CN110220454A - 一种三坐标定位机构的位姿标定方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种三坐标定位机构的位姿标定方法，三坐标定位机构包括X向运动模块、Y向运动模块、Z向运动模块、产品定位模块，以及与各个运动模块平行的光栅尺，其特征在于靶标点置于三坐标定位机构的末端，通过激光跟踪仪测量***对三坐标定位机构的各种位置状态下靶标点进行测量。

Description

一种三坐标定位机构的位姿标定方法

技术领域

本申请涉及飞机装配中三坐标定位机构的位姿标定技术，尤其适用于可重构三坐标定位机构的位姿标定。

背景技术

飞机装配工艺包括定位、保型、夹紧等工序，其中关键的是定位工序，定位的准确与否直接关系到飞机的装配质量。

飞机产品的定位通常都是通过三坐标定位机构来实现的，三坐标定位机构是一种沿XYZ三个相互垂直方向直线运动、定位精度高、工作可靠的模块化支撑定位单元。

三坐标定位机构要实现对飞机产品的准确定位，首先要标定三坐标定位机构在飞机坐标系下的位姿，传统的标定方法是：在X向运动模块、Y向运动模块和Z向运动模块上分别设置3个非共线的OTP点，通过精密加工方式，确保OTP点与各个方向运动模块的导轨具有精确的尺寸关系，通过激光跟踪仪测量每个运动模块上的3个OTP点来拟合该运动模块导轨的方向，进而标定由各个导轨构成的三坐标定位机构坐标系相对于飞机坐标系的位姿，该标定方法包含如下工序：

1.加工精密的OTP点孔，OTP点数量至少12个，包括***三个运动模块上各3个和末端3个。

2.采用激光跟踪仪测量OTP点的次数至少24次，包括起始位姿的12次测量和终止位姿的12次测量。

3.通过3个OTP点的坐标值及相关尺寸(OTP点与导轨的尺寸)来拟合运动模块的坐标轴线。

对固定的专用三坐标定位机构来说，上述方法工序多、比较繁琐、存在较大的拟合误差；对通用的可重构三坐标定位机构来说，由于需要经常的位姿标定，除上述缺点外，还存在位姿标定成本高，周期长等问题，因此，亟待找到一种快速、准确的标定三坐标定位机构特别是可重构三坐标定位机构位姿的方法。

发明内容

为提高三坐标定位机构特别是可重构三坐标定位机构的位姿标定效率，降低标定成本，发明了一种三坐标定位机构的位姿标定方法。

一种三坐标定位机构的位姿标定方法，所述的三坐标定位机构包括X向运动模块、Y向运动模块、Z向运动模块、产品定位模块，以及与各个运动模块平行的光栅尺，靶标点置于三坐标定位机构的末端，通过激光跟踪仪测量***对三坐标定位机构的各种位置状态下靶标点进行测量，具体过程包括以下步骤：

步骤1将三坐标定位机构置于水平面上；

步骤2建立三坐标定位机构坐标系P_坐标系：

2-1 X向运动模块、Y向运动模块、Z向运动模块回零后，三坐标定位机构内X向、Y向、Z向光栅尺的实际位置均设定为0；

2-2将三坐标定位机构末端上靶标点设置为P_坐标系的原点，三坐标定位机构的X向设置为P_坐标系的X轴，Y向设置为P_坐标系的Y轴，Z向设置为P_坐标系的Z轴，靶标点在P_坐标系的坐标为：[0 00]_{P}。

步骤3建立飞机坐标系A_坐标系：

3-1在水平面上设置用于建立A_坐标系的标识点群；标识点群数量不少于3个，且任意3点不能共线。

3-2用激光跟踪仪依次测量标识点群，得到标识点群在激光跟踪仪坐标系L_坐标系下各点坐标值；

3-3调取标记点群在A_坐标系的理论坐标值；

3-4根据标识点群的L_坐标系坐标值和A_坐标系坐标值，建立标识点群的L_坐标系坐标值映射到A_坐标系坐标值的变换关系，从而建立飞机坐标系A_坐标系。

步骤4使用内部光栅尺和外部激光跟踪仪测量***分别测量三坐标定位机构运动过程中的靶标点坐标，标定出三坐标定位机构坐标系P_坐标系相对于飞机坐标系A_坐标系的位姿。

4-1在三坐标定位机构处于“0”位时，靶标点相对于P_坐标系的坐标值为：[0 0 0]_{P}；

4-2用激光跟踪仪测量靶标点，得到“0”位时靶标点在A_坐标系的坐标值：[x₀ y₀ z₀]_{A}；

4-3将三坐标定位机构的X向运动模块沿P_坐标系的X方向移动一个X值后，固定不动，将当前位置记为“1”位，通过光栅尺读取当前位置数值，得到“1”位时靶标点在P_坐标系的坐标值[X 0 0]_{P}；

4-4用激光跟踪仪测量靶标点，得到“1”位时靶标点在A_坐标系的坐标值：[x₁ y₁ z₁]_{A}；

4-5将三坐标定位机构的Y向运动模块沿P_坐标系的Y方向移动一个Y值后，固定不动，将当前位置记为“2”位，通过光栅尺读取当前位置数值，得到“2”位时靶标点在P_坐标系的坐标值[X Y 0]_{P}；

4-6用激光跟踪仪测量靶标点，得到“2”位时靶标点在A_坐标系的坐标值：[x₂ y₂ z₂]_{A}；

4-7将三坐标定位机构的Z向运动模块沿P_坐标系的Z方向移动一个Z值后，固定不动，将当前位置记为“3”位，通过光栅尺读取当前位置数值，得到“3”位时靶标点在P_坐标系的坐标值[X Y Z]_{P}；

4-8用激光跟踪仪测量靶标点，得到“3”位时靶标点在A_坐标系的坐标值：[x₃ y₃ z₃]_{A}；

4-9三坐标定位机构坐标系P_坐标系相对于飞机坐标系A_坐标系的位姿由下述表达式进行解算：

4-10三坐标定位机构坐标系P_坐标系相对于飞机坐标系A_坐标系的位姿标定如下：P_坐标系的原点在A_坐标系的坐标值为[M N P]，P_坐标系的X轴与A_坐标系的X轴的夹角为P_坐标系的Y轴与A_坐标系的Y轴的夹角为P_坐标系的Z轴与A_坐标系的Z轴的夹角为

该位姿标定方法相对于传统的位姿标定方法相比，其优点有：

1)仅需在三坐标定位机构末端上加工一个个精密的靶标点孔，用于安装靶标，相比传统的12个精密OTP点孔，降低了制造成本。

2)采用激光跟踪仪测量靶标点的次数只有4次，相比传统的24次OTP点的测量，缩短了位姿标定周期，也降低了使用成本。

3)直接采用所测得的坐标值标定位姿，相比传统的拟合坐标轴线，提高了位姿标定的精度。

对于可重构***的经常性标定需求，其优点是非常明显的。

以下结合实施例附图对本申请做进一步详细描述：

附图说明

图1是三坐标定位机构处于“0”位时的示意图

图2是***处于“1”位时的示意图

图3是***处于“2”位时的示意图

图4是***处于“3”位时的示意图

图中编号说明：1、三坐标定位机构；2、靶标点；3、三坐标定位机构坐标系P_坐标系；4、标识点群；5、飞机坐标系A_坐标系；6、激光跟踪仪；7、激光跟踪仪坐标系L_坐标系；8、水平面；10、X向运动模块；11、Y向运动模块；12、Z向运动模块；13、产品定位机构；14、X向光栅尺；15、Y向光栅尺；16、Z向光栅尺；17、测量头；18、定位面；19、产品定位点

具体实施方式

如图1-4所示，一种三坐标定位机构的位姿标定方法，其中三坐标定位机构1包括X向运动模块10、Y向运动模块11、Z向运动模块12、产品定位模块13，以及X向光栅尺14、Y向光栅尺15、Z向光栅尺16，靶标点2置于三坐标定位机构1的末端，通过激光跟踪仪测量***对三坐标定位机构1的各种位置状态下靶标点2进行测量，具体过程包括以下步骤：

步骤1将三坐标定位机构1置于水平面8上；

步骤2建立三坐标定位机构坐标系P_坐标系3：

2-1 X向运动模块10、Y向运动模块11、Z向运动模块12回零后，三坐标定位机构1内X向、Y向、Z向光栅尺的实际位置均设定为0；

2-2将三坐标定位机构1末端上靶标点2设置为P_坐标系的原点，三坐标定位机构的X向设置为P_坐标系的X轴，Y向设置为P_坐标系的Y轴，Z向设置为P_坐标系的Z轴，靶标点在P_坐标系的坐标为：[00 0]_{P}。

步骤3建立飞机坐标系A_坐标系5：

3-1在水平面上设置用于建立A_坐标系的标识点群4；标识点群4数量不少于3个，且任意3点不能共线。

3-2用激光跟踪仪6依次测量标识点群，得到标识点群4在激光跟踪仪坐标系L_坐标系7下各点坐标值；

3-3调取标记点群4在A_坐标系的理论坐标值；

3-4根据标识点群4的L_坐标系坐标值和A_坐标系坐标值，建立标识点群4的L_坐标系坐标值映射到A_坐标系坐标值的变换关系，从而建立飞机坐标系A_坐标系5。

步骤4使用内部光栅尺和外部激光跟踪仪测量***分别测量三坐标定位机构1运动过程中的靶标点2坐标，标定出三坐标定位机构坐标系P_坐标系3相对于飞机坐标系A_坐标系5的位姿。

4-1在三坐标定位机构1处于“0”位时，靶标点2相对于P_坐标系的坐标值为：[0 0 0]_{P}；

4-2用激光跟踪仪6测量靶标点2，得到“0”位时靶标点2在A_坐标系的坐标值：[x₀ y₀z₀]_{A}；

4-3将三坐标定位机构1的X向运动模块10沿P_坐标系的X方向移动一个X值后，固定不动，将当前位置记为“1”位，通过X向光栅尺14读取当前位置数值，得到“1”位时靶标点在P_坐标系的坐标值[X 0 0]_{P}；

4-4用激光跟踪仪6测量靶标点2，得到“1”位时靶标点2在A_坐标系的坐标值：[x₁ y₁z₁]_{A}；

4-5将三坐标定位机构1的Y向运动模块11沿P_坐标系的Y方向移动一个Y值后，固定不动，将当前位置记为“2”位，通过Y向光栅尺15读取当前位置数值，得到“2”位时靶标点在P_坐标系的坐标值[X Y 0]_{P}；

4-6用激光跟踪仪6测量靶标点2，得到“2”位时靶标点2在A_坐标系的坐标值：[x₂ y₂z₂]_{A}；

4-7将三坐标定位机构1的Z向运动模块12沿P_坐标系的Z方向移动一个Z值后，固定不动，将当前位置记为“3”位，通过Z向光栅尺16读取当前位置数值，得到“3”位时靶标点2在P_坐标系的坐标值[X Y Z]_{P}；

4-8用激光跟踪仪6测量靶标点2，得到“3”位时靶标点2在A_坐标系的坐标值：[x₃ y₃z₃]_{A}；

4-9三坐标定位机构坐标系P_坐标系相对于飞机坐标系A_坐标系的位姿由下述表达式进行解算：

4-10三坐标定位机构坐标系P_坐标系相对于飞机坐标系A_坐标系的位姿标定如下：P_坐标系的原点在A_坐标系的坐标值为[M N P]，P_坐标系的X轴与A_坐标系的X轴的夹角为P_坐标系的Y轴与A_坐标系的Y轴的夹角为P_坐标系的Z轴与A_坐标系的Z轴的夹角为

三坐标定位机构1的刚度有控制要求，在吊运、运输、安装过程中，三坐标定位机构1的变形量不大于0.01mm。三坐标定位机构1的稳定性也有控制要求，三坐标定位机构1的X向运动模块10、Y向运动模块11、Z向运动模块12在行程范围内运动时，三坐标定位机构1的最大位移量不大于0.005mm。

靶标点2含有靶标和靶标座，靶标是激光跟踪仪6的自带附件，含有用于反射激光的球体和用于固定的尾杆，靶标座含有圆孔和定位面18，将靶标***靶标座内，靶标点2安装在三坐标定位机构1的产品定位机构13上，要求靶标点2与产品定位点19具有精确和稳定的位置关系。

标识点群4含有但不限于地标点或者TB点或者ERS点，标识点群4的数量不少于3个，且任意3点不能共线，标识点需设置在刚度足够强、不易变形和发生位移的水平面8或者结构上，标识点群4在水平面8或者平台的投影需包括三坐标定位机构1在水平面8或者平台的投影。

激光跟踪仪6上的测量头17和靶标点2之间的光路要求通畅无阻，激光跟踪仪6始终都能检测到靶标点2。

水平面8的刚度有控制要求，在承载***1、激光跟踪仪6和操作者的前后，水平面8的变形量不大于0.005mm。

Claims (6)

1.一种三坐标定位机构的位姿标定方法，所述的三坐标定位机构包括X向运动模块、Y向运动模块、Z向运动模块、产品定位模块，以及与各个运动模块平行的光栅尺，其特征在于靶标点置于三坐标定位机构的末端，通过激光跟踪仪测量***对三坐标定位机构的各种位置状态下靶标点进行测量，具体过程包括以下步骤：

步骤1将三坐标定位机构置于水平面上；

步骤2建立三坐标定位机构坐标系P_坐标系：

步骤3建立飞机坐标系A_坐标系：

步骤4使用内部光栅尺和外部激光跟踪仪测量***分别测量三坐标定位机构运动过程中的靶标点坐标，标定出三坐标定位机构坐标系P_坐标系相对于飞机坐标系A_坐标系的位姿。

2.根据权利要求1所述的一种三坐标定位机构的位姿标定方法，其特征在于所述的步骤2，具体包括以下步骤：

2-1 X向运动模块、Y向运动模块、Z向运动模块回零后，三坐标定位机构内X向、Y向、Z向光栅尺的实际位置均设定为0；

2-2将三坐标定位机构末端上靶标点设置为P_坐标系的原点，三坐标定位机构的X向设置为P_坐标系的X轴，Y向设置为P_坐标系的Y轴，Z向设置为P_坐标系的Z轴，靶标点在P_坐标系的坐标为：[0 00]_{P}。

3.根据权利要求1所述的一种三坐标定位机构的位姿标定方法，其特征在于所述的步骤3，具体包括以下步骤：

3-1在水平面上设置用于建立A_坐标系的标识点群；

3-2用激光跟踪仪依次测量标识点群，得到标识点群在激光跟踪仪坐标系L_坐标系下各点坐标值；

3-3调取标记点群在A_坐标系的理论坐标值；

3-4根据标识点群的L_坐标系坐标值和A_坐标系坐标值，建立标识点群的L_坐标系坐标值映射到A_坐标系坐标值的变换关系，从而建立飞机坐标系A_坐标系。

4.根据权利要求3所述的一种三坐标定位机构的位姿标定方法，其特征在于所述的标识点群数量不少于3个，且任意3点不能共线。

5.根据权利要求1所述的一种三坐标定位机构的位姿标定方法，其特征在于所述的步骤4，具体包括以下步骤：

5-1在三坐标定位机构处于“0”位时，靶标点相对于P_坐标系的坐标值为：[0 0 0]_{P}；

5-2用激光跟踪仪测量靶标点，得到“0”位时靶标点在A_坐标系的坐标值：[x₀ y₀ z₀]_{A}；

5-3将三坐标定位机构的X向运动模块沿P_坐标系的X方向移动一个X值后，固定不动，将当前位置记为“1”位，通过光栅尺读取当前位置数值，得到“1”位时靶标点在P_坐标系的坐标值[X0 0]_{P}；

5-4用激光跟踪仪测量靶标点，得到“1”位时靶标点在A_坐标系的坐标值：[x₁ y₁ z₁]_{A}；

5-5将三坐标定位机构的Y向运动模块沿P_坐标系的Y方向移动一个Y值后，固定不动，将当前位置记为“2”位，通过光栅尺读取当前位置数值，得到“2”位时靶标点在P_坐标系的坐标值[XY 0]_{P}；

5-6用激光跟踪仪测量靶标点，得到“2”位时靶标点在A_坐标系的坐标值：[x₂ y₂ z₂]_{A}；

5-7将三坐标定位机构的Z向运动模块沿P_坐标系的Z方向移动一个Z值后，固定不动，将当前位置记为“3”位，通过光栅尺读取当前位置数值，得到“3”位时靶标点在P_坐标系的坐标值[XY Z]_{P}；

5-8用激光跟踪仪测量靶标点，得到“3”位时靶标点在A_坐标系的坐标值：[x₃ y₃ z₃]_{A}；

5-9三坐标定位机构坐标系P_坐标系相对于飞机坐标系A_坐标系的位姿由下述表达式进行解算：

5-10三坐标定位机构坐标系P_坐标系相对于飞机坐标系A_坐标系的位姿标定如下：P_坐标系的原点在A_坐标系的坐标值为[M N P]，P_坐标系的X轴与A_坐标系的X轴的夹角为P_坐标系的Y轴与A_坐标系的Y轴的夹角为P_坐标系的Z轴与A_坐标系的Z轴的夹角为

6.根据权利要求1所述的一种三坐标定位机构的位姿标定方法，其特征在于所述的靶标点包括靶标和靶标座，靶标用于反射激光并与靶标座配合使用，靶标座放置在产品的定位结构上。