專利名稱：基于光幕式激光器的高精度位姿檢測(cè)方法與裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及基于光幕式激光器的高精度位姿檢測(cè)方法與裝置，屬于機(jī)電一體化領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
高精度位姿檢測(cè)在裝配、檢測(cè)、控制等多個(gè)領(lǐng)域有很大的應(yīng)用空間。其作用為檢測(cè)零 件的空間位置和姿態(tài)信息，將該信息反饋給控制計(jì)算機(jī)，從而獲得所測(cè)零件高精度的空間位 姿信息。在三維位姿檢測(cè)方面，分為宏觀尺度物體檢測(cè)和微觀尺度物體檢測(cè)兩個(gè)方面，宏觀 尺度的物體檢測(cè)目前主要有以下幾種方式①基于機(jī)器視覺法，通過光學(xué)裝置和傳感器自動(dòng) 接收和處理一個(gè)真實(shí)物體的圖像，以獲得所需信息。具有非接觸，速度快等特點(diǎn)，但是算法 較為復(fù)雜，需要進(jìn)行大量計(jì)算；②基于三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)法，將被測(cè)零件放入它允許的測(cè)量空間， 精確的測(cè)出被測(cè)零件表面的點(diǎn)在空間三個(gè)坐標(biāo)位置的數(shù)值，將這些點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)值經(jīng)過計(jì)算機(jī) 數(shù)據(jù)處理，擬合形成測(cè)量元素，經(jīng)過計(jì)算得出形狀及位置等。但是測(cè)量機(jī)的效率較低，同時(shí) 由于是接觸式測(cè)量，會(huì)受到一定的限制。對(duì)于微觀尺度的物體，主要的檢測(cè)方式有①基于 掃描電子顯微鏡法，掃描電子顯微鏡可以實(shí)現(xiàn)微米、亞微米及原子量級(jí)的結(jié)構(gòu)件的位姿檢測(cè)， 但檢測(cè)范圍小，對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸偏大的中間尺度微小型結(jié)構(gòu)件不適用；②基于傳統(tǒng)的光學(xué)顯微鏡 法，傳統(tǒng)的光學(xué)顯微鏡可以實(shí)現(xiàn)幾十微米到毫米級(jí)微小型結(jié)構(gòu)件的檢測(cè)，但目前只局限于單 目平面成像，對(duì)于微小型結(jié)構(gòu)件及系統(tǒng)三維位姿的檢測(cè)并不適用；③基于體視顯微鏡法，這 是近年來國(guó)內(nèi)廣泛采用的一種方法，體視顯微鏡不僅具有顯微鏡的放大功能，而且自身所具 有的雙目結(jié)構(gòu)使其在進(jìn)行空間三維微位姿檢測(cè)時(shí)具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，但其放大倍率低、分辨率 低的特點(diǎn)使得體視顯微鏡法無(wú)法滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)用化需求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是以光幕式激光器為主要檢測(cè)器件，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)件高精度的位置檢測(cè)與定位， 該檢測(cè)裝置主要用于工件檢測(cè)、識(shí)別及定位；整個(gè)檢測(cè)裝置以激光器為主要的檢測(cè)元件、通 過位移平臺(tái)、旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)件高精度的空間位姿檢測(cè)。
本發(fā)明包括工控機(jī)、水平位移平臺(tái)、旋轉(zhuǎn)位移平臺(tái)、支撐組件、垂直位移平臺(tái)、光幕式 激光器、支撐平臺(tái)、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器組成，整個(gè)系統(tǒng)由一臺(tái)工控機(jī)控制，工控機(jī)通過 PMAC多軸運(yùn)動(dòng)控制器驅(qū)動(dòng)水平位移平臺(tái)、旋轉(zhuǎn)位移平臺(tái)、垂直位移平臺(tái)上的3個(gè)步進(jìn)電動(dòng) 機(jī)，實(shí)現(xiàn)位移臺(tái)的運(yùn)動(dòng)。采用開放式數(shù)控系統(tǒng)，可根據(jù)需求變換驅(qū)動(dòng)的軸數(shù)，有很大的靈活 性。垂直位移平臺(tái)、水平位移平臺(tái)采用步進(jìn)電機(jī)通過聯(lián)軸器帶動(dòng)滾珠絲杠，滾珠絲杠通過絲 杠螺母副帶動(dòng)工作臺(tái)往返運(yùn)動(dòng)，容易獲得較高的定位精度，從而實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)的精密定位；旋 轉(zhuǎn)位移平臺(tái)內(nèi)部采用蝸輪蝸桿的傳動(dòng)方式，調(diào)整精度高，承載大，可獲得大的傳動(dòng)比，傳動(dòng) 平穩(wěn)，噪聲小。旋轉(zhuǎn)臺(tái)面外圈為可調(diào)整刻度圈，可以任意設(shè)置起始角度，從而控制激光器的 旋轉(zhuǎn)角度。
高精度位姿檢測(cè)裝置的三維空間布局如下水平位移平臺(tái)固定在氣動(dòng)隔震平臺(tái)上。該位 移平臺(tái)承載能力很強(qiáng)，能夠帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)位移平臺(tái)、垂直位移平臺(tái)、光幕式激光器、支撐組件等 一系列部件水平移動(dòng)，擴(kuò)大工作空間；在垂直位移平臺(tái)的臺(tái)面上安裝光幕式激光器，該平臺(tái) 能帶動(dòng)激光器實(shí)現(xiàn)豎直方向高精度的直線移動(dòng)；垂直位移平臺(tái)安裝在旋轉(zhuǎn)位移平臺(tái)上，旋轉(zhuǎn) 平臺(tái)可帶動(dòng)垂直位移平臺(tái)及激光器在空間實(shí)現(xiàn)90。的旋轉(zhuǎn)。
檢測(cè)對(duì)象三維結(jié)構(gòu)件及系統(tǒng)的空間位置和姿態(tài)。
檢測(cè)原理首先將被測(cè)結(jié)構(gòu)件移動(dòng)到激光器光幕的覆蓋范圍，在初始狀態(tài)下設(shè)定豎直方向?yàn)閦軸，并設(shè)此時(shí)的z坐標(biāo)為0，光幕式激光器由垂直位移平臺(tái)帶動(dòng)沿著z軸移動(dòng)，利用激 光器獲取結(jié)構(gòu)件在該位姿狀態(tài)下隨著z坐標(biāo)不斷變化的一組二維數(shù)據(jù)信息；控制垂直工作臺(tái) 返回初始點(diǎn)即2=0的位置，旋轉(zhuǎn)平臺(tái)帶動(dòng)光幕式激光器轉(zhuǎn)過90°，在此狀態(tài)下，光幕式激光 器再次在豎直平臺(tái)的帶動(dòng)下沿z軸移動(dòng)，獲得待測(cè)結(jié)構(gòu)件在同一位姿的另一組二維數(shù)據(jù)信息， 于是在不同視角獲得兩組二維數(shù)據(jù)信息，即可獲得結(jié)構(gòu)件的三維位置坐標(biāo)信息，利用投影關(guān) 系，得到被測(cè)結(jié)構(gòu)件的空間角度信息，從而獲得高精度的位姿信息。
當(dāng)旋轉(zhuǎn)后結(jié)構(gòu)件不在光幕式激光器的檢測(cè)區(qū)域以內(nèi)，因此在安裝和實(shí)驗(yàn)過程中需要采取 以下措施①在安裝位姿檢測(cè)裝置時(shí)，要保證旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的中心和激光器光幕的中心重合② 被測(cè)結(jié)構(gòu)件盡量放置于激光器光幕的中心。
檢測(cè)方法結(jié)構(gòu)件的空間位姿檢測(cè)步驟分為以下六個(gè)部分。
步驟一設(shè)置激光器的測(cè)量模式；
采用光幕式激光器進(jìn)行測(cè)量時(shí)，首先要確定參照邊。選擇光幕的中心光線為參照邊，物 體投影邊在參照線的上方時(shí)輸出值為正，物體投影邊在參照線的下方時(shí)輸出值為負(fù)，通過計(jì) 算投影邊緣位置與參照線的距離可以得出測(cè)量結(jié)果。采用激光器的邊緣模式(SEG)進(jìn)行檢測(cè)， 獲得被測(cè)物體的內(nèi)外邊緣點(diǎn)距離光軸中心的距離。
步驟二穩(wěn)定區(qū)域的選擇；
確定能用于姿態(tài)計(jì)算的數(shù)據(jù)是母線投影點(diǎn)的數(shù)據(jù)，即從激光器獲得的兩個(gè)邊緣點(diǎn)的坐標(biāo) 值數(shù)據(jù)分為兩組，對(duì)每次測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算差值的絕對(duì)值保持一定的階段是穩(wěn)定區(qū) 域，利用此區(qū)域的數(shù)據(jù)進(jìn)行姿態(tài)計(jì)算。
步驟三通過水平位移平臺(tái)和垂直位移平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)獲取一組位置信息；位置信息的獲取依賴于水平位移平臺(tái)和垂直位移平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，利用水平位移平臺(tái)可以接 近或遠(yuǎn)離被測(cè)物，從而在檢測(cè)時(shí)選擇合適的測(cè)量位置，啟動(dòng)垂直位移平臺(tái)上的電動(dòng)機(jī)使垂直 位移平臺(tái)到達(dá)一個(gè)合適的能激光器檢測(cè)到被測(cè)物的初始位置固定，假設(shè)矩形WM是此時(shí)激光 器光幕所覆蓋的區(qū)域。在光幕fl6cJ中，有待測(cè)點(diǎn)M，設(shè)置參照線y為光幕的中心線，可得到 在W方向上M點(diǎn)到零值線y的距離，即獲得M點(diǎn)的x坐標(biāo)。在當(dāng)前位置下，令垂直位移平 臺(tái)逐漸上升激光器采集當(dāng)前位置的一組位置數(shù)據(jù)。
步驟四利用垂直位移平臺(tái)和旋轉(zhuǎn)位移平臺(tái)獲得另外一組位置信息；
啟動(dòng)垂直位移平臺(tái)的電動(dòng)機(jī)，令垂直位移平臺(tái)返回初始時(shí)激光器能檢測(cè)到被測(cè)物的位置。 驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)位移平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)90。，旋轉(zhuǎn)位移平臺(tái)內(nèi)部采用蝸輪蝸桿的傳動(dòng)方式，調(diào)整精度高，承載 大。采用該傳動(dòng)方式可獲得大的傳動(dòng)比，傳動(dòng)平穩(wěn)，噪聲小。旋轉(zhuǎn)臺(tái)面外圈為可調(diào)整刻度圈， 可以任意設(shè)置起始角度，從而控制激光器的旋轉(zhuǎn)角度。
設(shè)此時(shí)a'6'cV/'是激光器旋轉(zhuǎn)后光幕所覆蓋的區(qū)域，得到M點(diǎn)到光幕a'6Vrf'零值線;c的 距離，即獲得M點(diǎn)的^坐標(biāo)。同理控制位移平臺(tái)的上升可以獲得在旋轉(zhuǎn)后一系列邊緣點(diǎn)的坐 標(biāo)。
坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)前，當(dāng)激光器沿豎直方向運(yùn)動(dòng)掃描時(shí)，記錄了待測(cè)結(jié)構(gòu)件及系統(tǒng)在OK平面
的投影；坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)9(T后，激光器沿豎直方向運(yùn)動(dòng)掃描得到待測(cè)結(jié)構(gòu)件及系統(tǒng)在平面qyz上 的投影。
通過以上兩次掃描得到了軸在三維空間坐標(biāo)系o-;c^下o^和o，yz坐標(biāo)平面的投影，根據(jù) 激光器的測(cè)量原理，從垂直位移平臺(tái)上可以直接讀取被測(cè)點(diǎn)的z坐標(biāo)值，可以分別提取在oxz 和o^平面上投影邊緣的U和乂z的值，獲得兩組二維信息，從而可以獲得特征點(diǎn)的三維位置坐標(biāo)O，Y，z)。
至此完成了檢測(cè)部分，以下步驟是檢測(cè)的數(shù)據(jù)處理部分 步驟五特征點(diǎn)坐標(biāo)的求?。?br> 根據(jù)軸的空間位姿參數(shù)描述可知，需要求得軸線上某一特征點(diǎn)的位置，接下來就是利用 所提取的投影數(shù)據(jù)來計(jì)算特征點(diǎn)的位置，以初始位置為特征點(diǎn)
假設(shè)在初始位置，即2=0的位置，直接獲取A、 F兩點(diǎn)的坐標(biāo)，則由此獲得軸心P點(diǎn)
的坐標(biāo)(^±^,0),轉(zhuǎn)過90°后，設(shè)兩個(gè)邊緣點(diǎn)為G、 H ,軸心坐標(biāo)為(^^,0)，則在初 2 2
始位置軸線上特征點(diǎn)的坐標(biāo)為(^^，^^^^,0)。即獲得特征點(diǎn)的位置坐標(biāo)； 步驟六空間角度的求??；
根據(jù)二維數(shù)據(jù)信息，利用在不同坐標(biāo)平面中的轉(zhuǎn)換關(guān)系，獲得姿態(tài)角度信息的結(jié)果 (a，A力，其中a和P分別為三維結(jié)構(gòu)件的軸線在平面Ojcz， o;vz上的投影與z軸的夾角，y為
軸線與z軸之間的夾角。下面將具體介紹a,Ar這三個(gè)空間角度獲得的方法。
假定投影在om平面上，穩(wěn)定區(qū)域的軸圓柱面與光幕交線的投影是直線，所以確定擬合 曲線為直線，其中直線的系數(shù)由最小二乘法確定，將獲得的第一組數(shù)據(jù)中穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)測(cè)量點(diǎn) 的數(shù)據(jù)將其帶入進(jìn)行計(jì)算，可獲得在該狀態(tài)下直線的斜率；同理，代入坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)90。后的 第二組數(shù)據(jù)中的穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)的測(cè)量點(diǎn)的數(shù)據(jù)，即可求得在o^平面上直線的斜率
通過獲得的兩個(gè)斜率的數(shù)值，得到軸心線在o^平面的投影與2軸夾角a ，及軸心線在 oy平面的投影與z軸的夾角〃 。
已知二維數(shù)據(jù)信息a，々，由長(zhǎng)方體的位置關(guān)系可以得到姿態(tài)角7，由此獲得了軸線的三 個(gè)角度信息(a，A;r);由此，得到了軸線上特征點(diǎn)的坐標(biāo)(xj,z)和角度(a,A力，從而獲得軸線的位姿。 有益效果
1) 高精度的機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)
旋轉(zhuǎn)平臺(tái)和位移平臺(tái)的設(shè)計(jì)具有高傳動(dòng)效率、高精度、高可靠性的特點(diǎn)，因此整個(gè)機(jī)械 傳動(dòng)部分的性能能夠達(dá)到微米級(jí)的精度要求。同時(shí)通過安裝光柵尺來提高重復(fù)定位精度，采 用光柵尺進(jìn)行反饋，將光柵尺檢測(cè)的目標(biāo)位置，經(jīng)由控制卡反饋至步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)電 機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)帶動(dòng)工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)，從而構(gòu)成"開環(huán)+位置控制"的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)位置的精確控 制。
2) 高精度的三維位姿檢測(cè)
由于光幕式激光器自身的測(cè)量方式是一維測(cè)量，為了獲取三維位姿信息，本發(fā)明借助于 旋轉(zhuǎn)位移平臺(tái)和垂直位移平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，使光幕式激光器能夠?qū)崿F(xiàn)旋轉(zhuǎn)和豎直運(yùn)動(dòng)，完全覆蓋 微動(dòng)工作臺(tái)工作區(qū)域上方的空間，而不會(huì)造成任意位姿的結(jié)構(gòu)件的檢測(cè)遺漏。
3) 檢測(cè)范圍廣泛
采用本發(fā)明可以高速度、高精度的識(shí)別檢測(cè)零件，確定零件的空間位姿，不僅適用于宏 觀零件的位姿檢測(cè)、還能夠滿足微小型結(jié)構(gòu)件及系統(tǒng)的位姿檢測(cè)。


圖1檢測(cè)裝置目標(biāo)空間位姿描述方法1 圖2檢測(cè)裝置目標(biāo)空間位姿描述方法2 圖3檢測(cè)原理圖 圖4實(shí)際測(cè)量順序示意5軸投影圖
圖6軸與坐標(biāo)系的三維位姿關(guān)系 圖7端面中心求取示意 圖8長(zhǎng)方體空間角度信息 圖9檢測(cè)裝置控制框圖 圖10測(cè)量流程圖 圖11微小型軸的零件圖
具體實(shí)施例方式
位姿描述參數(shù)以軸類零件為例， 一般情況下，軸線在空間的位姿需要5個(gè)參數(shù)，即軸 線上某一點(diǎn)的位置坐標(biāo)0c，y，z)和與軸線相關(guān)的兩個(gè)夾角(a,y9)。軸線在空間有兩種描述方式
一種包括位置坐標(biāo)、圓柱軸線與其自身在my平面上投影之間的夾角，以及該投影與x坐標(biāo)軸
之間的夾角，如附圖l所示；另一種包括位置坐標(biāo)、軸線在o^和c^平面上的投影與z軸所 成的夾角信息，如附圖2所示。采用第一種描述方式計(jì)算軸線的空間位姿時(shí)，需要新建一個(gè) 軸線坐標(biāo)系，并建立軸線坐標(biāo)系與激光器坐標(biāo)系的關(guān)系；在軸線坐標(biāo)系內(nèi)需要進(jìn)行復(fù)雜的投 影計(jì)算，計(jì)算結(jié)果還需轉(zhuǎn)換到激光器坐標(biāo)系計(jì)算過程復(fù)雜，編程量大。采用第二種描述方 式則可以簡(jiǎn)單地把軸線的空間姿態(tài)投影到OE和o^平面，在同樣能得到位姿信息功能的情況 下，不需要做復(fù)雜的坐標(biāo)變換，計(jì)算量明顯減小，因此采用第二種位姿描述方案來確定結(jié)構(gòu) 件在空間中的位姿。
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步描述
本發(fā)明主要包括水平位移平臺(tái)、旋轉(zhuǎn)位移平臺(tái)、支撐組件、垂直位移平臺(tái)、光幕式激光器、支撐平臺(tái)這六個(gè)部分。高精度位姿檢測(cè)裝置的三維空間布局如下水平位移平臺(tái)固定在 氣動(dòng)隔震平臺(tái)上。該位移平臺(tái)承載能力很強(qiáng)，能夠帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)位移平臺(tái)、垂直位移平臺(tái)、光幕 式激光器、支撐組等一系列部件水平移動(dòng)，擴(kuò)大工作空間；在垂直位移平臺(tái)的臺(tái)面上安裝光 幕式激光器，該平臺(tái)能帶動(dòng)激光器實(shí)現(xiàn)豎直方向高精度的直線移動(dòng)；垂直位移平臺(tái)安裝在旋 轉(zhuǎn)位移平臺(tái)上，旋轉(zhuǎn)平臺(tái)可帶動(dòng)垂直位移平臺(tái)及激光器在空間實(shí)現(xiàn)90°的旋轉(zhuǎn)。
采用該檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)微小型軸類零件位姿檢測(cè)的具體步驟如下，檢測(cè)流程如附圖io所示。
1) 采用直徑為0.4mm的微小型騎馬輪軸進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，如附圖ll所示。
2) 設(shè)置激光器為DIA (直徑)測(cè)量方式，將激光器運(yùn)動(dòng)到結(jié)構(gòu)件的下端，開始測(cè)量時(shí)激 光器沒有讀數(shù)，控制垂直位移平臺(tái)逐漸上升，出現(xiàn)掃描數(shù)據(jù)并由小至大變化，直到 進(jìn)入穩(wěn)定測(cè)量區(qū)域，設(shè)定其中某位置為對(duì)軸進(jìn)行掃描的初始位置。
3) 固定旋轉(zhuǎn)位移平臺(tái)并記錄該位置的角度值，該位置需保證激光器旋轉(zhuǎn)過程中不會(huì)與 其他部件干涉且整個(gè)旋轉(zhuǎn)過程中始終能獲得軸的檢測(cè)值；設(shè)此時(shí)激光器光幕的零值 線(光幕中心線)為JC軸。
4) 將當(dāng)前位置z值相對(duì)坐標(biāo)設(shè)為O，使z值測(cè)量數(shù)據(jù)以該點(diǎn)作為基準(zhǔn)，針對(duì)騎馬輪軸的 尺寸，選擇的z軸脈沖當(dāng)量較小，調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，使其每發(fā)出一個(gè)脈沖，垂直 位移平臺(tái)運(yùn)動(dòng)0.02ram，直到激光器沿z方向的上升距離為0. 38mm，記錄外邊緣距光 幕中心線距離的一組數(shù)據(jù)[凡.]。
5) 垂直位移平臺(tái)返回z軸相對(duì)零點(diǎn)，再次控制激光器沿z軸的上升距離為0.38誦，記 錄在當(dāng)前位置下的內(nèi)邊緣距光幕中心線距離的一組數(shù)據(jù)[A,]，完成在;coz平面的數(shù)據(jù) 測(cè)量。6)垂直位移平臺(tái)返回z軸初始位置，旋轉(zhuǎn)平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)90。，設(shè)此時(shí)激光器光幕的零值線(光 幕中心線)為^軸，同理在當(dāng)前位置下分別獲得內(nèi)外邊緣距光幕中心線距離的兩組 數(shù)據(jù)[A]、 [&]，完成"z平面的數(shù)據(jù)測(cè)量，從而完成被測(cè)軸位姿的數(shù)據(jù)測(cè)量。 以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原 則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1、基于光幕式激光器的高精度位姿檢測(cè)裝置，包括工控機(jī)、水平位移平臺(tái)、旋轉(zhuǎn)位移平臺(tái)、支撐組件、垂直位移平臺(tái)、光幕式激光器、支撐平臺(tái)、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器組成，整個(gè)系統(tǒng)由一臺(tái)工控機(jī)控制，工控機(jī)通過PMAC多軸運(yùn)動(dòng)控制器驅(qū)動(dòng)水平位移平臺(tái)、旋轉(zhuǎn)位移平臺(tái)、垂直位移平臺(tái)上的3個(gè)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)位移臺(tái)的運(yùn)動(dòng)；垂直位移平臺(tái)、水平位移平臺(tái)采用步進(jìn)電機(jī)通過聯(lián)軸器帶動(dòng)滾珠絲杠，滾珠絲杠通過絲杠螺母副帶動(dòng)工作臺(tái)往返運(yùn)動(dòng)，容易獲得較高的定位精度，實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)的精密定位；旋轉(zhuǎn)位移平臺(tái)內(nèi)部采用蝸輪蝸桿的傳動(dòng)方式，調(diào)整精度高，可獲得大的傳動(dòng)比，傳動(dòng)平穩(wěn)，噪聲小。旋轉(zhuǎn)臺(tái)可以任意設(shè)置起始角度控制激光器的旋轉(zhuǎn)角度。其三維結(jié)構(gòu)特征在于水平位移平臺(tái)固定在氣動(dòng)隔震平臺(tái)上。該位移平臺(tái)承載能力很強(qiáng)，能夠帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)位移平臺(tái)、垂直位移平臺(tái)、光幕式激光器、支撐組件等一系列部件水平移動(dòng)，擴(kuò)大工作空間；在垂直位移平臺(tái)的臺(tái)面上安裝光幕式激光器，該平臺(tái)能帶動(dòng)激光器實(shí)現(xiàn)豎直方向高精度的直線移動(dòng)；垂直位移平臺(tái)安裝在旋轉(zhuǎn)位移平臺(tái)上，旋轉(zhuǎn)平臺(tái)可帶動(dòng)垂直位移平臺(tái)及激光器在空間實(shí)現(xiàn)90°的旋轉(zhuǎn)。
2、 基于光幕式激光器的高精度位姿檢測(cè)方法，其特征在于結(jié)構(gòu)件的空間位 姿檢測(cè)步驟分為以下六個(gè)部分步驟一設(shè)置激光器的測(cè)量模式；采用激光器的邊緣模式進(jìn)行檢測(cè)，獲得被測(cè)物體的內(nèi)外邊緣點(diǎn)距離光軸中 心的距離；步驟二穩(wěn)定區(qū)域的選擇；確定能用于姿態(tài)計(jì)算的數(shù)據(jù)是母線投影點(diǎn)的數(shù)據(jù)，從激光器獲得的兩個(gè)邊 緣點(diǎn)的坐標(biāo)值數(shù)據(jù)分為兩組，對(duì)每次測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算差值的絕對(duì)值保持一定的階段是穩(wěn)定區(qū)域，利用該區(qū)域的數(shù)據(jù)進(jìn)行姿態(tài)計(jì)算；步驟三通過水平位移平臺(tái)和垂直位移平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)獲取一組位置信息； 位置信息的獲取依賴于水平位移平臺(tái)和垂直位移平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，利用水平位移 平臺(tái)可以接近或遠(yuǎn)離被測(cè)物，從而在檢測(cè)時(shí)選擇合適的測(cè)量位置，啟動(dòng)垂直位 移平臺(tái)上的電動(dòng)機(jī)使垂直位移平臺(tái)到達(dá)一個(gè)能激光器檢測(cè)到被測(cè)物的初始位置 固定，假設(shè)矩形^"是此時(shí)激光器光幕所覆蓋的區(qū)域；在光幕WW中，有待測(cè) 點(diǎn)M，設(shè)置參照線y為光幕的中心線，可得到在W方向上M點(diǎn)到零值線y的距 離，即獲得M點(diǎn)的i坐標(biāo)；在當(dāng)前位置下，令垂直位移平臺(tái)逐漸上升激光器采集 當(dāng)前位置下的一組位置數(shù)據(jù)；步驟四利用垂直位移平臺(tái)和旋轉(zhuǎn)位移平臺(tái)獲得另外一組位置信息； 啟動(dòng)垂直位移平臺(tái)的電動(dòng)機(jī)，令垂直位移平臺(tái)返回初始時(shí)激光器能檢測(cè)到被 測(cè)物的位置。驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)位移平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)90°，設(shè)此時(shí)"'Z/c'J'是激光器旋轉(zhuǎn)后光幕所 覆蓋的區(qū)域，得到M點(diǎn)到光幕W6'cW'零值線;c的距離，即獲得M點(diǎn)的y坐標(biāo)；同 理控制位移平臺(tái)的上升可以獲得在旋轉(zhuǎn)后一系列邊緣點(diǎn)的坐標(biāo)；坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)前，當(dāng)激光器沿豎直方向運(yùn)動(dòng)掃描時(shí)，記錄了待測(cè)結(jié)構(gòu)件及系統(tǒng) 在oxz平面的投影；坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)9(T后，激光器沿豎直方向運(yùn)動(dòng)掃描得到待測(cè)結(jié)構(gòu) 件及系統(tǒng)在平面。W上的投影；通過步驟三、四的兩次掃描得到了軸在三維空間坐標(biāo)系0-;c^下似z和炒z坐 標(biāo)平面的投影，從垂直位移平臺(tái)上直接讀取被測(cè)點(diǎn)的z坐標(biāo)值，分別提取在or和 炒z平面上投影邊緣的U和;;，z的值，獲得兩組二維信息。至此完成了數(shù)據(jù)的掃描，以下步驟是檢測(cè)的數(shù)據(jù)處理部分。 步驟五特征點(diǎn)坐標(biāo)的求取； 以初始位置為特征點(diǎn)求取位置坐標(biāo)假設(shè)在初始位置，g卩z^0的位置，直接獲取￡、 F兩點(diǎn)的坐標(biāo)，則由此獲得 軸心P點(diǎn)的坐標(biāo)(^^,0)，轉(zhuǎn)過90。后，設(shè)兩個(gè)邊緣點(diǎn)為G、 /f，軸心坐標(biāo)為 (^ik，0)，則在初始位置軸線上特征點(diǎn)的坐標(biāo)為(i^,2^^，0)，即獲得特征點(diǎn)的位置坐標(biāo)；要實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)件空間位姿信息的檢測(cè)，僅僅得到位置坐標(biāo)是不夠的，還需要轉(zhuǎn) 化為空間三維位姿信息；即需要對(duì)空間角度進(jìn)行求取； 步驟六空間角度的求??；根據(jù)步驟三、四掃描的數(shù)據(jù)，可獲得姿態(tài)角度信息，具體方法如下假定投影在o^平面上，穩(wěn)定區(qū)域的軸圓柱面與光幕交線的投影是直線，所 以確定擬合曲線為直線，其中直線的系數(shù)由最小二乘法確定，將獲得的第一組 數(shù)據(jù)中穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)測(cè)量點(diǎn)的數(shù)據(jù)將其帶入進(jìn)行計(jì)算，可獲得在該狀態(tài)下直線的 斜率；同理，代入坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)90。后的第二組數(shù)據(jù)中的穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)的測(cè)量點(diǎn)的數(shù) 據(jù)，即可求得在c^平面上直線的斜率通過獲得的兩個(gè)斜率的數(shù)值，得到軸心線在戰(zhàn)z平面的投影與z軸夾角"，及 軸心線在。yz平面的投影與z軸的夾角々。已知二維數(shù)據(jù)信息《,/ ，由長(zhǎng)方體的位置關(guān)系可以得到姿態(tài)角/，由此獲得 了軸線的三個(gè)角度信息("W，r);由此，得到了軸線上特征點(diǎn)的坐標(biāo)Oc,y，z)和角 度(a，A"，從而獲得了軸線的位姿。
3、基于光幕式激光器的高精度位姿檢測(cè)裝置的檢測(cè)方法與裝置，其特征在于采用以工控機(jī)為上位機(jī)、PMAC多軸運(yùn)動(dòng)控制器為下位機(jī)的"NC+PC"開放 式控制系統(tǒng)。
全文摘要
本發(fā)明為基于光幕式激光器的高精度位姿檢測(cè)方法與裝置。主要以激光器及三種工作平臺(tái)為主體，通過旋轉(zhuǎn)平臺(tái)和垂直位移平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，使光幕式激光器能夠?qū)崿F(xiàn)旋轉(zhuǎn)和豎直運(yùn)動(dòng)，獲得兩組二維信息，并通過數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)微小型結(jié)構(gòu)件的三維位姿檢測(cè)。本系統(tǒng)采用的位姿檢測(cè)方法簡(jiǎn)單易行，計(jì)算量小，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度位姿檢測(cè)功能，該位姿檢測(cè)系統(tǒng)不僅適用于宏觀零件的位姿檢測(cè)、還能夠滿足微小型結(jié)構(gòu)件及系統(tǒng)的位姿檢測(cè)，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。
文檔編號(hào)G01B11/00GK101308015SQ20081011637
公開日2008年11月19日 申請(qǐng)日期2008年7月9日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月9日
發(fā)明者鑫 葉, 張之敬, 張衛(wèi)民, 媛 李, 鑫 金 申請(qǐng)人:北京理工大學(xué)