本发明属于精密测量技术领域，涉及一种用于筒形件轴线位姿自动化测量的装置及方法，可用于生产过程中对筒形件位姿进行自动化测量。
背景技术：
筒形件是工业生产中最基本的零件之一，在对航天器总装，管道焊接等过程进行自动化升级时，往往需要精确、自动地测得筒形件轴线的位姿，并对其进行调整。由于该测量精度将直接影响后续加工的精度，因此对测量过程的精密程度有着较高的要求。同时，为应对未来无人化工厂的需求，新的测量技术应摆脱对一线操作人员的依赖，独立完成对被测物的测量，提高生产装配的效率。
为满足工业自动化的需求，提高装配效率，需要控制系统在不需要人工辅助的前提下自动、精密地测得筒形件的位姿。因此，测量设备应满足以下几点要求：一、为满足测量自动化的基本要求，测量过程应当自动完成，且应避免测量靶标的使用，以防污损被测物表面和增加人力成本；二、为确保装配质量，测量方法应当具有较高的精度；三、考虑到工业环境中存在的各种干扰，测量方法应当具有较强的抗干扰能力。
目前国内有一些机构涉及筒形件轴线位姿的测量问题，其在一定程度上满足了上述三点要求。如北京航空航天大学文科等在其于2016年发表在《计算机集成制造技术》第22卷第3期686-694页的论文《大尺度产品数字化智能对接关键技术研究》中提到了一种基于激光跟踪仪的大尺度产品对接系统。在该系统中，通过激光跟踪仪测量附着于被测零件表面的靶球位置，从而解出被测零件的空间位姿。该方法测量过程中不需要人工参与，从一定程度上满足了自动化位姿测量的需求，但需要对每个被测零件人工安装相应的测量靶球，不能完全满足自动化测量的需求。且此类方法实际获得的是靶球相对于测量仪器的位置，若靶球位置安装存在误差，仍无法避免测量误差。金贺荣等在其于2017年发表在《中国机械工程》第28卷第1期88-92页的论文《舱段自动装配位姿求解方法研究》中，采用双目视觉对被测舱段表面若干标志点位置进行测量，从而解出被测物的空间位姿。该方法从一定程度上解决了安装靶球的问题，但仍然需要在被测零件表面喷涂相应的标志点。为了避免测量靶标或靶球的引入，如公开号为cn106197266a，名称为“用于测量具有圆形弧面的柱状物体的位姿的方法”的中国专利申请，公开了一种用于测量柱状物体的位姿的方法。该方法中，通过线性激光二维测量传感器对被测物截面的轮廓数据进行实时测量，并对获得的数据点进行筛选，排除不属于椭圆弧的测量数据，随后对椭圆弧进行拟合，得到椭圆的特征参数，再对参数进行空间计算处理，得到圆柱体的位姿信息。但该方法侧重于对获得数据点是否属于椭圆轮廓的筛查，通过部分椭圆拟合得到截面椭圆的几何参数，并根据轴线位姿和截面椭圆之间的映射关系解得被测物轴线的位姿。该方法中，无法排除由于传感器精度、振动等问题对测量结果造成的干扰，在此前提下，对于圆心角小于180°的不完整椭圆弧来说，较小的测量噪声即可造成拟合结果较大幅度的偏差，因此通过一个截面的几何参数估计被测圆柱形轮廓轴线的方法精度较低，且由于投影关系不确定可能产生多解问题。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服上述现有技术存在的不足，提出一种筒形件轴线位姿的无靶标自动测量装置及方法，用于在保证自动化程度的同时提高测量精度。
一种筒形件轴线位姿的无靶标自动测量装置，包括底座1、支撑单元2、测量单元3和控制计算机4；
所述支撑单元2，包括支撑导轨21以及架设在其上的支撑托盘22，所述支撑导轨21包括两条平行导轨，通过安装座固定在底座1，所述安装座一端位于两条平行导轨之间的位置固定有移载电机24，该移载电机24通过与其连接的移载丝杠23，驱动支撑托盘22沿支撑导轨21的长度方向移动；
所述测量单元3，包括直线模组32、驱动电机33、编码器34、支撑滑块35和线缆支撑36；所述直线模组32固定在底座1上，且其导轨的长度方向与支撑导轨21上的导轨平行；所述编码器34连接在驱动电机33的尾部；所述驱动电机33通过联轴器与直线模组32的输入轴连接；所述支撑滑块35上固定有激光轮廓传感器31，下端和直线模组32连接；所述线缆支撑36通过两个支撑杆37固定在底座1上，用于支撑与激光轮廓传感器31连接的拖链；所述驱动电机33通过支撑滑块35，驱动激光轮廓传感器31沿着直线模组32的导轨平移；
所述控制计算机4，用于对激光轮廓传感器31、编码器34的测量数据进行处理，同时对移载电机24和驱动电机33进行控制。
作为优选，所述直线模组32，其传动部分采用丝杠或同步带结构。
作为优选，所述支撑滑块35，包括模组滑块351和垂直固定在模组滑块351上的传感器支撑板352；所述传感器支撑板352板面一侧固定有两个限定激光轮廓传感器31高度的限位块354，另一侧固定有配重353；传感器支撑板352下表面连接有模组滑块351。
一种筒形件轴线位姿的无靶标自动测量方法，包括以下步骤：
(1)建立测量坐标系：
以直线模组的一端为测量原点o，以支撑滑块的行进方向为x轴，激光轮廓传感器的视场深度方向为y轴，视场宽度方向为z轴，建立测量坐标系o-xyz；
(2)控制计算机获取筒形件的截面轮廓li：
(2a)激光轮廓传感器沿测量坐标系o-xyz的x轴方向对筒形件的侧面进行扫描，并将得到的扫描点云上传至控制计算机，同时编码器将记录的各扫描点的x轴坐标上传至控制计算机；
(2b)控制计算机通过在扫描点云x轴坐标的最大值与最小值之间选取的n个点，建立与平面yoz平行的n个截面，并将每个截面和扫描点云的交集作为截面轮廓，得到筒形件的n个截面轮廓li，其中，i为截面轮廓的序号，i＝1,2,…,n，n为截面轮廓的总数；
(3)控制计算机计算筒形件轴线的拟合点ci和母线的拟合点pi：
(3a)控制计算机对每个截面轮廓li在其所属平面上进行椭圆最小二乘拟合，得到n个椭圆；
(3b)对每个椭圆的圆心(yci,zci)添加其所在截面的x坐标，得到n个坐标为(xi,yci,zci)的空间点，并将其作为筒形件轴线的拟合点ci；其中xi为椭圆圆心所在截面的x坐标，yci，zci分别为椭圆圆心的y坐标和z坐标；
(3c)控制计算机在n个截面轮廓li上分别提取最大的y坐标ypi，并求出各最大y坐标ypi对应点的n个x坐标xi以及z坐标zpi，得到n个坐标为(xi,ypi,zpi)的空间点，作为母线的拟合点pi；其中，xi为pi所在截面的x坐标，ypi、zpi分别为pi的y坐标和z坐标；
(4)控制计算机计算筒形件轴线的俯仰角与偏转角：
(4a)控制计算机对n个筒形件轴线的拟合点ci在平面xoz上的投影点进行平面直线拟合，并将得到的拟合直线与x轴正向的夹角作为筒形件轴线的俯仰角γ；
(4b)控制计算机对n个筒形件母线的拟合点pi在平面xoy上的投影点进行平面直线拟合，并将得到的拟合直线与x轴正向的夹角作为筒形件轴线的偏转角β；
(5)控制计算机获取筒形件轴线的综合拟合点：
(5a)控制计算机根据俯仰角γ、偏转角β和筒形件半径r，计算筒形件截面轮廓li对应椭圆的理论长半轴长a和旋转角θ；
(5b)控制计算机计算筒形件母线相对于轴线的y轴理论偏移量δy：
其中，t为系数，
(5c)控制计算机将n个筒形件母线拟合点pi沿y轴平移-δy，得到n个平移后的y坐标ycai，并将以xi为x坐标，ycai为y坐标，zci为z坐标创建的n个三维空间点，作为筒形件轴线的n个综合拟合点si；
(6)计算筒形件轴线的位姿参数：
控制计算机对n个综合拟合点si进行空间直线拟合，得到筒形件轴线与平面yoz的交点s0(0,y0,z0)以及表示筒形件轴线方向的方向向量t，并将s0(0,y0,z0)和t作为筒形件轴线的位姿参数。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
1.本发明通过激光轮廓传感器沿轨道对被测筒形件侧面进行扫描，获取筒形件侧面的点云数据，通过若干平行截面与该点云数据求交集的方式，获得若干椭圆轮廓，并通过拟合以及求极值的方式在每个截面上求得轴线拟合点以及母线拟合点，进而将其合成为综合拟合点，通过对这些综合拟合点应用空间直线拟合得到筒形件位姿。与现有的通过激光轮廓传感器获取筒形件截面上一个轮廓并拟合椭圆，并通过椭圆的几何参数估计轴线位姿的方法相比，数据冗余性大，避免了不完整椭圆拟合过程中，由于传感器精度、结构等因素引入测量噪声导致的不完整椭圆拟合误差，有效提高了测量精度。
2.本发明通过驱动电机驱动激光轮廓传感器对被测筒形件进行扫描，并通过控制计算机处理扫描获取的点云数据。与现有需要安装或喷涂靶标的测量方式相比，测量过程中不需要人工参与，因此避免了靶标对被测零件表面的损伤，同时对批量较大的产品来说，由于取消了靶标安装或喷涂的过程，简化了生产工序，提高了生产效率。
3.选用激光轮廓传感器对被测零件进行扫描，相比采用工业相机对被测物进行拍照的测量方式，激光的抗干扰能力更强，设备稳定性更好。
附图说明
图1为本发明测量装置的整体结构示意图；
图2为本发明支撑滑块的结构示意图；
图3为本发明测量方法的原理示意图；
图4为本发明测量方法的实现流程框图；
图5为本发明截面和筒形件外圆柱面相交形成的椭圆和筒形件轴线的偏转角、俯仰角之间关系的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细描述：
参照图1，一种筒形件轴线位姿的无靶标自动测量装置，包括底座1，支撑单元2，测量单元3和控制计算机4。
其中，支撑单元2包括支撑导轨21，支撑托盘22，移载丝杠23，移载电机24。支撑导轨21上表面两侧设有两条平行导轨，下部通过安装座固定在底座1上。支撑托盘22下表面通过导轨滑块架设在支撑导轨21上，上表面放置有被测的筒形件，使得筒形件可以沿着支撑导轨21滑动。支撑导轨内部设有一个移载丝杠23，该丝杠的轴线和支撑导轨21的中轴线方向平行，支撑托盘通过其底部的螺母与移载丝杠23连接。移载丝杠23与固定在支撑导轨21上的移载电机24连接，通过移载电机24的转动，支撑托盘22被驱动沿着支撑导轨21移动，将其托举的筒形件移至测量位置上。
测量单元3包括直线模组32，支撑滑块35以及线缆支撑36。其中，直线模组32为一种直线传动装置，主要由传动结构和模组滑轨两部分组成，用于将旋转运动转化为模组滑块的直线运动，根据其传动结构的不同，直线模组可分为丝杠式或同步带式两类。该直线模组32的模组滑轨平行于支撑导轨21，底面通过螺栓与底座1连接。直线模组32一端安装有驱动电机33，该驱动电机尾端连接有编码器34。
参照图2，所述支撑滑块35包括模组滑块351，传感器支撑板352，配重353和限位块354，其中模组滑块351安装在传感器支撑板352下表面上。同时，模组滑块351安装在直线模组32的模组滑轨上，并与直线模组32的传动结构连接。通过该结构，驱动电机33可以驱动传感器支撑板352沿直线模组32的模组滑轨移动，同时控制计算机通过编码器34可以实时记录模组滑块352的位置。两个限位块354安装在传感器支撑板352面向支撑单元2一侧的平面的不同高度上，用于对激光轮廓传感器31的安装位置进行限制。激光轮廓传感器31又可被称为激光二维传感器、二维激光测距传感器，其可以向被测物表面投射一束激光带，并测量该激光线上各点的空间位置，在本实施例中，激光轮廓传感器水平安装于两个限位块354之间，并保证其射出的激光线与激光轮廓传感器的激光发射器所确定的平面与底座1上表面垂直。为适应不同直径筒形件的测量需求，激光轮廓传感器31的安装位置可以在两个限位块34之间垂直调整。
所述线缆支撑36通过两个支撑杆37固定在底座1上，位于激光轮廓传感器31下方，其内部容纳有拖链，其一端和线缆支撑36连接，另一端和激光轮廓传感器31连接，用以对该激光轮廓传感器的线缆进行保护。且所述线缆支撑36可沿两个支撑杆37上下移动，以适应激光轮廓传感器31的不同高度。
所述控制计算机4用于对测量系统实现控制，即对激光轮廓传感器31，编码器34的测量数据进行处理，以及控制移载电机24，驱动电机33移动。
参考图3，本发明测量原理为：
激光轮廓传感器31沿x轴对被测筒形件侧面进行扫描，获取位于若干平行平面上的截面轮廓li，根据空间几何可知该轮廓为部分椭圆弧，因此对每个轮廓线进椭圆拟合可得一组椭圆拟合圆心ci，对这些圆心进行空间直线拟合，可得筒形件轴线的位姿；同时在每个轮廓线li上提取具有最大y坐标的点pi，对这些点进行空间直线拟合得到筒形件的一条特殊母线，该特殊母线与筒形件轴线平行。但上述点中，ci沿y轴精度较差，pi沿z轴精度较差，因此对pi的y坐标进行平移，令其取代ci的y坐标，得到综合拟合点。对综合拟合点进行空间直线拟合，可精确测得筒形件的轴线位姿。
参照图4，一种筒形件轴线位姿的无靶标自动方法，包括如下步骤：
步骤1)建立三维测量坐标系：以直线模组32的一端为测量原点o，以支撑滑块35的行进方向为x轴，激光轮廓传感器31的视场深度方向为y轴，视场宽度方向为z轴，建立如图4所示的测量坐标系o-xyz。
在描述一条与平面yoz相交的空间直线的位姿时，可通过俯仰角γ、偏转角β以及与平面yoz的交点来完整确定其空间位姿。其中俯仰角γ定义为直线在平面xoz上的投影和x轴正向的夹角，偏转角β定义为直线在平面xoy上的投影和x轴正向的夹角。
步骤2)控制计算机4获取筒形件的截面轮廓li：
步骤2a)在控制计算机4的驱动下，激光轮廓传感器31沿上述测量坐标系o-xyz的x轴方向对筒形件的侧面进行扫描，并将得到的扫描点云上传至控制计算机4，同时编码器34将实时记录的各扫描点的x轴坐标上传至控制计算机。
其中，扫描点云指在坐标系o-xyz中，由激光轮廓传感器测得的，筒形件侧面上均匀分布的若干离散点的y坐标和z坐标，以及由编码器测得的这些点的x坐标。
步骤2b)控制计算机4通过在扫描点云x轴坐标的最大值与最小值之间选取的n个点，建立与平面yoz平行的n个截面，并将每个截面和扫描点云的交集作为截面轮廓，得到筒形件的n个截面轮廓li，其中，i为截面轮廓的序号，i＝1,2,…,n，n为截面轮廓li的总数；
步骤3)控制计算机计算筒形件轴线的拟合点ci和母线的拟合点pi：
步骤3a)根据空间几何可知，上述截面和筒形件外圆柱面的交线应为一个椭圆，因此，每个截面轮廓li应属于同一个椭圆。控制计算机对每个截面轮廓li在其所属平面上进行椭圆最小二乘拟合，可以得到n个椭圆，即这n个椭圆的长半轴长、短半轴长、椭圆圆心的位置(yci,zci)以及椭圆的旋转角。
步骤3b)通过以上步骤仅能获得n个椭圆圆心的y坐标和z坐标，因此需对每个椭圆的圆心(yci,zci)添加其所在截面的x坐标，得到n个坐标为(xi,yci,zci)的空间点。其中xi为椭圆圆心所在截面的x坐标，yci，zci分别为椭圆圆心的y坐标和z坐标。由空间几何可知，这些点理论上应位于筒形件的轴线上，对其进行空间直线拟合，可得出筒形件的轴线，因此称这些点为筒形件轴线的拟合点ci。
由于测量仪器的误差以及环境干扰等因素，测量所得截面轮廓li上各点均受噪声影响，因此拟合所得椭圆圆心将会产生一定误差。考虑到通过单台激光轮廓传感器并不能完全覆盖被测筒形件，因此截面轮廓li为不完整的椭圆数据。噪声对可能导致测得椭圆的圆心沿传感器视场深度方向精度较差。在坐标系o-xyz中，该问题将导致拟合轴线的偏转角β以及轴线和平面yoz交点的y坐标精度降低。
步骤3c)为解决上述问题，控制计算机控制计算机在n个截面轮廓li上分别提取最大的y坐标ypi，并求出对应点的n个x坐标xi和z坐标zpi，从而得到n个坐标为(xi,ypi,zpi)的空间点。根据空间几何可知，这n个空间点应位于筒形件的同一条母线上，对这n个空间点进行空间直线拟合，可得出筒形件的一条特殊母线，因此称这n个空间点为母线的拟合点pi。其中xi为pi所在截面的x坐标，ypi、zpi分别为pi的y坐标和z坐标。
该步骤中，pi点处所属椭圆轮廓的切线接近垂直，因此当pi受噪声影响时，其沿z轴将有较大的误差，从而导致拟合母线俯仰角的测量误差。
综上可知，在坐标系o-xyz中，轴线的拟合点ci沿z轴测量精度较高，沿y轴测量精度较低；母线的拟合点pi沿y轴测量精度较高，沿z轴测量精度较低。
步骤4)控制计算机计算筒形件轴线的俯仰角与偏转角：
若对上述轴线的拟合点ci和母线的拟合点pi分别进行空间直线拟合，拟合所得轴线的俯仰角γ精度较好但偏转角β精度较差；拟合所得母线偏转角β精度较好但俯仰角γ精度较差。因此执行以下步骤，以提取精度较高的姿态角。
步骤4a)控制计算机对n个筒形件轴线的拟合点ci在平面xoz上的投影点进行平面直线拟合，并将得到的拟合直线与x轴正向的夹角作为筒形件轴线的俯仰角γ；
步骤4b)由于筒形件母线平行于轴线，控制计算机对n个筒形件母线的拟合点pi在平面xoy上的投影点进行平面直线拟合，并将得到的拟合直线与x轴正向的夹角作为筒形件轴线的偏转角β；
步骤5)控制计算机获取筒形件轴线的综合拟合点：
根据空间几何可知，在已知筒形件偏转角β，轴线的俯仰角γ的前提下，母线拟合点pi相对于其对应的轴线拟合点ci的位置关系是确定的。在不考虑测量噪声的前提下，母线拟合点pi和轴线拟合点ci位置关系可通过如下过程求出：
步骤5a)参考图5，控制计算机根据俯仰角仰角γ、偏转角β和筒形件半径r，计算筒形件计算筒形件截面轮廓li对应椭圆的理论长半轴长a：
其中，mn为筒形件轴线的一段，ma为过点m与x轴平行的直线，na垂直于ma。过ma作平面mab与平面xoz平行，过ma作平面mac与平面xoy平行，其中nb垂直于平面mab，nc垂直于平面mac。则∠bma＝γ，∠cma＝β，平面nab与筒形件外圆柱面的交线为截面轮廓li对应的椭圆，该椭圆的短半轴长等于被测筒形件外圆柱面的半径。令ma＝1，延长na交外圆柱面于d'，过d'作d'd平行于mn，令nd垂直于d'd，根据透视关系，截面轮廓li对应椭圆的长半轴与nd'重合。nd为筒形件半径，nd＝r。同时，mn与nd垂直，则∠dnd'＝∠nma。因此，截面轮廓li对应椭圆的长半轴长a为：
a＝nd'＝nd/cos∠dnd'＝r/cos∠nma(1)
其中，
由于na与截面轮廓li对应椭圆的长轴重合，其y轴的夹角为对应椭圆的旋转角θ，为避免歧义，定义椭圆旋转角θ为y轴正向沿逆时针旋转至和椭圆长半轴平行的旋转角度，则可知θ为有向线段na与y轴正向的夹角，有：
(5b)所有截面轮廓li对应椭圆的形状可通过如下方程表示：
该椭圆圆心与坐标系原点重合。由于母线拟合点pi理论所处位置处斜率为无穷大，因此对式(4)相对y求导并取分母为零，得到等式如下：
其中，系数t为y和z的比值。
将(5)代入(4)中，解得：
z＝ty(7)
根据透视关系可知，上述椭圆的短半轴长满足：
b＝r(8)
筒形件的半径一般在批量装配中都可预先获得，若无法获得，可对n个椭圆轮廓li进行拟合并取其短半轴长的平均值作为筒形件半径r。
将(8)代入(6)和(7)，可知母线拟合点pi相对轴线拟合点ci的平移量δy和δz满足以下三式，即：
δz＝tδy(11)
(5c)根据前述可知，通过测量得到的轴线拟合点ci的y坐标精度较差，母线拟合点pi的z坐标精度较差，因此可将n个母线拟合点pi沿y轴平移-δy，得到n个平移后的y坐标ycai。
这样，取n个轴线拟合点ci的z坐标zci，n个平移后点的y坐标ycai，以及对应平面的x坐标xi，建立n个坐标为(xi,ycai,zci)的三维空间点，并将其记为综合拟合点si。
(6)计算筒形件轴线的位姿参数：
控制计算机对n个综合拟合点si进行空间直线拟合，得到筒形件轴线与平面yoz的交点s0(0,y0,z0)以及表示筒形件轴线方向的方向向量t，并将s0(0,y0,z0)和t作为筒形件轴线的位姿参数，至此，即可精确求得筒形件轴线的位姿参数。
以上描述和实施例，仅为本发明的优选实例，不构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解本发明内容和设计原理后，都可能在基于本发明的原理和结构的情况下，进行形式上和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求的保护范围之内。