CN113203369A - 一种机器人制孔法向垂直度测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机器人制孔法向垂直度测量方法，通过在制孔面上建立制孔平面模型，根据钻孔执行器的移动路径建立制孔法向路径模型，测量制孔平面模型与制孔法向路径模型之间的夹角，进而得到机器人系统制孔法向垂直度，提高了机器人制孔法向垂直度的检测效率和检测精度。

Description

一种机器人制孔法向垂直度测量方法

技术领域

本发明属于制孔检测的技术领域，具体涉及一种机器人制孔法向垂直度测量方法。

背景技术

随着航空制造领域朝着高精度、自动化与柔性化、低成本、数字化与智能化的方向发展，对于飞机产品的质量和机动性能有了更高的要求。这些需求对于飞机实现高精度的测量提出了新的技术要求。在现代测量技术中，高精度的数字化测量工具与技术能够快速、准确地获得生产制造所需要的数据，从而为零件加工、装配制造等环节提供有效地参考依据，进一步可以避免产品质量缺陷、降低出错的概率，最终提高产品质量。

在飞机制造测量技术中，对于零件制孔法向垂直度的测量是非常关键的。孔的垂直度直接影响了连接件的安装性能，斜孔可能导致连接件易产生受力不均衡，在飞机疲劳载荷作用下易出现剪短、脱落等连接失效，严重影响了飞机的质量和安全性。针对现有的制孔技术，如手工制孔、机器人制孔和自动进给钻制孔方式，其中手工制孔其法向精度受工人操作水平的影响，因此法向精度变化较大。对于机器人制孔和自动进给钻制孔方式，其法向精度受标定精度和制孔系统自身的精度影响，但是制孔精度的一致性是非常好的。

在现有飞机装配作业制孔法向精度检测中，通常有以下方式：(1)将检查销插入孔中，然后使用直角尺进行定性的测量，或者使用角度尺进行目视测量；(2)将铆钉插入孔中，使铆钉头与零件表面完全贴紧，然后用塞尺从多个角度检测铆钉表面的贴合度，从而定性判断孔的垂直度。上述两种方式都需要检查销或铆钉等连接件与孔壁表面紧密贴合才能更好的实现制孔法向垂直度的测量，如果配合间隙过大将导致测量结果不准确。况且，采用直角尺和塞规分别进行测量时，只能进行定性判断，不能定量。此外，采用角度尺进行测量时，受仪器结构影响其分辨率较小，角度误差测量较大。因此，考虑采用数字化测量设备，借助于一些原理和方法，实现制孔法向垂直度的精确测量对于提高飞机零部件连接质量，及时发现不合格孔是非常关键的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种机器人制孔法向垂直度测量方法，实现对机器人制孔系统的制孔法向垂直度进行精确测量计算。

本发明通过下述技术方案实现：

一种机器人制孔法向垂直度测量方法，在制孔面上建立制孔平面模型，根据钻孔执行器的移动路径建立制孔法向路径模型，测量制孔平面模型与制孔法向路径模型之间的夹角，进而得到机器人系统制孔法向垂直度

为了更好的实现本发明，进一步地，建立制孔平面模型包括以下步骤：

步骤A1、在制孔面上确定制孔点，并以制孔点为原点建立平面直角坐标系；

步骤A2、在制孔点周围通过激光反射标靶建立至少三个不共线的平面测量点，并读取至少三个不共线的平面测量点的坐标；

步骤A3、通过至少三个不共线的平面测量点的坐标进行拟合以得到制孔平面模型。

为了更好的实现本发明，进一步地，所述步骤A2中，还包括通过激光反射标靶设置在制孔点周围的一个平面过度点，将平面过度点的坐标与任意三个不共线的平面测量点的坐标进行拟合得到至少一个过度制孔平面模型，并计算过度制孔平面模型与制孔平面模型之间的共面度，并通过共面度对制孔平面模型进行修正。

为了更好的实现本发明，进一步地，通过对共面度加权实现对制孔平面模型进行修正，共面度对应权重伴随平面过度点与制孔点之间的距离增加而减小。

为了更好的实现本发明，进一步地，建立制孔法向路径模型包括以下步骤：

步骤B1、将激光跟踪仪固定在机器人制孔系统的末端执行器上，并控制末端执行器采用单步运行模式移动至制孔点；

步骤B2、控制末端执行器朝向制孔平面模型进行直线运动，并通过激光跟踪仪在末端执行器的运动直线上提取至少两个直线测量点；

步骤B3、通过至少两个直线测量点的坐标拟合得到制孔法向路径模型。

为了更好的实现本发明，进一步地，所述步骤B2中还包括通过激光跟踪仪在末端执行器的运动直线上提取的一个直线过度点，将直线过度点的坐标与任意两个直线测量点的坐标进行拟合得到至少一个过度制孔直线模型，并计算过度制孔直线模型与制孔法向路径模型之间的共线度，并通过共线度对制孔法向路径模型进行修正。

为了更好的实现本发明，进一步地，通过对共线度加权实现对制孔法向路径模型进行修正，共线度对应权重伴随直线过度点和制孔点之间的距离增加而减小。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

本发明通过在制孔面上建立制孔点，并在制孔点的周围建立至少三个不共线的平面测量点，通过至少三个不共线的平面测量点的坐标拟合得到制孔平面模型；同时通过在末端执行器的移动直线上提取至少两个直线测量点，通过至少两个直线测量点的坐标拟合得到制孔法向路径模型，然后即可通过机器人制孔系统中的测量软件直接测量制孔平面模型与制孔法向路径模型之间的夹角，即可高效精确得到机器人制孔系统的法向制孔垂直度；同时，本发明通过在制孔面上建立平面过度点，通过平面过度点与任意三个不共线的平面测量点拟合得到过度制孔平面模型，并直接测量过度制孔平面模型与制孔平面模型之间的共面度，然后通过对共面度进行加权进而对制孔平面模型进行修正，进而保证平面制孔模型的精确性；同时，本发明通过在末端执行器的移动直线上提取直线过度点，通过直线过度点与任意两个直线测量点拟合得到过度制孔直线模型，并直接测量过度制孔直线模型与制孔法向路径模型之间的共线度，然后通过对共线度进行加权进而对制孔法向路径模型进行修正，进而保证制孔法向路径模型的精确性，最终保证制孔法向路径模型与制孔平面模型之间的垂直度测量精度。

附图说明

图1为本发明的步骤流程示意图；

图2为制孔平面模型的拟合示意图；

图3为制孔法向路径模型的拟合示意图。

具体实施方式

实施例1：

本实施例的一种机器人制孔法向垂直度测量方法，如图1所示，在制孔面上建立制孔平面模型，根据钻孔执行器的移动路径建立制孔法向路径模型，测量制孔平面模型与制孔法向路径模型之间的夹角，进而得到机器人系统制孔法向垂直度。

进一步的，建立制孔平面模型包括以下步骤：

步骤A1、在制孔面上确定制孔点，并以制孔点为原点建立平面直角坐标系O-XY；

步骤A2、在制孔点周围通过激光反射标靶建立至少三个不共线的平面测量点，并读取至少三个不共线的平面测量点的坐标；

步骤A3、通过至少三个不共线的平面测量点的坐标进行拟合以得到制孔平面模型。

如图所示，在制孔点周围通过激光反射标靶建立三个不共线的平面测量点分别为a₁、a₂、a₃，利用机器人制孔系统直接测量a₁、a₂、a₃三个平面测量点的坐标，然后通过机器人制孔系统中自带的多点拟合平面指令根据a₁、a₂、a₃三个平面测量点的坐标拟合得到制孔平面模型，即得到制孔点所在的平面。

进一步的，建立制孔法向路径模型包括以下步骤：

步骤B1、将激光跟踪仪固定在机器人制孔系统的末端执行器上，并控制末端执行器采用单步运行模式移动至制孔点；

步骤B2、控制末端执行器朝向制孔平面模型进行直线运动，并通过激光跟踪仪在末端执行器的运动直线上提取至少两个直线测量点；

步骤B3、通过至少两个直线测量点的坐标拟合得到制孔法向路径模型。

如图3所示，在末端执行器的移动直线上提取两个直线测量点分别为b₁、b₂，并通过激光跟踪仪直接测量b₁、b₂的坐标，然后将b₁、b₂的坐标传输机器人制孔系统，利用机器人制孔系统自带的通过多点拟合直线指令根据b₁、b₂两个直线测量点的坐标拟合得到制孔法向路径模型，即得到制孔法向路径。

然后即可测量制孔法向路径模型与制孔平面模型之间的夹角，进而得到测量制孔法向路径模型与制孔平面模型之间垂直度，即得到机器人制孔系统的法向垂直度。

实施例2：

本实施例在上述实施例1的基础上做进一步优化，如图2和图3所示，所述步骤A2中，还包括通过激光反射标靶设置在制孔点周围的一个平面过度点a₄，将平面过度点a₄的坐标与任意三个不共线的平面测量点的坐标进行拟合得到至少一个过度制孔平面模型，并计算过度制孔平面模型与制孔平面模型之间的共面度，并通过共面度对制孔平面模型进行修正。

在建立的若干平面测量点中，以每三个不共线的平面测量点为一组建立n个平面测量点组，然后将平面过度点a₄的坐标与任意平面测量点组中三个平面测量点的坐标组合计算得到过度制孔平面模型，然后通过机器人制孔系统中的测量软件自动测量过度制孔平面模型与制孔平面模型之间的共面度。

通过对共面度加权实现对制孔平面模型进行修正，共面度对应权重伴随平面过度点与制孔点之间的距离增加而减小，具体计算公式如下：

其中：

为加权平均共面度；n为平面测量点组数量；

为第n组平面测量点组与平面过度点a₄对应计算得到的共面度；α_n为第n组平面测量点组与平面过度点a₄对应计算得到的共面度对应的权重。

本实施例的其他部分与上述实施例1相同，故不再赘述。

实施例3：

本实施例在上述实施例1或2的基础上做进一步优化，如图3所示，所述步骤B2中还包括通过激光跟踪仪在末端执行器的运动直线上提取的一个直线过度点b₃，将直线过度点b₃的坐标与任意两个直线测量点的坐标进行拟合得到至少一个过度制孔直线模型，并计算过度制孔直线模型与制孔法向路径模型之间的共线度，并通过共线度对制孔法向路径模型进行修正。

在末端执行器的移动直线上，以每两个直线测量点为一组建立k个直线测量点组，然后将直线过度点b₃的坐标与任意直线测量点组中的两个直线测量点的坐标组合计算得到过度制孔直线模型，然后通过机器人制孔系统中的测量软件自动测量过度制孔直线模型与制孔法向路径模型之间的共线度。

通过对共线度加权实现对制孔法向路径模型进行修正，共线度对应权重伴随直线过度点和制孔点之间的距离增加而减小，具体计算公式如下：

其中：θ₀为加权平均共线度；k为直线测量点组数量；θ_k为第k组直线测量点组与直线过度点b₃对应计算得到的共线度；β_k为第k组直线测量点组与直线过度点b₃对应计算得到的共线度对应的权重。

本实施例的其他部分与上述实施例1或2相同，故不再赘述。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种机器人制孔法向垂直度测量方法，其特征在于，在制孔面上建立制孔平面模型；根据钻孔执行器的移动路径建立制孔法向路径模型；测量制孔平面模型与制孔法向路径模型之间的夹角，进而得到机器人系统制孔法向垂直度。

2.根据权利要求1所述的一种机器人制孔法向垂直度测量方法，其特征在于，建立制孔平面模型包括以下步骤：

步骤A1、在制孔面上确定制孔点，并以制孔点为原点建立平面直角坐标系；

步骤A2、在制孔点周围通过激光反射标靶建立至少三个不共线的平面测量点，并读取至少三个不共线的平面测量点的坐标；

步骤A3、通过至少三个不共线的平面测量点的坐标进行拟合以得到制孔平面模型。

3.根据权利要求2所述的一种机器人制孔法向垂直度测量方法，其特征在于，所述步骤A2中，还包括通过激光反射标靶设置在制孔点周围的一个平面过度点，将平面过度点的坐标与任意三个不共线的平面测量点的坐标进行拟合得到至少一个过度制孔平面模型，并计算过度制孔平面模型与制孔平面模型之间的共面度，并通过共面度对制孔平面模型进行修正。

4.根据权利要求3所述的一种机器人制孔法向垂直度测量方法，其特征在于，通过对共面度加权实现对制孔平面模型进行修正，共面度对应权重伴随平面过度点与制孔点之间的距离增加而减小。

5.根据权利要求1-4任一项所述的一种机器人制孔法向垂直度测量方法，其特征在于，建立制孔法向路径模型包括以下步骤：

步骤B1、将激光跟踪仪固定在机器人制孔系统的末端执行器上，并控制末端执行器采用单步运行模式移动至制孔点；

步骤B2、控制末端执行器朝向制孔平面模型进行直线运动，并通过激光跟踪仪在末端执行器的运动直线上提取至少两个直线测量点；

步骤B3、通过至少两个直线测量点的坐标拟合得到制孔法向路径模型。

6.根据权利要求5所述的一种机器人制孔法向垂直度测量方法，其特征在于，所述步骤B2中还包括通过激光跟踪仪在末端执行器的运动直线上提取的一个直线过度点，将直线过度点的坐标与任意两个直线测量点的坐标进行拟合得到至少一个过度制孔直线模型，并计算过度制孔直线模型与制孔法向路径模型之间的共线度，并通过共线度对制孔法向路径模型进行修正。

7.根据权利要求6所述的一种机器人制孔法向垂直度测量方法，其特征在于，通过对共线度加权实现对制孔法向路径模型进行修正，共线度对应权重伴随直线过度点和制孔点之间的距离增加而减小。

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