专利名称：一种用于大曲率曲面零件法向自动测量和调整的方法
技术领域：
本发明属于自动化制造领域，涉及一种大曲率曲面零件法向测量和自动调整的方法。
背景技术：
曲面零件的自动加工和装配过程中，加工头需要在曲面的法向上进行钻孔或铆接等操作。因此曲面零件自动加工前需要进行曲面的法向调整，使得加工进给方向与加工点的法向重合。法向调整的精度对加工质量和产品的使用寿命有很大的影响。因而，高效稳 定的法向测量调整方法及设备可以提高曲面零件自动加工的质量和效率。目前，曲面零件法向的测量及调整主要采用人工视觉法和工装调整法。人工视觉监测、手动调整法，该方法调整效率不高、调整质量不够稳定；工装调整法中，工装较大的重量和体积使得调整不够灵活，并对法向调整的精度和效率产生一定的影响。如专利CN101957175A公开了一种基于三点微平面法向检测方法，并应用激光位移传感器技术及数据采集技术，通过一定的算法可以测得曲面上待测点的法向量。该专利中的检测方法计算精度高，但没有涉及法向调整的方法及设备，在工业应用方面有一定的局限性。文献《飞机壁板自动钻铆法向量测量方法研究》提出一种飞机壁板自动钻铆加工过程中实时测量钻铆点处法向量的方法利用激光测距传感器在钻铆点周围获取特征点的坐标，通过二次曲面拟合算法计算出钻铆点处法向量。专利CN100485560C涉及一种法向铆接曲型件的控制方法，采用的三点悬挂零件托架，取代人工视觉法向控制。上述用于壁板自动钻铆加工中的法向测量调整方法，通过改变放置壁板托架的姿态实现法向调整，此类方法加工时的开敞性不够好，托架较重的质量和较大的体积会对调整的精度和灵活性产生不良的影响。

发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种采用六自由度工业机器人实现大曲率曲面零件自动加工或装配前，待加工点法向测量和自动调整的方法。采用电涡流位移传感器测量大曲率曲面零件(如飞机壁板)曲面上四个点与传感器的位移值，经计算生成工业机器人的调整参数。控制系统依据调整参数改变工业机器人姿态，实现曲面法向的自动调整。该方法可提高大曲率曲面零件自动加工和装配的质量和效率。本发明解决其技术问题所采用技术方案的流程图如图I所示，包括以下步骤I)建立坐标系将大曲率曲面零件所在工装的坐标系定乂为世界坐标系，利用工装上的定位块建立六自由度工业机器人的工件坐标系。测量装置安装在工业机器人末端，与工业机器人间的位置关系已标定。测量装置由四个电涡流位移传感器组成，位移传感器呈矩形分布。将矩形对称中心作为原点，长度方向为X轴方向，宽度方向为Y轴方向，位移传感器测量头方向为Z轴方向，建立右手笛卡尔坐标系，即工业机器人的测量坐标系。2)采集数据移动工业机器人，直到测量坐标系的Z轴指向测量点。打开位移传感器，测量它们与大曲面零件间的位移值，通过PLC把位移传感器采集的电压信号传输给控制系统。控制系统将电压值转换为位移值。3)计算法向偏差待测曲面一般为大曲率曲面，即测量范围的宽度与待测点处曲率半径相差一个数量级以上。此时，可以将位移传感器测量点所组成平面Y的法向作为曲面上测量点的法向。利用测得的位移值计算机器人测量坐标系X、Y轴与平面Y的夹角a、
3 o4)调整法向控制系统依据法向偏差a、0，依据已建立坐标系间的转换关系，调用机器人控制系统算法计算机器人的调整参数，并调整机器人姿态，使得测量坐标系的OXY平面平行于平面Y。此时，测量坐标系的Z轴负方向即为曲面测量点的法向。5)检测误差控制系统采集位移传感器的电压值，再次计算测量点法向与测量坐标系OXY平面法向的误差。如果误差在限定范围内，控制系统发出法向调整完成信号；否则转到步骤3)。本方法的有益效果是 I)采用工业机器人作为法向调整的运动机构，增加了操作空间的开敞性，提高了法向调整的灵活性。2)采用电涡流位移传感器测量大曲率曲面零件(如飞机壁板)与传感器间的位移值，可消除被测曲面上非金属障碍物对测量的影响。3)通过PLC将位移传感器与工业机器人控制系统集成，使得该方法具有良好的软、硬件扩展性。在工业机器人端部的测量装置上添加设备并与PLC相连，可以方便地扩展设备功能。


图I大曲率曲面零件法向自动测量调整流程图；图2测量头上位移传感器的分布示意及坐标系定义；图3大曲率曲面法向的测量调整原理说明图(三维图)；图4大曲率曲面法向的测量调整原理说明图(侧视图)；图5大曲率曲面法向的测量调整原理说明图(俯视图)。
具体实施例方式本发明用于具有大曲率曲面的零件自动加工或装配过程中，通过电涡流位移传感器、六自由度工业机器人和控制系统的配合，实现大曲率曲面零件法向的测量和自动调整。下面结合附图和实施方法、实施实例，进一步对本发明进行详细描述。例如将此方法用于飞机壁板装配过程自动钻铆前，壁板法向的自动测量及调整。测量装置上的位移传感器呈矩形分布，其长度a=160mm，宽度b=110mm ;机器人测量坐标系为0XYZ，如图2所示。具体实施步骤如下I)建立坐标系将飞机壁板工装的坐标系定义为世界坐标系。定位块在世界坐标系中的位置已知，依据其值确定机器人工件坐标系与世界坐标系间的位置关系，从而建立机器人的工件坐标系。在测量装置上定义机器人的测量坐标系0XYZ，测量坐标系与位移传感器间的位置关系如图2所示。上述坐标系间的关系确定，可以相互转换。
2)采集数据控制系统驱动工业机器人带动测量装置移动，直到测量坐标系的Z轴指向测量点O1，如图3所示。启动位移传感器A、B、C、D获取四个电压值UA、UB、UC、UD。通过控制柜中PLC把位移传感器采集的电压信号传输给控制系统。控制系统用电压值乘以系数得到位移值AA1、BB1、CC1、DD1。3)计算法向偏差飞机壁板的表面一般都是曲率半径较大的二次曲面。四个传感器组成的矩形AB⑶在飞机壁板上的投影A1B1C1D1相对壁板其面积很小，如图3所示。因而，可以将平面A1B1C1D1的法向石^作为壁板上测量点O1的法向。利用位移值AApBB1 XCpDD1和矩形ABCD的尺寸计算出刀具坐标系X轴与平面Y的夹角a和、刀具坐标系Y轴与平面
Y的夹角P，如图4、图5所示。夹角a、@计算公式如下
权利要求
1.一种用于大曲率曲面零件法向自动测量和调整的方法，其特征在于包括下述步骤 1)将大曲率曲面零件所在工装的坐标系定义为世界坐标系，利用工装上的定位块建立六自由度工业机器人的工件坐标系；测量装置安装在工业机器人末端，与工业机器人间的位置关系已标定；测量装置由四个电涡流位移传感器组成，位移传感器呈矩形分布；将矩形对称中心作为原点，长度方向为X轴方向，宽度方向为Y轴方向，位移传感器测量头方向为Z轴方向，建立右手笛卡尔坐标系，即工业机器人的测量坐标系； 2)移动工业机器人，直到测量坐标系的Z轴指向测量点；打开位移传感器，测量它们与大曲面零件间的位移值，通过PLC把位移传感器采集的电压信号传输给控制系统；控制系统将电压值转换为位移值； 3)将位移传感器测量点所组成平面Y的法向作为曲面上测量点的法向；利用测得的位移值计算机器人测量坐标系X、Y轴与平面Y的夹角α、β ; 4)控制系统依据法向偏差α、β和已建立的坐标系间的转换关系，调整机器人姿态，使得测量坐标系的OXY平面平行于平面Y ;此时，测量坐标系的Z轴负方向即为曲面测量点的法向； 5)控制系统采集位移传感器的电压值，再次计算测量点法向与测量坐标系OXY平面法向的误差；如果误差在限定范围内，控制系统发出法向调整完成信号；否则转到步骤3)。
全文摘要
本发明公开了一种用于大曲率曲面零件法向自动测量和调整的方法，建立大曲率曲面零件所在工装的坐标系和工业机器人的测量坐标系；测量工业机器人与大曲面零件间的位移值，计算测量点所组成平面γ与机器人测量坐标系的夹角；调整机器人姿态，使得测量坐标系的OXY平面平行于平面γ，直至精度达到要求。本发明可提高大曲率曲面零件自动加工和装配的质量和效率。
文档编号G01B7/00GK102768006SQ20121027313
公开日2012年11月7日 申请日期2012年8月2日 优先权日2012年8月2日
发明者张开富, 曾佩杰, 李晓阁, 程晖, 骆彬 申请人:西北工业大学