CN113945169A - 一种直孔、窝孔关键尺寸测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直孔、窝孔关键尺寸测量系统及方法。该系统包括：线激光传感器、线激光传感器控制器、电动台、编码器、可编程逻辑控制器以及上位机。由线激光传感器、电动台、编码器等机构执行测量作业，由上位机、线激光传感器控制器、可编程逻辑控制器进行数据传输、计算、处理，通过拟合线激光传感器扫描数据获取测量目标的表面形貌，进而提取测量目标的特征，并根据提取的特征选择相应的关键尺寸计算方式，计算完成后输出计算结果。本方法实现机器人自动化制孔过程中对已加工孔的在线检测，直接提高了检测效率，并利于自动化制孔过程中制孔质量的快速检测，便于发现制孔问题，间接提升了机器人自动化系统的加工质量。

Description

一种直孔、窝孔关键尺寸测量系统及方法

技术领域

本发明涉及自动控制测量技术领域，特别是涉及一种直孔、窝孔关键尺寸测量系统及方法。

背景技术

飞机壁板在装配过程中需要进行大量的制孔工作，所制孔主要为两种：直孔和窝孔。传统壁板制孔方式为人工制孔，人工制孔效率低下且精度难以保障，孔不具有加工一致性，对后续装配质量产生了严重影响。根据加工质量一致性和自动化数字化装配的要求，基于六轴串联机器人的自动制孔末端系统被引入到自动化制造装配的作业中。根据制孔点位的需求，六轴串联机器人灵活的机械臂能够进行多种位姿的转换，可一次性进行整个壁板的制孔作业，在一定程度上提升了制孔的效率和质量的一致性。但是由于制孔效率的要求和现场安全的要求，自动制孔末端在作业时，无法及时检测制孔质量，若出现参数设置不合理的情况，则会导致多排孔的加工误差，严重时可造成整个壁板的报废。如何实现直孔和窝孔关键尺寸在自动化制孔过程中的在线测量，实现制孔后对孔加工质量的快速测量，避免大量孔的加工偏差，提升制孔质量与检测效率，是飞机壁板自动化装配领域中急需解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种直孔、窝孔关键尺寸测量系统及方法，用于在自动化制孔过程中实现直孔和窝孔加工质量的快速检测，避免大量孔的加工偏差，提升制孔质量与检测效率。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种直孔、窝孔关键尺寸测量系统，包括：

线激光传感器，用于扫描测量目标；

线激光传感器控制器，与所述线激光传感器连接，用于控制线激光传感器工作，并接收所述线激光传感器的扫描数据；

电动台，内部设有电机，所述电机用于带动所述线激光传感器移动，所述线激光传感器设置在所述电动台上；

编码器，与所述电动台连接，用于测量所述电机的旋转角度；

可编程逻辑控制器，分别与所述线激光传感器控制器、所述电动台以及所述编码器连接，用于对所述线激光传感器控制器发送指令，使所述线激光传感器控制器控制所述线激光传感器；以及用于根据所述旋转角度判断所述电动台的移动距离；

上位机，分别与所述线激光传感器控制器以及所述可编程逻辑控制器连接，用于根据所述扫描数据计算直孔和窝孔的关键尺寸；所述关键尺寸包括：直孔的垂直角度偏差值、直孔的直径、窝孔的垂直角度偏差值、窝孔的窝深、窝孔的外直径以及窝孔的内直径。

本发明还提供了一种直孔、窝孔关键尺寸测量方法，所述测量方法应用于上述测量系统，所述测量方法包括：

根据电动台电机的旋转角度，判断电动台每次的移动距离是否达到设定步长；

若是，则判断电动台的移动距离是否达到设定距离；

若是，则控制线激光传感器停止扫描；

对所述线激光传感器的扫描数据进行拟合拼接，建立当前测量点位的表面三维尺寸模型；

提取所述表面三维尺寸模型的特征数据；

根据所述特征数据判断当前测量点位的孔的类型；

当判断结果为直孔时，计算直孔的关键尺寸；直孔的关键尺寸包括：直孔的垂直角度偏差值和直孔的直径；

当判断结果为窝孔时，计算窝孔的关键尺寸；窝孔的关键尺寸包括：窝孔的垂直角度偏差值、窝孔的窝深、窝孔的外直径以及窝孔的内直径。

可选地，所述计算直孔的关键尺寸，具体包括：

根据所述表面三维尺寸模型，确定直孔的孔区域中心；

获取所述直孔的孔区域中心周围360°垂直截面，为直孔截面；

根据所述直孔截面判断所述直孔为倾斜直孔或非倾斜直孔；

当判断结果为非倾斜直孔时，非倾斜直孔的垂直角度偏差值为零，非倾斜直孔的直径为孔壁两端水平距离；

当判断结果为倾斜直孔时，依据三角关系计算倾斜直孔的垂直角度偏差值和直径。

可选地，倾斜直孔的垂直角度偏差值的计算公式如下：

式中，∠O₁为倾斜直孔的垂直角度偏差值，|AC|为激光变化点A、B的垂直距离差，|BC|为激光变化点A、B两点水平距离差。

可选地，倾斜直孔的直径的计算公式如下：

d＝|DE|＝|BD|·cos(∠O₁)

式中，d为倾斜直孔的直径，|BD|为激光变化点B、D水平距离差值，|DE|为|BD|在∠O₁下的余弦值。

可选地，所述计算窝孔的关键尺寸，所述计算窝孔的关键尺寸，具体包括：

根据所述表面三维尺寸模型，确定窝孔的孔区域中心；

获取所述窝孔的孔区域中心周围360°垂直截面，为窝孔截面；

根据所述窝孔截面判断所述窝孔为倾斜窝孔或非倾斜窝孔；

当判断结果为非倾斜窝孔时，非倾斜窝孔的垂直角度偏差值为零，非倾斜窝孔的外直径为窝孔外边缘两端变化点的水平距离，非倾斜窝孔的内直径为窝孔内边缘两端变化点水平距离，非倾斜窝孔的窝深为窝孔外边缘变化点与内边缘变化点的垂直距离；

当判断结果为倾斜窝孔时，依据三角关系计算倾斜窝孔的垂直角度偏差值和内直径，倾斜窝孔的外直径为窝孔外边缘两端变化点的水平距离，倾斜窝孔的窝深为窝孔外边缘变化点与内边缘变化点的垂直距离。

可选地，所述倾斜窝孔的垂直角度偏差值的计算公式如下：

式中，∠O2为倾斜窝孔的垂直角度偏差值，|IJ|为激光变化点I、H的垂直距离差，|HJ|为激光变化点H、I的水平距离差。

可选地，所述倾斜窝孔的内直径的计算公式如下：

式中，d_内为倾斜窝孔的内直径，|HJ|为激光变化点H、I的水平距离差，|IJ|为变化点激光I、H的垂直距离差。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明由机器人自动制孔末端系统上安装的线激光传感器、电动台、编码器等机构执行测量作业，由上位机、线激光传感器控制器、可编程逻辑控制器进行数据传输、计算、处理，通过拟合线激光传感器扫描数据获取测量目标的表面形貌，进而提取测量目标的特征，并根据提取的特征选择相应的关键尺寸计算方式，计算完成后输出计算结果。本发明实现机器人自动化制孔过程中对已加工孔的在线检测，直接提高了检测效率，并利于自动化制孔过程中制孔质量的快速检测，便于发现制孔问题，间接提升了机器人自动化系统的加工质量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例直孔、窝孔关键尺寸测量系统的结构框图；

图2为本发明实施例直孔、窝孔关键尺寸测量方法的流程图；

图3为扫描数据处理方法流程图；

图4为直孔关键尺寸计算方法流程图；

图5为直孔不为斜孔时的判断特征；

图6为直孔为斜孔时的判断特征；

图7为直孔不为斜孔时的孔径计算方法；

图8为直孔为斜孔时的垂直角度偏差计算方法；

图9为直孔为斜孔时的孔径计算方法；

图10为窝孔关键尺寸计算方法的流程图；

图11为窝孔不为斜孔时的判断特征；

图12为窝孔为斜孔时的判断特征；

图13为窝孔不为斜孔时的外直径、内直径、窝深计算方法；

图14为窝孔为斜孔时垂直角度偏差计算方法；

图15为窝孔为斜孔时的外直径、内直径、窝深计算方法。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种直孔、窝孔关键尺寸测量系统及方法，用于在自动化制孔过程中实现直孔和窝孔加工质量的快速检测，避免大量孔的加工偏差，提升制孔质量与检测效率。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明提供的直孔、窝孔关键尺寸测量系统包括上位机1、线激光传感器2、线激光传感器控制器3、电动台4、编码器5、可编程逻辑控制器6和若干辅助装置。

线激光传感器2，用于扫描测量目标，并将扫描数据传输至线激光传感器控制器3。线激光传感器2安装于电动台4上。

线激光传感器控制器3与上位机1、线激光传感器2、可编程逻辑控制器6连接，用于为线激光传感器2提供电源、接收线激光传感器2测量数据并将线激光传感器测量数据发送至上位机1。

电动台4与编码器5、可编程逻辑控制器6连接，内部装有电机，电机带动安装线激光传感器2的台面进行平稳、均匀移动，电机受编码器5和可编程逻辑控制器6控制。线激光传感器2安装于电动台，电动台带动线激光传感器进行移动。

编码器5与电动台4，可编程逻辑控制器6连接，用于读取电动台上电机主轴旋转角度，并将测得的旋转角度发送至可编程逻辑控制器6进行处理，达到间接控制电动台移动步长的目的。

可编程逻辑控制器6与上位机1、线激光传感器控制器3、电动台4、编码器5连接，用于接收、处理、传递传感器数据和控制相应机构工作。可编程逻辑控制器6与线激光传感器控制器3连接，用于控制线激光传感器2开始扫描和停止扫描。可编程逻辑控制器6接收编码器5传递的脉冲信号，分析脉冲信号判断电动台当前移动是否满足步长要求，根据设定直接控制电动台4移动与停止，并将处理数据与结果发送至上位机1进行存储与备份。

上位机1与线激光传感器控制器3、可编程逻辑控制器6连接，用于收集、计算、存储整体系统中的数据。上位机中装有线激光传感器数据分析软件，用于分析线激光传感器数据、拟合检测目标表面形貌、提取关键特征数据和计算目标关键尺寸。

辅助装置包括电源、数据线、交换机等，用于为整体系统提供能源、传递数据信息、转换数据格式等功能。

本发明还提供了一种直孔、窝孔关键尺寸测量方法，所述测量方法应用于上述测量系统，所述测量方法包括：

根据电动台电机的旋转角度，判断电动台每次的移动距离是否达到设定步长；

若是，则判断电动台的移动距离是否达到设定距离；

若是，则控制线激光传感器停止扫描；

对所述线激光传感器的扫描数据进行拟合拼接，建立当前测量点位的表面三维尺寸模型；

提取所述表面三维尺寸模型的特征数据；

根据所述特征数据判断当前测量点位的孔的类型；

当判断结果为直孔时，计算直孔的关键尺寸；直孔的关键尺寸包括：直孔的垂直角度偏差值和直孔的直径；

当判断结果为窝孔时，计算窝孔的关键尺寸；窝孔的关键尺寸包括：窝孔的垂直角度偏差值、窝孔的窝深、窝孔的外直径以及窝孔的内直径。

具体操作步骤如图2所示：

步骤10：进行准备工作，检查电源、电缆、数据线是否已连接完成，检查各仪器、元器件是否正常工作，在可编程控制器上根据精度要求设定电动台移动步长即编码器在每个步长内转过的角度，根据待检测直孔、窝孔孔径长度最大值的2倍设定电动台移动距离；对线激光传感器的测量和输出进行设置。

步骤20：根据机器人离线编程程序，机器人移动使安装在末端执行器上的线激光传感器位于测量点位，移动完成后，可编程控制器对线激光传感器控制器发送指令，使线激光传感器开始扫描。

步骤30：线激光传感器测量当前截面扫描数据并通过线激光传感器控制器将测量数据发送至上位机，由上位机记录当前截面的测量数据。

步骤40：可编程控制器控制电动台前进一个步长，在电动台前进过程中，与电动台电机相连的编码器将电机主轴转动角度反馈至可编程控制器，可编程控制器根据设定判断电动台前进是否达到设定步长，电动台每次移动距离为一个步长。

步骤50：判断电动台移动距离是否达到设定距离：当电动台移动距离未达到设定值时，认为当前孔位数据未扫描完成，返回步骤30；当电动台移动距离已达到设定值时，认为当前孔位数据扫描已完成，执行步骤60。

步骤60：可编程控制器对线激光传感器控制器发送指令，使线激光传感器停止扫描。

步骤70：上位机对扫描数据进行处理，并输出测量计算结果。

步骤80：电动台退回至开始位置，完成当前点位的测量工作。

参照图3，其中，步骤70包括：

步骤701：上位机线激光传感器数据分析软件对已采集到的扫描数据进行拟合拼接，建立当前测量点位表面三维尺寸模型。

步骤702：对拟合的点位表面三维尺寸模型进行数据分析，提取相应特征，判断当前测量点位为和何种类型的孔；当判断为直孔时，执行步骤703；当判断为窝孔时，执行步骤704。

直孔的三维尺寸模型特征为：孔周围区域特征为平面，孔区域与平面相接部分有与平面垂直或倾斜的圆柱体空间特征；窝孔的三维尺寸模型特征为：孔周围区域特征为平面，孔区域与平面相接部分为与平面垂直或倾斜圆台空间特征，且圆台半径小的平面与一段圆柱体空间特征相接，同时此圆柱体和圆台共轴线。

步骤703：进行直孔关键尺寸的计算，计算完成后执行步骤705。

步骤704：进行窝孔关键尺寸的计算，计算完成后执行步骤706。

步骤705：输出直孔的计算结果，结果包括：当前孔点位的类型为直孔、孔的垂直角度偏差值和孔的直径。

步骤706：输出窝孔的计算结果，结果包括：当前孔点位的类型为窝孔、窝孔的垂直角度偏差值、窝孔的窝深、窝孔的外直径和窝孔的内直径。

参照图4，其中，步骤703包括：

步骤7031：对拟合的三维模型进行分析，找出孔区域几何中心，并以此为中心对周围360°垂直截面进行分析。

步骤7032：对当前直孔是否为斜孔进行判断，当判断图像特征为图5时，孔不为斜孔，执行步骤7033；当判断图像特征为图6为时，孔为斜孔，此时，A为几何中心周围360°垂直截面范围内最低点，执行步骤7035。

步骤7033：孔垂直角度偏差输出结果为0，执行步骤7034。

步骤7034：对照图7，对当前孔进行孔径测量，孔径为孔壁两端水平距离，此时孔径为几何中心360°范围内垂直截面孔壁两端水平距离的最大值。

步骤7035：对照图8，依据三角关系，当前孔垂直偏差角度∠O₁＝∠BAC，按公式(1)进行计算，计算完成后执行步骤7036。

式中，|AC|为变化点A、B的垂直距离差，|BC|为变化点A、B两点水平距离差，|AC|、|BC|由线激光传感器直接测量获得。

步骤7036：对照图9，依据三角关系，∠O₁＝∠BDE，倾斜直孔的孔径d计算按公式(2)进行计算：

d＝|DE|＝|BD′·cos(∠O₁) (2)

式中，d为孔径，|BD|为变化点B、D水平距离差值，∠O₁为步骤7035中的计算结果，|BD|由线激光传感器直接测量获得。

参照图10，其中，步骤704包括：

步骤7041：对拟合的三维模型进行分析，找出窝孔区域几何中心，并以此为中心对周围360°垂直截面进行分析。

步骤7042：对当前窝孔是否为斜孔进行判断，当判断图像特征为图11时，窝孔不为斜孔，执行步骤7043；当判断图像特征为图12为时，窝孔为斜孔，此时，I为几何中心周围360°垂直截面范围内最低点，执行步骤7045。

步骤7043：窝孔垂直角度偏差输出结果为0，执行步骤7044。

步骤7044：参照图13，对当前窝孔进行外直径、内直径和窝深测量，外直径为窝孔外边缘两端变化点P、Q的水平距离，内边缘为窝孔内边缘两端变化点R、S水平距离，窝深为窝孔外边缘变化点Q与内边缘变化点S的垂直距离；此时，以上三个测量目标的取值位置均为几何中心360°范围内垂直截面截取的外直径为最大值处，PQ水平距离、RS水平距离、QS垂直距离均由线激光传感器直接测量获得。

步骤7045：对照图14，依据三角关系，当前窝孔的垂直偏差角度∠O₂＝∠IHJ，按公式(3)进行计算，计算完成后执行步骤7046：

式中，|IJ|为变化点I、H的垂直距离差，|HJ|为变化点H、I的水平距离差，|IJ|、|HJ|由线激光传感器直接测量获得；

步骤7046：对照图15，依照三角关系，当前窝孔的窝深为变化点G、I的垂直距离，由线激光传感器直接测量获得；当前窝孔的外直径为变化点F、G的水平距离，由线激光传感器直接测量获得；依据三角关系，∠O₂＝∠IHJ，内直径按公式(4)进行计算：

式中，|HJ|为变化点H、I的水平距离差，|IJ|为变化点I、H的垂直距离差，|HJ|、|IJ|由线激光传感器直接测量获得。

本发明由机器人自动制孔末端系统上安装的线激光传感器、电动台、编码器等机构执行测量作业，由上位机、线激光传感器控制器、可编程逻辑控制器进行数据传输、计算、处理，通过拟合线激光传感器扫描数据获取测量目标的表面形貌，进而提取测量目标的特征，并根据提取的特征选择相应的关键尺寸计算方式，计算完成后输出计算结果。本方法实现机器人自动化制孔过程中对已加工孔的在线检测，直接提高了检测效率，并利于自动化制孔过程中制孔质量的快速检测，便于发现制孔问题，间接提升了机器人自动化系统的加工质量。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种直孔、窝孔关键尺寸测量系统，其特征在于，包括：

线激光传感器，用于扫描测量目标；

线激光传感器控制器，与所述线激光传感器连接，用于控制线激光传感器工作，并接收所述线激光传感器的扫描数据；

电动台，内部设有电机，所述电机用于带动所述线激光传感器移动，所述线激光传感器设置在所述电动台上；

编码器，与所述电动台连接，用于测量所述电机的旋转角度；

可编程逻辑控制器，分别与所述线激光传感器控制器、所述电动台以及所述编码器连接，用于对所述线激光传感器控制器发送指令，使所述线激光传感器控制器控制所述线激光传感器；以及用于根据所述旋转角度判断所述电动台的移动距离；

上位机，分别与所述线激光传感器控制器以及所述可编程逻辑控制器连接，用于根据所述扫描数据计算直孔和窝孔的关键尺寸；所述关键尺寸包括：直孔的垂直角度偏差值、直孔的直径、窝孔的垂直角度偏差值、窝孔的窝深、窝孔的外直径以及窝孔的内直径。

2.一种直孔、窝孔关键尺寸测量方法，其特征在于，所述测量方法应用于权利要求1所述的测量系统，所述测量方法包括：

根据电动台电机的旋转角度，判断电动台每次的移动距离是否达到设定步长；

若是，则判断电动台的移动距离是否达到设定距离；

若是，则控制线激光传感器停止扫描；

对所述线激光传感器的扫描数据进行拟合拼接，建立当前测量点位的表面三维尺寸模型；

提取所述表面三维尺寸模型的特征数据；

根据所述特征数据判断当前测量点位的孔的类型；

当判断结果为直孔时，计算直孔的关键尺寸；直孔的关键尺寸包括：直孔的垂直角度偏差值和直孔的直径；

当判断结果为窝孔时，计算窝孔的关键尺寸；窝孔的关键尺寸包括：窝孔的垂直角度偏差值、窝孔的窝深、窝孔的外直径以及窝孔的内直径。

3.根据权利要求2所述的直孔、窝孔关键尺寸测量方法，其特征在于，所述计算直孔的关键尺寸，具体包括：

根据所述表面三维尺寸模型，确定直孔的孔区域中心；

获取所述直孔的孔区域中心周围360°垂直截面，为直孔截面；

根据所述直孔截面判断所述直孔为倾斜直孔或非倾斜直孔；

当判断结果为非倾斜直孔时，非倾斜直孔的垂直角度偏差值为零，非倾斜直孔的直径为孔壁两端水平距离；

当判断结果为倾斜直孔时，依据三角关系计算倾斜直孔的垂直角度偏差值和直径。

4.根据权利要求3所述的直孔、窝孔关键尺寸测量方法，其特征在于，倾斜直孔的垂直角度偏差值的计算公式如下：

式中，∠O₁为倾斜直孔的垂直角度偏差值，|AC|为激光变化点A、B的垂直距离差，|BC|为激光变化点A、B两点水平距离差。

5.根据权利要求4所述的直孔、窝孔关键尺寸测量方法，其特征在于，倾斜直孔的直径的计算公式如下：

d＝|DE|＝|BD|·cos(∠O₁)

式中，d为倾斜直孔的直径，|BD|为激光变化点B、D水平距离差值，|DE|为|BD|在∠O₁下的余弦值。

6.根据权利要求2所述的直孔、窝孔关键尺寸测量方法，其特征在于，所述计算窝孔的关键尺寸，所述计算窝孔的关键尺寸，具体包括：

根据所述表面三维尺寸模型，确定窝孔的孔区域中心；

获取所述窝孔的孔区域中心周围360°垂直截面，为窝孔截面；

根据所述窝孔截面判断所述窝孔为倾斜窝孔或非倾斜窝孔；

当判断结果为非倾斜窝孔时，非倾斜窝孔的垂直角度偏差值为零，非倾斜窝孔的外直径为窝孔外边缘两端变化点的水平距离，非倾斜窝孔的内直径为窝孔内边缘两端变化点水平距离，非倾斜窝孔的窝深为窝孔外边缘变化点与内边缘变化点的垂直距离；

当判断结果为倾斜窝孔时，依据三角关系计算倾斜窝孔的垂直角度偏差值和内直径，倾斜窝孔的外直径为窝孔外边缘两端变化点的水平距离，倾斜窝孔的窝深为窝孔外边缘变化点与内边缘变化点的垂直距离。

7.根据权利要求6所述的直孔、窝孔关键尺寸测量方法，其特征在于，所述倾斜窝孔的垂直角度偏差值的计算公式如下：

式中，∠O₂为倾斜窝孔的垂直角度偏差值，|IJ|为激光变化点I、H的垂直距离差，|HJ|为激光变化点H、I的水平距离差。

8.根据权利要求6所述的直孔、窝孔关键尺寸测量方法，其特征在于，所述倾斜窝孔的内直径的计算公式如下：

式中，d_内为倾斜窝孔的内直径，|HJ|为激光变化点H、I的水平距离差，|IJ|为变化点激光I、H的垂直距离差。

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