專利名稱：一種用于大曲率曲面零件法向自動測量和調整的方法
技術領域：
本發明屬于自動化制造領域，涉及一種大曲率曲面零件法向測量和自動調整的方法。
背景技術：
曲面零件的自動加工和裝配過程中，加工頭需要在曲面的法向上進行鉆孔或鉚接等操作。因此曲面零件自動加工前需要進行曲面的法向調整，使得加工進給方向與加工點的法向重合。法向調整的精度對加工質量和產品的使用壽命有很大的影響。因而，高效穩 定的法向測量調整方法及設備可以提高曲面零件自動加工的質量和效率。目前，曲面零件法向的測量及調整主要采用人工視覺法和工裝調整法。人工視覺監測、手動調整法，該方法調整效率不高、調整質量不夠穩定；工裝調整法中，工裝較大的重量和體積使得調整不夠靈活，并對法向調整的精度和效率產生一定的影響。如專利CN101957175A公開了一種基于三點微平面法向檢測方法，并應用激光位移傳感器技術及數據采集技術，通過一定的算法可以測得曲面上待測點的法向量。該專利中的檢測方法計算精度高，但沒有涉及法向調整的方法及設備，在工業應用方面有一定的局限性。文獻《飛機壁板自動鉆鉚法向量測量方法研究》提出一種飛機壁板自動鉆鉚加工過程中實時測量鉆鉚點處法向量的方法利用激光測距傳感器在鉆鉚點周圍獲取特征點的坐標，通過二次曲面擬合算法計算出鉆鉚點處法向量。專利CN100485560C涉及一種法向鉚接曲型件的控制方法，采用的三點懸掛零件托架，取代人工視覺法向控制。上述用于壁板自動鉆鉚加工中的法向測量調整方法，通過改變放置壁板托架的姿態實現法向調整，此類方法加工時的開敞性不夠好，托架較重的質量和較大的體積會對調整的精度和靈活性產生不良的影響。

發明內容
為了克服現有技術的不足，本發明提供一種采用六自由度工業機器人實現大曲率曲面零件自動加工或裝配前，待加工點法向測量和自動調整的方法。采用電渦流位移傳感器測量大曲率曲面零件(如飛機壁板)曲面上四個點與傳感器的位移值，經計算生成工業機器人的調整參數。控制系統依據調整參數改變工業機器人姿態，實現曲面法向的自動調整。該方法可提高大曲率曲面零件自動加工和裝配的質量和效率。本發明解決其技術問題所采用技術方案的流程圖如圖I所示，包括以下步驟I)建立坐標系將大曲率曲面零件所在工裝的坐標系定乂為世界坐標系，利用工裝上的定位塊建立六自由度工業機器人的工件坐標系。測量裝置安裝在工業機器人末端，與工業機器人間的位置關系已標定。測量裝置由四個電渦流位移傳感器組成，位移傳感器呈矩形分布。將矩形對稱中心作為原點，長度方向為X軸方向，寬度方向為Y軸方向，位移傳感器測量頭方向為Z軸方向，建立右手笛卡爾坐標系，即工業機器人的測量坐標系。2)采集數據移動工業機器人，直到測量坐標系的Z軸指向測量點。打開位移傳感器，測量它們與大曲面零件間的位移值，通過PLC把位移傳感器采集的電壓信號傳輸給控制系統。控制系統將電壓值轉換為位移值。3)計算法向偏差待測曲面一般為大曲率曲面，即測量范圍的寬度與待測點處曲率半徑相差一個數量級以上。此時，可以將位移傳感器測量點所組成平面Y的法向作為曲面上測量點的法向。利用測得的位移值計算機器人測量坐標系X、Y軸與平面Y的夾角a、
3 o4)調整法向控制系統依據法向偏差a、0，依據已建立坐標系間的轉換關系，調用機器人控制系統算法計算機器人的調整參數，并調整機器人姿態，使得測量坐標系的OXY平面平行于平面Y。此時，測量坐標系的Z軸負方向即為曲面測量點的法向。5)檢測誤差控制系統采集位移傳感器的電壓值，再次計算測量點法向與測量坐標系OXY平面法向的誤差。如果誤差在限定范圍內，控制系統發出法向調整完成信號；否則轉到步驟3)。本方法的有益效果是 I)采用工業機器人作為法向調整的運動機構，增加了操作空間的開敞性，提高了法向調整的靈活性。2)采用電渦流位移傳感器測量大曲率曲面零件(如飛機壁板)與傳感器間的位移值，可消除被測曲面上非金屬障礙物對測量的影響。3)通過PLC將位移傳感器與工業機器人控制系統集成，使得該方法具有良好的軟、硬件擴展性。在工業機器人端部的測量裝置上添加設備并與PLC相連，可以方便地擴展設備功能。


圖I大曲率曲面零件法向自動測量調整流程圖；圖2測量頭上位移傳感器的分布示意及坐標系定義；圖3大曲率曲面法向的測量調整原理說明圖(三維圖)；圖4大曲率曲面法向的測量調整原理說明圖(側視圖)；圖5大曲率曲面法向的測量調整原理說明圖(俯視圖)。
具體實施例方式本發明用于具有大曲率曲面的零件自動加工或裝配過程中，通過電渦流位移傳感器、六自由度工業機器人和控制系統的配合，實現大曲率曲面零件法向的測量和自動調整。下面結合附圖和實施方法、實施實例，進一步對本發明進行詳細描述。例如將此方法用于飛機壁板裝配過程自動鉆鉚前，壁板法向的自動測量及調整。測量裝置上的位移傳感器呈矩形分布，其長度a=160mm，寬度b=110mm ;機器人測量坐標系為0XYZ，如圖2所示。具體實施步驟如下I)建立坐標系將飛機壁板工裝的坐標系定義為世界坐標系。定位塊在世界坐標系中的位置已知，依據其值確定機器人工件坐標系與世界坐標系間的位置關系，從而建立機器人的工件坐標系。在測量裝置上定義機器人的測量坐標系0XYZ，測量坐標系與位移傳感器間的位置關系如圖2所示。上述坐標系間的關系確定，可以相互轉換。
2)采集數據控制系統驅動工業機器人帶動測量裝置移動，直到測量坐標系的Z軸指向測量點O1，如圖3所示。啟動位移傳感器A、B、C、D獲取四個電壓值UA、UB、UC、UD。通過控制柜中PLC把位移傳感器采集的電壓信號傳輸給控制系統。控制系統用電壓值乘以系數得到位移值AA1、BB1、CC1、DD1。3)計算法向偏差飛機壁板的表面一般都是曲率半徑較大的二次曲面。四個傳感器組成的矩形AB⑶在飛機壁板上的投影A1B1C1D1相對壁板其面積很小，如圖3所示。因而，可以將平面A1B1C1D1的法向石^作為壁板上測量點O1的法向。利用位移值AApBB1 XCpDD1和矩形ABCD的尺寸計算出刀具坐標系X軸與平面Y的夾角a和、刀具坐標系Y軸與平面
Y的夾角P，如圖4、圖5所示。夾角a、@計算公式如下
權利要求
1.一種用于大曲率曲面零件法向自動測量和調整的方法，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系定義為世界坐標系，利用工裝上的定位塊建立六自由度工業機器人的工件坐標系；測量裝置安裝在工業機器人末端，與工業機器人間的位置關系已標定；測量裝置由四個電渦流位移傳感器組成，位移傳感器呈矩形分布；將矩形對稱中心作為原點，長度方向為X軸方向，寬度方向為Y軸方向，位移傳感器測量頭方向為Z軸方向，建立右手笛卡爾坐標系，即工業機器人的測量坐標系； 2)移動工業機器人，直到測量坐標系的Z軸指向測量點；打開位移傳感器，測量它們與大曲面零件間的位移值，通過PLC把位移傳感器采集的電壓信號傳輸給控制系統；控制系統將電壓值轉換為位移值； 3)將位移傳感器測量點所組成平面Y的法向作為曲面上測量點的法向；利用測得的位移值計算機器人測量坐標系X、Y軸與平面Y的夾角α、β ; 4)控制系統依據法向偏差α、β和已建立的坐標系間的轉換關系，調整機器人姿態，使得測量坐標系的OXY平面平行于平面Y ;此時，測量坐標系的Z軸負方向即為曲面測量點的法向； 5)控制系統采集位移傳感器的電壓值，再次計算測量點法向與測量坐標系OXY平面法向的誤差；如果誤差在限定范圍內，控制系統發出法向調整完成信號；否則轉到步驟3)。
全文摘要
本發明公開了一種用于大曲率曲面零件法向自動測量和調整的方法，建立大曲率曲面零件所在工裝的坐標系和工業機器人的測量坐標系；測量工業機器人與大曲面零件間的位移值，計算測量點所組成平面γ與機器人測量坐標系的夾角；調整機器人姿態，使得測量坐標系的OXY平面平行于平面γ，直至精度達到要求。本發明可提高大曲率曲面零件自動加工和裝配的質量和效率。
文檔編號G01B7/00GK102768006SQ20121027313
公開日2012年11月7日 申請日期2012年8月2日 優先權日2012年8月2日
發明者張開富, 曾佩杰, 李曉閣, 程暉, 駱彬 申請人:西北工業大學