CN114894086A - 一种基于激光跟踪仪的并联机构标定方法 - Google Patents

一种基于激光跟踪仪的并联机构标定方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及视觉测量技术领域，尤其涉及一种基于激光跟踪仪的并联机构标定方法，包括以下步骤分别在并联机构的静平台和动平台上设置测量点Ⅰ和测量点Ⅱ；根据建立融合坐标体系，确定测量点Ⅰ、虎克铰、测量点Ⅱ和球铰组件在融合坐标体系相应位置；安装并联机构，检测测量点Ⅰ和测量点Ⅱ在激光跟踪仪自身坐标系中的位置，结合虎克铰和球铰组件在融合坐标体系中的位置，计算出电动缸本体的初始长度。本技术方案基于并联机构的结构特点，分别针对并联机构的静平台和动平台分别建立了坐标系，结合激光跟踪仪自身的坐标系，实现对并联机构的三维测量，最大限度的消除了实际装配后的尺寸测量差异，为后期并联机构运动的高精度控制打下了良好的基础。

Description

一种基于激光跟踪仪的并联机构标定方法
技术领域
本发明涉及视觉测量技术领域，尤其涉及一种基于激光跟踪仪的并联机构标定方法。
背景技术
随着科技的不断进步与发展，飞机的升级换代及制造水平的提高，对飞机装配技术提出了高质量、高效率、低成本并能适应多品种产品的生产要求，对飞机自动化装配技术的需求越来越强烈，而各种新的装配工艺技术与计算机技术的飞跃发展使得民用飞机数字化、自动化装配的实现具备了必要的技术基础。先进国家的航空企业已经开发并应用了飞机数字化、自动化装配技术于多种民用飞机的研制生产中，取得了显著成效，并联机构逐渐在航空领域推广应用。然而并联机构的运动学正解与逆解的尺寸参数往往基于理论值或一维测量结果，与实际的装配后尺寸存在差异，导致运动精度收到影响。
发明内容
本发明的目的是提出一种基于激光跟踪仪的并联机构标定方法，利用激光跟踪仪对并联机构动平台、静平台、虎克铰中心、球铰中心及电动缸初始长度进行标定，具体如下：
一种基于激光跟踪仪的并联机构标定方法，其中，并联机构包括动平台、静平台以及若干组电动缸机构，电动缸机构包括电动杆本体以及分别安装于动平台和静平台上的球铰组件和虎克铰；标定方法包括以下步骤：
S1，在静平台上绕轴心周向等间距设置若干组测量点Ⅰ，在动平台上绕轴心周向等间距设置若干个测量点Ⅱ；
S2，根据并联机构的结构特征建立融合坐标体系，包括在激光跟踪仪的辅助检测下，分别建立静平台坐标系O1-X1Y1Z1和动平台坐标系O2-X2Y2Z2，并确定测量点Ⅰ和虎克铰在静平台坐标系O1-X1Y1Z1的位置以及测量点Ⅱ和球铰组件在动平台坐标系O2-X2Y2Z2的位置；
S3，将动平台通过电动缸机构安装于静平台的正上方，构成完整的并联机构，并将该并联机构安装于装配工装本体上；
S4，根据激光跟踪仪检测路径的可达性，在装配工装本体的一侧确定设备安装点，并将激光跟踪仪布设于设备安装点；
S5，利用激光跟踪仪检测测量点Ⅰ和测量点Ⅱ在激光跟踪仪自身坐标系O0-X0Y0Z0中的位置，确定静平台坐标系O1-X1Y1Z1和动平台坐标系O2-X2Y2Z2与激光跟踪仪自身坐标系O0-X0Y0Z0的关系，结合虎克铰(1.33)和球铰组件分别在静平台坐标系O1-X1Y1Z1和动平台坐标系O2-X2Y2Z2的位置，计算出电动缸本体的初始长度。
优选的，所述步骤S2中，建立静平台坐标系O1-X1Y1Z1包括以下步骤：
S21-1，利用激光跟踪仪依次获取静平台上所有虎克铰(1.33)的中心位置；
S21-2，基于所有虎克铰(1.33)的中心位置确定坐标原点Ⅰ；
S 21-3，基于坐标原点Ⅰ建立静平台坐标系O1-X1Y1Z1。
优选的，所述步骤S21-1中，获取虎克铰的中心位置包括以下步骤：
S21-11，将电动缸本体的一端连接于虎克铰上；
S21-12，使电动缸本体绕虎克铰转动，在转动电动缸本体期间，电动缸本体顶部的位置发生变化；
S21-13，利用激光跟踪仪采集若干个电动缸本体顶部不同的位置数据；
S21-14，将所有采集到的位置数据进行拟合，以获得虎克铰的中心位置。
优选的，所述坐标原点Ⅰ与所有虎克铰的中心位置存在相同的距离，所有测量点Ⅰ与坐标原点Ⅰ存在相同的距离。
优选的，所述步骤S2中，建立动平台坐标系O2-X2Y2Z2包括以下步骤：
S22-1，利用激光跟踪仪依次获取静平台上所有球铰组件的中心位置；
S22-2，基于所有球铰组件的中心位置确定坐标原点Ⅱ；
S 22-3，基于坐标原点Ⅱ建立动平台坐标系O2-X2Y2Z2。
优选的，所述步骤S22-1中，获取球铰组件的中心位置包括以下步骤：
S22-11，准备一根测量辅助杆，并将测量辅助杆的一端连接于球铰组件上；
S22-12，使测量测量辅助杆绕球铰组件转动，在转动测量辅助杆期间，测量辅助杆顶部的位置发生变化；
S22-13，利用激光跟踪仪采集若干个测量辅助杆顶部不同的位置数据；
S22-14，将所有采集到的位置数据进行拟合，以获得球铰组件的中心位置。
优选的，所述坐标原点Ⅱ与所有球铰组件的中心位置存在相同的距离，所有测量点Ⅱ与坐标原点Ⅱ存在相同的距离。
本发明的有益效果：
本技术方案基于并联机构的结构特点，分别针对并联机构的静平台和动平台分别建立了坐标系，并将并联机构的两个坐标系用于配合激光跟踪仪自身的坐标系，实现对并联机构的三维测量，最大限度的消除了实际装配后的尺寸测量差异，为后期并联机构运动的高精度控制打下了良好的基础。
附图说明
图1为本技术方案的实施流程图；
图2为非完全组装状态下的并联机构结构示意图；
图3为建立静平台坐标系时的静平台状态结构示意图；
图4为测量点Ⅱ的布设结构示意图；
图5为建立动平台坐标系时的动平台状态结构示意图；
图6为激光跟踪仪布设状态结构示意图；
图中：
1、并联机构；1.1、静平台；1.11、测量点Ⅰ；1.2、动平台；1.21、测量点Ⅱ；1.3、电动缸机构；1.31、电动杆本体；1.32、球铰组件；1.33、虎克铰；2、激光跟踪仪；3、装配工装本体；4、测量辅助杆。
具体实施方式
为使发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
因此，以下对在附图中提供的本发明的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付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。
实施例1
本实施例公开一种基于激光跟踪仪的并联机构标定方法，并联机构1包括动平台1.2、静平台1.1以及若干组电动缸机构1.3(如图2和图3所示，设置有六组电动缸机构1.3，六组电动缸机构1.3两两成对，绕静平台1.1轴心轴向等距间隔设置)，电动缸机构1.3包括电动杆本体1.31以及分别安装于动平台1.2和静平台1.1上的球铰组件1.32和虎克铰1.33。作为本发明一种优选的实施方案，标定方法的实施流程如图1所示，包括以下步骤：
S1，在动平台1.2上绕轴心周向等间距设置若干个测量点Ⅱ1.21，结合图2和图5所示，每相邻两对电动缸机构1.3之间设置一个测量点Ⅱ1.21，共三个测量点Ⅱ1.21；在静平台1.1上绕轴心周向等间距设置若干组测量点Ⅰ1.11，结合图3和图4所示，每相邻两对电动缸机构1.3之间设置一组测量点Ⅰ1.11，共三组，每组中有两个测量点Ⅰ1.11，共六个测量点Ⅰ1.11，一个测量点Ⅱ1.21对应一组测量点Ⅰ1.11。
S2，根据并联机构1的结构特征建立融合坐标体系，包括在激光跟踪仪2的辅助检测下，分别建立静平台1.1坐标系O1-X1Y1Z1和动平台1.2坐标系O2-X2Y2Z2，并确定测量点Ⅰ1.11和球铰组件1.32在静平台1.1坐标系O1-X1Y1Z1的位置以及测量点Ⅱ1.21和虎克铰1.33在动平台1.2坐标系O2-X2Y2Z2的位置。具体的，建立静平台1.1坐标系O1-X1Y1Z1以后，通过激光跟踪仪2检测所有测量点Ⅰ1.11和球铰组件1.32在静平台1.1坐标系O1-X1Y1Z1坐标；建立动平台1.2坐标系O2-X2Y2Z2以后，通过激光跟踪仪2检测所有测量点Ⅱ1.21和虎克铰1.33在静平台1.1坐标系O1-X1Y1Z1坐标。
S3，将动平台1.2通过电动缸机构1.3安装于静平台1.1的正上方，构成完整的并联机构1，并将该并联机构1安装于装配工装本体3上待使用。
S4，如图6所示，根据激光跟踪仪2检测路径的可达性(即，确保激光跟踪仪2能检测到相应的测量点Ⅰ1.11和测量点Ⅱ1.21)，在装配工装本体3的一侧确定设备安装点，并将激光跟踪仪2布设于设备安装点。
S5，利用激光跟踪仪2检测测量点Ⅰ1.11和测量点Ⅱ1.21在激光跟踪仪2自身坐标系O0-X0Y0Z0中的位置，确定静平台1.1坐标系O1-X1Y1Z1和动平台1.2坐标系O2-X2Y2Z2与激光跟踪仪2自身坐标系O0-X0Y0Z0的关系，结合虎克铰1.33和球铰组件1.32分别在静平台1.1坐标系O1-X1Y1Z1和动平台1.2坐标系O2-X2Y2Z2的位置，计算出电动缸本体的初始长度。具体原理如下：
在步骤S2中已经确定了测量点Ⅰ1.11和球铰组件1.32在静平台1.1坐标系O1-X1Y1Z1坐标以及测量点Ⅱ1.21和虎克铰1.33在静平台1.1坐标系O1-X1Y1Z1坐标，将所有电动缸本体收缩至极限状态，根据测量点Ⅱ1.21和一组测量点Ⅰ1.11在激光跟踪仪2自身坐标系O0-X0Y0Z0中的坐标，即可获得电动缸本体极限收缩状态下，静平台1.1坐标系O1-X1Y1Z1和动平台1.2坐标系O2-X2Y2Z2与踪仪自身坐标系O0-X0Y0Z0之间的关系，基于此，根据球铰组件1.32和虎克铰1.33分别在静平台1.1坐标系O1-X1Y1Z1和动平台1.2坐标系O2-X2Y2Z2的坐标，即可推算出球铰组件1.32和虎克铰1.33在激光跟踪仪2自身坐标系O0-X0Y0Z0中的坐标，如此，通过球铰组件1.32、虎克铰1.33以及相应测量点Ⅰ1.11或测量点Ⅱ1.21的坐标，即可推算出电动缸本体的初始长度，该过程可编辑成软件程序，通过激光跟踪仪2与计算机配合，实现自动测量，直接获得结果。
实施例2
本实施例公开一种基于激光跟踪仪的并联机构标定方法，作为本发明一种优选的实施方案，即实施例1的步骤S2中，建立静平台1.1坐标系O1-X1Y1Z1包括以下步骤：
所述步骤S2中，建立静平台1.1坐标系O1-X1Y1Z1包括以下步骤：
S21-1，利用激光跟踪仪2依次获取静平台1.1上所有虎克铰1.33的中心位置；具体的，以单个虎克铰1.33为例，获取虎克铰1.33的中心位置包括以下步骤：
S21-11，将电动缸本体的一端连接于虎克铰1.33上，在实际情况中，电动缸本体与虎克铰1.33为铰接；
S21-12，使电动缸本体绕虎克铰1.33转动，在转动电动缸本体期间，电动缸本体顶部的位置发生变化；具体的，电动缸本体是以虎克铰1.33的中心位置转动，电动缸本体顶部位置的活动路径在以虎克铰1.33的中心位置为圆心的一段圆弧上；
S21-13，利用激光跟踪仪2采集若干个电动缸本体顶部不同的位置数据，这些位置数据都在前述圆弧上；
S21-14，将所有采集到的位置数据进行拟合，以获得前述圆弧的圆心，即虎克铰1.33的中心位置；
S21-2，基于所有虎克铰1.33的中心位置确定坐标原点Ⅰ；为了便于测量以及后期的相关坐标推算，坐标原点Ⅰ与所有虎克铰1.33的中心位置存在相同的距离，在加工测量点Ⅰ1.11时，确保所有测量点Ⅰ1.11与静平台1.1中心的距离相等，最终便可使所有测量点Ⅰ1.11与坐标原点Ⅰ存在相同的距离；
S 21-3，基于坐标原点Ⅰ建立静平台1.1坐标系O1-X1Y1Z1。
实施例3
本实施例公开一种基于激光跟踪仪的并联机构标定方法，作为本发明一种优选的实施方案，即实施例1的步骤S2中，建立动平台1.2坐标系O2-X2Y2Z2包括以下步骤：
S22-1，利用激光跟踪仪2依次获取静平台1.1上所有球铰组件1.32的中心位置；具体的，以单个球铰组件1.32为例，获取球铰组件1.32的中心位置包括以下步骤：
S22-11，准备一根测量辅助杆4，并将测量辅助杆4的一端连接于球铰组件1.32上；
S22-12，使测量测量辅助杆4绕球铰组件1.32转动，在转动测量辅助杆4期间，测量辅助杆4顶部的位置发生变化；具体的，测量辅助杆4是以球铰组件1.32的中心位置转动，测量辅助杆4的活动路径在以球铰组件1.32的中心位置为球心的部分球面上；
S22-13，利用激光跟踪仪2采集若干个测量辅助杆4顶部不同的位置数据，这些位置数据处于前述球面上；
S22-14，将所有采集到的位置数据进行拟合，以获得前述球面对应的球心位置，即球铰组件1.32的中心位置。
S22-2，基于所有球铰组件1.32的中心位置确定坐标原点Ⅱ。为了便于测量以及后期的相关坐标推算，坐标原点Ⅱ与所有球铰组件1.32的中心位置存在相同的距离，在加工测量点Ⅱ1.21时，确保所有测量点Ⅱ1.21与动平台1.2中心的距离相等，最终便可使所有测量点Ⅱ1.21与坐标原点Ⅱ存在相同的距离；
S 22-3，基于坐标原点Ⅱ建立动平台1.2坐标系O2-X2Y2Z2。

Claims (7)

1.一种基于激光跟踪仪的并联机构标定方法，其中，并联机构(1)包括动平台(1.2)、静平台(1.1)以及若干组电动缸机构(1.3)，电动缸机构(1.3)包括电动杆本体(1.31)以及分别安装于动平台(1.2)和静平台(1.1)上的球铰组件(1.32)和虎克铰(1.33)；其特征在于，包括以下步骤：
S1，在静平台(1.1)上绕轴心周向等间距设置若干组测量点Ⅰ(1.11)，在动平台(1.2)上绕轴心周向等间距设置若干个测量点Ⅱ(1.21)；
S2，根据并联机构(1)的结构特征建立融合坐标体系，包括在激光跟踪仪(2)的辅助检测下，分别建立静平台(1.1)坐标系O1-X1Y1Z1和动平台(1.2)坐标系O2-X2Y2Z2，并确定测量点Ⅰ(1.11)和虎克铰(1.33)在静平台(1.1)坐标系O1-X1Y1Z1的位置以及测量点Ⅱ(1.21)和球铰组件(1.32)在动平台(1.2)坐标系O2-X2Y2Z2的位置；
S3，将动平台(1.2)通过电动缸机构(1.3)安装于静平台(1.1)的正上方，构成完整的并联机构(1)，并将该并联机构(1)安装于装配工装本体(3)上；
S4，根据激光跟踪仪(2)检测路径的可达性，在装配工装本体(3)的一侧确定设备安装点，并将激光跟踪仪(2)布设于设备安装点；
S5，利用激光跟踪仪(2)检测测量点Ⅰ(1.11)和测量点Ⅱ(1.21)在激光跟踪仪(2)自身坐标系O0-X0Y0Z0中的位置，确定静平台(1.1)坐标系O1-X1Y1Z1和动平台(1.2)坐标系O2-X2Y2Z2与激光跟踪仪(2)自身坐标系O0-X0Y0Z0的关系，结合虎克铰(1.33)和球铰组件(1.32)分别在静平台(1.1)坐标系O1-X1Y1Z1和动平台(1.2)坐标系O2-X2Y2Z2的位置，计算出电动缸本体的初始长度。
2.如权利要求1所述一种基于激光跟踪仪的并联机构标定方法，其特征在于：所述步骤S2中，建立静平台(1.1)坐标系O1-X1Y1Z1包括以下步骤：
S21-1，利用激光跟踪仪(2)依次获取静平台(1.1)上所有虎克铰(1.33)的中心位置；
S21-2，基于所有虎克铰(1.33)的中心位置确定坐标原点Ⅰ；
S21-3，基于坐标原点Ⅰ建立静平台(1.1)坐标系O1-X1Y1Z1。
3.如权利要求2所述一种基于激光跟踪仪的并联机构标定方法，其特征在于：所述步骤S21-1中，获取虎克铰(1.33)的中心位置包括以下步骤：
S21-11，将电动缸本体的一端连接于虎克铰(1.33)上；
S21-12，使电动缸本体绕虎克铰(1.33)转动，在转动电动缸本体期间，电动缸本体顶部的位置发生变化；
S21-13，利用激光跟踪仪(2)采集若干个电动缸本体顶部不同的位置数据；
S21-14，将所有采集到的位置数据进行拟合，以获得虎克铰(1.33)的中心位置。
4.如权利要求3所述一种基于激光跟踪仪的并联机构标定方法，其特征在于：所述坐标原点Ⅰ与所有虎克铰(1.33)的中心位置存在相同的距离，所有测量点Ⅰ(1.11)与坐标原点Ⅰ存在相同的距离。
5.如权利要求1所述一种基于激光跟踪仪的并联机构标定方法，其特征在于：所述步骤S2中，建立动平台(1.2)坐标系O2-X2Y2Z2包括以下步骤：
S22-1，利用激光跟踪仪(2)依次获取静平台(1.1)上所有球铰组件(1.32)的中心位置；
S22-2，基于所有球铰组件(1.32)的中心位置确定坐标原点Ⅱ；
S22-3，基于坐标原点Ⅱ建立动平台(1.2)坐标系O2-X2Y2Z2。
6.如权利要求5所述一种基于激光跟踪仪的并联机构标定方法，其特征在于：所述步骤S22-1中，获取球铰组件(1.32)的中心位置包括以下步骤：
S22-11，准备一根测量辅助杆(4)，并将测量辅助杆(4)的一端连接于球铰组件(1.32)上；
S22-12，使测量测量辅助杆(4)绕球铰组件(1.32)转动，在转动测量辅助杆(4)期间，测量辅助杆(4)顶部的位置发生变化；
S22-13，利用激光跟踪仪(2)采集若干个测量辅助杆(4)顶部不同的位置数据；
S22-14，将所有采集到的位置数据进行拟合，以获得球铰组件(1.32)的中心位置。
7.如权利要求6所述一种基于激光跟踪仪的并联机构标定方法，其特征在于：所述坐标原点Ⅱ与所有球铰组件(1.32)的中心位置存在相同的距离，所有测量点Ⅱ(1.21)与坐标原点Ⅱ存在相同的距离。
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