用于工业机器人测量系统中的线测头标定装置的制作方法

本实用新型涉及零件表面质量检测领域，更具体地，涉及一种工业机器人测量系统的线测头装配。

背景技术：

传统的零件外形测量一般采用三坐标测量机执行，但该方法涉及的仪器成本高，并且有难以与自动化产线集成、柔性不够的缺点。随着工业机器人的发展，现阶段工业机器人最高的重复精度可达到0.01mm，其精度不断提高，且具有可编程、高度自动化的特点，极易与自动化产线集成而达成具有在线检测能力的柔性制造系统，逐渐应用于0.01～0.1mm级检测精度要求的零件外形检测中。随着工业机器人精度的进一步提升，其能达到的检测精度随之提升，可预见该应用会有广泛的发展前景。

工业机器人的末端执行器安装有法兰，线测头需要与法兰进行装配、坐标系对准，并标定线测头测量坐标系与工业机器人法兰坐标系之间的坐标转换关系，从而执行精确测量。传统的方法一般通过特定夹持器将线测头安装在法兰盘后，设计定制的标定方法，通过机械调整和测量调整的方式，来逐步进行坐标系对准或标定，但是相关的方法需要结合实际应用定制夹持器等设备，且操作复杂难以实现规范化。

技术实现要素：

本实用新型公开一种用于工业机器人测量系统中的线测头标定装置和标定方法，用于工业机器人夹持线测头执行零件的外形测量，该装置和方法利用一个标准块零件，借助工业机器人执行特定操作，完成对准和标定计算。具体的，标准块上表面开有互相垂直的两条梯形槽，槽的深度预先确定。

本实用新型的技术方案是：所述线测头与夹具连接后固结到工业机器人法兰末端，标准块通过夹持装置放在台面上。其中测头夹具由两个手动角位台、连接架、连接板组成，标准块夹持装置由dd马达、两个手动角位台和连接板组成。

本实用新型所涉及的线测头标定方法，包括步骤如下：

s1:将线测头夹具通过连接板安装在工业机器人法兰末端，标准块夹持装置安装在安装面上，安装面放在工业机器人的工作范围内；

s2：调整标准块夹持装置上的角位台角度、控制dd马达旋转，使标准块上表面与法兰平面平行；

s3：调整线测头夹具上角位台的角度，使得线测头轴线垂直于标准块上表面；

s4：标定线测头工作坐标原点在工业机器人基坐标系下的位置。

具体的，步骤s2包括如下子步骤：

s21：调整标准块的rz，使得其y轴与工业机器人法兰盘y轴共面。在工业机器人零位下调节法兰盘所连关节角度，使得法兰面与工业机器人底面平行；在工业机器人直角坐标系下，带动线测头对标准块上表面进行测量，得到线测头工作原点到标准块表面的距离d；控制线测头从a点开始沿工业机器人x轴方向移动，当线测头从标准块表面测量到横槽的底面时，所获得的数据会发生第一次突变，记测量值发生突变的位置b；令工业机器人带动测头沿y轴水平运动预定距离lbc到位置c，然后控制线测头沿工业机器人x轴移动，记录测量数据发生第二次突变的位置d，同时记录位置c到位置d之间的距离lcd；通过公式一，即得到将标准块y轴调节至与工业机器人y轴共面需要调整夹持装置的dd马达的角度值α，

公式一

通过控制水平转动装置的dd马达，使标准块旋转角度α，从而使标准块的y轴与工业机器人y轴共面。

s22：调整标准块的rx，使得其y轴与工业机器人法兰盘y轴平行。保持线测头开启状态，实时返回测量数据；调节线测头夹具中上侧角位台的旋钮，当获得的数据值最小时，将角位台固定在当前角度值处，此时线测头轴线同标准块yoz平面平行；控制工业机器人沿其y轴平移一段距离lhi，当线测头从标准块横槽边沿e点测量到槽底部时，获得的数据值会发发生突变，测量h点时获得的距离值为lh，测量值突变前获得距离值为le，临界测量到槽底部时获得的距离值为lg，已知标准块槽的深度为lef，由上可以得到线测头与标准块表面法向之间的夹角β1为，

根据余弦定理，有

公式二

公式三

通过上述公式二、三，即解得角位台需要旋转的角度β，手动调整标准块夹持装置的上角位台旋钮，使得标准块y轴同法兰盘y轴平行。

s23：调整标准块的ry，使得标准块x轴同工业机器人法兰盘的x轴平行，从而使得标准块上表面与工业机器人法兰盘平行。保持线测头开启状态，实时返回测量数据；调节线测头夹具中下侧角位台的旋钮，当获得的数据值最小时，将角位台固定在当前角度值处，此时线测头轴线同标准块xoz平面平行；控制工业机器人沿其x轴平移一段距离lmn，当线测头从标准块横槽边沿l点测量到槽底部时，获得的数据值会发发生突变，测量m点时获得的距离值为lm，测量值突变前获得距离值为ll，临界测量到槽底部时获得的距离值为lj，已知标准块槽的深度为llk，由上可以得到线测头与标准块表面法向之间的夹角γ1为，

根据余弦定理，有

公式四

公式五

通过上述公式四、五，即解得角位台需要旋转的角度γ，手动调整标准块夹持装置的下角位台旋钮，使得标准块x轴同法兰盘x轴平行，即将标准块上表面调节至于工业机器人法兰末端平面平行。

具体的，步骤s3包括：

保持线测头开启状态，实时返回测量数据；调节夹持装置中上侧角位台的旋钮，当获得的数据值最小时，将角位台固定在当前角度值处；同样的方法调节夹持装置下侧角位台旋钮，当获得的数据值最小时，将角位台固定在当前角度值处。

具体的，步骤s4包括：

控制工业机器人在不同位姿下对标准块上表面的点进行测量，记录法兰坐标系ecs在工业机器人基坐标系rcs下的位姿并获得线测头的测量值{li}；

在上述步骤的基础上，线测头工作坐标系原点p在工业机器人基坐标系下表示为公式一：

其中表示法兰坐标系ecs相对工业机器人基坐标系rcs的旋转平移变换，表示线测头测量坐标系tcs相对法兰坐标系ecs的旋转平移变换，^tcsp表示线测头坐标系原点。

表示法兰坐标系ecs相对工业机器人基坐标系rcs的旋转变换，表示法兰坐标系ecs相对工业机器人基坐标系rcs的平移变换；表示线测头测量坐标系tcs相对法兰坐标系ecs的旋转变换，表示线测头测量坐标系tcs相对法兰坐标系ecs的平移变换；

令所以有，

所有测量点均在同一平面上，故而^rcsp满足平面约束方程，

n·p-d＝0

n＝[n1,n2,n3]为平面的单位法向量，其中未知量为：

设目标函数为

s.t.

通过二次惩罚函数优化求解方法求解未知量：

目标函数改为

其中u(u>0)为惩罚因子，迭代求解步骤为：

s421：给定残差阈值ε>0，适当选择u1>0，根据线测头的安装结构估计初值w0，k＝1。

s422：以yk-1为初值，通过lm算法(leverberg-marguardt)求解目标函数g(w,u)的近似极小值yk。

s423：当|c(w)|<ε时终止迭代，得到最优解yk；否则，令uk+1＝0.1uk,k＝k+1，重复步骤s422。

总体而言，通过本实用新型所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得以下有益效果：

(1)通过特殊的夹具，配合定制的标准块，可以快速调节标准块表面与法兰平面平行；

(2)本套设备中所用线测头的选择多样化，可以测量多种形状、多种尺寸、和多种材质的零部件，有效减少成本投入，充分发挥工业机器人的高灵活性特点，整套设备使用柔性强。

附图说明

图1是本实用新型的线测头标定装置的使用状态示意图；

图2是本实用新型的线测头标定装置的示意图；

图3是图2的另一视角的示意图；

图4是本实用新型的标准块立体结构示意图；

图5是本实用新型方法的方框结构示意图；

图6是调整标准块rz时角度示意图；

图7是调整标准块rx时角度示意图；

图8是调整标准块ry时角度示意图。

在所有附图中，同样的附图标记表示相同的技术特征，具体为：1、夹具；11、夹具连接板；12、第一角位台；13、第二角位台；14、连接架；2、线测头；3、标准块；4、夹持装置；41、工字型连接架；42、dd马达；43、中间连接板；44、第三角位台；45、第四角位台；46、连接板；47、台面；5、机器人主体。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本使用新型做进一步详细说明。

请参见图1至图4，图1至图4揭示的是一种用于工业机器人测量系统中的线测头标定装置，包括用于与机器人主体5连接的夹具1，位于夹具1下方，用于承载并驱动标准块3的夹持装置4；所述夹具1包括从上至下依次连接的夹具连接板11、第一角位台12、第二角位台13和连接架14，所述夹具连接板11用于与机器人主体5连接，所述连接架14用于与线测头2连接；所述夹持装置4从上至下依次设有工字型连接架41、马达42、第三角位台44、第四角位台45和连接板46，所述工字型连接架41的平台47用于设置标准块3。

优选的，在所述标准块3的上表面设有互相垂直的两条梯形槽31、32，梯形槽31、32的深度预先确定。

优选的，在所述dd马达42和第三角位台44之间设有中间连接板43。

优选的，所述线测头2是激光测距传感器。

优选的，所述激光测距传感器是光谱共焦测量仪。

本实用新型中，所述线测头以采用光谱共焦测量仪为例加以说明，其它的线测头，如所有激光测距传感器都是可以通用的。

请参见图5-图8，本实用新型还提供一种用于工业机器人测量系统中的线测头标定方法，具体流程包括：

s1：将光谱共焦测头2通过夹具1上的安装板11安装在工业机器人法兰末端，标准块3的夹持装置4安装在安装面上，安装面设在工业机器人的工作范围内；

s2：调整标准块夹持装置上的dd马达42、角位台44和角位台45，使得标准块3上表面与法兰盘平面平行。具体的，包括如下步骤：

s21：调整标准块的rz，使得其y轴与工业机器人法兰盘y轴共面。在工业机器人零位下调节法兰盘所连关节角度，使得法兰面与工业机器人底面平行；如图4所示，在工业机器人直角坐标系下，工业机器人带动光谱共焦测头2对标准块上表面进行测量，得到光谱共焦测头工作起点a到标准块表面的距离d；控制光谱共焦测头沿工业机器人x轴方向移动，当光谱共焦测头2的光线从标准块表面测量到横槽的底面时，所获得的数据会发生第一次突变，记测量值发生突变的位置b；令工业机器人带动光谱共焦测头2沿y轴水平运动预定距离lbc到位置c，然后控制光谱共焦测头2沿工业机器人x轴移动，记录测量数据发生第二次突变的位置d，同时记录位置c到位置d之间的距离lcd；通过公式一，即得到将标准块3的y轴调节至与工业机器人y轴共面需要调整夹持装置的dd马达42的角度值α，

公式一

通过控制水平转动装置的dd马达42，使标准块3旋转角度α，从而使标准块3的y轴与工业机器人y轴共面。

s22：调整标准块3的rx，使得其y轴与工业机器人法兰盘y轴平行。如图5所示，保持线光谱共焦测头2开启状态，实时返回测量数据；调节光谱共焦测头夹具1中角位台12的旋钮，当获得的数据值最小时，将角位台12固定在当前角度值处，此时光谱共焦测头2轴线同标准块3的yoz平面平行；控制工业机器人沿其y轴平移一段距离lhi，当光谱共焦测头2从标准块3的横槽边沿e点测量到槽底部时，获得的数据值会发发生突变，测量h点时获得的距离值为lh，测量值突变前获得距离值为le，临界测量到槽底部时获得的距离值为lg，已知标准块3槽的深度为lef，由上可以得到光谱共焦测头2与标准块3的上表面法向之间的夹角β1为，

根据余弦定理，有

公式二

公式三

通过上述公式二、三，即解得角位台需要旋转的角度β，手动调整标准块夹持装置的角位台44旋钮，使得标准块3的y轴同法兰盘y轴平行。

s23：调整标准块3的ry，使得标准块3的x轴同工业机器人法兰盘的x轴平行，从而使得标准块3的上表面与工业机器人法兰盘平行。如图6所示，保持光谱共焦测头2开启状态，实时返回测量数据；调节线测头夹具1中角位台13的旋钮，当获得的数据值最小时，将角位台固定在当前角度值处，此时线测头轴线同标准块3的xoz平面平行；控制工业机器人沿其x轴平移一段距离lmn，当光谱共焦测头2从标准块3的横槽边沿l点测量到槽底部时，获得的数据值会发发生突变，测量m点时获得的距离值为lm，测量值突变前获得距离值为ll，临界测量到槽底部时获得的距离值为lj，已知标准块3的槽的深度为llk，由上可以得到光谱共焦测头2与标准块3上表面法向之间的夹角γ1为，

根据余弦定理，有

公式四

公式五

通过上述公式四、五，即解得角位台需要旋转的角度γ，手动调整标准块夹持装置4的角位台45旋钮，使得标准块3的x轴同法兰盘的x轴平行，即将标准块3的上表面调节至于工业机器人法兰末端平面平行。

s3：调整光谱共焦测头夹具1上的角位台12和角位台13的旋转角度，使光谱共焦测头2的轴线垂直于标准块3的上表面。具体方法为，将光谱共焦测头2移动到标准块3上方，使得标准块3在光谱共焦测头2的工作范围内；保持光谱共焦测头2开启状态，旋转角位台12上的旋钮，当测头获得的数据值最小时，固定角位台12的旋转角度；保持工业机器人位姿不变，旋转角位台13上的旋钮，当侧头获得数据值最小时，固定角位台13的旋转角度，通过上述步骤，即可使光谱共焦测头2的轴线垂直于标准块3的上表面。

s4：标定光谱共焦测头2工作坐标原点在工业机器人基坐标系rcs下的位置。具体操作步骤为：

控制工业机器人在不同位姿下对标准块3的上表面的点进行测量，记录法兰坐标系ecs在工业机器人基坐标系rcs下的位姿并获得光谱共焦测头2的测量值{li}；

在上述步骤的基础上，光谱共焦测头2的工作坐标系原点p在工业机器人基坐标系下表示为公式一：

其中表示法兰坐标系ecs相对工业机器人基坐标系rcs的旋转平移变换，表示光谱共焦测头2测量坐标系tcs相对法兰坐标系ecs的旋转平移变换，^tcsp表示光谱共焦测头2坐标系原点。

表示法兰坐标系ecs相对工业机器人基坐标系rcs的旋转变换，表示法兰坐标系ecs相对工业机器人基坐标系rcs的平移变换；表示光谱共焦测头2测量坐标系tcs相对法兰坐标系ecs的旋转变换，表示光谱共焦测头2测量坐标系tcs相对法兰坐标系ecs的平移变换；

令所以有，

所有测量点均在同一平面上，故而^rcsp满足平面约束方程，

n·p-d＝0

n＝[n1,n2,n3]为平面的单位法向量，其中未知量为：

设目标函数为

s.t.

通过二次惩罚函数优化求解方法求解未知量：

目标函数改为

其中u(u>0)为惩罚因子，迭代求解步骤为：

s421：给定残差阈值ε>0，适当选择u1>0，根据线测头的安装结构估计初值w0，k＝1。

s422：以yk-1为初值，通过lm算法(leverberg-marguardt)，求解目标函数g(w,u)的近似极小值yk。

s423：当|c(w)|<ε时终止迭代，得到最优解yk；否则，令uk+1＝0.1uk,k＝k+1，重复步骤s422。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。