一种并联机器人复杂构件廓形接触式在位测量系统和方法技术方案

本发明专利技术一种并联机器人复杂构件廓形接触式在位测量系统和方法属于复杂构件在位测量技术领域，涉及一种并联机器人复杂构件廓形接触式在位测量系统和方法。该测量系统由并联机器人和支撑架、接触式位移传感器、传感器连接机构、仿形夹具组件组成。测量方法采用复杂构件廓形接触式在位测量系统，建立待测构件工件坐标系；根据构件CAD模型提取点位特征，规划并联机器人测量轨迹。利用接触式位移传感器获取并联机器人末端运动轨迹与复杂构件表面距离变化，通过在并联机器人末端轨迹叠加实测位移变化，实现复杂构件表面空间点位数据获取进行拟合重建，实现被测复杂构件廓形测量。该方法有效避免二次装夹引入的误差，有效提高该类零件的加工效率与精度。件的加工效率与精度。件的加工效率与精度。

【技术实现步骤摘要】
一种并联机器人复杂构件廓形接触式在位测量系统和方法


[0001]本专利技术属于复杂构件在位测量
，特别涉及一种并联机器人复杂构件廓形接触式在位测量系统和方法。

技术介绍

[0002]在航空航天、能源动力和汽车船舶等国民经济重点工业领域中，存在大量的关键复杂构件，如天线罩等，实现关键复杂构件高效制造意义重大。在此类关键复杂构件加工过程中，需要在位获取构件的准确几何形状描述，以指导后续加工工艺，从而保证该类构件的加工质量与效率。
[0003]现有测量方法主要分为接触式测量和非接触式测量。常规接触式测量方法，如三坐标测量机等，可以获得精度较高的构件廓形点位数据，但复杂构件需进行二次装夹，从而引入误差，无法实现复杂构件的在位自动高效测量。以光学测量为代表的非接触式测量方法，如三维激光扫描仪等，扫描精度快速、效率高，在大尺度面型测量中应用广泛，但其测量精度较低，且往往需要在被测对象表面粘贴标志点，难以满足该类复杂构件洁净度要求，同时受限于设备景深约束，无法实现复杂构件全廓形测量。随着机器人技术的快速发展，结合并联机器人稳定性强、误差小的优势，将并联机器人与接触式位移传感器集成，为复杂构件廓形在位高精高效测量提供了一种有效方法。因此，在加工环境中建立一种并联机器人复杂构件廓形接触式在位测量系统，对提高复杂构件的加工质量与效率具有重要意义。
[0004]现有技术文献1“A sampling
‑
based motion planning method for active visual measurement with an industrial robot”，该文献提出一种基于工业机器人的测量系统，通过固定在机器人末端的相机对构件进行图像抓取和点云重构，实现目标构件的特征测量，然而工业机器人累积误差较大，且该测量系统容易受构件颜色、光洁度等影响，因此，具有一定的局限性；
[0005]现有技术文献2“An adaptive computer
‑
aided path planning to eliminate errors of contact probes on free
‑
form surfaces using a 4
‑
DOF parallel robot CMM and a turn
‑
table”，该文献提出采用四自由度并联装置结合触发式测头集成测量系统，结合并联装置累积误差小、动态性能好和接触式测量方法高精度的特点，有效提高了系统的检测精度。然而，触发式测头测量效率较低，难以实现复杂构件的高效测量。

技术实现思路

[0006]本专利技术为克服现有技术的缺陷，专利技术了一种并联机器人复杂构件廓形接触式在位测量系统，实现复杂构件在位高精高效测量。该系统通过并联机器人、一维接触式位移传感器、传感器连接机构、构件仿形夹具组成的接触式测量装置，在加工环境中建立在位测量系统，在加工过程中保证工位不变的情况下，结合测量轨迹规划，对复杂构件廓形进行接触式扫描测量，可有效避免因二次装夹引入误差，进而有效提高加工精度与效率。
[0007]本专利技术所述的技术方案是一种并联机器人复杂构件廓形接触式在位测量系统，特
征在于，在位测量系统由并联机器人和支撑架、一维接触式位移传感器、传感器连接机构、仿形夹具组件组成。
[0008]采用并联机器人2为接触式测量系统提供测量所需运动轨迹，并联机器人2简化后由静平台、主动臂、从动臂、末端动平台构成；整个并联机器人2安装在并联机器人支撑架1上；
[0009]所述传感器连接机构分别由机器人末端转件板9、加长测杆3和位移传感器安装板7构成，机器人末端转接板9固连在并联机器人2动平台下方，加长测杆3两端加工有螺纹，一端通过螺纹固定连接在机器人末端转接板9中，另一端与位移传感器安装板7连接，传感器安装板7为45
°
L型结构，位移一维接触式位移传感器8通过旋紧螺母固定安装在位移传感器安装板7L型结构一侧；通过控制并联机器人末端动平台运动，实现接触式位移传感器测头测量轨迹的精准控制；通过控制并联机器人在笛卡尔空间中运动和第四轴旋转运动，可实现复杂构件三维廓形测量。
[0010]所述仿形夹具组件由左、右部仿形夹板10、12、底部支撑板5、锁紧螺栓11和井字连接梁组成；其中，井字连接梁由左、右连接横梁6和前后井字形连接梁13固定连接而成；底部支撑板5中间加工有锥形安装孔，底部支撑板5水平安装在地上，其中心与加长测杆3同心；井字连接梁固定在并联机器人支撑架1中；左、右仿形夹板10、12固定在井字连接梁中的左、右连接横梁6上，被测工件4安装在水平设置的左、右仿形夹板10、12中，被测工件4底部安装在支撑板5锥形安装孔中，实现被测工件的定心与支撑固定；在左、右仿形夹板10、12的前侧与后侧加工有对称分布的安装孔位，通过旋转锁紧螺栓11，驱使左、右仿形夹板左右两侧远离或者靠近，从而使得左、右仿形夹板10、12对被测工件4的夹紧力得到改变；
[0011]一种并联机器人复杂构件廓形接触式在位测量方法，其特征是，该测量方法采用复杂构件廓形接触式在位测量系统，标定并联机器人基坐标系与位移传感器的测头相对位姿，建立待测复杂构件工件坐标系；然后根据复杂构件CAD模型提取点位特征，规划并联机器人测量轨迹；利用接触式位移传感器获取并联机器人末端运动轨迹与复杂构件表面距离变化，通过在并联机器人末端轨迹叠加实测位移变化，实现复杂构件表面空间点位数据获取；最终将复杂构件多部位点位数据进行拟合重建，从而实现被测复杂构件廓形测量。方法的具体操作步骤如下：
[0012]步骤1，建立待测复杂构件工件坐标系
[0013]采用复杂构件廓形接触式在位测量系统，将并联机器人基坐标系作为全局测量坐标系，建立待测复杂构件工件坐标系，并通过并联机器人正运动学方程及坐标变换理论求解坐标系间转换关系；
[0014]首先，根据Delta并联机器人简化几何模型，以并联机器人静平台中心为坐标原点，X
W
轴通过主动臂1转轴轴线中心点，Z
W
轴正向垂直静平台向上，根据右手定则确定Y
W
轴正向，建立并联机器人基坐标系{O
W
‑
X
W
Y
W
Z
W
}，将其作为全局测量坐标系。以并联机器人末端动平台中心为坐标原点，垂直于末端动平台平面向上为Z
E
轴正向，末端动平台绕Z
W
轴方向旋转角θ4＝0时基坐标系X
W
轴正向为X
E
轴正向，根据右手定则确定Y
E
轴正向，建立并联机器人末端坐标系{O
E
‑
X
E
Y
E
Z
E
}；
[0015]根据并联机器人正运动学方程，由并联机器人正向运动学原理，求解从并联机器人末端坐标系{O<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种并联机器人复杂构件廓形接触式在位测量系统，其特征在于，在位测量系统由并联机器人和支撑架、一维接触式位移传感器、传感器连接机构、仿形夹具组件组成；并联机器人(2)简化后由静平台、主动臂、从动臂、末端动平台构成；采用并联机器人(2)为接触式测量系统提供测量所需运动轨迹，整个并联机器人(2)安装在并联机器人支撑架(1)上；所述传感器连接机构由机器人末端转件板(9)、加长测杆(3)和位移传感器安装板(7)构成；机器人末端转接板(9)固连在并联机器人(2)动平台下方，加长测杆(3)两端加工有螺纹，一端通过螺纹固定连接在机器人末端转接板(9)中，另一端与位移传感器安装板(7)连接，传感器安装板(7)为45
°
L型结构；位移一维接触式位移传感器(8)通过旋紧螺母固定安装在位移传感器安装板(7)L型结构一侧；通过控制并联机器人末端动平台运动，实现接触式位移传感器测头测量轨迹的精准控制；通过控制并联机器人在笛卡尔空间中运动和第四轴旋转运动，实现复杂构件三维廓形的测量；所述仿形夹具组件由左、右部仿形夹板(10、12)、底部支撑板(5)、锁紧螺栓(11)和井字连接梁组成；其中，井字连接梁由左、右连接横梁(6)和前、后井字形连接梁(13)固定连接而成；底部支撑板(5)中间加工有锥形安装孔，底部支撑板(5)水平安装在地上，其中心与加长测杆(3)同心；前、后井字形连接梁固定在并联机器人支撑架(1)中；左、右仿形夹板(10、12)固定在井字连接梁中的左、右连接横梁(6)上，被测工件(4)安装在水平设置的左、右仿形夹板(10、12)中，被测工件(4)底部安装在支撑板(5)锥形安装孔中，实现被测工件的定心与支撑固定；在左、右仿形夹板(10、12)的前侧与后侧加工有对称分布的安装孔位，通过旋转锁紧螺栓(11)，驱使左、右仿形夹板左右两侧远离或者靠近，从而使得左、右仿形夹板(10、12)对被测工件(4)的夹紧力得到改变。2.一种并联机器人复杂构件廓形接触式在位测量方法，其特征在于，该测量方法采用复杂构件廓形接触式在位测量系统，先标定并联机器人基坐标系与位移传感器测头相对位姿，建立待测复杂构件工件坐标系；然后根据复杂构件CAD模型提取点位特征，规划并联机器人测量轨迹；利用接触式位移传感器获取并联机器人末端运动轨迹与复杂构件表面距离变化，通过在并联机器人末端轨迹叠加实测位移变化，实现复杂构件表面空间点位数据获取；最终将复杂构件多部位点位数据进行拟合重建，从而实现被测复杂构件廓形测量；方法的具体操作步骤如下：步骤1，建立待测复杂构件工件坐标系采用复杂构件廓形接触式在位测量系统，将并联机器人基坐标系作为全局测量坐标系，建立待测复杂构件工件坐标系，并通过并联机器人正运动学方程及坐标变换理论求解坐标系间转换关系；首先，根据Delta并联机器人简化几何模型，以并联机器人静平台中心为坐标原点，X
W
轴通过主动臂转轴轴线中心点，Z
W
轴正向垂直静平台向上，根据右手定则确定Y
W
轴正向，建立并联机器人基坐标系{O
W
‑
X
W
Y
W
Z
W
}，将其作为全局测量坐标系；以并联机器人末端动平台中心为坐标原点，垂直于末端动平台平面向上为Z
E
轴正向，末端动平台绕Z
W
轴方向旋转角θ4＝0时基坐标系X
W
轴正向为X
E
轴正向，根据右手定则确定Y
E
轴正向，建立并联机器人末端坐标系{O
E
‑
X
E
Y
E
Z
E
}；
根据并联机器人正运动学方程，由并联机器人正向运动学原理，求解从并联机器人末端坐标系{O
E
‑
X
E
Y
E
Z
E
}到并联机器人基坐标系{O
W
‑
X
W
Y
W
Z
W
}之间的转换关系：其中，f表示并联机器人正向运动学方程，θ1,θ2,θ3为并联机器人主动臂输入驱动角度，θ4为并联机器人末端动平台绕其基坐标系Z
W
轴方向旋转的输入角，角位移方向符合右手定则，x
E
,y
E
,z
E
为并联机器人末端动平台中心相对并联机器人基坐标系原点偏移量，
W
T
E
为并联机器人末端坐标系到并联机器人基坐标系的坐标变换矩阵；以接触式位移传感器零位状态下传感器测头中心为传感器坐标系原点，以传感器轴线远离测头方向为传感器坐标系Z
T
轴正向，以并联机器人末端坐标系Y
E
轴正向为传感器坐标系Y
T
轴正向，根据右手定则确定X
T
轴正向，建立接触式位移传感器坐标系{O
T
‑
X
T
Y
T
Z
T
}；基于传感器安装尺寸，通过坐标变换求解零位状态下传感器坐标系{O
T
‑
X
T
Y
T
Z
T
}到并联机器人末端坐标系{O
E
‑
X
E
Y
E
Z
E
}的转换关系：其中，d
x
、h
z
为传感器测头中心相对并联机器人末端动平台中心在机器人基坐标系下X
W
、Z
W
方向上的偏置距离，θ
T
为传感器轴线相对并联机器人末端坐标系Z
E
轴正向的夹角，
E
T
T
为位移传感器坐标系到并联机器人末端坐标系的坐标变换矩阵；根据所述并联机器人末端坐标系到并联机器人基坐标系的转换矩阵
W
T
E
和位移传感器坐标系到并联机器人末端坐标系...

【专利技术属性】
技术研发人员：马建伟，张树梅，贾振元，闫惠腾，张倩，曾祥瑞，苏家豪，刘巍，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：