每个测量路径点计算其法向量，将其作为测量过程中点激光的测量方向。

3.如权利要求2所述的加工余量测量方法，其特征在于，等弦高差法的计算公式如下：

过测量路径点P₀(x₀,y₀,z₀)的法线方程及法向量计算公式如下：

其中R为测量点处的曲率半径，L为测量步长，δ为弦高误差，

为测量点的法矢量。

4.如权利要求1所述的加工余量测量方法，其特征在于，采用定点变位姿方法，获取点激光坐标系到机器人末端坐标系的变换关系包括：

选取至少5个不同位姿对同一点进行测量，建立点激光坐标系到机器人末端坐标系的矩阵等式：

其中

分别为不同位姿下机器人末端到机器人基座的旋转、平移矩阵，

为每个位姿下对应点激光坐标读数；

通过求解所述矩阵等式获得所述变换关系。

5.如权利要求4所述的加工余量测量方法，其特征在于，采用以下方式测得深腔内壁在机器人基坐标系下的点云：

其中P_i＝[0 0 d_i]^T表示每一个测量路径点下点激光到深腔内壁的距离坐标信息，R_s,t_s为点激光坐标系到机器人末端坐标系的旋转矩阵和平移矩阵，

为对应的每个测量点下机器人末端相对于机器人基坐标系的旋转、平移矩阵，Q_i＝[x_i y_i z_i]^T为机器人基坐标系下零件深腔内壁点云坐标值。

6.如权利要求1所述的加工余量测量方法，其特征在于，将测得的所述点云与其理论CAD模型进行配准具体采用ICP配准，包括：

R＝UV^T

t＝μ_P-Rμ_Q

其中，S为深腔内壁点云所构成的协方差矩阵，UΣV^T为矩阵S的奇异值分解，μ_P,μ_Q分别为深腔内壁点云模型质心坐标和深腔理论模型质心坐标，p_i,q_i为深腔内壁点云模型与理论模型坐标点，R,t为深腔内壁点云模型与理论模型的旋转、平移关系，E(R,t)为模型配准误差，τ为模型配准误差阈值。

7.如权利要求6所述的加工余量测量方法，其特征在于，所述待加工的余量为ICP配准后每个测量路径点到深腔内壁曲面的最短距离，具体包括：

X^k+1＝X^k-J^-1(X^k)F(X^k)

P^*＝X^k+1＝(x^*,y^*,z^*)

d_smin＝min{D_e,|Q_iP^*|}

其中F(X)为曲面外一点Q_i到曲面上一点连线与曲面上该点法线之间平行关系构成的非线性方程组，J(X^k)为迭代过程中对应点的雅可比矩阵，P^*为通过牛顿迭代求得的曲面上最优解坐标，D_e为点Q_i到曲面边界线最短距离，d_smin为对应点Q_i到曲面的最短距离。

8.一种基于点激光位移传感器的加工余量测量系统，其特征在于，包括：计算机可读存储介质和处理器；

所述计算机可读存储介质用于存储可执行指令；

所述处理器用于读取所述计算机可读存储介质中存储的可执行指令，执行权利要求1至7任一项所述的加工余量测量方法。

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