本發(fā)明涉及孔軸類零件高精度檢測，尤其涉及一種基于自驅(qū)動關(guān)節(jié)臂坐標(biāo)測量機(jī)的復(fù)雜零件孔徑檢測裝置及其測量方法。

背景技術(shù)：

1、為了保障工業(yè)裝備零部件智能制造生產(chǎn)線的產(chǎn)品質(zhì)量，通常采用高精度測量設(shè)備對加工的零部件幾何尺寸進(jìn)行在線測量。目前常用的測量設(shè)備主要有三坐標(biāo)測量機(jī)、關(guān)節(jié)臂式坐標(biāo)測量機(jī)、激光跟蹤儀、視覺測量等。其中，三坐標(biāo)測量機(jī)雖然測量精度高，但其測量靈活性低、體積龐大，不適合集成于生產(chǎn)線對復(fù)雜零件進(jìn)行測量；激光跟蹤儀雖然測量靈活性高，但需要人工手持靶球進(jìn)行測量，且其測量過程容易因周圍物體遮擋而導(dǎo)致丟光，影響測量效率；視覺測量的測量精度低，且容易受環(huán)境光照影響。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、自驅(qū)動關(guān)節(jié)臂坐標(biāo)測量機(jī)(簡稱：測量機(jī))具有結(jié)構(gòu)簡單、自由度高、體積小、重量輕、測量精度高等優(yōu)勢，因此可將其集成于生產(chǎn)線對復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件尺寸進(jìn)行在線自動高精度測量。

2、由于自驅(qū)動關(guān)節(jié)臂坐標(biāo)測量機(jī)末端為觸發(fā)式測頭，其直接測量的結(jié)果是得到工件表面目標(biāo)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，如果想要得到工件物理幾何尺寸，還需要建立工件幾何特征的測量模型，之后再將測得的目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)代入測量模型，計(jì)算得出工件幾何特征尺寸。針對簡單零件幾何尺寸，如工件長度、球半徑等，采用相應(yīng)的擬合算法即可快速求解。然而，針對含有孔、軸等特征的復(fù)雜工件，測量機(jī)需要對其外曲表面、內(nèi)曲表面上的目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行觸測，既要考慮工件在空間中的固定姿態(tài)，又要根據(jù)曲面上的目標(biāo)點(diǎn)建立復(fù)雜軸孔幾何特征的測量模型。因此，提出了一種基于自驅(qū)動關(guān)節(jié)臂坐標(biāo)測量機(jī)的復(fù)雜零件孔徑檢測裝置及其測量方法。

3、本發(fā)明的目的就在于為了解決上述問題而提供一種基于自驅(qū)動關(guān)節(jié)臂坐標(biāo)測量機(jī)的復(fù)雜零件孔徑檢測裝置及其測量方法，此裝置可以改變工件在空間中的固定姿態(tài)，并且控制測量機(jī)對具有孔軸特征的復(fù)雜工件表面目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行多自由度柔性觸測，該測量方法可以實(shí)現(xiàn)測量機(jī)對工件的孔、軸類幾何特征尺寸的高精度測量。

4、本發(fā)明提出的一種基于自驅(qū)動關(guān)節(jié)臂坐標(biāo)測量機(jī)的復(fù)雜零件孔徑檢測裝置，包括工作臺以及安裝在所述工作臺1上的自驅(qū)動關(guān)節(jié)臂坐標(biāo)測量機(jī)；

5、所述工作臺上設(shè)有用于對復(fù)雜零件夾持的零件夾持件，且所述零件夾持件位于所述自驅(qū)動關(guān)節(jié)臂坐標(biāo)測量機(jī)的一側(cè)；

6、所述工作臺上還設(shè)有用于帶動所述零件夾持件在x方向、y方向和z方向移動的驅(qū)動機(jī)構(gòu)。

7、作為本發(fā)明進(jìn)一步優(yōu)化的方案，還包括角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，所述角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)安裝在所述驅(qū)動機(jī)構(gòu)的移動端，所述零件夾持件安裝在所述角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)上，所述角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)用于調(diào)節(jié)安裝在所述零件夾持件上的復(fù)雜零件相對所述自驅(qū)動關(guān)節(jié)臂坐標(biāo)測量機(jī)的角度，可以調(diào)節(jié)復(fù)雜零件相對自驅(qū)動關(guān)節(jié)臂坐標(biāo)測量機(jī)的角度。

8、作為本發(fā)明進(jìn)一步優(yōu)化的方案，所述角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)包括安裝在所述驅(qū)動機(jī)構(gòu)移動端的安裝座，所述安裝座具有磁性，所述安裝座上開有半球形槽，所述零件夾持件的底部設(shè)有固定球，所述固定球與所述半球形槽匹配且所述固定球吸附在所述安裝座上，該安裝座可以為現(xiàn)有技術(shù)中的磁鐵制成。

9、作為本發(fā)明進(jìn)一步優(yōu)化的方案，所述零件夾持件包括夾持臂以及安裝在所述夾持臂上的機(jī)械手爪，所述機(jī)械手爪用于對復(fù)雜零件夾持。

10、作為本發(fā)明進(jìn)一步優(yōu)化的方案，所述機(jī)械手爪上設(shè)有壓力傳感器用于檢測所述機(jī)械手爪與復(fù)雜零件之間的力。

11、在一些實(shí)施例中具體地，所述驅(qū)動機(jī)構(gòu)包括y移動機(jī)構(gòu)以及安裝在所述y移動機(jī)構(gòu)移動件上的x移動機(jī)構(gòu)，所述x移動機(jī)構(gòu)的移動件上設(shè)有升降機(jī)構(gòu)，所述零件夾持件安裝在所述升降機(jī)構(gòu)的升降端。

12、在一些實(shí)施例中具體地，所述y移動機(jī)構(gòu)和所述x移動機(jī)構(gòu)為絲桿滑塊移動機(jī)構(gòu)。

13、一種基于自驅(qū)動關(guān)節(jié)臂坐標(biāo)測量機(jī)的復(fù)雜零件孔徑測量方法，包括如下步驟：

14、自驅(qū)動關(guān)節(jié)臂坐標(biāo)測量機(jī)連接上位機(jī)并在上位機(jī)上輸入自驅(qū)動關(guān)節(jié)臂坐標(biāo)測量機(jī)的六個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)所需轉(zhuǎn)動的理論角度值(θi1，θi2，θi3，θi4，θi5，θi6)，開始通過自驅(qū)動關(guān)節(jié)臂坐標(biāo)測量機(jī)測量復(fù)雜零件的孔徑：

15、自驅(qū)動關(guān)節(jié)臂坐標(biāo)測量機(jī)自初始姿態(tài)運(yùn)動至復(fù)雜零件附近，并對復(fù)雜零件內(nèi)曲面上的目標(biāo)點(diǎn)s進(jìn)行觸測，此時，上位機(jī)中記錄自驅(qū)動關(guān)節(jié)臂坐標(biāo)測量機(jī)六個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)實(shí)際的角度值(θr1，θr2，θr3，θr4，θr5，θr6)；

16、正運(yùn)動學(xué)模型建立與目標(biāo)點(diǎn)空間坐標(biāo)求解：

17、建立自驅(qū)動關(guān)節(jié)臂坐標(biāo)測量機(jī)的正運(yùn)動學(xué)模型，并將s1中記錄的角度值(θr1，θr2，θr3，θr4，θr5，θr6)代入正運(yùn)動學(xué)模型中，求解零件內(nèi)表面目標(biāo)點(diǎn)s的三維空間坐標(biāo)(sx，sy，sz)：

18、

19、其中：nx，ny，nz是指目標(biāo)點(diǎn)s在自驅(qū)動關(guān)節(jié)臂坐標(biāo)測量機(jī)基礎(chǔ)坐標(biāo)系下的法向矢量；ox，oy，oz是指目標(biāo)點(diǎn)s在自驅(qū)動關(guān)節(jié)臂坐標(biāo)測量機(jī)基礎(chǔ)坐標(biāo)系下的方位矢量；θr1，θr2，θr3，θr4，θr5，θr6為測量機(jī)中六個關(guān)節(jié)模組的實(shí)際關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角；θi為關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角；di為關(guān)節(jié)偏置；ai為連桿長度；αi為關(guān)節(jié)扭轉(zhuǎn)角；ax，ay，az是指目標(biāo)點(diǎn)s在自驅(qū)動關(guān)節(jié)臂坐標(biāo)測量機(jī)基礎(chǔ)(固定)坐標(biāo)系下的接近矢量；

20、復(fù)雜零件的所有目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)測量及求解：

21、重復(fù)正運(yùn)動學(xué)模型建立與目標(biāo)點(diǎn)空間坐標(biāo)求解，分別對復(fù)雜零件的內(nèi)孔表面與孔端面上不同位置的目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行測量與求解，得到內(nèi)孔表面上的n個目標(biāo)點(diǎn)sni(i＝1,2,3...n)的空間坐標(biāo)集1(snix，sniy，sniz)，與孔端面上的n個目標(biāo)點(diǎn)sdj(j＝1,2,3...n)的空間坐標(biāo)集2(sdjx，sdjy，sdjz)，n和n均為正整數(shù)；

22、復(fù)雜零件的孔端面擬合方程及其法向量求解：

23、利用平面擬合算法對s6中的空間坐標(biāo)集2(sdjx，sdjy，sdjz)進(jìn)行平面擬合，得到孔端面的平面方程：

24、ax+by+cz+d＝0

25、此時，孔端面的法向量即為(a，b，c)；

26、復(fù)雜零件的內(nèi)孔表面目標(biāo)點(diǎn)投影至孔端面：

27、將s6中的空間坐標(biāo)集1(snix，sniy，sniz)投影至孔端面，假設(shè)過點(diǎn)sni到孔端面擬合平面的垂足記為sni'(sni'x，sni'y，sni'z),則直線sni-sni'與孔端面的法向量(a，b，c)平行，則直線sni-sni'的參數(shù)方程為：

28、

29、之后，將(x，y，z)代入孔端面平面方程，求解t：

30、t＝a·snix+b·sniy+c·sniz+d·a2+b2+c2

31、將t代入直線參數(shù)方程，則得出復(fù)雜零件的內(nèi)孔表面目標(biāo)點(diǎn)投影至孔端面的投影點(diǎn)坐標(biāo)sni'(sni'x，sni'y，sni'z)：

32、

33、復(fù)雜零件的孔半徑求解：

34、根據(jù)投影點(diǎn)坐標(biāo)sni'(sni'x，sni'y，sni'z)，利用最小二乘法擬合出復(fù)雜零件的孔投影至孔端面的圓的參數(shù)方程：

35、(x-xc)2+(y-yc)2＝r2

36、由此，確定出復(fù)雜零件的孔半徑r，其中xc，yc代表復(fù)雜零件上的孔投影至孔端面的圓的圓心坐標(biāo)。

37、為了保證孔端面的平面方程的擬合精度，作為本發(fā)明進(jìn)一步優(yōu)化的方案，所述自驅(qū)動關(guān)節(jié)臂坐標(biāo)測量機(jī)在孔端面選擇均勻分布在端面的至少6個點(diǎn)進(jìn)行觸測，且每個點(diǎn)重復(fù)測量至少3次。

38、為了保證內(nèi)孔表面目標(biāo)點(diǎn)投影至孔端面的圓的方程擬合精度，作為本發(fā)明進(jìn)一步優(yōu)化的方案，所述自驅(qū)動關(guān)節(jié)臂坐標(biāo)測量機(jī)在內(nèi)孔表面選擇均勻分布在曲面的至少50個點(diǎn)進(jìn)行觸測，且每個點(diǎn)重復(fù)測量至少3次。

39、本發(fā)明中，所提出的基于自驅(qū)動關(guān)節(jié)臂坐標(biāo)測量機(jī)的復(fù)雜零件孔徑檢測裝置及其測量方法，本發(fā)明采用驅(qū)動機(jī)構(gòu)調(diào)整復(fù)雜零件在空間中的x、y、z坐標(biāo)位置，進(jìn)一步地采用角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)調(diào)整復(fù)雜零件在空間中的固定姿態(tài)，采用夾持臂中的機(jī)械手爪來夾持復(fù)雜零件，通過機(jī)械手爪上的壓力傳感器來控制機(jī)械手爪夾持復(fù)雜零件時的夾持力，將復(fù)雜零件以最優(yōu)姿態(tài)固定在空間中的最佳測量區(qū)域內(nèi)，當(dāng)調(diào)整好復(fù)雜零件在空間中的位置和姿態(tài)后，利用上位機(jī)控制自驅(qū)動關(guān)節(jié)臂坐標(biāo)測量機(jī)對復(fù)雜零件內(nèi)曲面、端面上不同位置的目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行觸測，得到曲面上的目標(biāo)點(diǎn)三維坐標(biāo)，利用端面上的目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)擬合出端平面方程并計(jì)算其法向量，將內(nèi)孔曲面上的目標(biāo)點(diǎn)三維坐標(biāo)投影至端平面方程并得到目標(biāo)點(diǎn)在端平面上的三維坐標(biāo)，利用投影至端平面上的目標(biāo)點(diǎn)三維坐標(biāo)進(jìn)行圓擬合，求解出圓心坐標(biāo)和圓半徑，由此得到復(fù)雜零件的內(nèi)徑值。本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)對工業(yè)智能制造生產(chǎn)線中復(fù)雜零件的孔特征及其他曲面幾何特征的高精度柔性靈活測量。

40、本發(fā)明的附加方面和優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發(fā)明的實(shí)踐了解到。