一种三维激光打孔定位方法技术

本发明专利技术公开了一种三维激光打孔定位方法，包括以下步骤：对三维五轴运动平台进行初始化，将工件固定在三维五轴运动平台上，激光头固定在三维五轴运动平台上方；通过三维五轴运动平台对工件进行姿态转正，使工件基准面的法向量与三维五轴运动平台的Z轴平行；通过三维五轴运动平台调整工件基准面到激光头的距离为预设值；寻找基准面上的mark点，通过三维五轴运动平台调整工件的姿态，使激光头发射的激光落在工件待加工孔区域中心；依次提取工件坐标系中待加工孔的坐标值，通过坐标变换求取孔平面垂直于激光且激光焦点落在孔平面时，三维五轴运动平台的五轴取值(X,Y,Z,A,C)，完成对待加工孔的定位。

【技术实现步骤摘要】
一种三维激光打孔定位方法
本专利技术属于三维加工
，具体是一种三维激光打孔定位方法。
技术介绍
激光打孔用机床简单又通用的形式为三维机床，两维运动在水平面，以X、Y表示，两坐标轴相互垂直，第三维Z轴与X-Y平面垂直。每一维可通过步进电机带动滚珠丝杠在直线滚珠导轨上运行，它的精度由丝杠的精度和滚珠导轨的精度确定。如果配以微处理机系统，三维机床就可以完成平面内各种孔及一定范围内群孔的激光加工。当需要在管材或桶形材料进行系列孔的加工时，机床应具有五维功能，除了前面提到的三维以外，增加的两维是X-Y平面360度的旋转，我们定义它为A轴，X-Y平面在Z方向上的0-90度倾斜，我们定义它为C轴。这样多种类型的激光打孔加工，五维工作台都能胜任。三维激光技术发展，扩宽了激光技术的应用领域。现阶段，三维激光切割及焊接已广泛运用于航天，汽车制造等行业，相比于其他行业三维技术，激光加工有其特殊的定位需求，不仅要求激光在工件上依据轨迹运动，还要求轨迹上的加工点垂直于激光，且处于焦点。现有的三维激光打孔系统普遍存在的问题是定位精度较低，而定位精度是直接影响激光加工效果的，因此，亟需提出一种定位精度高的三维激光打孔定位方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种三维激光打孔定位方法为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种三维激光打孔定位方法，包括以下步骤：对三维五轴运动平台进行初始化，将工件固定在三维五轴运动平台上，激光头固定在三维五轴运动平台上方；通过三维五轴运动平台对工件进行姿态转正，使工件基准面的法向量与三维五轴运动平台的Z轴平行；通过三维五轴运动平台调整工件基准面到激光头的距离为预设值；寻找基准面上的mark点，通过三维五轴运动平台调整工件的姿态，使激光头发射的激光落在工件待加工孔区域中心，完成位置对准；依次提取工件坐标系中待加工孔的坐标值，通过坐标变换求取孔平面垂直于激光且激光焦点落在孔平面时，三维五轴运动平台的五轴取值(X，Y，Z，A，C)，完成对待加工孔的定位；所述三维五轴运动平台包括三个平动轴X轴、Y轴、Z轴和两个转动轴A轴、C轴，所述X轴、Y轴、Z轴两两正交；所述A轴绕X轴旋转，所述C轴绕Z轴旋转。具体地，对所述工件进行姿态转正的方法为：通过视觉及位置传感器获取工件基准面上不共线的三点在三维五轴运动平台上的坐标A(XA，YA，ZA)、B(XB，YB，ZB)、C(XC，YC，ZC)，通过三点求取两矢量和进而求取基准面的平面法向量计算公式为：求出法向量a＝(YA-YB)(ZC-ZB)-(YC-YB)(ZA-ZB)b＝(ZA-ZB)(XC-XB)-(ZC-ZB)(XA-XB)c＝(XA-XB)(YC-YB)-(XC-XB)(YA-YB)令法向量与Z轴的夹角为α，法向量与Y轴的夹角为β，有：α＝acos(c/len)β＝atan(a/b)通过三维五轴运动平台转动C轴角度β，转动A轴角度α，即使得基准面的法向量与Z轴平行。具体地，在进行坐标变换之前，首先要建立以下坐标系：机械坐标系，即三维五轴平台的坐标系；0号坐标系，将机械坐标系的原点平移至A轴、C轴交点O处，再将平移后的机械坐标系绕Z轴顺时针转90度，即得到0号坐标系；1号坐标系，原点为A轴、C轴交点O，Z轴与A轴的转动轴心重合；2号坐标系，原点为A轴、C轴交点O，Z轴与C轴的转动轴心重合；其中，0号、1号、2号坐标系是根据机械臂运动学连杆坐标系建立方式来建立的；工件坐标系，所述工件坐标系的原点O为工件上待加工区域的中心点，其Z轴垂直于工件基准面，X轴和Y轴垂直，且XOY面与基准面平行；夹具坐标系，所述夹具坐标系的原点位于A轴和C轴的交点处，其Z轴与工件坐标系的Z轴重合；激光坐标系，所述激光坐标系的原点为激光的焦点，其X轴、Y轴、Z轴分别与0号坐标系的X轴、Y轴、Z轴平行。进一步地，所述坐标变换的方法为：根据0号坐标系、1号坐标系、2号坐标系之间的位置关系，得到转换矩阵如下：其中，表示1号坐标系相对0号坐标系的变换矩阵；表示2号坐标系相对1号坐标系的变换矩阵；表示2号坐标系相对0号坐标系的变换矩阵；θ1为A轴旋转的角度；θ2为C轴旋转的角度；根据夹具坐标系与2号坐标系之间的位置关系可知：夹具坐标系的原点相对于2号坐标系的原点有一个平移量(dx、dy、dz)，该平移量为定值；则其中，表示夹具坐标系相对0号坐标系的变换矩阵；表示夹具坐标系相对2号坐标系的变换矩阵；根据激光焦点在机械坐标系中的坐标值(Xlaser，Ylaser，Zlaser)为定值，三维五轴的实时坐标为(X，Y，Z，A，C)，则其中，表示0号坐标系相对激光坐标系的变换矩阵；根据激光坐标系与工件坐标系的位置关系可知，激光坐标系的Z轴与工件坐标系的Z轴重合，激光坐标系的原点与工件坐标系的原点在Z方向上的距离为r，激光坐标系的X/Y轴与工件坐标系的X/Y轴的夹角为θd；则其中，表示0状态下工件坐标系相对激光坐标系的变换矩阵，0状态表示位置对准完成后的状态，此时，工件坐标系的Z轴与激光坐标系的Z轴重合，工件坐标系的原点与激光坐标系的原点在Z方向上的距离为r；表示夹具坐标系相对工件坐标系的变换矩阵；cθd表示cosθd；sθd表示sinθd。进一步地，根据坐标变换方法计算待加工孔平面垂直于激光且激光焦点落在孔平面时，三维五轴运动平台的A轴和C轴转动的角度θ1、θ2；方法如下：根据矩阵转换公式得到工件坐标系相对0号坐标系的变换矩阵；取工件坐标系中待加工孔的坐标为4P(XHOLE，YHOLE，ZHOLE)，计算待加工孔在夹具坐标系中的坐标为根据以下公式计算θ1、θ2：A3＝acos(Z3/len)C3＝acos(X/Y)其中，A3＝θ1，C3＝θ2。进一步地，计算待加工孔平面垂直于激光且激光焦点落在孔平面时三维五轴运动平台的X，Y，Z值的方法为：根据θ1、θ2的值，先计算出再根据计算出依据其中，0P的坐标为(Ylaser-Y，-Xlaser+X，Zlaser-Z)；再根据以下公式计算得到X、Y、Z的值：Ylaser-Y＝r00*XHOLE+r01*YHOLE+r02*ZHOLE+r03-Xlaser+X＝r10*XHOLE+r11*YHOLE+r12*ZHOLE+r13Zlaser-Z＝r20*XHOLE+r21*YHOLE+r22*ZHOLE+r23再结合A轴、C轴旋转的角度，即得到当孔平面垂直于激光且激光焦点落在孔平面时，三维五轴运动平台的五轴取值(本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种三维激光打孔定位方法，其特征在于，包括以下步骤：/n对三维五轴运动平台进行初始化，将工件固定在三维五轴运动平台上，激光头固定在三维五轴运动平台上方；/n通过三维五轴运动平台对工件进行姿态转正，使工件基准面的法向量与三维五轴运动平台的Z轴平行；/n通过三维五轴运动平台调整工件基准面到激光头的距离为预设值；/n寻找基准面上的mark点，通过三维五轴运动平台调整工件的姿态，使激光头发射的激光落在工件待加工孔区域中心，完成位置对准；/n依次提取工件坐标系中待加工孔的坐标值，通过坐标变换求取孔平面垂直于激光且激光焦点落在孔平面时，三维五轴运动平台的五轴取值(X，Y，Z，A，C)，完成对待加工孔的定位；/n所述三维五轴运动平台包括三个平动轴X轴、Y轴、Z轴和两个转动轴A轴、C轴，所述X轴、Y轴、Z轴两两正交；所述A轴绕X轴旋转，所述C轴绕Z轴旋转。/n

【技术特征摘要】
1.一种三维激光打孔定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
对三维五轴运动平台进行初始化，将工件固定在三维五轴运动平台上，激光头固定在三维五轴运动平台上方；
通过三维五轴运动平台对工件进行姿态转正，使工件基准面的法向量与三维五轴运动平台的Z轴平行；
通过三维五轴运动平台调整工件基准面到激光头的距离为预设值；
寻找基准面上的mark点，通过三维五轴运动平台调整工件的姿态，使激光头发射的激光落在工件待加工孔区域中心，完成位置对准；
依次提取工件坐标系中待加工孔的坐标值，通过坐标变换求取孔平面垂直于激光且激光焦点落在孔平面时，三维五轴运动平台的五轴取值(X，Y，Z，A，C)，完成对待加工孔的定位；
所述三维五轴运动平台包括三个平动轴X轴、Y轴、Z轴和两个转动轴A轴、C轴，所述X轴、Y轴、Z轴两两正交；所述A轴绕X轴旋转，所述C轴绕Z轴旋转。


2.根据权利要求1所述的一种三维激光打孔定位方法，其特征在于，对所述工件进行姿态转正的方法为：
通过视觉及位置传感器获取工件基准面上不共线的三点在三维五轴运动平台上的坐标A(XA，YA，ZA)、B(XB，YB，ZB)、C(XC，YC，ZC)，通过三点求取两矢量和进而求取基准面的平面法向量计算公式为：









求出法向量
a＝(YA-YB)(ZC-ZB)-(YC-YB)(ZA-ZB)
b＝(ZA-ZB)(XC-XB)-(ZC-ZB)(XA-XB)
c＝(XA-XB)(YC-YB)-(XC-XB)(YA-YB)
令法向量与Z轴的夹角为α，法向量与Y轴的夹角为β，有：



α＝acos(c/len)
β＝atan(a/b)
通过三维五轴运动平台转动C轴角度β，转动A轴角度α，即使得基准面的法向量与Z轴平行。


3.根据权利要求1所述的一种三维激光打孔定位方法，其特征在于，在进行坐标变换之前，首先要建立以下坐标系：
机械坐标系，即三维五轴平台的坐标系；
0号坐标系，将机械坐标系的原点平移至A轴、C轴交点0处，再将平移后的机械坐标系绕Z轴顺时针转90度，即得到0号坐标系；
1号坐标系，原点为A轴、C轴交点0，Z轴与A轴的转动轴心重合；
2号坐标系，原点为A轴、C轴交点0，Z轴与C轴的转动轴心重合；
工件坐标系，所述工件坐标系的原点O为工件上待加工区域的中心点，其Z轴垂直于工件基准面，X轴和Y轴垂直，且XOY面与基准面平行；
夹具坐标系，所述夹具坐标系的原点位于A轴和C轴的交点处，其Z轴与工件坐标系的Z轴重合；
激光坐标系，所述激光坐标系的原点为激光的焦点，其X轴、Y轴、Z轴分别与0号坐标系的X轴、Y轴、Z轴平行。


4.根据权利要求3所述的一种三维激光打孔定位方法，其特征在于，所述坐标变换的方法为：
根据0号坐标系、1号坐标系、2号坐标系之间的位置关系，得到转换矩阵如下：

【专利技术属性】
技术研发人员：杨茜，王雪辉，王建刚，
申请(专利权)人：武汉华工激光工程有限责任公司，
类型：发明
国别省市：湖北;42