本发明属于复杂构件在位测量，特别涉及一种并联机器人复杂构件廓形接触式在位测量系统和方法。
背景技术：
：：1、在航空航天、能源动力和汽车船舶等国民经济重点工业领域中，存在大量的关键复杂构件，如天线罩等，实现关键复杂构件高效制造意义重大。在此类关键复杂构件加工过程中，需要在位获取构件的准确几何形状描述，以指导后续加工工艺，从而保证该类构件的加工质量与效率。2、现有测量方法主要分为接触式测量和非接触式测量。常规接触式测量方法，如三坐标测量机等，可以获得精度较高的构件廓形点位数据，但复杂构件需进行二次装夹，从而引入误差，无法实现复杂构件的在位自动高效测量。以光学测量为代表的非接触式测量方法，如三维激光扫描仪等，扫描精度快速、效率高，在大尺度面型测量中应用广泛，但其测量精度较低，且往往需要在被测对象表面粘贴标志点，难以满足该类复杂构件洁净度要求，同时受限于设备景深约束，无法实现复杂构件全廓形测量。随着机器人技术的快速发展，结合并联机器人稳定性强、误差小的优势，将并联机器人与接触式位移传感器集成，为复杂构件廓形在位高精高效测量提供了一种有效方法。因此，在加工环境中建立一种并联机器人复杂构件廓形接触式在位测量系统，对提高复杂构件的加工质量与效率具有重要意义。3、现有技术文献1“a sampling-based motion planning method for activevisual measurement with an industrial robot”，该文献提出一种基于工业机器人的测量系统，通过固定在机器人末端的相机对构件进行图像抓取和点云重构，实现目标构件的特征测量，然而工业机器人累积误差较大，且该测量系统容易受构件颜色、光洁度等影响，因此，具有一定的局限性；4、现有技术文献2“an adaptive computer-aided path planning to eliminateerrors of contact probes on free-form surfaces using a 4-dof parallel robotcmm and a turn-table”，该文献提出采用四自由度并联装置结合触发式测头集成测量系统，结合并联装置累积误差小、动态性能好和接触式测量方法高精度的特点，有效提高了系统的检测精度。然而，触发式测头测量效率较低，难以实现复杂构件的高效测量。技术实现思路1、本发明为克服现有技术的缺陷，发明了一种并联机器人复杂构件廓形接触式在位测量系统，实现复杂构件在位高精高效测量。该系统通过并联机器人、一维接触式位移传感器、传感器连接机构、构件仿形夹具组成的接触式测量装置，在加工环境中建立在位测量系统，在加工过程中保证工位不变的情况下，结合测量轨迹规划，对复杂构件廓形进行接触式扫描测量，可有效避免因二次装夹引入误差，进而有效提高加工精度与效率。2、本发明所述的技术方案是一种并联机器人复杂构件廓形接触式在位测量系统，特征在于，在位测量系统由并联机器人和支撑架、一维接触式位移传感器、传感器连接机构、仿形夹具组件组成。3、采用并联机器人2为接触式测量系统提供测量所需运动轨迹，并联机器人2简化后由静平台、主动臂、从动臂、末端动平台构成；整个并联机器人2安装在并联机器人支撑架1上；4、所述传感器连接机构分别由机器人末端转件板9、加长测杆3和位移传感器安装板7构成，机器人末端转接板9固连在并联机器人2动平台下方，加长测杆3两端加工有螺纹，一端通过螺纹固定连接在机器人末端转接板9中，另一端与位移传感器安装板7连接，传感器安装板7为45°l型结构，位移一维接触式位移传感器8通过旋紧螺母固定安装在位移传感器安装板7l型结构一侧；通过控制并联机器人末端动平台运动，实现接触式位移传感器测头测量轨迹的精准控制；通过控制并联机器人在笛卡尔空间中运动和第四轴旋转运动，可实现复杂构件三维廓形测量。5、所述仿形夹具组件由左、右部仿形夹板10、12、底部支撑板5、锁紧螺栓11和井字连接梁组成；其中，井字连接梁由左、右连接横梁6和前后井字形连接梁13固定连接而成；底部支撑板5中间加工有锥形安装孔，底部支撑板5水平安装在地上，其中心与加长测杆3同心；井字连接梁固定在并联机器人支撑架1中；左、右仿形夹板10、12固定在井字连接梁中的左、右连接横梁6上，被测工件4安装在水平设置的左、右仿形夹板10、12中，被测工件4底部安装在支撑板5锥形安装孔中，实现被测工件的定心与支撑固定；在左、右仿形夹板10、12的前侧与后侧加工有对称分布的安装孔位，通过旋转锁紧螺栓11，驱使左、右仿形夹板左右两侧远离或者靠近，从而使得左、右仿形夹板10、12对被测工件4的夹紧力得到改变；6、一种并联机器人复杂构件廓形接触式在位测量方法，其特征是，该测量方法采用复杂构件廓形接触式在位测量系统，标定并联机器人基坐标系与位移传感器的测头相对位姿，建立待测复杂构件工件坐标系；然后根据复杂构件cad模型提取点位特征，规划并联机器人测量轨迹；利用接触式位移传感器获取并联机器人末端运动轨迹与复杂构件表面距离变化，通过在并联机器人末端轨迹叠加实测位移变化，实现复杂构件表面空间点位数据获取；最终将复杂构件多部位点位数据进行拟合重建，从而实现被测复杂构件廓形测量。方法的具体操作步骤如下：7、步骤1，建立待测复杂构件工件坐标系8、采用复杂构件廓形接触式在位测量系统，将并联机器人基坐标系作为全局测量坐标系，建立待测复杂构件工件坐标系，并通过并联机器人正运动学方程及坐标变换理论求解坐标系间转换关系；9、首先，根据delta并联机器人简化几何模型，以并联机器人静平台中心为坐标原点，xw轴通过主动臂1转轴轴线中心点，zw轴正向垂直静平台向上，根据右手定则确定yw轴正向，建立并联机器人基坐标系{ow-xwywzw}，将其作为全局测量坐标系。以并联机器人末端动平台中心为坐标原点，垂直于末端动平台平面向上为ze轴正向，末端动平台绕zw轴方向旋转角θ4＝0时基坐标系xw轴正向为xe轴正向，根据右手定则确定ye轴正向，建立并联机器人末端坐标系{oe-xeyeze}；10、根据并联机器人正运动学方程，由并联机器人正向运动学原理，求解从并联机器人末端坐标系{oe-xeyeze}到并联机器人基坐标系{ow-xwywzw}之间的转换关系：11、12、其中，f表示并联机器人正向运动学方程，θ1,θ2,θ3为并联机器人主动臂输入驱动角度，θ4为并联机器人末端动平台绕其基坐标系zw轴方向旋转的输入角，角位移方向符合右手定则，xe,ye,ze为并联机器人末端动平台中心相对并联机器人基坐标系原点偏移量，wte为并联机器人末端坐标系到并联机器人基坐标系的坐标变换矩阵。13、以接触式位移传感器零位状态下传感器测头中心为传感器坐标系原点，以传感器轴线远离测头方向为传感器坐标系zt轴正向，以并联机器人末端坐标系ye轴正向为传感器坐标系yt轴正向，根据右手定则确定xt轴正向，建立接触式位移传感器坐标系{ot-xtytzt}。基于传感器安装尺寸，通过坐标变换求解零位状态下传感器坐标系{ot-xtytzt}到并联机器人末端坐标系{oe-xeyeze}的转换关系：14、15、其中，dx、hz为传感器测头中心相对并联机器人末端动平台中心在机器人基坐标系下xw、zw方向上的偏置距离，θt为传感器轴线相对并联机器人末端坐标系ze轴正向的夹角，ett为位移传感器坐标系到并联机器人末端坐标系的坐标变换矩阵。16、根据所述并联机器人末端坐标系到并联机器人基坐标系的转换矩阵wte和位移传感器坐标系到并联机器人末端坐标系的转换矩阵ett，得到从接触式位移传感器坐标系{ot-xtytzt}到并联机器人基坐标系{ow-xwywzw}之间的转换矩阵：17、wtt＝wteett (3)18、以回转体罩壳类复杂构件为例，以待测复杂构件顶部圆周圆心为工件坐标系原点，以垂直于圆环所在平面指向并联机器人的方向为工件坐标系zm轴正向，以并联机器人基坐标系yw轴正向为工件坐标系ym轴正向，根据右手定则确定xm轴正向，建立工件坐标系{om-xmymzm}。通过位移传感器在工件顶端内侧圆周进行单点测量，记录测点在并联机器人基坐标系下的空间坐标pj(j≥3)，采用最小二乘法拟合测点数据，获得并联机器人基坐标系下工件顶端内侧圆周圆心坐标。求解从工件坐标系到并联机器人基坐标系的转换矩阵：19、20、其中，(xm,ym,zm)为工件顶部圆周圆心在并联机器人基坐标系下的坐标，θm为工件坐标系zm轴正向与并联机器人基坐标系zw轴正向夹角。21、步骤2，规划并联机器人测量轨迹22、基于传感器测针尖端半径求解偏置曲面，生成相应的测头轨迹曲线，基于工件坐标系-机器人基坐标系转换关系求解机器人测量轨迹。23、以接触式位移传感器测针尖端球头半径r为偏置距离，基于待测工件三维模型，沿被测曲面s正法线法向求解偏置曲面sr。基于待测工件cad模型，依据工件ymomzm平面内母线方程，按照zm负方向等距分布计算曲线上的测点位置，采用平行截面法确定所有测量曲线位置。然后基于ymomzm平面上工件截面曲线测点位置，根据待测工件cad模型计算每层测量曲线在工件坐标系下的测点路径mpi；24、根据工件坐标系-并联机器人基坐标系转换关系，将工件坐标系下测点路径，转换至并联机器人基坐标系下，求解并联机器人基坐标系下测头轨迹：25、(wpti,1)t＝wtm(mpi,1)t (5)26、其中，wpti为并联机器人基坐标系下测头运动轨迹，i为测点序号；27、进而，依据并联机器人逆运动学求解所有测点对应并联机器人输入驱动角，验证相应测点位置的主动臂输入驱动角是否满足机器人驱动角范围；28、步骤3，获取复杂构件表面实际空间点位数据29、根据求解所得并联机器人基坐标系下测头运动轨迹wpti，控制并联机器人对工件进行全特征接触式扫描测量，位移传感器记录并输出每个测点处测头的位移变动量δdi，根据传感器坐标系到并联机器人基坐标系的转换矩阵wtt，将传感器测得一维位移转换至并联机器人基坐标系下，并分解为三维分量，进一步将测头位移量叠加至并联机器人运动轨迹，得到并联机器人基坐标系下测头实际运动轨迹：30、31、其中，wpri为并联机器人基坐标系下测头实际运动轨迹，(wδdxi,wδdyi,wδdzi)t＝wrt·(0,0,δdi)t为传感器测得偏移量在并联机器人基坐标系下的表示，wrt为wtt的旋转矩阵。最终获得复杂构件表面在并联机器人基坐标下实际空间点位数据。32、步骤4，复杂构件多部分点位数据拟合重建33、根据步骤3所得并联机器人基坐标系下测头实际运动轨迹wpri，即被测复杂构件表面点位数据，通过最小二乘法将复杂构件表面测点数据进行拟合，重建复杂构件型面，最终获得复杂构件廓形；34、通过最小二乘法将复杂构件表面测点数据进行拟合，求解复杂构件重构曲面u’，获得复杂构件实际型面，并对比曲面重构所获得的重构曲面u’和原始cad模型曲面u的偏移量，求解实际构件偏差；理论曲面与实际测量曲面的最大偏差是沿着实际测量曲面上一点法矢方向上的最大偏差距离du'umax：35、du'umax＝max(||wpri-wpti||) (7)36、wpri为实际测量曲面上的点，即实际测量所得测点，wpti为理论曲面上的点，即规划所得理论测点。37、本发明的显著效果和益处是该系统结合了并联机器人精度高、空间可达性好等优点，将并联机器人与接触式位移传感器集成，有效克服了扫描式测量方法受空间位置干涉无法实现复杂构件全特征测量、三坐标测量系统引入二次装夹误差等问题，在加工过程中保持复杂构件工位不变的情况下，结合测量规划，对其廓形进行接触式扫描测量，实现复杂构件廓形测量与重建。该在位测量系统与方法可广泛应用于飞行器雷达天线罩等复杂构件廓形的高精在位测量中，有效避免因重复搬运、二次装夹等过程引入的误差，可提高加工精度与效率。38、本发明在位测量系统设计中仿形夹具组件和传感器连接机构结构简单，安装调整方便，测量精度高。当前第1页12当前第1页12