一種改進的大曲率半徑曲面零件法向測量與調整方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于先進數字化裝配領域，具體涉及一種改進的大曲率半徑曲面零件法向 測量與調整方法。用于在機器人及其末端執行器在智能裝配（貼片、制孔）過程中，自動識 別計算裝配區域的法向信息，根據計算結果進行相應的機器人位姿調整，以便滿足法向精 度要求，為進一步的裝配提供精度保障。
【背景技術】
[0002] 曲面零件的自動加工和裝配過程中，末端執行器需要在曲面的法向上進行制孔或 貼片等操作。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可以提高曲面零件自動加工的質量和效率。
[0003] 目前，曲面零件法向的測量及調整主要采用手動調整法和傳感器測量法。人工手 動調整法調整效率低、精度差且調整質量也不穩定；傳感器測量法是目前精度較高的測量 方法。專利CN102768006A就屬于傳感器測量法，該專利基于四個平行安裝的電渦流傳感 器，PLC數據采集及機器人控制技術，通過一定的算法可以測得曲面上待測區域的法向量， 但是該方法在工程應用中存在一定的問題。該方法中傳感器的安裝平行于末端執行器進給 方向，曲面上測量區域與電渦流傳感器中心所在長方形區域大小相同，測量區域的尺寸比 較大，同時由于測量區域近似處理為平面，用平面的法向代替局部曲面的法向，使存在曲率 的測量范圍內曲面幾何信息失真。為了提高目標點處法向計算精度，需要縮小測量范圍。本 專利從結構設計方面入手，在結構上將四個傳感器的安裝方向改為向內傾斜錐度安裝，從 而縮小壁板上激光測量區域，用測量區域近似平面的法向可較準確的代替該處曲面目標點 的法向，有效提高測量精度。

【發明內容】

[0004] 為了解決現有方法因為傳感器安裝要求或末端設計問題導致的法向測量范圍過 大進而導致精度低的問題，本發明提供一種改進的大曲率半徑曲面零件法向測量與調整 方法，采用位移傳感器測量壁板曲面上四個點的距離，計算法向誤差，生成機器人的調整參 數，控制系統依據參數改變機器人的姿態實現曲面法向的自動調整，從而提高大曲率曲面 零件自動加工和裝配的精度和質量。
[0005] 本發明的技術方案為：
[0006] 如圖1所示，末端執行器上安裝有A、B、C、D四個激光位移傳感器，組成傳感器系 統，四個激光位移傳感器向內傾斜錐度安裝，使得激光照射區域小于激光傳感器組成的矩 形區域，傳感器的安裝位置及空間角度圖中標明。末端執行器安裝在機器人第六關節末端， 在機器人的帶動下，到達預設定的空間位置。此時開啟傳感器進行空間測距，根據四個傳感 器采集到的距離信息，計算傳感器系統坐標系（工具坐標系）相對于壁板探測區域平面的 偏差角度，即X、Y軸與平面的夾角〇、妒，然后驅動機器人末端相對于傳感器坐標系原點轉 動相應的角度，通過迭代調整滿足精度要求。本方法依次調整兩軸的角度誤差，由于第一個 軸的角度偏差調整后，傳感器系統的坐標系相對于壁板平面相對位置發生變化，在調整第 二個軸角度偏差之前，需再次采集測距信息，依據更新后的測距信息，進行第二軸與平面的 偏差計算與調整控制。整個方法的步驟如下：
[0007] 步驟1 :對末端執行器上四個激光位移傳感器組成的傳感器系統進行標定：四個 激光位移傳感器的測量中心組成一個矩形平面ABCD，測量矩形平面長度AD=a和寬度AB =b，并以矩形平面中心為工具坐標系OXYZ的原點，矩形平面為工具坐標系OXYZ的XY面， OX軸平行于矩形平面寬度方向，OY軸平行于矩形平面長度方向，工具坐標系OXYZ固連在末 端執行器上；四個激光位移傳感器向內傾斜錐度安裝；A、D兩點的激光在同一平面e上，且 該平面e與OZ軸的夾角為a;B、C兩點的激光在同一平面G上，且該平面G與OZ軸的 夾角為a;A、B兩點的激光在同一平面n上，且該平面n與OZ軸的夾角為P;C、D兩點 的激光在同一平面I上，且該平面I與OZ軸的夾角為e;
[0008] 步驟2:控制末端執行器運動到預定工作位置；
[0009] 步驟3:利用激光位移傳感器測得激光位移傳感器測量中心與工作面距離AAxl、 BBxl、CCxl、DDxl;利用距離AA xl、BBxl、CCxl、DDxl計算OX軸與工作面上的局部平面y的夾角 〇i，所述局部平面y為四個激光位移傳感器照射在工作面上的點Axl、Bxl、Cxl、Dxl組成的 面；
[0013] V1V4= b；
[0014] 步驟4:判斷夾角〇i是否滿足精度要求，若滿足，則進入步驟5,如不滿足，則調整 末端執行器，使工具坐標系繞OY軸旋轉角度〇i，然后返回步驟3 ;
[0015] 步驟5:利用激光位移傳感器測得激光位移傳感器測量中心與工作面距離AAyl、 BByl、CCyl、DDyl;利用距離AA yl、BByl、CCyl、DDyl計算OY軸與工作面上的局部平面S的夾角 啊，所述局部平面S為四個激光位移傳感器照射在工作面上的點\1、8,1、（； 1、11組成的 面；
[0020] 步驟6 :判斷夾角Cp1是否滿足精度要求，若滿足，調整結束，如不滿足，則調整末端 執行器，使工具坐標系繞OX軸旋轉角度軌，然后返回步驟5。
[0021] 有益效果
[0022] 本發明相比與現有技術，具有以下優點：
[0023] 1)采用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。
[0024] 2)將激光位移傳感器與機器人控制系統通過PLC集成，使得該發明具有良好的軟 件和硬件擴展性。在機器人端部的測量頭上添加設備并與PLC相連，可以方便的擴展設備 的功能。
[0025] 3)四個激光位移傳感器向內傾斜錐度安裝，使得激光照射區域小于激光傳感器組 成的矩形區域，在結構設計上巧妙的提高了測量區域的法向找準精度，避免測量范圍過大 而導致的曲面壁板探測區域幾何信息失真。
[0026] 本發明優點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通 過本發明的實踐了解到。
【附圖說明】
[0027] 本發明的上述和/或附加的方面和優點從結合下面附圖對實施例的描述中將變 得明顯和容易理解，其中：
[0028] 圖1貼片應用不意圖；
[0029] 圖2末端執行器示意圖；
[0030] 圖3激光傳感器系統及工具坐標系；
[0031] 圖4激光位移傳感器工作原理示意圖；
[0032] 圖5末端執行器ZOX平面示意圖；
[0033] 圖6末端執行器ZOY平面示意圖；
[0034] 圖7工具坐標系X軸與平面y角度偏差〇;
[0035]圖 8V1V^V3V4求解過程；
[0036] 圖9工具坐標系Y軸與平面y角度偏差_
[0037]圖 10V5V6、V7V8求解過程。
【具體實施方式】
[0038] 下面詳細描述本發明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終 相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附 圖描述的實施例是示例性的，旨在用于解釋本發明，而不能理解為對本發明的限制。
[0039] 本實施例要解決現有技術因為傳感器安裝要求或末端設計問題導致的法向測量 范圍過大進而導致精度低的問題。如圖1所示，末端執行器上安裝有A、B、C、D四個激光位 移傳感器，組成傳感器系統，四個激光位移傳感器向內傾斜錐度安裝，使得激光照射區域小 于激光傳感器組成的矩形區域，傳感器的安裝位置及空間角度圖中標明。末端執行器安裝 在機器人第六關節末端，在機器人的帶動下，到達預設定的空間位置。此時開啟傳感器進行 空間測距，根據四個傳感器采集到的距離信息，計算傳感器系統坐標系（工具坐標系）相對 于壁板探測區域平面的偏差角度，即X、Y軸與平面的夾角〇、卟然后驅動機器人末端相