一种飞行器异形曲面几何测量装置及方法与流程

[0001]
本发明属于机器人自动化测量领域，具体涉及一种飞行器异形曲面几何测量装置及方法。


背景技术：

[0002]
在航空航天、国防、武器装备制造领域，为了获得良好的产品质量和性能，需要具备较高的几何精度。随着制造业的进步，具有规则形状的产品几何精度可以得到很好的提高，但是，在航空航天、国防、武器装备制造领域中存在大量表面精度要求高且复杂的异形曲面零部件，在制造过程中，为了获得满足几何精度要求的异形曲面零部件，需要对异形曲面零部件进行几何测量。
[0003]
现有技术中，对于异形曲面测量通常采用接触式测量或非接触式测量。
[0004]
接触式测量采用三坐标测量机、关节式测量臂来实现，通过测头与实物的接触获取坐标数据，从而进行零件尺寸的测量，测量精度高、对测量零件的粗糙度、反射性能要求不高，可以直接测量工件的几何特征；但是，接触式测量速度慢，测量过程中需要对测量进行测头半径补偿，测头的性能对测量结果影响很大，不仅测头的各向异性影响测量精度，且在曲面测量中会引入测头补偿误差，同时测头易磨损、易损伤工件表面，另外测头无法应用于深孔、小孔、窄缝的测量。
[0005]
非接触式测量包括反射式测量和穿透式逐层测量。反射式测量包括激光测量、视觉摄影测量等；穿透式逐层测量包括超声波测量、工业ct及mri核磁测量等。其测量原理一般采用视觉检测技术，通过图像传感器接收的光源或光线反射成的像，然后通过对应关系来获取物体表面上各点的实际位置。非接触式测量速度快、不需要进行测头半径补偿，可测量柔软、易碎、不可接触、薄壁件和毛皮等工件，且不会损伤工件表面精度。但是，非接触式测量测量精度低、误差大，无法测量特定几何特征和陡峭面，工件表面质量对测量精度影响较大。
[0006]
因此，当需要对飞行器零部件的异形曲面进行高精度的几何测量时，上述两种方式均无法完全满足测量要求，无法提高飞行器的精密度。


技术实现要素：

[0007]
鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，本发明旨在提供一种飞行器异形曲面几何测量装置及方法，通过非接触测量方式对接触式测量工具的位姿进行调整，满足预定条件后，再通过测量精确的接触式方式对飞行器异形曲面进行初步测量，结合两种测量方式的优势，提高异形曲面几何测量精度，提高飞行器异形表面几何测量的准确性及飞行器本身的精密度。
[0008]
为了实现上述目的，本发明实施例采用如下技术方案：
[0009]
第一方面，本发明实施例提供了一种飞行器异形曲面几何测量装置，所述飞行器异形曲面几何测量装置包括机器人手臂1、六维传感器2、视觉摄影模块3、弹性探针4、固定
块5、第一坐标变换模块6、第二坐标变换模块7和几何参数确定模块8；其中，
[0010]
所述固定块5固定于所述机器人手臂1末端；
[0011]
所述视觉摄影模块3和弹性探针4同时固定在固定块5上，且具有相同的法向量；所述视觉摄影模块3用于通过约束条件对固定块及弹性探针4的位姿进行校正，使固定于固定块5上的弹性探针4与所待测接触点法向夹角小于预设阈值；
[0012]
所述六维传感器2与弹性探针4相连，设置于所述机器人手臂1 末端；所述弹性探针4用于与异形曲面的接触，所述六维传感器2用于测量所述弹性探针4与异形曲面接触时力的六维矩阵参数，并将所述六维参数矩阵发送给所述第一坐标变换模块6；
[0013]
所述第一坐标变换模块6与所述第二坐标变换模块7相连，用于对将传感器坐标系下力的六维参数矩阵变换为探针坐标系下的六维参数矩阵，并通过力的六维参数矩阵解算出接触点在探针坐标系下的变形量，并进一步确定接触点在探针坐标系下的坐标，并发送给所述第二坐标变换模块7；
[0014]
所述第二坐标变换模块7与几何参数确定模块8相连，用于将探针坐标系下的接触点坐标变换为机器人坐标系下的坐标，并将坐标发送给所述几何参数确定模块8；
[0015]
所述几何参数确定模块8用于根据所有接触点的在机器人坐标系下的坐标，确定机器人坐标系下异形曲面的几何参数，并进行展示或发布。
[0016]
作为本发明的一个优选实施例，所述视觉摄影模块3的约束条件，包括倾角约束、景宽约束和景深约束。
[0017]
第二方面，本发明实施例还提供了一种飞行器异形曲面几何测量方法，所述方法包括如下步骤：
[0018]
步骤s1，视觉摄影模块通过约束条件调整弹性探针的位姿，使弹性探针与接触点所在曲面法向的夹角小于预定阈值；
[0019]
步骤s2，将机器人手臂末端的弹性探针接触待测异形曲面，通过六维传感器获取异形曲面接触点与弹性探针间力的六维参数；
[0020]
步骤s3，对所述力的六维参数进行坐标变换，将传感器坐标系下的力参数矩阵转化成探针坐标系下的力参数矩阵，通过力参数矩阵解算出接触点的变形量；
[0021]
步骤s4，通过接触点变形量和测量前探针末端在探针坐标系中的位姿，计算测量后探针末端在探针坐标系中的位姿，从而确定接触点在探针坐标系中的坐标；
[0022]
步骤s5，将接触点在探针坐标系中的坐标转化为机器人坐标系中的坐标，获得机器人系统中异形曲面几何参数。
[0023]
作为本发明的一个优选实施例，所述视觉摄影模块调整时的约束条件包括倾角约束、景宽约束和景深约束；其中，
[0024]
倾角约束为视觉摄影模块和接触点的连线与接触点法向量的夹角小于约束角；
[0025]
景宽约束为视觉摄影模块的取景边界的平分线b
i
与接触点所在曲面法向量反方向-d
i
满足式(2)：
[0026]
(-d
i
)
·
b
i
≥cos(β/2)
ꢀꢀꢀ
(2)
[0027]
式(2)中，β为景宽角,是视觉系统固定参数；
[0028]
所述景深约束为视觉摄影模块的取景景深满足式(3)：
[0029]
l1≤||l-p
i
||≤l2ꢀꢀꢀ
(3)
[0030]
式(3)中，l2＝l
l
+l
dof
,l
dof
表示景深值。
[0031]
作为本发明的一个优选实施例，所述力的六维参数基于传感器坐标系，包括力的三个坐标分量和力矩的三个坐标分量；
[0032]
接触力f
tr
表示为：
[0033]
f
tr
＝[f
ax
f
ay
f
az
m
ax
m
ay
m
az
]
t
ꢀꢀꢀ
(4)
[0034]
式(4)中，f
ax
、f
ay
、f
az
为在传感器坐标系下力的三个坐标分量； m
ax
、m
ay
、m
az
为在传感器坐标系下力矩的三个坐标分量。
[0035]
作为本发明的一个优选实施例，步骤s3中，通过式(5)把在传感器坐标系下的力参数矩阵转化成探针坐标系下的力参数矩阵w：
[0036][0037]
式(5)中，为传感器坐标系下的探针坐标系位姿。
[0038]
作为本发明的一个优选实施例，步骤s3中，通过探针坐标系下的力参数矩阵w，计算探针坐标系下的接触点变形量，进一步为：
[0039]
根据力参数与变形旋量的关系式(13)构建在探针坐标系原点为弹性探针中心时力参数与变形旋量的关系式(14)：
[0040]
s(l)＝c(l)w
ꢀꢀꢀ
(13)
[0041]
式(13)中,c(l)为柔度矩阵，l为探针长度；
[0042]
s(l)＝c
m
w
ꢀꢀꢀ
(14)
[0043]
解算出系数c
m
为：
[0044][0045]
式(14)及(14-1)中，e为探针材料的弹性惯量；i
x
、i
y
为探针对探针坐标系x，y轴的惯性矩；z为探针z轴的任意一点的变形；f 及τ为李代数对偶空间的元素；δ
z
(z)为沿着z轴的移动变形分量，θ
z
(z)为沿着z轴的旋转变形分量；
[0046]
将当前接触点i在探针坐标系下的力参数矩阵带入式(13)中，求得探针与物体的接触点变形量为：
[0047]
s(l)＝c
m
w(i)
ꢀꢀꢀ
(15)。
[0048]
作为本发明的一个优选实施例，步骤s4中，接触点变形量与探针末端存在如下关系：
[0049]
s(l)＝s
e-δs
ꢀꢀꢀ
(16)
[0050]
变形为：
[0051]
s
e
＝s(l)+δs
ꢀꢀꢀ
(17)
[0052]
其中，δs为探针变形前其末端点在探针坐标系下的位姿；s
e
为探针变形后其末端点在探针坐标系下的位姿，为接触点在探针坐标系下的位姿。
[0053]
作为本发明的一个优选实施例，在步骤s5中，根据式(20)将接触点i在探针坐标系中的坐标转换为机器人坐标系下的坐标:
[0054]
[0055]
式(20)中，为探针坐标在机器人坐标系下的位姿。
[0056]
本发明具有如下有益效果：
[0057]
本发明实施例所提供的飞行器异形曲面几何测量装置及方法，首先视觉摄影模块通过约束条件调整弹性探针的位姿，使弹性探针与接触点所在曲面法向的夹角小于预定阈值，机器人手臂末端的弹性探针接触待测异形曲面时，通过六维传感器获取异形曲面接触点与弹性探针间力的六维参数；对力的六维参数进行坐标变换，将传感器坐标系下的力参数矩阵转化成探针坐标系下的力参数矩阵，通过力参数矩阵解算出接触点的变形量；最后通过接触点变形量和测量前探针末端在探针坐标系中的位姿，计算测量后探针末端在探针坐标系中的位姿，从而确定接触点在探针坐标系中的坐标，转化到机器人坐标系中后获得机器人系统中异形曲面几何参数。本发明整合了高精度测量中的接触式测量和非接触式测量的优势，通过非接触式测量首先对接触式测量的工具－弹性探针的位姿进行校正，基于校正后的弹性探针，再通过接触式测量对异形曲面的几何参数进行测量，每更换一次接触点，则校正一次，使得上述校正过程是实时的，同时利用机器人运动学原理得到各接触点在机器人坐标系中的坐标，实现了飞行器零部件异形曲面表面几何结构的自动化高精度测量，提高了飞行器零部件测量的准确性，保证了飞行器制备过程中的精密度。
附图说明
[0058]
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
[0059]
图1是本实施方式中飞行器异形曲面几何测量装置结构及应用实景示意图；
[0060]
图2是本发明实施方式提供的飞行器异形曲面几何测量方法流程图；
[0061]
图3是本发明实施方式中通过约束条件进行弹性探针调整的原理图；
具体实施方式
[0062]
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。
[0063]
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
[0064]
本发明实施方式提供了一种飞行器异形曲面几何测量装置，以视觉摄影测量方式对接触式测量设备如机器人的关节式测量臂，进行校准，将视觉摄影测量的优势转化到接触式测量过程中；再通过接触式测量工具对飞行器异形曲面进行接触式测量，此时的测量已保证了接触式测量工具的位姿准确性，将非接触式测量和接触式测量的优势进行叠加，整合接触式测量和非接触式测量的优势，弥补二者的不足，有效提高异形曲面的测量精度，保证飞行器异形曲面测量的准确性，保证飞行器制造的精密度。
[0065]
图1示出了本实施方式中飞行器异形曲面几何测量装置应用实景示例图。本示例图中，待测异形曲面为单独零件的面，零件可放置于操作台上。本实施方式不仅适用于上述情境，同样适用于安装后的曲面测量，只需将探针末端接触曲面表面即可。如图1所示，在操作台情境下，机器人的手臂1末端具有一个固定块5，在固定块5上固定安装弹性探针4 与视
view，fov)约束、景深(depth of view，dov)约束。
[0078]
其中，视觉引导标定的重要假设是视觉定位，视觉摄影模块与被测点连线应与被测点曲面法矢量共线，但在实际测量过程中，两者一般存在着一个θ夹角(即实际测量时视觉摄影模块所在位置l和被测点p
i
的连线与被测点法向量的夹角，设其为θ),即视觉摄影模块倾角θ，此夹角应小于约束角γ(γ值依具体零部件要求进行设定)。
[0079]
如图3所示,通过如下关系式表达倾角θ约束条件：
[0080]
d
i
·
n
i
≥cos(γ)
ꢀꢀꢀ
(1)
[0081]
式(1)中，d
i
为单位向量，d
i
＝(l-p
i
)/|l-p
i
|；向量d
i
与n
i
之间的夹角为θ，γ为约束角。
[0082]
视觉摄影模块景宽fov校准过程中，扫描点应在对应某条视觉系统视觉光线长度范围内,被测曲面上点到激光头的距离不同,不同位置的有效条纹扫描长度不断变化,与理想扫描情况不同。这里的景宽约束，通过(-d
i
)与b
i
之间的夹角小于视觉系统固有的仪器参数即景宽角β进行限定。
[0083]
如图3所示,通过如下公式表达景宽约束条件：
[0084]
(-d
i
)
·
b
i
≥cos(β/2)
ꢀꢀꢀ
(2)
[0085]
式(2)中，β为视觉系统固有景宽角。
[0086]
视觉摄影模块景深dov校准过程中，被测的接触点必须在一个偏离视觉系统的指定范围内，应满足式(3)，即为景深约束条件。
[0087]
l1≤||l-p
i
||≤l2ꢀꢀꢀ
(3)
[0088]
式(3)中，l2＝l
l
+l
dof
,l
dof
表示景深值。
[0089]
由以上三个约束实现视觉摄影模块对弹性探针的位姿校准。
[0090]
步骤s2，将机器人手臂末端的弹性探针接触待测异形曲面，通过六维传感器获取异形曲面接触点与弹性探针间的六维的力参数矩阵；所述六维的力参数矩阵基于传感器坐标系，包括力的三个坐标分量和力矩的三个坐标分量。
[0091]
本步骤中，所述接触点，是确定异形曲面几何参数的关键点。所述关键点在零部件设计过程中根据零部件的载荷状态、几何结构要求进行确定。
[0092]
步骤s3，对所述力的六维参数进行坐标变换，将传感器坐标系下的力参数矩阵转化成探针坐标系下的力参数矩阵，通过力参数矩阵解算出接触点的变形量。
[0093]
本步骤中，通过式(5)把在传感器坐标系下的力参数矩阵转化成探针坐标系下的力参数矩阵：
[0094][0095]
式(5)中，为传感器坐标系下的探针坐标系位姿。
[0096]
再通过探针坐标系下的力参数矩阵w，计算探针坐标系下的接触点变形量。
[0097]
设探针长度为ι、密度为ρ、横截面积为a的均匀梁。ao是探针没有发生变形的位置,曲线ab是探针实际测量时发生变形后的位置。当探针处于平衡状态时,只有末端作用一空间力向量w,其中,
[0098][0099]
是李代数对偶空间的元素。与自由状态相比,受末端力的作用，沿着探针l的z轴方向的任何一点z的变形，被定义为一个twist或变形螺旋：
[0100][0101]
其中,θ(z)表示z点的三个旋转变形分量,δ(z)表示z点三个移动变形分量，分别对应于z点的子坐标系。
[0102]
弹性探针末端点的变形可转换成一个六维向量方程式：
[0103]
s(l)＝(θx(l),θy(l),θz(l),δx(l),δy(l),δz(l))
t
ꢀꢀꢀ
(6)
[0104]
式(6)中,θx(l),θy(l),θz(l)和δx(l),δy(l),δz(l)分别为关于探针坐标系坐标轴的三个角变形分量和位移变形分量。
[0105]
通过弹性变形分析与运动学理论可以得到，对于z点：
[0106][0107][0108][0109][0110]
沿着z轴的长度变形分量δ
z
(z)、旋转变形分量θ
z
(z)与f
z
、τ
z
的关系式为：
[0111]
gj
z
θ
z
(z)＝zτ
z
ꢀꢀꢀ
(11)
[0112]
eaδ
z
(z)＝zf
z
ꢀꢀꢀ
(12)
[0113]
式(7)～(12)中，e为探针材料的弹性惯量；i
x
、i
y
为探针对探针坐标系x，y轴的惯性矩；z为探针z轴的任意一点的变形；f及τ为李代数对偶空间的元素，g为剪切模量，a为探针横截面积。
[0114]
由式(7)～(12)，建立弹性探针空间变形旋量s与空间受力w的关系式(13):
[0115]
s(l)＝c(l)w
ꢀꢀꢀ
(13)
[0116]
式(13)中,c(l)为柔度矩阵，l为探针长度；
[0117]
当把探针坐标系建立在弹性探针的中心时,根据运动学理论，式(13) 变形为：
[0118]
s(l)＝c
m
w
ꢀꢀꢀ
(14)
[0119]
解算出系数c
m
为：
[0120]
[0121]
利用式(14)把探针与物体的接触点i探针坐标系下受的力转化成在该坐标系下的变形为：
[0122]
s(l)＝c
m
w(i)
ꢀꢀꢀ
(15)。
[0123]
步骤s4，通过接触点变形量和测量前探针末端在探针坐标系中的位姿，计算测量后探针末端在探针坐标系中的位姿，从而确定接触点在探针坐标系中的坐标。
[0124]
本步骤中，接触点变形量与探针末端存在如下关系：
[0125]
s(l)＝s
e-δs
ꢀꢀꢀ
(16)
[0126]
变形为：
[0127]
s
e
＝s(l)+δs
ꢀꢀꢀ
(17)
[0128]
其中，δs为探针变形前其末端点在探针坐标系下的位姿；s
e
为探针变形后其末端点在探针坐标系下的位姿，为接触点在探针坐标系下的位姿。即为接触点在探针坐标系下的位姿。
[0129]
步骤s5，将接触点在探针坐标系中的坐标转化为机器人坐标系中的坐标，获得机器人系统中异形曲面几何参数。
[0130]
本步骤中，在确定物体上的一点p在探针坐标系中的坐标后，探针坐标系下的坐标转换为机器人坐标系下的坐标。
[0131]
根据d-h法对该机器人各杆件建立坐标系，再根据d-h法构建机器人运动模型,可得出探针坐标系(探针坐标系)在机器人坐标系下的坐标信息:
[0132][0133]
简化后为：
[0134][0135][0136]
式(19)中，为坐标系7系在基坐标系下的位姿；为探针坐标系(探针坐标系)在坐标系7系的位姿。
[0137]
根据上述转换关系将接触点i在探针坐标系中的坐标转换为机器人坐标系下的坐标，得式(20)。
[0138][0139]
式(20)中，为探针坐标在机器人坐标系下的位姿。
[0140]
通过式(20)计算接触点在机器人坐标系中的坐标。在获得所有接触点在机器人坐标系中的坐标后，即得到异形曲面在机器人坐标系中的几何参数。
[0141]
由以上技术方案可以看出，本发明实施方式所提供的飞行器异形曲面几何测量装置及方法，首先通过视觉影像中的非接触测量方法对接触测量的工具，如弹性探针，进行位姿校正；再按照一定的路径规划,依次对被测物体的异形曲面表面的特征点进行测量,运用机器人运动学原理得到各特征点在机器人坐标系中的坐标，实现了飞行器零部件异形曲面表面几何结构的自动化高精度测量。
[0142]
以上描述仅为本发明的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人
员应当理解，本发明中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本发明中公开的(但不限于) 具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。