CN103512511A

CN103512511A - 一种基于激光跟踪仪的大型面自动化测量方法

Info

Publication number: CN103512511A
Application number: CN201310444127.8A
Authority: CN
Inventors: 田威; 袁正茂; 韩锋; 李鸣阳; 王杰
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics; Chengdu Aircraft Industrial Group Co Ltd
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics; Chengdu Aircraft Industrial Group Co Ltd
Priority date: 2013-09-26
Filing date: 2013-09-26
Publication date: 2014-01-15

Abstract

本发明涉及一种基于激光跟踪仪的大型面自动化测量方法，该方法以导航小车作为直角三坐标伺服机构的载体，提取待测产品理论数据并进行路径规划与优化，采用激光跟踪仪建立沿直角三坐标伺服机构三轴方向的坐标***，通过坐标变换建立该坐标系与产品坐标系的关系，将提取的产品理论数据坐标用最小二乘法转换到直角三坐标坐标系下，从而控制直角三坐标伺服机构的自动运行，实现对多站位上的产品连续、高精度、高效率测量。

Description

一种基于激光跟踪仪的大型面自动化测量方法

技术领域

本发明涉及激光测量技术领域，特别涉及一种基于激光跟踪仪的大型面自动化测量方法。

背景技术

随着现代制造技术的迅速发展，企业对产品的性能提出了越来越高的要求，尤其是对大型复杂曲面不仅要求制造周期短，而且制造精度要求高。因此，对大型面表面轮廓的三维测量技术成为了国内外研究的热点之一，它被广泛应用于航空航天、汽车、在线监测与机械制造等领域。

当前，针对大型面的测量一般采用的设备包括大型龙门式三坐标测量机、便携式关节臂测量***及激光跟踪仪。大型龙门式三坐标测量机测量精度高，但是体积庞大、便携性、灵活性差；便携式关节臂柔性较好，但是对大型面的测量需要统一多台关节臂的坐标；激光跟踪仪作为一种三维数字化测量技术迅速发展，给制造业虽然带来了很大便捷，但激光跟踪仪作为一种测量工具，通过人工手持靶标对点进行逐个测量不仅测量效率低，而且精度不高，同时增加了工人劳动量，特别是对一些测量线、大型复杂曲面等的测量。因此，在这种情况下需要根据待测曲面的形状，设计合理的测量方案，以及设计必要的一系列辅助装置，从而达到测量目标。例如，对多站位上的飞机大尺寸翼面进行三维测量，测量点数很多，工作量大，人工测量难以完成。鉴于激光跟踪仪无法完成这类测量数据工作量较大的曲面的测量，因此需要设计一套测量方案及测量装置，通过对待测曲面进行数据提取，然后以上位机与该辅助装置、上位机与激光跟踪仪进行数据通讯，实现这类曲面的方便快捷、全自动、快速、高精度测量。

中国专利 “一种基于激光跟踪仪的大型面形测量的辅助装置及测量方法”（公告号CN102607464A），文中公开的辅助装置主要包括四驱小车，安装在小车前端的平行四边形升降机构组成。升降机构一侧安装在一个圆盘上，通过四个螺栓将圆盘安装在小车上，激光跟踪仪的靶标安装在升降机构上，当小车运动时升起靶标不与被测面接触，测量时下降与被测面充分接触。通过实时测量靶标与跟踪头各自的空间角度，然后改变靶标的姿态实现靶标与跟踪头自动对准。该方法能有效避免测量过程中出现的断光现象，但是在实际应用中还存在以下不足：

1) 没有实现对靶标的运动进行自动控制，在实际操作过程中测量工作量大；

2) 无法实现靶标准确定位，只能靠人工观测，因此靶标定位精度低。同时没有安装限位开关，无法判断靶标是否过度接触产品。

3) 该方法中的四驱小车无法准确到达测量位置以及在两个测量区域之间测量机构的自动移动；

4) 该方法不适合大型面的自动化测量。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种基于激光跟踪仪的大型面自动化测量方法，该方法能够满足工程中大尺寸测量的需要，可以实现对多站位的产品进行高精度、高效率、自动化测量。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于激光跟踪仪的大型面自动化测量方法，该方法中作为待测产品的大型面由工装装夹并固定，采用的测量工具包括导航小车、直角三坐标伺服机构、靶标、计算机控制***及激光跟踪仪，其中直角三坐标伺服机构安装在导航小车上，靶标被夹持在直角三坐标伺服机构上，计算机控制***分别连接导航小车、直角三坐标伺服机构及激光跟踪仪并实现数据通信；该方法包括以下步骤：

1) 提取待测产品的点位信息；

在产品数模上生成特征线，根据测量规范，由特征线生成测量点，最后对生成的测量点进行数据提取；

2) 采用离线编程对直角三坐标伺服机构与导航小车进行路径规划与优化；

对所提取的测量点进行路径规划，同时对路径进行优化，使测量所耗时间最短，并生成相应的退刀点，防止测量过程中靶标划伤产品；

3) 确定待测产品位置，控制小车到位；

4) 建立激光跟踪仪坐标系与工装坐标系的关系；

5) 建立工装坐标系与直角三坐标坐标系的关系；

6) 控制测量机构运行，进行数据采集与存储；

7) 将提取的产品数据坐标转到直角三坐标坐标系下，根据相应的路径规划，控制直角三坐标伺服机构运行，通过进给机构两次进给使靶标接触待测产品，进给机构与夹持机构处的弹簧被压缩，当压缩量达到一定限度时，压力信号开关产生信号，此时进给机构停止进给，激光跟踪仪对靶标进行数据采集并存储，完成后再测量下一待测点，直到全部测量结束；倘若在测量过程中测量区域超过直角三坐标伺服机构的测量范围，根据离线编程的任务规划，计算机将自动发送相应指令给导航小车控制器，控制小车到达下一测量区域。

步骤3）控制小车到位的具体过程为：通过遥控器控制导航小车到达待测区域大致位置。再在待测产品的工装上确定一既平行于地面又平行于工装面的一目标向量，当控制小车移动时，每隔一定时间测量靶标当前位置，计算当前位置与上一靶标位置之间组成的向量与目标向量的角度偏差，采用直线插补方式补偿小车偏差使其准确到达目标位置。

步骤4）是通过预先在测量工装上设置7个工艺孔，并确定该7个工艺孔在激光跟踪仪下的精确坐标，再采用13参数最小二乘法建立激光跟踪仪坐标系与工装坐标系的关系。

步骤5）过程是控制直角三坐标三轴运动到空间不同的7个已知点，通过激光跟踪仪测量这7个靶标位置在工装坐标系下的坐标，采用13参数最小二乘法建立工装坐标系与直角三坐标系的关系。

步骤7）中两次进给的过程为：首次进给时，激光跟踪仪实时采集数据以补偿三轴运动误差；根据所提取的待测件数据控制直角三坐标快速进给，使靶标快速靠近待测件，此时通过激光跟踪仪实时采集的数据与理论位置的偏差以补偿快速进给过程中三轴运动所产生的误差；补偿结束后，控制直角三坐标二次进给到位，使靶标接触待测件。同时实时采集靶标位置坐标进行误差补偿，防止运行过程中靶标走偏或者靶标没有接触待测件进给机构就停止进给的现象，实现了测量过程的全闭环控制，提高了靶标的定位精度。

与现有技术相比，本发明的优点在于：1、可对多站位上的产品进行测量；2、测量精度高；3、可根据测量对象进行自动化测量；4、制造成本低，不随测量范围的增大而增加投资；5、适合工程中大尺寸测量。

附图说明

图1为基于激光跟踪仪的自动化测量示意图，图中：1为待测产品，2为靶标，3为弹簧，4为压力信号开关，5为一个限位开关，6为产品工装，7为直角三坐标伺服机构，8为立柱，9为滑台，10为计算机，11为激光跟踪仪，12为地面，13为导航小车，14为进给机构，15为夹持机构。

图2为控制算法示意图。

图3为***工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1所示，待测产品1由工装6装夹，工装稳固的支撑在地面12上。本方法所采用的自动化测量装置，包括直角三坐标伺服机构7、计算机控制***10、激光跟踪仪11、导航小车13；直角三坐标伺服机构7由立柱8、滑台9、进给机构14、夹持机构15组成；夹持机构15末端夹持靶标2，可分别沿滑台9、进给机构14、立柱8实现X方向、Y方向、Z方向运动。夹持机构15与进给机构14连接处安装有一弹簧3、一个压力信号开关4和一个限位开关5，弹簧3用于靶标2接触产品1时的缓冲作用，压力信号开关4用于感知靶标2接触产品1的信号，限位开关5用于防止靶标2过度接触产品1而损伤产品1；立柱8侧面、滑台9侧面、进给机构14的滑台侧面各安装有2个限位开关和1个复位开关，两限位开关用于控制直角三坐标伺服机构7的三轴行程，复位开关用于控制三轴复位；为了防止在测量过程中产生断光现象，整个进给装置可以沿X方向自由偏置；当测量过程中测量区域超过了直角三坐标伺服机构7的测量范围时，根据离线编程对直角三坐标伺服机构及导航小车的路径规划，计算机将自动控制导航小车13运动到下一测量区域。

如图2所示，基于激光跟踪仪的自动化测量方法所采用的控制算法是：对产品上每个测量点的测量采用两次进给方式。第一次通过控制X轴、Z轴同时到位，再控制进给轴Y进给80%，使靶标2靠近测量点，同时激光跟踪仪11实时采集靶标的当前坐标，以当前坐标和所提取的产品理论坐标之差再次控制直角三坐标X轴和Z轴运动以补偿第一次X轴、Z轴运动产生的误差，补偿结束后再次控制进给轴Y进给到位。倘若靶标2没有正确接触测量点或者靶标2没有接触测量点进给机构14就停止进给，则通过激光跟踪仪11实时采集的数据与产品理论数据坐标进行对比，控制靶标2正确接触到位。

如图3所示，在上述测量控制算法的基础上，本发明提供了运用该测量装置的基于激光跟踪仪的测量方法：其步骤包括：

1) 提取待测产品1相对于产品坐标系的理论坐标，根据图2所示的控制算法将理论坐标转换到相对于直角三坐标坐标系下；

2) 根据直角三坐标伺服机构7及导航小车13精度算法编写控制程序与通讯程序，实现两则之间的集成；

3) 控制导航小车13直线到达目标位置；

设

Figure 2013104441278100002DEST_PATH_IMAGE002

(k,m,n)为平行于工装6并且平行于地面12的向量。导航小车13开始运行前，先将直角三坐标伺服机构7复位，用激光跟踪仪11测量靶标2起始点位置坐标Q（x,y,z）；然后计算机10发送距离L给导航小车控制器控制导航小车13运行，在导航小车13运行第一个3s结束时，用激光跟踪仪11测量出靶标2当前坐标为Q1(x1,y1,z1)，得出小车前行的向量为

Figure 2013104441278100002DEST_PATH_IMAGE004

(x1-x,y1-y,z1-z)，则小车与工装的偏差角度计算为：

Figure 2013104441278100002DEST_PATH_IMAGE008

通过上式可以判断导航小车13相对于工装6偏转了多大的角度，但是并不知道小车是朝着工装6方向偏转还是背离工装6偏转，因此需要进一步作判断。由上面两个向量可以求出其叉乘，即：

Figure 2013104441278100002DEST_PATH_IMAGE010

令 Signal1=m(z1-z)-n(y1-y)；

Signal2=n(x1-x)-k(z1-z)；

Signal3=k(y1-y)-m(x1-x)；

导航小车13朝着工装方向偏转和背离工装偏转两种情况下Signal1、 Signal2、 Signal3中必有一个数值符号与其他两个相反。当计算机计算出偏转角度与偏转方向后，将相应的变量发送给导航小车控制器控制导航小车往直线方向前进，第一次插值结束。当下一个3s到来的时候，用激光跟踪仪11测量靶标2当前位置的坐标，将上一个3s停止时激光跟踪仪11测量的靶标2位置的坐标作为第二次插值的起始坐标，插值计算同上。连续进行这样的插值并不能保证导航小车13正好运行完时处于走直线状态，当计算出的角度

规定在

1⁰时控制导航小车13左右两个驱动轮同步前进，这样就可以保证程序在小车运动过程中能跳出插值循环。

4) 当导航小车13到位后，连接激光跟踪仪11，选择测量坐标系；

5) 将直角三坐标坐标系下的理论坐标发送给直角三坐标控制器；

设P1（x1,y1,z1）是直角三坐标坐标系下的理论点，P2(x2,y2,z2)是直角三坐标坐标系下靶标的当前坐标。首先，将(x1- x2)、(z1- z2)值发送到直角三坐标控制器控制直角三坐标X轴、Z轴连动，X、Z轴到位后再将(y1-y2) ×80%值发送到控制器控制进给轴Y前进80%的距离，直到Y轴进给停止。当Y轴运动完成后，用激光跟踪仪实时测量的当前位置的坐标P3(x3,y3,z3)。为了纠正前一次运行过程中X轴、Z轴运动的偏差，将(x1-x3)、(z1-z3)值发送到控制器控制直角三坐标X轴、Z轴再次运动，运动到位后将(y1-y3)值发送到控制器控制进给轴Y轴运动，正常情况下当Y轴到位后靶标已经接触产品，倘若靶标未接触产品进给轴就停止运动或者靶标没有正确接触待测点，则再次用激光跟踪仪实时测量的靶标当前位置坐标，通过差值控制靶标继续运动，直至靶标正确到位，当测量完成时，测量机构自动测量下一待测点，直至全部测量工作完成。倘若测量区域超过直角三坐标的测量范围，此时计算机将根据离线编程的路径规划促使计算机自动发送相应命令给导航小车控制器控制小车到达下一测量区域。

本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种基于激光跟踪仪的大型面自动化测量方法，该方法中作为待测产品的大型面由工装装夹并固定，采用的测量工具包括导航小车（13）、直角三坐标伺服机构（7）、靶标（2）、计算机控制***（10）及激光跟踪仪（11），其中直角三坐标伺服机构（7）安装在导航小车（13）上，靶标（2）被夹持在直角三坐标伺服机构（7）上，计算机控制***（10）分别连接导航小车（13）、直角三坐标伺服机构（7）及激光跟踪仪（11）并实现数据通信；其特征在于，该方法包括以下步骤：

1) 提取待测产品的点位信息；

3) 确定待测产品位置，控制小车到位；

4) 建立激光跟踪仪坐标系与工装坐标系的关系；

5) 建立工装坐标系与直角三坐标坐标系的关系；

6) 控制测量机构运行，进行数据采集与存储；

7）将提取的产品数据坐标转到直角三坐标坐标系下，根据相应的路径规划，控制直角三坐标伺服机构运行，通过进给机构两次进给使靶标接触待测产品，进给机构与夹持机构处的弹簧被压缩，当压缩量达到一定限度时，压力信号开关产生信号，此时进给机构停止进给，激光跟踪仪对靶标进行数据采集并存储，完成后再测量下一待测点，直到全部测量结束；倘若在测量过程中测量区域不在直角三坐标伺服机构测量范围内，根据离线编程的路径规划，计算机将自动发送相应指令给导航小车控制器，控制小车到达下一测量区域。

2.根据权利要求1所述的基于激光跟踪仪的大型面自动化测量方法，其特征在于，步骤3）控制小车到位的具体过程为：通过遥控器控制导航小车到达待测区域大致位置。再在待测产品的工装上确定一既平行于地面又平行于工装面的一目标向量，当控制小车移动时，每隔一定时间测量靶标当前位置，计算当前位置与上一靶标位置之间组成的向量与目标向量的角度偏差，采用直线插补方式补偿小车偏差使其准确到达目标位置。

3.根据权利要求1或2所述的基于激光跟踪仪的大型面自动化测量方法，其特征在于，步骤4）是通过预先在测量工装上设置7个工艺孔，并确定该7个工艺孔在激光跟踪仪下的精确坐标，再采用13参数最小二乘法建立激光跟踪仪坐标系与工装坐标系的关系。

4.根据权利要求3所述的基于激光跟踪仪的大型面自动化测量方法，其特征在于，步骤5）过程是控制直角三坐标三轴运动到空间不同的7个已知点，通过激光跟踪仪测量这7个靶标位置在工装坐标系下的坐标，采用13参数最小二乘法建立工装坐标系与直角三坐标系的关系。

5.根据权利要求1或2所述的基于激光跟踪仪的大型面自动化测量方法，其特征在于，步骤7）中两次进给的过程为：首次进给时，激光跟踪仪实时采集数据以补偿三轴运动误差；根据所提取的待测件数据控制直角三坐标伺服机构快速进给，使靶标快速靠近待测件，此时通过激光跟踪仪实时采集的数据与理论位置的偏差以补偿快速进给过程中三轴运动所产生的误差；补偿结束后，控制直角三坐标二次进给到位，使靶标接触待测件。