專利名稱：一種測量自由曲面任意點處法向矢量的裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及測量檢測技術領域，具體為一種測量自由曲面任意點處法向矢量的裝置。
背景技術：
在機械加工領域中，柔性制孔是對薄壁結構柔性鉆鉚的重要環節，鉚接點孔位的垂直度直接影響到壁板鉚接質量，在飛機、高速列車等蒙皮、壁板曲度高度復雜的應用領域，對柔性制孔的法向找正提出了很高的要求。由于蒙皮多采用鉚接結構，鉆孔法向精度超差導致的孔質量缺陷將直接影響蒙皮的氣動外形乃至部件結構的安全性能。飛機蒙皮一般很薄，并具有復雜的曲度，孔的法線方向隨曲面外形變化而變化，鉆孔時，法線偏差對孔的質量有明顯的影響。如果鉚釘孔與蒙皮曲面法矢方向夾角過大，將會導致鉚釘不能垂直打入蒙皮，破壞蒙皮表面光滑度，并造成部分鉚接為強行連接，使被連接件在連接處受力不均勻，極大地影響連接質量和氣動外形。此外，飛機、高速列車等蒙皮部件鉆孔數量巨大，手工鉆孔存在著質量一致性差、效率低等突出問題，采用機器人柔性制孔可以較大的提高制孔效率和質量。隨著生產需求的提高，采用自動化鉆孔是必然趨勢。因此，鉆孔法向精度的在線測量和調整越來越顯現出巨大的應用需求。目前，國內外常用的確定自由曲面上任意一點處法向矢量的方法如下1、手工調平法即采用手工鉆孔時，若蒙皮部件的安裝出現誤差或者局部變形， 操作人員可以根據經驗適當調整鉆頭角度來保證鉆孔的法向精度，或者采用一種特定裝置 (如鉆杯、鉆套)進行校正。鉆孔時，3個支腳頂在工件表面，使杯形裝置垂直于工件表面。 杯形裝置套在鉆頭上，通過彈簧預加負載力使杯形裝置緊貼工件表面，鉆頭沿導向槽可以伸出和縮回，從而保證鉆孔時鉆孔刀具基本垂直于工件的表面。該方法的不足是調平時間長而且垂直精度主要依靠操作人員的自身經驗，效率低且通用性差，難以保證精度，不能滿足數控系統自動化柔性制孔的測量要求。2、三角面片法即采用微小三角平面近似模擬變形曲面，法線由三點組成的平面三角形確定。按照直角三角形的結構形式在鉆孔軸的壓腳周圍安裝3個位移傳感器，當壓腳按理論法向壓緊部件時，如果刀具垂直于部件表面，則3個位移傳感器的測量值相等，如果不垂直，則3個位移傳感器的測量值不相等，根據位移傳感器測量值的不同，可以計算出刀具與蒙皮表面的法向誤差，即蒙皮實際法向與理論法向的偏差。該方法的不足是由于采用微小三角平面近似模擬變形曲面，擴大了垂直定位誤差，會對測量精度會產生一定影響， 當待測曲面的曲率較大時，測量精度難以保證。3、曲面擬合法即通過采集待測曲面上的數據點進行曲面擬合，獲得一個與待測曲面近似的曲面片，再根據該曲面片求出過待測點的法向矢量。該方法計算復雜，工作量較大，往往需要獲取曲面上幾十個數據點的坐標，才可以獲得較高的計算精度。由于測量技術、工作效率以及自動鉆鉚設備機械結構的限制，在實際自動鉆鉚加工過程中，無法實現蒙皮壁板表面大量數據點坐標的測量，使該方法失去了應用的前提，不能有效地解決自動鉆鉚過程中實時求解鉆鉚點法向矢量問題。
發明內容要解決的技術問題為解決現有技術中存在問題，本發明提出了一種測量自由曲面任意點處法向矢量的裝置。技術方案本發明的技術方案為所述一種測量自由曲面任意點處法向矢量的裝置，其特征在于包括一個主體固定組件和四個偏角測量機構；每個偏角測量機構包括角度傳感器，觸桿和球形觸頭，觸桿外端與球形觸頭相連，觸桿另一端與角度傳感器測量軸固定連接，角度傳感器測量觸桿帶動角度傳感器測量軸轉動的角度；主體固定組件包括連接底座和盒體，連接底座與盒體固定相連，連接底座與外部機械加工臂固定相連，盒體側面均布有四個徑向凹槽，四個徑向凹槽呈十字形分布，四個偏角測量機構分別放置在四個徑向凹槽內，并且分別通過各自的角度傳感器與盒體固定連接，位置相對的兩個偏角測量機構的角度傳感器測量軸平行，位置相鄰的兩個偏角測量機構的角度傳感器測量軸垂直，位置相對的兩個偏角測量機構的球形觸頭的球心連線與另外兩個位置相對的偏角測量機構的球形觸頭的球心連線垂直，且兩條球心連線與外部機械加工臂中心軸線均相交，每個偏角測量機構的觸桿在其與角度傳感器連接的一端端部還通過復位拉簧與盒體連接。所述的一種測量自由曲面任意點處法向矢量的裝置，其特征在于還包括有觸桿限位板，所述觸桿限位板為中心對稱的板狀結構，固定在盒體背對連接底座的一側，且觸桿限位板中心軸線與外部加工臂中心軸線共線，觸桿限位板用于確定觸桿的初始外偏角。所述的一種測量自由曲面任意點處法向矢量的裝置，其特征在于還包括有近距觸碰報警器，近距觸碰報警器固定在觸桿限位板上，用于測量裝置與自由曲面的距離，并在測量裝置與自由曲面的距離小于設定值時發出警報，防止裝置與自由曲面的距離過近。有益效果本發明通過四個兩兩正交的偏角測量組件與自由曲面接觸，擬合得到兩條正交曲線，兩條正交曲線與外部機械加工臂中心軸線形成正交平面，通過在正交平面內求取曲線在待測點處的法向矢量，對正交平面進行角度修正，最后求取修正后的正交平面與自由曲面交線在待測點處的法向矢量，即為自由曲面上待測點處的法向矢量。本方法采用曲線擬合代替了曲面擬合，相對與曲面擬合法較為簡單，測量數據點較少，省去了曲面擬合的復雜過程，而且在測量大曲率曲面時精度也能滿足實際要求，便于應用。由于采用接觸式測量方法，數據采集結果準確，測量精度較高，并可有效降低裝置成本，具有結構簡單、操作靈活， 可靠性高、生產成本低等特點。
圖1 本發明中裝置的主視圖；圖2 本發明中裝置的仰視圖；圖3 本發明中裝置的0-0剖視圖；[0019]圖4 偏角測量機構結構示意圖；圖5 偏角測量機構的側視圖；圖6 上盒體的結構示意圖；圖7 下盒體的結構示意圖；圖8 實施例中測量法向矢量的數學模型示意圖；其中1、偏角測量機構；2、連接底座；3、觸桿限位板；4、近距觸碰報警器；5、下盒體；6、上盒體；7、復位拉簧；8、觸桿；9、連桿；10、球形觸頭；11、角度傳感器。
具體實施方式
下面結合具體實施例描述本發明。實施例本實施例為測量飛機蒙皮上待鉆鉚點的法向矢量，由于現代飛機蒙皮多為自由復雜曲面，為了既迅速快捷又精確地測量待鉆鉚點的法向矢量，本實施例中采用本發明提出的測量裝置進行測量。參照附圖1，本裝置包括一個主體固定組件和四個偏角測量機構1。主體固定組件由連接底座2和盒體組成，盒體分為上盒體6和下盒體5，上盒體6和下盒體5通過螺栓固定連接，連接底座2 —側與上盒體6通過螺栓固定連接，連接底座2另一側與外部機械加工臂通過螺栓固定相連。參照附圖2、附圖6和附圖7，在盒體的側面均布有四個徑向凹槽，且四個徑向凹槽呈十字形分布，徑向凹槽用于放置偏角測量機構1的觸桿8、連桿9和球形觸頭10，在盒體內部也有四組空間，分別用于放置四個偏角測量機構1的角度傳感器11。參照附圖3，附圖4和附圖5，每個偏角測量機構1包括角度傳感器11，觸桿8和球形觸頭10，觸桿8外端通過連桿9與球形觸頭10相連，觸桿8另一端與角度傳感器11的測量軸固定連接，觸桿8能夠帶動角度傳感器測量軸轉動，角度傳感器11測量觸桿8帶動角度傳感器測量軸轉動的角度。球形觸頭10為鋼性球體，球體表面光滑，摩擦阻力小，測量時球形觸頭10與蒙皮接觸并相對滑動。參照附圖1、附圖2和附圖3，在下盒體5的底部還安裝有觸桿限位板3，觸桿限位板3為中心對稱的板狀結構，且觸桿限位板3的中心軸線與外部機械加工臂中心軸線共線， 觸桿限位板3用于確定觸桿的初始外偏角。在觸桿限位板3還固定有近距觸碰報警器4，用于測量裝置與蒙皮曲面的距離，并在測量裝置與蒙皮曲面的距離小于設定值時發出警報， 防止裝置與蒙皮曲面的距離過近。四個偏角測量機構1通過各自的角度傳感器11與盒體固定連接，并且四個觸桿8 均與觸桿限位板3接觸，以便于確定觸桿的初始外偏角。四個觸桿在各自與角度傳感器連接的一端端部還通過復位拉簧7與盒體連接，復位拉簧7的作用是在裝置運動過程中，將觸桿從較大的外偏角度恢復到初始外偏角度。為了保證裝置測量的準確性，在裝置的裝配過程中需要保證以下幾點1、位置相對的兩個偏角測量機構的角度傳感器測量軸平行；2、位置相鄰的兩個偏角測量機構的角度傳感器測量軸垂直；3、位置相對的兩個偏角測量機構的球形觸頭的球心連線與另外兩個位置相對的偏角測量機構的球形觸頭的球心連線垂直，且兩條球心連線與外部機械加工臂中心軸線均相交。由于本身測量的就是自由曲面上的任意點法向矢量，所以四個偏角測量機構中， 各自角度傳感器測量軸與球形觸頭球心的距離是否相同，對裝置測量的準確性沒有影響， 但是為了便于在數控系統中確定球形觸頭與蒙皮接觸點坐標，所以在本實施例中四個偏角測量機構的角度傳感器測量軸與球形觸頭球心的距離相同。采用上述裝置測量飛機蒙皮上待鉆鉚點的法向矢量，包括以下步驟步驟1 通過數控機床移動外部機械加工臂，使測量裝置的四個偏角測量組件1朝向蒙皮曲面，并且外部機械加工臂中心軸線通過蒙皮曲面上的待鉆鉚點；步驟2 操縱外部機械加工臂沿其中心軸線運動，使測量裝置向待鉆鉚點方向運動，四個偏角測量組件的球形觸頭分別與蒙皮曲面接觸，并且球形觸頭在蒙皮曲面上滑動， 當外部機械加工臂沿其中心軸線向蒙皮曲面方向運動到預設位置，本實施例中測量裝置的近距觸碰報警器離蒙皮曲面的距離為5mm后，操縱外部機械加工臂沿其中心軸線向遠離蒙皮曲面方向回復運動，使四個球形觸頭與蒙皮曲面脫離接觸；偏角測量組件中的角度傳感器實時測量運動過程中觸桿的偏轉角度，并傳遞給數控系統解算出球形觸頭與蒙皮曲面接觸點的坐標。球形觸頭與蒙皮曲面接觸點的坐標詳細解算過程為建立測量裝置的空間法向測量數學模型，如圖8所示，其中向量η代表外部機械加工臂的中心軸線方向，正交向量ηι、η2 所在的平面為測量裝置上下盒體的接觸分離面，同時也是四個角度傳感器測量軸軸線所處的公共平面，向量η垂直于該平面，垂足為點0。向量Ii1與一組位置相對的兩個偏角測量機構的角度傳感器測量軸軸線平行，向量η2與另一組位置相對的兩個偏角測量機構的角度傳感器測量軸軸線平行。點P1至&代表四支觸桿端部的球形觸頭的球心點，兩條虛線即為球形觸頭運動在蒙皮曲面上劃過的軌跡曲線，點O1至04分別為四支角度傳感器的測量軸軸線與各自觸桿軸線的焦點。首先，確定數學模型中的已知量由于該測量機構固連于六坐標工業機器人的機械臂末端執行機構上，隨之共同運動完成一系列測量過程。所以測量裝置的空間位置可由機器人機械臂末端的位置直接導出。現可確定后續計算所需的已知量如下1、通過機器人機械臂末端位置可以得出四個角度傳感器測量軸軸線所處平面方程 Ax+By+Cz+D = 0，點 0 的坐標(x0, y0, z0)以及向量 Ii1 表達式 H1 = (A1, B1, C1)；2、由測量裝置的尺寸可以得出角度傳感器測量軸軸線與外部機械加工臂中心軸線的距離a，角度傳感器測量軸軸線與球形觸頭球心的距離L以及球形觸頭半徑R ；3、四個角度傳感器測得的觸桿偏轉角θ n(n = 1，2，3，4)。其次，推導模型中的未知量1、外部機械加工臂中心軸線方程
X-XO V-Vo Z-ZO向量η的表達式為η = (A, B，C)2、向量 n2:[0050]= (SC1 - 5,C)/ + (A}C - AC1)j + (AB1 - A}B)k = (SC1 - BiC、A1C - ACv AB1 -AxB)3、由向量n2和點0的坐標可以得到過P1, P3和0點的平面方程滿足(BCfB1C) X0+ (A1C-AC1) y0+ (AB1-A1B) z0+O, = 0得出D1 = -[(BC1-B1Ck0+(A1C-AC1)yo+(AB1-A1Bk0]，貝丨J過 P^P3 和 點的平面方程為(BC1-B1C) χ+ (A1C-AC1) y+ (AB1-A1B) z-[ (BC1-B1C) x0+ (A1C-AC1) y0+ (AB1-A1B) z0] = 04、由點0的坐標和四個角度傳感器測量軸軸線所處平面方程Ax+By+Cz+D = 0求點O1至O4的坐標以O1點為例，設O1點坐標為Ov II1, P1)，O1點在平面Ax+By+Cz+D = 0上，
所以 Ami+Brii+CPi+D = 0 ；O1 點到 0 點距離為 a，所以α 二 ^(m, -X0)2+ (n, -y0f+(p, -zQ)2 .
m] -X0 η, -^0 P1 -Z0
對應比例式“^““二“^“二“^“嚙立求解三式可以得到仏點坐標On1, ηι; P1)。同理
可以得到02，03，04的坐標。5、由四個角度傳感器測得的觸桿偏轉角θη(η= 1，2，3，4)計算接觸球心點P1至 P4的坐標以P1點為例，設P1點坐標為(X1, Y1, Z1)，P1點處于平面(BC1-B1C) χ+ (A1C-AC1) y+ (AB1-A1B) z- [ (BC1-B1C) x0+ (A1C-AC1) y0+ (AB1-A1B) z0] = 0 中，得到(BC1-B1C) X1+ (A1C-AC1) Y1+ (AB1-A1B) Z1-[ (BC1-B1C) x0+ (A1C-AC1) y0+ (AB1-A1B) z0]= OP1到O1的距離為L，得至^(χ, -m,)2 + (^1 - ,)2+ (Z1 — p})2 = L ；由觸桿偏轉角θ工，向量n = (Α, B, C), \P) = (X1 - mP 力- ρ ζ, 一 P1)得到COS^j^l ^ y \MXi-^B.(y]-n]) + C.(Zl-Pl)\
H· ηθιΡι U2+B2+C2 -V^1 -^,)2 +(^ ~nxf +(Z1 -Pxf聯立求解以上三等式可求得P1點坐標(Xl，Y1, Z1)，同理可求出P2，P3, P4點坐標。按上述步驟分別求出不同時間對應的不同觸桿偏角下的觸點球心坐標值后，運用基于CATIA曲面造型中的NURBS曲線擬合法分別對兩組位置相對的球形觸頭與蒙皮曲面接觸點的坐標進行曲線擬合，在蒙皮曲面上得到兩條正交的曲線，兩條正交曲線的交點與蒙皮曲面上的待鉆鉚點重合，且每一條曲線都分別處于一個平面上。步驟3 在步驟2得到的任意一條曲線所處的平面內，通過調用CATIA中線框與曲面造型模塊中的平面內的法線求解功能計算該條曲線上待鉆鉚點處的法向矢量，以在步驟 2中得到該條曲線的兩個相對的偏角測量組件為第一組偏角測量組件，剩余兩個相對的偏角測量組件為第二組偏角測量組件；步驟4 偏轉外部機械加工臂，使外部機械加工臂中心軸線與步驟3中得到的法向矢量重合，然后再次操縱外部機械加工臂沿其中心軸線運動，使測量裝置向待鉆鉚點方向運動，第二組偏角測量組件的球形觸頭分別與蒙皮曲面接觸，并且球形觸頭在蒙皮曲面上滑動，第二組偏角測量組件中的角度傳感器實時測量運動過程中觸桿的偏轉角度，并傳遞給數控系統解算出球形觸頭與蒙皮曲面接觸點的坐標，并對第二組偏角測量組件與蒙皮曲面接觸點的坐標進行曲線擬合，得到一條與步驟3中采用的曲線正交的曲線，得到的曲線過待鉆鉚點，并且處于一個平面上；步驟5 在步驟4得到的曲線所處的平面內，通過調用CATIA中線框與曲面造型模塊中的平面內的法線求解功能計算步驟4得到的曲線上待鉆鉚點處的法向矢量，即為在蒙皮曲面上待鉆鉚點的法向矢量。本實施例中以某型號飛機機翼蒙皮壁板上的幾組實測點構成的樣條曲面為例，驗證該方法在測量自由曲面時的準確性。由機器人實地測量該蒙皮壁板曲面中的某一段，通過坐標變換后得出空間坐標系下的點位表如下
權利要求1.一種測量自由曲面任意點處法向矢量的裝置，其特征在于包括一個主體固定組件和四個偏角測量機構；每個偏角測量機構包括角度傳感器，觸桿和球形觸頭，觸桿外端與球形觸頭相連，觸桿另一端與角度傳感器測量軸固定連接，角度傳感器測量觸桿帶動角度傳感器測量軸轉動的角度；主體固定組件包括連接底座和盒體，連接底座與盒體固定相連，連接底座與外部機械加工臂固定相連，盒體側面均布有四個徑向凹槽，四個徑向凹槽呈十字形分布，四個偏角測量機構分別放置在四個徑向凹槽內，并且分別通過各自的角度傳感器與盒體固定連接，位置相對的兩個偏角測量機構的角度傳感器測量軸平行，位置相鄰的兩個偏角測量機構的角度傳感器測量軸垂直，位置相對的兩個偏角測量機構的球形觸頭的球心連線與另外兩個位置相對的偏角測量機構的球形觸頭的球心連線垂直，且兩條球心連線與外部機械加工臂中心軸線均相交，每個偏角測量機構的觸桿在其與角度傳感器連接的一端端部還通過復位拉簧與盒體連接。
2.根據權利要求1所述的一種測量自由曲面任意點處法向矢量的裝置，其特征在于 還包括有觸桿限位板，所述觸桿限位板為中心對稱的板狀結構，固定在盒體背對連接底座的一側，且觸桿限位板中心軸線與外部機械加工臂中心軸線共線，觸桿限位板用于確定觸桿的初始外偏角。
3.根據權利要求2所述的一種測量自由曲面任意點處法向矢量的裝置，其特征在于 還包括有近距觸碰報警器，近距觸碰報警器固定在觸桿限位板上，用于測量裝置與自由曲面的距離，并在測量裝置與自由曲面的距離小于設定值時發出警報，防止裝置與自由曲面的距離過近。
專利摘要本實用新型提出了一種測量自由曲面任意點處法向矢量的裝置，裝置包括主體固定組件和四個偏角測量機構，四個偏角測量機構成“十”型安裝在主體固定組件上，每個偏角測量機構包括角度傳感器，觸桿和球形觸頭，相對的角度傳感器測量軸平行，相鄰的角度傳感器測量軸垂直，相對的兩個球形觸頭的球心連線與另外兩個相對的球形觸頭的球心連線垂直，且兩條球心連線與外部機械加工臂中心軸線均相交。測量時，通過四個球形觸頭分別兩次在自由曲面上劃出曲線，形成正交平面，對外部機械加工臂中心軸線進行角度修正，進而得到待測點的法向矢量。本方法測量數據點較少，省去了曲面擬合的復雜過程，在測量大曲率曲面時精度滿足實際要求，便于應用。
文檔編號B23B49/00GK202239806SQ20112035877
公開日2012年5月30日 申請日期2011年9月22日 優先權日2011年9月22日
發明者余劍峰, 張 杰, 徐志佳, 李原, 董亮, 辛博 申請人:西北工業大學