一种改进的大曲率半径曲面零件法向测量与调整方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于先进数字化装配领域，具体涉及一种改进的大曲率半径曲面零件法向 测量与调整方法。用于在机器人及其末端执行器在智能装配（贴片、制孔）过程中，自动识 别计算装配区域的法向信息，根据计算结果进行相应的机器人位姿调整，以便满足法向精 度要求，为进一步的装配提供精度保障。
【背景技术】
[0002] 曲面零件的自动加工和装配过程中，末端执行器需要在曲面的法向上进行制孔或 贴片等操作。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可以提高曲面零件自动加工的质量和效率。
[0003] 目前，曲面零件法向的测量及调整主要采用手动调整法和传感器测量法。人工手 动调整法调整效率低、精度差且调整质量也不稳定；传感器测量法是目前精度较高的测量 方法。专利CN102768006A就属于传感器测量法，该专利基于四个平行安装的电涡流传感 器，PLC数据采集及机器人控制技术，通过一定的算法可以测得曲面上待测区域的法向量， 但是该方法在工程应用中存在一定的问题。该方法中传感器的安装平行于末端执行器进给 方向，曲面上测量区域与电涡流传感器中心所在长方形区域大小相同，测量区域的尺寸比 较大，同时由于测量区域近似处理为平面，用平面的法向代替局部曲面的法向，使存在曲率 的测量范围内曲面几何信息失真。为了提高目标点处法向计算精度，需要缩小测量范围。本 专利从结构设计方面入手，在结构上将四个传感器的安装方向改为向内倾斜锥度安装，从 而缩小壁板上激光测量区域，用测量区域近似平面的法向可较准确的代替该处曲面目标点 的法向，有效提高测量精度。
【发明内容】
[0004] 为了解决现有方法因为传感器安装要求或末端设计问题导致的法向测量范围过 大进而导致精度低的问题，本发明提供一种改进的大曲率半径曲面零件法向测量与调整 方法，采用位移传感器测量壁板曲面上四个点的距离，计算法向误差，生成机器人的调整参 数，控制系统依据参数改变机器人的姿态实现曲面法向的自动调整，从而提高大曲率曲面 零件自动加工和装配的精度和质量。
[0005] 本发明的技术方案为：
[0006] 如图1所示，末端执行器上安装有A、B、C、D四个激光位移传感器，组成传感器系 统，四个激光位移传感器向内倾斜锥度安装，使得激光照射区域小于激光传感器组成的矩 形区域，传感器的安装位置及空间角度图中标明。末端执行器安装在机器人第六关节末端， 在机器人的带动下，到达预设定的空间位置。此时开启传感器进行空间测距，根据四个传感 器采集到的距离信息，计算传感器系统坐标系（工具坐标系）相对于壁板探测区域平面的 偏差角度，即X、Y轴与平面的夹角〇、妒，然后驱动机器人末端相对于传感器坐标系原点转 动相应的角度，通过迭代调整满足精度要求。本方法依次调整两轴的角度误差，由于第一个 轴的角度偏差调整后，传感器系统的坐标系相对于壁板平面相对位置发生变化，在调整第 二个轴角度偏差之前，需再次采集测距信息，依据更新后的测距信息，进行第二轴与平面的 偏差计算与调整控制。整个方法的步骤如下：
[0007] 步骤1 :对末端执行器上四个激光位移传感器组成的传感器系统进行标定：四个 激光位移传感器的测量中心组成一个矩形平面ABCD，测量矩形平面长度AD=a和宽度AB =b，并以矩形平面中心为工具坐标系OXYZ的原点，矩形平面为工具坐标系OXYZ的XY面， OX轴平行于矩形平面宽度方向，OY轴平行于矩形平面长度方向，工具坐标系OXYZ固连在末 端执行器上；四个激光位移传感器向内倾斜锥度安装；A、D两点的激光在同一平面e上，且 该平面e与OZ轴的夹角为a;B、C两点的激光在同一平面G上，且该平面G与OZ轴的 夹角为a;A、B两点的激光在同一平面n上，且该平面n与OZ轴的夹角为P;C、D两点 的激光在同一平面I上，且该平面I与OZ轴的夹角为e;
[0008] 步骤2:控制末端执行器运动到预定工作位置；
[0009] 步骤3:利用激光位移传感器测得激光位移传感器测量中心与工作面距离AAxl、 BBxl、CCxl、DDxl;利用距离AA xl、BBxl、CCxl、DDxl计算OX轴与工作面上的局部平面y的夹角 〇i，所述局部平面y为四个激光位移传感器照射在工作面上的点Axl、Bxl、Cxl、Dxl组成的 面；
[0013] V1V4= b；
[0014] 步骤4:判断夹角〇i是否满足精度要求，若满足，则进入步骤5,如不满足，则调整 末端执行器，使工具坐标系绕OY轴旋转角度〇i，然后返回步骤3 ;
[0015] 步骤5:利用激光位移传感器测得激光位移传感器测量中心与工作面距离AAyl、 BByl、CCyl、DDyl;利用距离AA yl、BByl、CCyl、DDyl计算OY轴与工作面上的局部平面S的夹角 啊，所述局部平面S为四个激光位移传感器照射在工作面上的点\1、8,1、（； 1、11组成的 面；
[0020] 步骤6 :判断夹角Cp1是否满足精度要求，若满足，调整结束，如不满足，则调整末端 执行器，使工具坐标系绕OX轴旋转角度轨，然后返回步骤5。
[0021] 有益效果
[0022] 本发明相比与现有技术，具有以下优点：
[0023] 1)采用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。
[0024] 2)将激光位移传感器与机器人控制系统通过PLC集成，使得该发明具有良好的软 件和硬件扩展性。在机器人端部的测量头上添加设备并与PLC相连，可以方便的扩展设备 的功能。
[0025] 3)四个激光位移传感器向内倾斜锥度安装，使得激光照射区域小于激光传感器组 成的矩形区域，在结构设计上巧妙的提高了测量区域的法向找准精度，避免测量范围过大 而导致的曲面壁板探测区域几何信息失真。
[0026] 本发明优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通 过本发明的实践了解到。
【附图说明】
[0027] 本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变 得明显和容易理解，其中：
[0028] 图1贴片应用不意图；
[0029] 图2末端执行器示意图；
[0030] 图3激光传感器系统及工具坐标系；
[0031] 图4激光位移传感器工作原理示意图；
[0032] 图5末端执行器ZOX平面示意图；
[0033] 图6末端执行器ZOY平面示意图；
[0034] 图7工具坐标系X轴与平面y角度偏差〇;
[0035]图 8V1V^V3V4求解过程；
[0036] 图9工具坐标系Y轴与平面y角度偏差_
[0037]图 10V5V6、V7V8求解过程。
【具体实施方式】
[0038] 下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终 相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附 图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0039] 本实施例要解决现有技术因为传感器安装要求或末端设计问题导致的法向测量 范围过大进而导致精度低的问题。如图1所示，末端执行器上安装有A、B、C、D四个激光位 移传感器，组成传感器系统，四个激光位移传感器向内倾斜锥度安装，使得激光照射区域小 于激光传感器组成的矩形区域，传感器的安装位置及空间角度图中标明。末端执行器安装 在机器人第六关节末端，在机器人的带动下，到达预设定的空间位置。此时开启传感器进行 空间测距，根据四个传感器采集到的距离信息，计算传感器系统坐标系（工具坐标系）相对 于壁板探测区域平面的偏差角度，即X、Y轴与平面的夹角〇、卟然后驱动机器人末端相