專利名稱：一種用于大曲率曲面零件法向自動(dòng)測(cè)量和調(diào)整的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于自動(dòng)化制造領(lǐng)域，涉及一種大曲率曲面零件法向測(cè)量和自動(dòng)調(diào)整的方法。
背景技術(shù)：
曲面零件的自動(dòng)加工和裝配過(guò)程中，加工頭需要在曲面的法向上進(jìn)行鉆孔或鉚接等操作。因此曲面零件自動(dòng)加工前需要進(jìn)行曲面的法向調(diào)整，使得加工進(jìn)給方向與加工點(diǎn)的法向重合。法向調(diào)整的精度對(duì)加工質(zhì)量和產(chǎn)品的使用壽命有很大的影響。因而，高效穩(wěn) 定的法向測(cè)量調(diào)整方法及設(shè)備可以提高曲面零件自動(dòng)加工的質(zhì)量和效率。目前，曲面零件法向的測(cè)量及調(diào)整主要采用人工視覺(jué)法和工裝調(diào)整法。人工視覺(jué)監(jiān)測(cè)、手動(dòng)調(diào)整法，該方法調(diào)整效率不高、調(diào)整質(zhì)量不夠穩(wěn)定；工裝調(diào)整法中，工裝較大的重量和體積使得調(diào)整不夠靈活，并對(duì)法向調(diào)整的精度和效率產(chǎn)生一定的影響。如專利CN101957175A公開(kāi)了一種基于三點(diǎn)微平面法向檢測(cè)方法，并應(yīng)用激光位移傳感器技術(shù)及數(shù)據(jù)采集技術(shù)，通過(guò)一定的算法可以測(cè)得曲面上待測(cè)點(diǎn)的法向量。該專利中的檢測(cè)方法計(jì)算精度高，但沒(méi)有涉及法向調(diào)整的方法及設(shè)備，在工業(yè)應(yīng)用方面有一定的局限性。文獻(xiàn)《飛機(jī)壁板自動(dòng)鉆鉚法向量測(cè)量方法研究》提出一種飛機(jī)壁板自動(dòng)鉆鉚加工過(guò)程中實(shí)時(shí)測(cè)量鉆鉚點(diǎn)處法向量的方法利用激光測(cè)距傳感器在鉆鉚點(diǎn)周圍獲取特征點(diǎn)的坐標(biāo)，通過(guò)二次曲面擬合算法計(jì)算出鉆鉚點(diǎn)處法向量。專利CN100485560C涉及一種法向鉚接曲型件的控制方法，采用的三點(diǎn)懸掛零件托架，取代人工視覺(jué)法向控制。上述用于壁板自動(dòng)鉆鉚加工中的法向測(cè)量調(diào)整方法，通過(guò)改變放置壁板托架的姿態(tài)實(shí)現(xiàn)法向調(diào)整，此類方法加工時(shí)的開(kāi)敞性不夠好，托架較重的質(zhì)量和較大的體積會(huì)對(duì)調(diào)整的精度和靈活性產(chǎn)生不良的影響。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種采用六自由度工業(yè)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)大曲率曲面零件自動(dòng)加工或裝配前，待加工點(diǎn)法向測(cè)量和自動(dòng)調(diào)整的方法。采用電渦流位移傳感器測(cè)量大曲率曲面零件(如飛機(jī)壁板)曲面上四個(gè)點(diǎn)與傳感器的位移值，經(jīng)計(jì)算生成工業(yè)機(jī)器人的調(diào)整參數(shù)?？刂葡到y(tǒng)依據(jù)調(diào)整參數(shù)改變工業(yè)機(jī)器人姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)曲面法向的自動(dòng)調(diào)整。該方法可提高大曲率曲面零件自動(dòng)加工和裝配的質(zhì)量和效率。本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用技術(shù)方案的流程圖如圖I所示，包括以下步驟I)建立坐標(biāo)系將大曲率曲面零件所在工裝的坐標(biāo)系定乂為世界坐標(biāo)系，利用工裝上的定位塊建立六自由度工業(yè)機(jī)器人的工件坐標(biāo)系。測(cè)量裝置安裝在工業(yè)機(jī)器人末端，與工業(yè)機(jī)器人間的位置關(guān)系已標(biāo)定。測(cè)量裝置由四個(gè)電渦流位移傳感器組成，位移傳感器呈矩形分布。將矩形對(duì)稱中心作為原點(diǎn)，長(zhǎng)度方向?yàn)閄軸方向，寬度方向?yàn)閅軸方向，位移傳感器測(cè)量頭方向?yàn)閆軸方向，建立右手笛卡爾坐標(biāo)系，即工業(yè)機(jī)器人的測(cè)量坐標(biāo)系。2)采集數(shù)據(jù)移動(dòng)工業(yè)機(jī)器人，直到測(cè)量坐標(biāo)系的Z軸指向測(cè)量點(diǎn)。打開(kāi)位移傳感器，測(cè)量它們與大曲面零件間的位移值，通過(guò)PLC把位移傳感器采集的電壓信號(hào)傳輸給控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)將電壓值轉(zhuǎn)換為位移值。3)計(jì)算法向偏差待測(cè)曲面一般為大曲率曲面，即測(cè)量范圍的寬度與待測(cè)點(diǎn)處曲率半徑相差一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。此時(shí)，可以將位移傳感器測(cè)量點(diǎn)所組成平面Y的法向作為曲面上測(cè)量點(diǎn)的法向。利用測(cè)得的位移值計(jì)算機(jī)器人測(cè)量坐標(biāo)系X、Y軸與平面Y的夾角a、
3 o4)調(diào)整法向控制系統(tǒng)依據(jù)法向偏差a、0，依據(jù)已建立坐標(biāo)系間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，調(diào)用機(jī)器人控制系統(tǒng)算法計(jì)算機(jī)器人的調(diào)整參數(shù)，并調(diào)整機(jī)器人姿態(tài)，使得測(cè)量坐標(biāo)系的OXY平面平行于平面Y。此時(shí)，測(cè)量坐標(biāo)系的Z軸負(fù)方向即為曲面測(cè)量點(diǎn)的法向。5)檢測(cè)誤差控制系統(tǒng)采集位移傳感器的電壓值，再次計(jì)算測(cè)量點(diǎn)法向與測(cè)量坐標(biāo)系OXY平面法向的誤差。如果誤差在限定范圍內(nèi)，控制系統(tǒng)發(fā)出法向調(diào)整完成信號(hào)；否則轉(zhuǎn)到步驟3)。本方法的有益效果是 I)采用工業(yè)機(jī)器人作為法向調(diào)整的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，增加了操作空間的開(kāi)敞性，提高了法向調(diào)整的靈活性。2)采用電渦流位移傳感器測(cè)量大曲率曲面零件(如飛機(jī)壁板)與傳感器間的位移值，可消除被測(cè)曲面上非金屬障礙物對(duì)測(cè)量的影響。3)通過(guò)PLC將位移傳感器與工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)集成，使得該方法具有良好的軟、硬件擴(kuò)展性。在工業(yè)機(jī)器人端部的測(cè)量裝置上添加設(shè)備并與PLC相連，可以方便地?cái)U(kuò)展設(shè)備功能。


圖I大曲率曲面零件法向自動(dòng)測(cè)量調(diào)整流程圖；圖2測(cè)量頭上位移傳感器的分布示意及坐標(biāo)系定義；圖3大曲率曲面法向的測(cè)量調(diào)整原理說(shuō)明圖(三維圖)；圖4大曲率曲面法向的測(cè)量調(diào)整原理說(shuō)明圖(側(cè)視圖)；圖5大曲率曲面法向的測(cè)量調(diào)整原理說(shuō)明圖(俯視圖)。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明用于具有大曲率曲面的零件自動(dòng)加工或裝配過(guò)程中，通過(guò)電渦流位移傳感器、六自由度工業(yè)機(jī)器人和控制系統(tǒng)的配合，實(shí)現(xiàn)大曲率曲面零件法向的測(cè)量和自動(dòng)調(diào)整。下面結(jié)合附圖和實(shí)施方法、實(shí)施實(shí)例，進(jìn)一步對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。例如將此方法用于飛機(jī)壁板裝配過(guò)程自動(dòng)鉆鉚前，壁板法向的自動(dòng)測(cè)量及調(diào)整。測(cè)量裝置上的位移傳感器呈矩形分布，其長(zhǎng)度a=160mm，寬度b=110mm ;機(jī)器人測(cè)量坐標(biāo)系為0XYZ，如圖2所示。具體實(shí)施步驟如下I)建立坐標(biāo)系將飛機(jī)壁板工裝的坐標(biāo)系定義為世界坐標(biāo)系。定位塊在世界坐標(biāo)系中的位置已知，依據(jù)其值確定機(jī)器人工件坐標(biāo)系與世界坐標(biāo)系間的位置關(guān)系，從而建立機(jī)器人的工件坐標(biāo)系。在測(cè)量裝置上定義機(jī)器人的測(cè)量坐標(biāo)系0XYZ，測(cè)量坐標(biāo)系與位移傳感器間的位置關(guān)系如圖2所示。上述坐標(biāo)系間的關(guān)系確定，可以相互轉(zhuǎn)換。
2)采集數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)工業(yè)機(jī)器人帶動(dòng)測(cè)量裝置移動(dòng)，直到測(cè)量坐標(biāo)系的Z軸指向測(cè)量點(diǎn)O1，如圖3所示。啟動(dòng)位移傳感器A、B、C、D獲取四個(gè)電壓值UA、UB、UC、UD。通過(guò)控制柜中PLC把位移傳感器采集的電壓信號(hào)傳輸給控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)用電壓值乘以系數(shù)得到位移值A(chǔ)A1、BB1、CC1、DD1。3)計(jì)算法向偏差飛機(jī)壁板的表面一般都是曲率半徑較大的二次曲面。四個(gè)傳感器組成的矩形AB⑶在飛機(jī)壁板上的投影A1B1C1D1相對(duì)壁板其面積很小，如圖3所示。因而，可以將平面A1B1C1D1的法向石^作為壁板上測(cè)量點(diǎn)O1的法向。利用位移值A(chǔ)ApBB1 XCpDD1和矩形ABCD的尺寸計(jì)算出刀具坐標(biāo)系X軸與平面Y的夾角a和、刀具坐標(biāo)系Y軸與平面
Y的夾角P，如圖4、圖5所示。夾角a、@計(jì)算公式如下
權(quán)利要求
1.一種用于大曲率曲面零件法向自動(dòng)測(cè)量和調(diào)整的方法，其特征在于包括下述步驟 1)將大曲率曲面零件所在工裝的坐標(biāo)系定義為世界坐標(biāo)系，利用工裝上的定位塊建立六自由度工業(yè)機(jī)器人的工件坐標(biāo)系；測(cè)量裝置安裝在工業(yè)機(jī)器人末端，與工業(yè)機(jī)器人間的位置關(guān)系已標(biāo)定；測(cè)量裝置由四個(gè)電渦流位移傳感器組成，位移傳感器呈矩形分布；將矩形對(duì)稱中心作為原點(diǎn)，長(zhǎng)度方向?yàn)閄軸方向，寬度方向?yàn)閅軸方向，位移傳感器測(cè)量頭方向?yàn)閆軸方向，建立右手笛卡爾坐標(biāo)系，即工業(yè)機(jī)器人的測(cè)量坐標(biāo)系； 2)移動(dòng)工業(yè)機(jī)器人，直到測(cè)量坐標(biāo)系的Z軸指向測(cè)量點(diǎn)；打開(kāi)位移傳感器，測(cè)量它們與大曲面零件間的位移值，通過(guò)PLC把位移傳感器采集的電壓信號(hào)傳輸給控制系統(tǒng)；控制系統(tǒng)將電壓值轉(zhuǎn)換為位移值； 3)將位移傳感器測(cè)量點(diǎn)所組成平面Y的法向作為曲面上測(cè)量點(diǎn)的法向；利用測(cè)得的位移值計(jì)算機(jī)器人測(cè)量坐標(biāo)系X、Y軸與平面Y的夾角α、β ; 4)控制系統(tǒng)依據(jù)法向偏差α、β和已建立的坐標(biāo)系間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，調(diào)整機(jī)器人姿態(tài)，使得測(cè)量坐標(biāo)系的OXY平面平行于平面Y ;此時(shí)，測(cè)量坐標(biāo)系的Z軸負(fù)方向即為曲面測(cè)量點(diǎn)的法向； 5)控制系統(tǒng)采集位移傳感器的電壓值，再次計(jì)算測(cè)量點(diǎn)法向與測(cè)量坐標(biāo)系OXY平面法向的誤差；如果誤差在限定范圍內(nèi)，控制系統(tǒng)發(fā)出法向調(diào)整完成信號(hào)；否則轉(zhuǎn)到步驟3)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種用于大曲率曲面零件法向自動(dòng)測(cè)量和調(diào)整的方法，建立大曲率曲面零件所在工裝的坐標(biāo)系和工業(yè)機(jī)器人的測(cè)量坐標(biāo)系；測(cè)量工業(yè)機(jī)器人與大曲面零件間的位移值，計(jì)算測(cè)量點(diǎn)所組成平面γ與機(jī)器人測(cè)量坐標(biāo)系的夾角；調(diào)整機(jī)器人姿態(tài)，使得測(cè)量坐標(biāo)系的OXY平面平行于平面γ，直至精度達(dá)到要求。本發(fā)明可提高大曲率曲面零件自動(dòng)加工和裝配的質(zhì)量和效率。
文檔編號(hào)G01B7/00GK102768006SQ20121027313
公開(kāi)日2012年11月7日 申請(qǐng)日期2012年8月2日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月2日
發(fā)明者張開(kāi)富, 曾佩杰, 李曉閣, 程暉, 駱彬 申請(qǐng)人:西北工業(yè)大學(xué)