[发明专利]一种用于复合材料铺放设备的接触式自动标定装置及方法

说明书

一种用于复合材料铺放设备的接触式自动标定装置及方法，包括标定测头、把球和控制系统三部分组成；其中标定测头和把球分别安装在机床主体和模具上；标定测头内部带有接触开关并与控制系统相连，当标定测头与把球触碰时，控制系统自动记录机床当前的位置信息；通过控制程序，标定测头按照设定的运动轨迹接触把球，并记录所有接触点的位置信息；控制系统根据所测得的坐标点拟合求出把球球心在机床坐标系下的坐标，完整模具标定。本发明自动化的标定流程与高效的拟合算法，可极大的提升设备标定过中的标定精度与标定效率，减少人为因素对最终制件质量的影响。

技术领域

本发明涉及纤维铺放技术领域，特别涉及一种用于复合材料铺放设备的接触式自动标定装置及方法。

背景技术

先进的纤维增强复合材料具有轻质高强、结构功能一体化和设计制造一体化等诸多优点，尤其在航空航天工业中起着非常重要的作用。近年来复合材料用量大幅提升，而复合材料自动铺放设备是实现其“低成本、高性能、自动化”成型的核心装备，在提高生产效率和构件质量方面具有极大的潜力，得到工业发达国家的重视。典型的自动铺放设备主要由机床主体、铺丝头、纱架系统与模具四部分组成。根据机床主体的不同形式又可将其进一步细分为：卧式铺放装备、龙门式铺放装备与机器人式铺放装备等。在复合材料成型过程中，由机床主体实现铺丝头的快速移动和空间坐标定位；纱架系统实现复合材料丝束的传送、导向和张力控制；铺丝头机构实现材料的重送、剪切、加热，以及在模具表面压紧。

结合设备的结构特点与成型工艺过程可以看出，保证设备运动坐标系与CAD/CAM软件模型的精确一致，是保证铺丝头运动轨迹准确，实现复杂大曲率复合材料构件精准成型的前提与基础，因此对机床主体与复合材料成型模具之间的相对坐标位置进行准确的标定尤为重要。现有的标定方法多采用人工标定的方法确定模具坐标系，标定过程中人工控制安装在机床主体上的接触式侧头去触碰模具上的目标把球，由此标定的模具坐标系精度较差，且标定精度与工人熟练度密切相关。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于复合材料铺放设备的接触式自动标定装置及方法，以解决上述问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种用于复合材料铺放设备的接触式自动标定装置，包括机械臂、标定测头、靶球和控制系统；控制系统连接机械臂，机械臂连接标定测头，靶球固定在模具上，标定测头内部设置有接触开关，并与控制系统相连，当标定测头与靶球触碰时，控制系统接收触碰信号；控制系统连接的机械臂用于读取标定测头的实时位置信息。

进一步的，控制系统为PLC、数控系统、运动控制器或工控机。

进一步的，一种用于复合材料铺放设备的接触式自动标定装置的标定方法，包括以下步骤：

步骤1：将标定测头安装在机械臂上，并将标定测头的测头球心定义为机械臂坐标系原点；同时将靶球固定在模具上，并保证与CAD/CAM软件中的数模一致；

步骤2：标定测量安全点S0，与粗略估算靶球球心O’；

步骤3：编写设备自动化标定程序，控制标定测头按照设定的轨迹触碰模具表面上固定的靶球，分别从不同的方向触碰靶球，记录测头与靶球触碰时的坐标位置P：Xn，Yn，Zn，共测量N+1个不同点位置信息；

步骤4：在控制系统中根据测得的N+1个坐标点，拟合靶球球心在机床坐标系中的位置，实现模具的位置标定。

进一步的，步骤2中标定测量安全点S0，与粗略估算靶球球心O’的方法是：

步骤2.1：在机床坐标系下，移动测头到靶球正上方，记录坐标点S0：Xs0，Ys0，Zs0；

步骤2.2：移动测头缓慢接近靶球顶端，测头触碰靶球后停止运动，并记录当前位置信息P0(X0，Y0，Z0)；