本發(fā)明涉及面向表面易劃傷大型工件形面的測量方法，特別是涉及一種機器人協(xié)同的非接觸式高精度大型工件跟蹤測量方法。

背景技術(shù)：

隨著制造業(yè)的發(fā)展，所用材質(zhì)多樣，對產(chǎn)品的測量要求也隨之提高，然而，對于表面易變形、易劃傷的大型高精度工件來說不適用接觸式的測量方法，然而，一般的非接觸式測量方法目前精度有限，達不到高精度測量要求。同時，為了提高效率和提高自動化程度，機器人也成為普遍使用的測量輔助工具，用于測量儀器的握持和移動。機器人有時也會直接參與精度要求不高的測量。總之，如何有效地將這些技術(shù)集成在一起解決表面易劃傷大型工件的高精度測量是本發(fā)明的關(guān)鍵技術(shù)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種機器人協(xié)同的非接觸式高精度大型工件跟蹤測量方法，該方法能實現(xiàn)自動化檢測，具有高效率、高精度、高柔性、高可靠性等特點，適用各類高精度形面，特別是大型且表面易劃傷工件的非接觸式的高精度測量場合。

本發(fā)明解決該技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案如下：

一種機器人協(xié)同的非接觸式高精度大型工件跟蹤測量方法，主要操作步驟如下：

步驟1：將激光跟蹤儀的反射球放置在機器人末端所安裝的測量支架上，激光跟蹤儀的反射球球心應(yīng)盡量放置在過機器人末端控制點的末端法矢方向上，即末端的旋轉(zhuǎn)軸上，同時機器人末端控制點與反射球球心之間距離盡量長；

步驟2：在測量支架前端放置高精度激光測距傳感器，該傳感器的測量方向應(yīng)盡量在過機器人末端控制點的末端法矢方向上，即末端的旋轉(zhuǎn)軸上；

步驟3：標定和校準測量系統(tǒng)，確定測量系統(tǒng)的實際結(jié)構(gòu)參數(shù)，包括機器人末端控制點、激光跟蹤儀的反射球球心、高精度激光測距傳感器測量原點和其測量方向，以及這三者之間的空間方位關(guān)系，即三者應(yīng)在過機器人末端控制點的末端法矢方向上，即機器人末端的旋轉(zhuǎn)軸上，標定后獲得機器人末端控制點(x機，y機，z機)到激光跟蹤儀的反射球球心(x激，y激，z激)的距離l機-激、激光跟蹤儀的反射球球心(x激，y激，z激)到高精度激光測距傳感器測量原點(x傳，y傳，z傳)的距離l激-傳；最后評估算整個測量系統(tǒng)的測量不確定度；

步驟4：通過激光跟蹤儀測量機器人的多點運動位置，構(gòu)建測量坐標系，即將機器人的控制坐標系與激光跟蹤儀的測量坐標系關(guān)聯(lián)起來；

步驟5：在工件表面測點獲取操作中，通過機器人控制點、激光跟蹤儀，包括反射球球心和高精度激光測距傳感器的同步讀數(shù)，測得工件表面實測點坐標(x測，y測，z測)，并將其與被測對象的cad模型比較，得到工件表面測點的誤差值(△)及誤差各分量值(△x、△y、△z)。

所述步驟三中標定和校準的具體方法如下：

步驟3.1：反射球方位校準與標定：測量支架安裝在機器人末端，將激光跟蹤儀的反射球裝在測量支架上，回轉(zhuǎn)機器人末端，并對激光跟蹤儀的反射球球心徑向跳動值進行檢測，通過調(diào)整以保證激光跟蹤的反射球球心在過機器人末端控制點的末端法矢方向上，即末端的旋轉(zhuǎn)軸上；

步驟3.2：l機-激距離校準與標定：以機器人末端控制點為球心轉(zhuǎn)動測量支架，并將獲取的激光跟蹤儀的反射球球心的空間位置點群來擬合球要素并得到球半徑，得到機器人末端控制點與反射球球心的距離l機-激；

步驟3.3：傳感器方位校準與標定：設(shè)置一端面垂直于機器人末端旋轉(zhuǎn)軸的高精度線性位移裝置，通過放置在機器人末端測量支架上的激光測距傳感器對該端面測量來調(diào)整激光測距傳感器的測量方向與機器人末端旋轉(zhuǎn)軸同軸，當激光測距傳感器的測量值與線性位移裝置的位移值一樣時，即判定其與末端的旋轉(zhuǎn)軸同方向；然后將線性位移裝置與末端的旋轉(zhuǎn)軸設(shè)置為一個角度，并回轉(zhuǎn)機器人未端，當激光測距傳感器的讀數(shù)不變時，判定其在旋轉(zhuǎn)軸同方向上；

步驟3.4：l激-傳距離校準與標定：分別用激光跟蹤儀及裝有激光跟蹤的反射球和傳感器的測量支架，對同一垂直于機器人測量方向的標定平面進行測量，分別獲取測量支架上激光跟蹤儀反射球球心值(x跟，y跟，z跟)、激光跟蹤儀在該平面上的測量點位置(x標，y標，z標)，以及測距傳感器的讀數(shù)l標，計算得到測量支架上激光跟蹤儀的反射球球心與激光測距傳感器測量原點的距離l激-傳，具體公式如下：

其中：a＝x跟-x標

b＝y(tǒng)跟-y標

c＝z跟-z標

l標＝傳感器的讀數(shù)。

所述步驟五的具體操作如下：

步驟5.1：測點獲取操作：在工件測量坐標系中，讀取機器人控制點坐標(x機，y機，z機)、激光跟蹤儀的反射球球心坐標(x激，y激，z激)，以及激光測距傳感器測得的距離值l傳；由機器人控制點坐標(x機，y機，z機)和激光跟蹤儀反射球球心坐標(x激，y激，z激)，計算實測時的測量矢量方向，即測量矢量方向分別于坐標系x方向夾角α、坐標系y方向夾角β、坐標系z方向夾角γ，用方向余弦cosα、cosβ、cosγ或i、j、k表示；具體計算公式如下：

其中：a＝x激-x機

b＝y(tǒng)激-y機

c＝z激-z機

其中l(wèi)機-激＝機器人末端控制點(x機，y機，z機)到激光跟蹤儀的反射球球心(x激，y激，z激)的距離；

步驟5.2：由激光跟蹤儀的反射球球心與傳感器測量原點距離l激-傳、測量矢量方向(α，β，γ)以及激光測距傳感器測得的與原點間的距離值l，即傳感器讀數(shù)，計算工件表面的被測點坐標值(x測，y測，z測)；具體計算公式如下：

x測＝x激+(l激-傳+l)×cosα

y測＝y(tǒng)激+(l激-傳+l)×cosβ

z測＝z激+(l激-傳+l)×cosγ

其中：l激-傳＝激光跟蹤儀的反射球球心(x激，y激，z激)到高精度激光測距傳感器測量原點(x傳，y傳，z傳)的距離；

其中，l＝傳感器讀數(shù)

步驟5.3：運用激光跟蹤儀自帶的測量軟件或其他軟件，以被測對象cad模型為名義值，計算被測要素的偏差。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下突出的實質(zhì)性特點和顯著的優(yōu)點：

本發(fā)明方法通過將機器人、跟蹤儀、高精度激光測距傳感器的集成應(yīng)用，有效地解決了表面易劃傷的大型形面的非接觸式高精度測量問題?？筛咝?、高精度地獲取工件表面測點坐標值，包括在法矢方向的測點，為工件的誤差評定、修磨等后續(xù)工作提供準確的依據(jù)。同時采用了機器人輔助，有效地提高了測量工作的效率和測量系統(tǒng)的柔性應(yīng)用。

附圖說明

圖1為機器人協(xié)同的非接觸式高精度跟蹤大型工件測量方法原理圖。

圖2為反射球放置位置示意圖。

圖3為傳感器方位校準與標定原理圖

圖4為激光跟蹤儀的反射球球心與激光測距傳感器測量原點的距離校準與標定原理圖

圖5為測量點計算示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖給出本專利較佳實施例，以詳細說明本專利的技術(shù)方案。

如圖1至圖5所示，本方法在實時跟蹤的測量裝置上均可使用，如leica激光跟蹤儀、etalon激光跟蹤儀等高精度跟蹤設(shè)備。

一種機器人協(xié)同的非接觸式高精度大型工件跟蹤測量方法，主要操作步驟如下：

步驟1：將激光跟蹤儀的反射球2-1放置在機器人末端所安裝的測量支架3上，激光跟蹤儀的反射球2-1球心應(yīng)(盡量)放置在過機器人末端控制點4-1的末端法矢方向上，即末端的旋轉(zhuǎn)軸上，同時機器人末端控制點與反射球2-1球心之間距離盡量長，如圖2所示；

步驟2：在測量支架3前端放置高精度激光測距傳感器5，該傳感器5的測量方向應(yīng)(盡量)在過機器人末端控制點4-1的末端法矢方向上，即末端的旋轉(zhuǎn)軸上；

步驟3：標定和校準測量系統(tǒng)，確定測量系統(tǒng)的實際結(jié)構(gòu)參數(shù)，包括機器人末端控制點4-1、激光跟蹤儀的反射球2-1球心、高精度激光測距傳感器5測量原點和其測量方向，以及這三者之間的空間方位關(guān)系，(三者應(yīng)在過機器人末端控制點4-1的末端法矢方向上，即機器人末端的旋轉(zhuǎn)軸上)，標定后獲得機器人末端控制點4-1(x機，y機，z機)到激光跟蹤儀的反射球2-1球心(x激，y激，z激)的距離l機-激、激光跟蹤儀的反射球4-1球心(x激，y激，z激)到高精度激光測距傳感器5測量原點(x傳，y傳，z傳)的距離l激-傳；最后評估算整個測量系統(tǒng)的測量不確定度，標定和校準方法如下：

步驟3.1：反射球方位校準與標定：測量支架3安裝在機器人末端，將跟蹤儀的反射球2-1裝在測量支架3上，回轉(zhuǎn)機器人末端，并對激光跟蹤儀的反射球2-1球心徑向跳動值進行檢測，通過調(diào)整以保證激光跟蹤的反射球2-1球心在過機器人末端控制點4-1的末端法矢方向上，即末端的旋轉(zhuǎn)軸上；

步驟3.2：l機-激距離校準與標定：以機器人末端控制點4-1為球心轉(zhuǎn)動測量支架3，并將獲取的激光跟蹤儀的反射球4-1球心的空間位置點群來擬合球要素并得到球半徑，得到機器人末端控制點4-1與反射球2-1球心的距離l機-激；

步驟3.3：傳感器方位校準與標定，如圖3所示：設(shè)置一端面垂直于機器人末端旋轉(zhuǎn)軸的高精度線性位移裝置，通過放置在機器人末端測量支架3上的激光測距傳感器5對該端面測量來調(diào)整激光測距傳感器5的測量方向與機器人末端旋轉(zhuǎn)軸同軸，當激光測距傳感器5的測量值與線性位移裝置的位移值一樣時，即可判定其與末端的旋轉(zhuǎn)軸同方向；然后將線性位移裝置與末端的旋轉(zhuǎn)軸設(shè)置為一個角度，并回轉(zhuǎn)機器人未端，當激光測距傳感器5的讀數(shù)不變時，可判定其在旋轉(zhuǎn)軸同方向上；

步驟3.4：l激-傳距離校準與標定，如圖4所示：分別用激光跟蹤儀2及裝有激光跟蹤的反射球2-1和傳感器5的測量支架4，對同一垂直于機器人測量方向的平面進行測量，分別獲取測量支架上激光跟蹤儀反射球2-1球心值、激光跟蹤儀2在該平面上的測量點位置，以及測距傳感器5的讀數(shù)，計算得到測量支架4上激光跟蹤儀的反射球2-1球心與激光測距傳感器5測量原點的距離l激-傳，具體計算公式如下：

其中：a＝x跟-x標

b＝y(tǒng)跟-y標

c＝z跟-z標

l標＝傳感器的讀數(shù)

步驟4：通過激光跟蹤儀測量機器人的多點運動位置，構(gòu)建測量坐標系。即將機器人的控制坐標系與激光跟蹤儀的測量坐標系關(guān)聯(lián)起來；

步驟5：在工件表面測點獲取操作中，如圖5所示：通過機器人控制點4-1、激光跟蹤儀(包括反射球2-1球心)和高精度激光測距傳感器5的同步讀數(shù)，測得工件表面實測點坐標(x測，y測，y測)，并將其與被測對象的cad模型比較，得到工件表面測點的誤差值(△)及誤差各分量值(△x、△y、△z)，具體操作如下：

步驟5.1：測點獲取操作：在工件測量坐標系中，讀取機器人控制點4-1坐標(x機，y機，z機)、激光跟蹤儀的反射球2-1球心坐標(x激，y激，z激)，以及激光測距傳感器5測得的距離值l傳；

由機器人控制點4-1坐標(x機，y機，z機)和激光跟蹤儀反射球2-1球心坐標(x激，y激，z激)，計算實測時的測量矢量方向，用方向余弦cosα、cosβ、cosγ或i、j、k表示；具體計算公式如下：

其中：a＝x激-x機

b＝y(tǒng)激-y機

c＝z激-z機

l機-激＝機器人末端控制點(x機，y機，z機)到激光跟蹤儀的反射球球心(x激，y激，z激)的距離

步驟5.2：由激光跟蹤儀的反射球2-1球心與傳感器5測量原點距離l激-傳、測量矢量方向(α，β，γ)以及激光測距傳感器5測得的與原點間的距離值l，即傳感器讀數(shù)。計算工件表面的被測點坐標值(x測，y測，z測)。具體計算公式如下：

x測＝x激+(l激-傳+l)×cosα

y測＝y(tǒng)激+(l激-傳+l)×cosβ

z測＝z激+(l激-傳+l)×cosγ

其中：l激-傳＝激光跟蹤儀的反射球球心(x激，y激，z激)到高精度激光測距傳感器測量原點(x傳，y傳，z傳)的距離

l＝傳感器讀數(shù)

步驟5.3：運用激光跟蹤儀自帶的測量軟件或其他軟件，以被測對象cad模型為名義值，計算被測要素的偏差。

現(xiàn)以以下數(shù)據(jù)為例加以說明：

同步讀取機器人控制點4-1坐標(x機，y機，z機)和激光跟蹤儀反射球2-1球心坐標(x激，y激，z激)，根據(jù)方向余弦公式計算實測時的測量矢量方向角度分別為：α＝45°、β＝45°、γ＝45°

l激-傳＝50mm，l＝0.002mm，

x激＝1000mm

y激＝2000mm

z激＝1000mm

x測＝x激+(l激-傳+l)×cosα＝1035.351mm

y測＝y(tǒng)激+(l激-傳+l)×cosβ＝2035.351mm

z測＝z激+(l激-傳+l)×cosγ＝1035.351mm

綜上所述，本發(fā)明是將機器人技術(shù)結(jié)合于測量中，實現(xiàn)了自動化，提高了測量效率，同時，用高精度跟蹤儀所測量的數(shù)據(jù)替代機器人位置精度，減少了機器人運動造成的位置精度誤差，將反射球球心、傳感器激光發(fā)射線方向保持在末端控制點為原點的末端旋轉(zhuǎn)軸線上，減少了機器人旋轉(zhuǎn)運動造成的精度誤差，該種測量方法大大提高了測量精度。實現(xiàn)了機器人協(xié)同的非接觸式高精度測量方法，達到便捷、高效、低成本的目的。