[发明专利]一种测量自由曲面任意点处法向矢量的方法及装置

说明书

本发明公开了一种测量自由曲面任意点处法向矢量的装置，包括纵向驱动装置、纵向导轨、固定机架、制孔装置、纵向滑台、横向驱动装置、旋转气缸、线激光传感器、横向滑台和横向导轨，所述固定机架的顶端固定连接有纵向驱动装置，所述固定机架内固定连接有纵向导轨，所述纵向导轨上滑动连接有相匹配的纵向滑台，所述纵向滑台的底端安装有制孔装置，所述纵向驱动装置的输出端与纵向滑台的顶端固定连接，所述固定机架的底端固定连接有横向导轨，所述固定机架的底端右侧固定连接有横向驱动装置。本发明省去了曲面拟合的复杂过程，可解决目前主流的矩形面片法在待测点附近有横梁或台阶等干扰因素时，对法矢测量精度的影响问题。

技术领域

本发明涉及光学测量技术领域，尤其涉及一种测量自由曲面任意点处法向矢量的方法及装置。

背景技术

机器人自动钻铆技术依托机器人的高度柔性成为飞机大部件自动钻铆技术的研究热点。在机器人自动钻铆系统中，柔性制孔是对薄壁结构柔性钻铆的重要环节，铆接点孔位的垂直度直接影响到壁板铆接质量，在飞机、高速列车等蒙皮、壁板曲度高度复杂的应用领域，对柔性制孔的法向找正提出了很高的要求。由于蒙皮多采用铆接结构，钻孔法向精度超差导致的孔质量缺陷直接影响蒙皮的气动外形及部件结构的安全性能。飞机蒙皮一般很薄，并具有复杂的曲度，孔的法线方向随曲面外形变化而变化，钻孔时，法线偏差对孔的质量有明显的影响，法线偏差要求小于0.5º，如果铆钉孔中心线与蒙皮曲面法线夹角过大，将会导致铆钉不能垂直打入蒙皮，破坏蒙皮表面光滑度，并使连接件在连接处受力不均匀。

目前国内外常用确定自由曲面上任意一点法向矢量的方法有以下几种：

1、手工调平法

手工钻孔时，操作人员采用一种特定装置（如转杯、钻套）进行校正。钻孔时，3个支脚顶在工件表面，使杯形装置垂直于工件表面。杯形装置套在钻头上，通过弹簧预加负载力使杯形装置紧贴工件表面，钻头沿导向槽可以伸出和缩回，保证钻孔时钻孔刀具基本垂直于工件表面。该方法的不足是调平时间长且垂直精度主要依靠操作人员的经验，效率低、精度差。

2、曲面拟合法

通过采集待测曲面上的数据点进行曲面拟合，获得一个与待测曲面近似的曲面片，再根据该曲面片求出待测点的法向矢量。该方法计算复杂，工作量较大，往往需要获取曲面上的几十个数据点的坐标才可以获得较高的计算精度，由于测量技术、工作效率、以及自动钻铆设备机械结构的限制，在实际自动钻铆加工过程中，无法实现蒙皮壁板表面大量数据点坐标的测量，使该方法失去了实际应用的价值。

3、矩形面片法

采用微小矩形平面近似模拟曲面，法线由四点组成的矩形平面确定，这是目前主流的法向矢量检测方法。该方法的不足是采用微小矩形平面近似模拟曲面，当待测曲面为变曲率自由曲面时、或待测点附近有横梁或台阶等干扰因素时，必然会有测量误差。

4、二维曲线测量法

CN102248450B公开了“用于大曲率半径曲面法向矢量快速检测方法”，在该专利文书中所描述的测量法向矢量的方法是利用两个相互垂直平面与工件曲面相交，得到曲面点的两条坐标曲线，然后分别检测两条坐标曲线上以曲面点为中心的微小曲线切向矢量，从而得到曲面数据点的法向矢量。该方法的不足是采用两个激光传感器的两个反馈数据确定的直线近似模拟曲线切向矢量，再换算成法向矢量，是矩形面片法的另一种变换形式，当待测曲面为变曲率自由曲面时、或待测点附近有横梁或台阶等干扰因素时，必然会有测量误差。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种测量自由曲面任意点处法向矢量的方法及装置，采用曲线拟合代替了曲面拟合，可以直接在自由曲面待加工点上精确得到法线方程组，并计算出曲面法向矢量。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：