[发明专利]一种基于激光跟踪仪的多轴孔自动化对准方法

说明书

本发明提出一种基于激光跟踪仪的多轴孔自动化对准方法，属于大型零部件装配控制技术领域。该方法首先搭建由激光跟踪仪，机械臂和计算机组成的多轴孔自动化对准系统，将带轴部件安装在机械臂端面；分别建立带轴部件坐标系和带孔部件坐标系，得到两个坐标系间的旋转矩阵和平移向量；在带轴部件上安装4个不共线的反射靶球，计算每个靶球对应的目标位置；获取机械臂的初始的雅可比矩阵；从初始位置开始，通过迭代控制机械臂的运动，使得带轴部件逐渐靠近带孔部件，当4个反射靶球到达目标位置时，完成带轴部件和带孔部件的对准。本发明利用激光跟踪仪的测量数据闭环控制机械臂的运动，可实现多轴孔高精度自动化对准，提高装配效率和鲁棒性。

技术领域

本发明属于大型零部件装配控制技术领域，尤其涉及一种基于激光跟踪仪的多轴孔自动化对准方法。

背景技术

多轴孔连接是大型零部件装配领域常用的一种装配连接方式，待装配的两个零件一个具有多个孔，称之为带孔部件；另一个具有多个与孔对应的轴，称之为带轴部件。通过将带轴部件上的多个轴插入带孔部件上对应的孔里便可实现两个零件的配合，然后再通过锁紧螺母或销钉等方式完成定位连接，从而完成装配。

现有关于大型零部件的装配主要由人工装配完成，效率低下且装配精度不高。基于机器人的大型零部件自动化装配大部分停留在研究阶段，尚未实用，而关于大型零部件多轴孔对齐的研究尚未见公开发表。

多轴孔自动化装配可以分为两个阶段：粗定位阶段和精定位阶段。其中粗定位阶段需完成轴孔的对准，精定位阶段实现轴插入孔完成配合。

在大型零部件的自动化装配过程中，一般采用激光跟踪仪进行高精度测量，从而实现闭环控制。激光跟踪仪是工业测量系统中一种高精度的大尺寸测量仪器。它集合了激光干涉测距技术、光电探测技术、精密机械技术、计算机及控制技术、现代数值计算理论等各种先进技术，对空间运动目标进行跟踪并实时测量目标的空间三维坐标。

激光跟踪仪的工作基本原理是在目标点上安置一个反射靶球，跟踪头发出的激光射到反射靶球，又返回到跟踪头，当目标移动时，跟踪头调整光束方向来对准目标。同时，返回光束为检测系统所接收，用来测算目标的空间位置。

发明内容

本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种基于激光跟踪仪的多轴孔自动化对准方法。本发明利用激光跟踪仪的测量数据闭环控制机械臂的运动，可实现多轴孔高精度自动化对准，提高装配效率和鲁棒性。

本发明提出一种基于激光跟踪仪的多轴孔自动化对准方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)搭建多轴孔自动化对准系统；所述多轴孔自动化对准系统包括：一台激光跟踪仪，一个机械臂和一台计算机；所述激光跟踪仪与机械臂分别与计算机连接；

2)选取待对准的带孔部件和带轴部件，其中带孔部件具有N个孔，带轴部件具有N个轴，N大于等于3；令带孔部件固定不动，将带轴部件安装在机械臂的端面，令当前位置为初始位置；

3)在带孔部件中选取任意三个不共线的孔建立带孔部件坐标系W₁；具体步骤如下：

3-1)在带孔部件用于建立带孔部件坐标系的三个孔的孔壁上，分别用激光跟踪仪的球形反射靶球或T-Prob的测量头上的球形红宝石紧贴每个孔壁并利用激光跟踪仪测量对应的球心坐标；测量时，每次选取孔壁上的一个点，每个孔壁上共测量P个不同点，P大于等于5，根据每个孔壁上选取的所有点的测量结果通过最小二乘法拟合对应孔壁的圆柱面，得到每个孔壁圆柱面的轴线即为对应孔的孔轴线，最终得到三个孔分别对应的轴线方程；