CN111595279B - 大型工件实际坐标系构建方法及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种大型工件实际坐标系构建方法及其应用，包括：预先进行标定过程，获得工件理论坐标系、待测定位销在所述工件理论坐标系下的理论位置坐标以及理论Z平面；大型工件落位在基座上后，再解算实际坐标系：利用三维测量***分别测量每个待测定位销露出的销体，计算实测坐标；求解实测坐标与理论位置坐标之间的旋转平移转换关系T转；利用T转将所述工件理论坐标系旋转、平移，得到大型工件的实际坐标系；本发明技术方案能够减小了在基座安装过程、零件落位过程中的误差，建立更符合实际情况的坐标系，提高了对工件的测量精度。

Description

大型工件实际坐标系构建方法及其应用
技术领域
本发明涉及自动化视觉测量领域，具体涉及大型工件实际坐标系构建方法及其应用。
背景技术
在制造业中，加工精度是衡量工艺水平的重要依据，长期以来，尺寸超差给企业带来重大的损失；不仅严重影响零件功能的发挥，还会导致产品报废，特别是在大型工件的加工测量领域，需要严格把控工件尺寸精度，如在汽车、船舶、航空航天等制造领域，在对其进行自动化测量时，为了防止待测工件安装位置变动，需要利用高精度基座将其固定，高精度基座上会设置多个定位销，以待测工件的定位孔作为定位基准，使用时，***到待测工件的定位孔中，多个定位销配合限制待测工件的自由度，控制待测工件在X、Y、Z三个轴向的直线运动，和绕着X、Y、Z的旋转运动的六个***度。
传统的方式是将大型工件(如：白车身、飞机机身骨架、飞机机身蒙皮等)固定好后，直接用三维测量***获取工件特征点的三维坐标并与工件理论坐标比对，判断工件的加工误差；由于定位销存在调节误差，且大尺寸工件重量较大，基座固定工件之后存在一定的形变，这种调节误差、形变会对测量***引入整体性误差，即工件实际坐标系与理论坐标系存在偏差，影响三维测量***检测结果的精确性。
对现有方法的一种改进是在定位销侧面连接辅件，如基准球，利用辅件构建实际坐标系与理论坐标系之间的偏差，但是辅件与定位销之间通常设有连接杆或其他连接结构，在装配调节过程中依然会引入误差，影响实际坐标系的构建精度。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种大型工件实际坐标系构建方法以及利用其进行精度评价的方法，通过三维测量***测量落位后定位销的坐标，根据该坐标计算实际坐标系与理论坐标系之间的转换关系，得出真实的实际工件坐标系，避免了在装配过程中引入的误差，提高了测量精度。
本发明技术方案如下：
一种大型工件实际坐标系构建方法，在所述大型工件的检测/安装工位内设有基座，所述基座上固定有多个定位销，各定位销的底面处于同一平面；
基座上的定位销至少有3个(主定位销)，所述定位销控制待测工件在X、Y、Z三个方向的直线运动和围绕X、Y、Z旋转的六个***度；
当大型工件进入到该工位时，其落位在基座上，所述定位销***到待测工件上对应的定位孔内，实现对大型工件的定位、支撑；
预先进行以下过程：
根据大型工件的理论数模建立工件理论坐标系；
选择多个定位销记为待测定位销，标定所述待测定位销在所述工件理论坐标系下的理论位置坐标(Xni,Yni,Zni),其中i＝1,2,…,m，m为定位销的数量；
其中，位置坐标为定位销的中轴线与其底面之间交点的坐标值；
记由坐标Zni建立的平面为理论Z平面；
多个待测定位销能够限制工件在X、Y、Z三个方向的直线运动和围绕X、Y、Z旋转的六个***度；
实际使用过程中，利用如下步骤，建立大型工件的实际坐标系：
步骤一、当大型工件落位在基座上，利用标定好的三维测量***分别测量每个待测定位销露出的销体；
所述销体呈圆柱状，拟合销体得到其在工件理论坐标系下中心坐标(Xci,Yci,Zci)，并将中心坐标投影到所述理论Z平面上，将投影后的坐标记为实测坐标(Xai,Yai,Zai)；
步骤二、求解实测坐标(Xai,Yai,Zai)与预先标定的理论位置坐标(Xni,Yni,Zni)之间的旋转平移转换关系T转；
Figure BDA0002560017000000031
其中，wx、wy、wz为旋转矩阵的构成参数，Tx、Ty、Tz为平移矩阵的构成参数；
步骤三、利用T转将所述工件理论坐标系旋转、平移，将旋转、平移后的坐标系记为大型工件的实际坐标系。
优选，所述待测定位销包括至少三个非共线的主定位销；
所述主定位销根据基座的理论数模获取；
在步骤二中，根据Bursa模型求解T转。
或者，本发明方案中，所述待测定位销包括至少四个非共面的定位销；
在步骤二中，根据刚体变换求解T转。
优选，为了提高坐标系精度，还包括步骤四：标记一个或多个定位销为第一定位销，利用第一定位销对实际坐标系进行以下修正，具体包括以下步骤：
I、利用三维测量***测量第一定位销的位置坐标，并将该位置坐标转换到当前实际坐标系下，记为第一位置坐标，计算第一位置坐标与第一定位销的理论位置坐标之间的偏差；
所述第一定位销的理论位置坐标为：大型工件落位之前，第一定位销在工件理论坐标系下的理论位置坐标，其通过预先标定获得；
若第一定位销有多个，则分别计算各第一定位销与理论位置坐标之间的偏差，将偏差最大值记为差值A；
II、判断差值A是否超过预设公差ε，若否，则当前的实际坐标系符合要求；
若是，则当前的实际坐标系不符合要求，计算第一位置坐标与第一定位销的理论位置坐标之间的旋转平移转换关系T修；根据T修，将当前实际坐标系旋转、平移，建立新的实际坐标系；
III、利用新的实际坐标系，重复步骤I、II，直到差值A不超出预设公差ε，存储最后一次迭代得出的实际坐标系。
进一步，所述第一定位销中包括多个主定位销，预设公差ε取值为0.01～0.1mm。
进一步，所述步骤二中根据Bursa模型求解定位销的实测坐标(Xai,Yai,Zai)与预先存储的定位销的理论位置坐标(Xni,Yni,Zni)之间的旋转平移转换关系T转的方法为：
利用下式进行解算：
Figure BDA0002560017000000051
若第1个定位销控制X,Y方向，第2个定位销控制X、Z方向……第b个定位销控制Z方向，则K、V有以下表示：
Figure BDA0002560017000000052
其中，m为定位销数量，K、V矩阵的行数n，
Figure BDA0002560017000000053
联立多个所述定位销的理论坐标值(Xni,Yni,Zni)和实测坐标值(Xai,Yai,Zai)解算出：wx、wy、wz、Tx、Ty、Tz；继而得到T转。
进一步，预先标定各定位销的理论位置坐标，具体为：
在大型工件落位之前，利用三维测量***标定各定位销，将每个定位销调整到理论数模位置，记此时的位置坐标为理论位置坐标。
进一步，所述三维测量***为激光跟踪仪、三坐标测量机或三维扫描仪。
本发明还涉及一种利用大型工件实际坐标系进行精度评价的方法，具体为：
大型工件落位后，利用三维测量***测量大型工件上待测特征的坐标，记为特征点坐标(Xaj,Yaj,Zaj)，其中j＝1,2,…,n，n为待测特征的数量；通过T转计算特征点坐标在工件实际坐标系下的坐标(Xkj,Ykj,Zkj)；
将坐标(Xkj,Ykj,Zkj)与预先存储的各个待测特征的理论坐标(Xnj,Ynj,Znj)作差，得出大型工件的加工偏差(dx,dy,dz)，将此加工偏差与工件设计公差对比，分析当前大型工件是否合格。
进一步，大型工件上待测特征为根据工件特点，人为事先选定的特征孔、槽或曲面；
待测特征的理论坐标(Xnj,Ynj,Znj)通过大型工件的理论数模获得。
本发明方案具有以下优点：
1、减小了在基座安装过程、零件落位过程中的误差，提高了对工件的测量精度(≤0.1mm)；
2、对定位基座而言仅需要保证工件落位后，定位销有局部销体可被三维测量***测量到即可，对基座其他部分的加工的要求较低；
3、设置了坐标系验证环节，循环迭代坐标系，直到坐标系精度满足要求；
4、经实践验证，定位销实际应用过程中Z方向的偏差几乎为0，因此本方法在实际解算时，将各实测坐标投影到理论Z平面计算，能够简化计算，实时获得工件实际坐标系，适用于自动化测量过程。
附图说明
图1为发明实施例中单个定位销结构示意图；
图2为发明实施例中基座结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案进行详细描述。
一种大型工件实际坐标系构建方法，在大型工件的检测/安装工位内设有基座，基座上固定有多个定位销1，各定位销的底面2处于同一平面；
基座上的定位销至少有3个(主定位销)，定位销控制待测工件在X、Y、Z三个方向的直线运动和围绕X、Y、Z旋转的六个***度；
当大型工件进入到该工位时，其落位在基座上，定位销1***到待测工件上对应的定位孔内，实现对大型工件的定位、支撑；
预先进行以下过程(同一型号的工件，预先标定过程只进行一次)：
根据大型工件的理论数模建立工件理论坐标系；
选择多个定位销记为待测定位销，标定待测定位销在工件理论坐标系下的理论位置坐标(Xni,Yni,Zni),其中i＝1,2,…,m，m为定位销的数量；
其中，位置坐标为定位销的中轴线与其底面2之间交点的坐标值；
记由坐标Zni建立的平面为理论Z平面；
多个待测定位销能够限制工件在X、Y、Z三个方向的直线运动和围绕X、Y、Z旋转的六个***度；
实际使用过程中，利用如下步骤，建立大型工件的实际坐标系：
步骤一、当大型工件落位在基座上，利用标定好的三维测量***分别测量每个待测定位销露出的销体3；
销体3呈圆柱状，拟合销体3得到其在工件理论坐标系下中心坐标(Xci,Yci,Zci)，并将中心坐标投影到理论Z平面上，将投影后的坐标记为实测坐标(Xai,Yai,Zai)；
步骤二、求解实测坐标(Xai,Yai,Zai)与预先标定的理论位置坐标(Xni,Yni,Zni)之间的旋转平移转换关系T转；
Figure BDA0002560017000000081
其中，wx、wy、wz为旋转矩阵的构成参数，Tx、Ty、Tz为平移矩阵的构成参数；
步骤三、利用T转将工件理论坐标系旋转、平移，将旋转、平移后的坐标系记为大型工件的实际坐标系。
其中，预先标定各定位销的理论位置坐标，具体为：
在大型工件落位之前，利用三维测量***标定各定位销，将每个定位销调整到理论数模位置，记此时的位置坐标为理论位置坐标。
其中，待测定位销包括至少三个非共线的主定位销；
主定位销根据基座的理论数模获取；
在步骤二中，根据Bursa模型求解T转。
或者，待测定位销包括至少四个非共面的定位销；
在步骤二中，根据刚体变换求解T转。
本实施例中，采用Bursa模型求解T转，在步骤二中，根据Bursa模型求解定位销的实测坐标(Yai,Yai,Zai)与预先存储的定位销的理论位置坐标(Xni,Yni,Zni)之间的旋转平移转换关系T转的方法为：
利用下式进行解算：
Figure BDA0002560017000000082
若第1个定位销控制X,Y方向，第2个定位销控制X、Z方向……第b个定位销控制Z方向，则K、V有以下表示：
Figure BDA0002560017000000091
其中，m为定位销数量，K、V矩阵的行数n，
Figure BDA0002560017000000092
联立多个定位销的理论坐标值(Xni,Yni,Zni)和实测坐标值(Xai,Yai,Zai)解算出：wx、wy、wz、Tx、Ty、Tz；继而得到T转。
为了提高坐标系精度，本实施例还包括步骤四：
标记一个或多个定位销为第一定位销，利用第一定位销对实际坐标系进行以下修正，具体包括以下步骤：
I、利用三维测量***测量第一定位销的位置坐标，并将该位置坐标转换到当前实际坐标系下，记为第一位置坐标，计算第一位置坐标与第一定位销的理论位置坐标之间的偏差；
第一定位销的理论位置坐标为：大型工件落位之前，第一定位销在工件理论坐标系下的理论位置坐标，其通过预先标定获得；
若第一定位销有多个，则分别计算各第一定位销与理论位置坐标之间的偏差，将偏差最大值记为差值A；
II、判断差值A是否超过预设公差ε，若否，则当前的实际坐标系符合要求；
若是，则当前的实际坐标系不符合要求，计算第一位置坐标与第一定位销的理论位置坐标之间的旋转平移转换关系T修；根据T修，将当前实际坐标系旋转、平移，建立新的实际坐标系；
III、利用新的实际坐标系，重复步骤I、II，直到差值A不超出预设公差ε，存储最后一次迭代得出的实际坐标系。
为了便于识别、解算，应用时，第一定位销中包括多个主定位销，预设公差ε取值为0.01～0.1mm。
本实施例中，三维测量***为激光跟踪仪、三坐标测量机或三维扫描仪。
作为实际坐标系的一种应用，本技术方案还包括：
一种利用大型工件实际坐标系进行精度评价的方法，具体为：
大型工件落位后，利用三维测量***测量大型工件上待测特征的坐标，记为特征点坐标(Xaj,Yaj,Zaj)，其中j＝1,2,…,n，n为待测特征的数量；通过T转计算特征点坐标在工件实际坐标系下的坐标(Xkj,Ykj,Zkj)；
将坐标(Xkj,Ykj,Zkj)与预先存储的各个待测特征的理论坐标(Xnj,Ynj,Znj)作差，得出大型工件的加工偏差(dx,dy,dz)，将此加工偏差与工件设计公差对比，分析当前大型工件是否合格。
其中，大型工件上待测特征为根据工件特点，人为事先选定的特征孔、槽或曲面；
待测特征的理论坐标(Xnj,Ynj,Znj)通过大型工件的理论数模获得。
以待测大型工件为汽车整车白车身为例，依据不同车型特点及测量要求，人为事先选定大型工件上的特征孔、槽、圆柱、前盖曲面、车门安装槽等作为待测特征点。
其中，如图2所示，汽车整车白车身的基座上共有八个定位销，其中右前，右后与左后的定位销为主定位销4；右前的定位销控制XYZ三个方向，右后的定位销控制YZ两个方向，左后的定位销控制Z方向。
采用本发明技术方案能够减小了在基座安装过程、零件落位过程中的误差，建立更符合实际情况的坐标系，提高了对工件的测量精度(≤0.1mm)。
前面对本发明具体示例性实施方案所呈现的描述是出于说明和描述的目的。前面的描述并不想要成为毫无遗漏的，也不是想要把本发明限制为所公开的精确形式，显然，根据上述教导很多改变和变化都是可能的。选择示例性实施方案并进行描述是为了解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的其它技术人员能够实现并利用本发明的各种示例性实施方案及其不同选择形式和修改形式。本发明的范围旨在由所附权利要求书及其等价形式所限定。

Claims (10)

1.一种大型工件实际坐标系构建方法，在所述大型工件的检测/安装工位内设有基座，所述基座上固定有多个定位销，各定位销的底面处于同一平面；
当大型工件进入到该工位时，其落位在基座上，所述定位销***到待测工件上对应的定位孔内，实现对大型工件的定位、支撑；
预先进行以下过程：
根据大型工件的理论数模建立工件理论坐标系；
选择多个定位销记为待测定位销，标定所述待测定位销在所述工件理论坐标系下的理论位置坐标(Xni，Yni，Zni)，其中i＝1，2，…，m，m为定位销的数量；
其中，位置坐标为定位销的中轴线与其底面之间交点的坐标值；
记由坐标Zni建立的平面为理论Z平面；
多个待测定位销能够限制工件在X、Y、Z三个方向的直线运动和围绕X、Y、Z旋转的六个***度；
其特征在于，实际使用过程中，利用如下步骤，建立大型工件的实际坐标系：
步骤一、当大型工件落位在基座上，利用标定好的三维测量***分别测量每个待测定位销露出的销体；
所述销体呈圆柱状，拟合销体得到其在工件理论坐标系下中心坐标(Xci，Yci，Zci)，并将中心坐标投影到所述理论Z平面上，将投影后的坐标记为实测坐标(Xai，Yai，Zai)；
步骤二、求解实测坐标(Xai，Yai，Zai)与预先标定的理论位置坐标(Xni，Yni，Zni)之间的旋转平移转换关系T转；
Figure FDA0003109298230000021
其中，wx、wy、wz为旋转矩阵的构成参数，Tx、Ty、Tz为平移矩阵的构成参数；
步骤三、利用T转将所述工件理论坐标系旋转、平移，将旋转、平移后的坐标系记为大型工件的实际坐标系。
2.如权利要求1所述大型工件实际坐标系构建方法，其特征在于，所述待测定位销包括至少三个非共线的主定位销；
所述主定位销根据基座的理论数模获取；
在步骤二中，根据Bursa模型求解T转。
3.如权利要求1所述大型工件实际坐标系构建方法，其特征在于，所述待测定位销包括至少四个非共面的定位销；
在步骤二中，根据刚体变换求解T转。
4.如权利要求2或3所述大型工件实际坐标系构建方法，其特征在于，还包括步骤四：标记一个或多个定位销为第一定位销，利用第一定位销对实际坐标系进行以下修正，具体包括以下步骤：
I、利用三维测量***测量第一定位销的位置坐标，并将该位置坐标转换到当前实际坐标系下，记为第一位置坐标，计算第一位置坐标与第一定位销的理论位置坐标之间的偏差；
所述第一定位销的理论位置坐标为：大型工件落位之前，第一定位销在工件理论坐标系下的理论位置坐标，其通过预先标定获得；
若第一定位销有多个，则分别计算各第一定位销与理论位置坐标之间的偏差，将偏差最大值记为差值A；
II、判断差值A是否超过预设公差ε，若否，则当前的实际坐标系符合要求；
若是，则当前的实际坐标系不符合要求，计算第一位置坐标与第一定位销的理论位置坐标之间的旋转平移转换关系T修；根据T修，将当前实际坐标系旋转、平移，建立新的实际坐标系；
III、利用新的实际坐标系，重复步骤I、II，直到差值A不超出预设公差ε，存储最后一次迭代得出的实际坐标系。
5.如权利要求4所述大型工件实际坐标系构建方法，其特征在于，所述第一定位销中包括多个主定位销，预设公差ε取值为0.01～0.1mm。
6.如权利要求2所述大型工件实际坐标系构建方法，其特征在于，所述步骤二中根据Bursa模型求解定位销的实测坐标(Xai,Yai,Zai)与预先存储的定位销的理论位置坐标(Xni,Yni,Zni)之间的旋转平移转换关系T转的方法为：
利用下式进行解算：
Figure FDA0003109298230000031
若第1个定位销控制X,Y方向，第2个定位销控制X、Z方向……第b个定位销控制Z方向，则K、V有以下表示：
Figure FDA0003109298230000041
其中，m为定位销数量，K、V矩阵的行数n，
Figure FDA0003109298230000042
联立多个所述定位销的理论坐标值(Xni，Yni，Zni)和实测坐标值(Xai，Yai，Zai)解算出：wx、wy、wz、Tx、Ty、Tz；继而得到T转。
7.如权利要求1所述大型工件实际坐标系构建方法，其特征在于，预先标定各定位销的理论位置坐标，具体为：
在大型工件落位之前，利用三维测量***标定各定位销，将每个定位销调整到理论数模位置，记此时的位置坐标为理论位置坐标。
8.如权利要求1所述大型工件实际坐标系构建方法，其特征在于，所述三维测量***为激光跟踪仪、三坐标测量机或三维扫描仪。
9.一种利用如权利要求1所述大型工件实际坐标系构建方法构建的实际坐标系进行精度评价的方法，其特征在于，
大型工件落位后，利用三维测量***测量大型工件上待测特征的坐标，记为特征点坐标(Xaj，Yaj，Zaj)，其中j＝1，2，…，n，n为待测特征的数量；通过T转计算特征点坐标在工件实际坐标系下的坐标(Xkj，Ykj，Zkj)；
将坐标(Xkj，Ykj，Zkj)与预先存储的各个待测特征的理论坐标(Xnj，Ynj，Znj)作差，得出大型工件的加工偏差(dx，dy，dz)，将此加工偏差与工件设计公差对比，分析当前大型工件是否合格。
10.如权利要求9所述方法，其特征在于，大型工件上待测特征为根据工件特点，人为事先选定的特征孔、槽或曲面；
待测特征的理论坐标(Xnj,Ynj,Znj)通过大型工件的理论数模获得。
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