基于光学扫描的高精度基准孔测量方法研究_陈强.pdf

智能感知与仪器仪表测控技术2023 年第 42 卷第 2 期收稿日期:2022 03 23基金项目:国家重点研发计划项目(2020YFB2010704)引用格式:陈强，陈代鑫，雷沛，等 基于光学扫描的高精度基准孔测量方法研究 J 测控技术，2023，42(2):7 11CHEN Q，CHEN D X，LEI P，et al High Precision eference Hole Measurement Method Based on Optical Scanning J Measure-ment Control Technology，2023，42(2):7 11基于光学扫描的高精度基准孔测量方法研究陈强1，2，陈代鑫1，雷沛1，2，孙海龙1，2，代玉淋1，2(1 成都飞机工业(集团)有限责任公司，四川 成都610092;2 四川省航空智能制造装备工程技术研究中心，四川 成都610092)摘要:飞机部件装配连接孔的位置精度对飞机装配质量和使用寿命有重要影响。提出了一种高精度基准测量技术，利用伺服电机和光学扫描仪组成基准找正装置对基准孔进行扫描得到基准孔三维点云数据;然后对测量数据进行基准孔边界提取并通过最小二乘法计算出基准孔中心坐标;最后利用基准找正装置坐标系和数控机床坐标系的标定关系，计算得到基准孔中心在机床坐标系下的坐标。通过实验验证，证明了该方法能够对基准孔三维坐标进行精确测量，且具有一定的鲁棒性。关键词:光学扫描;边界提取;基准测量;鲁棒性中图分类号:TP391文献标志码:A文章编号:1000 8829(2023)02 0007 05doi:10 19708/j ckjs 2023 02 002High Precision eference Hole Measurement Method Based on Optical ScanningCHEN Qiang1，2，CHEN Dai-xin1，LEI Pei1，2，SUN Hai-long1，2，DAI Yu-lin1，2(1 AVIC Chengdu Aircraft Industrial(Group)Co，Ltd，Chengdu 610092，China;2 Sichuan Aeronautical Intelligent Manufacturing Equipment Engineering Technology esearch Center，Chengdu 610092，China)Abstract:The position accuracy of aircraft component assembly connecting hole has an important impact on as-sembly quality and service life of aircraft A high-precision datum measurement technology is proposed The da-tum alignment device is composed of servo motor and optical scanner to scan the datum hole and obtain thethree-dimensional point cloud data of the datum hole Then，the boundary of the reference hole is extractedfrom the measured data，and the center coordinates of the reference hole are calculated by the least squaremethod Finally，the coordinate of the reference hole center in the machine coordinate system is calculated byusing the calibration relationship between the coordinate system of the reference alignment device and the coor-dinate system of the computer numerical control(CNC)machine tool Through experimental verification，it isproved that this method can accurately measure the three-dimensional coordinates of the reference hole，andhas certain robustnessKey words:optical scanning;boundary extraction;reference measurement;robustness随着飞机设计和制造的不断发展，以及飞机装配对效率、质量和精度要求的不断提升，自动钻铆系统在国内外航空制造企业中得到了广泛的研究和应用1 6。美国 GE 公司和 EI 公司、德国宝捷公司等都已经研发出了比较成熟的系统。在国内，一些高校、科研院所和企业对自动钻铆技术也做了深入研究，研制了自动钻铆系统。随着自动钻铆系统的广泛应用，提高自动钻铆的精度和质量成为了当前研究的热点方向。飞机装配中铆钉孔的位置精度直接影响飞机的装配质量和使用寿命，因此提升铆钉孔位置精度具有十7分重要的意义。由于飞机零件加工误差和装配误差的存在，导致飞机部件实际制孔位置与理论制孔位置存在一定的偏差。如果直接按照理论制孔位置对飞机部件进行制孔可能造成制孔位置超差，从而导致产品报废。为了避免这种情况发生，在实际应用中通过在产品表面设置基准孔，利用基准孔位置对理论制孔位置进行纠偏，从而保证实际制孔位置精度满足产品装配 0 5 mm 的精度要求。因此，保证基准孔位置的识别精度，对提高产品制孔位置精度具有决定性作用。国内外学者对基准识别进行了大量的研究，其中最主要的方法有单目视觉测量法和双目视觉测量法。单目视觉测量只能计算出基准孔平面二维坐标7 10，在飞机翼面类部件装配中应用广泛。但在大曲率飞机部件装配的应用中，单目视觉测量需通过第三轴理论数据进行组合才能得到基准孔的三维坐标，由于此方法采用了部分理论数据导致测量精度不高，存在许多的弊端。双目视觉测量通过两个相机同时对基准孔进行测量，标定计算后得到 基 准 孔 的 三 维 坐 标，此 方 法 的 测 量 精 度 较高11 12，但是双目视觉测量需要 2 个工业相机导致测量装置体积较大，在自动钻铆系统中安装比较困难。为此，本文提出了一种基于线激光扫描的基准找正方法，利用一个线激光扫描仪和一个伺服电机组成基准扫描装置，对基准孔进行扫描测量，得到产品表面点云数据，最后通过边界识别和椭圆拟合计算得到基准孔圆心三维坐标。该方法主要优势在于激光线扫描装置结构紧凑、安装便利，可以与自动钻铆系统有效地结合;利用标准平面可实现激光线扫描装置的快速标定，大幅提高了标定效率;激光线扫描装置可直接实现基准孔圆心三维坐标测量，对实现大曲率飞机部件基准孔的精确测量以及提升制孔位置精度具有重要意义。1光学扫描仪标定数字化钻铆系统采用五轴数控机床作为运动单元，其示意图如图 1 所示，包含 X 轴、Y 轴、Z 轴、A 摆、B 摆。线激光扫描基准找正原理如图 2 所示。线激光扫描仪与伺服电机相连，伺服电机带动线激光扫描仪对基准孔进行扫描。建立 与 机 床 制 孔 末 端 执 行 器 固 连 的 坐 标 系O-xyz，其中坐标原点与机床 TCP 重合，当机床旋转轴 A、B 旋转角度均为 0 时，该坐标系 3 个轴的方向与机床坐标系 O-xyz 的 3 个轴的方向平行。建立 与 机 床 制 孔 末 端 执 行 器 固 连 的 坐 标 系O-xyz，当滑台在原点时，坐标原点与线激光扫描仪测量原点重合，X 轴和 Z 轴分别与线激光扫描仪光线测量坐标系 X 轴、Y 轴平行。图 1五轴加工机床示意图图 2线激光扫描基准找正原理设定滑台移动方向为 vT，当滑台移动距离为 y 时，测量点在坐标系 O-xyz 下的坐标为p=x+yv yz+yT(1)假定基准平面在坐标系 O-xyz 下的方程为ax+by+cz=d(2)假定坐标系 O-xyz 与坐标系 O-xyz 之间的旋转关系为=A1A2A3B1B2B3C1C2C3(3)其中，中元素满足以下关系。A21+A22+A23=1B21+B22+B23=1C21+C22+C23=1A1 A2+B1 B2+C1 C2=0A2 A3+B2 B3+C2 C3=0(4)因此，可以得到测量点在坐标系 O-xyz 下的坐标为p=p0+p(5)式中:p0=x0y0z0T(6)将式(3)、式(5)和式(6)代入式(2)，得到式(7)。8测控技术 2023 年第 42 卷第 2 期令式(7)中 y=0，可以得到式(8)。由 9 个相互不平行的基准面可以得到式(9)。a (x0+A1(x+y)+A2 v y+A3(z+y)+b(y0+B1(x+y)+B2 v y+B3+(z+y)+c (z0+C1(x+y)+C2 v y+C3(z+y)=d(7)a (x0+A1 x+A3 z)+b (y0+B1 x+B3 z)+c (z0+C1 x+C3 z)=d(8)ai(x0+A1 x+A3 z)+bi(y0+B1 x+B3 z)+ci(z0+C1 x+C3 z)=di，i=1，9(9)将式(9)改写为矩阵形式:A1X1=D1(10)其中 A1、X1、D1分别如式(11)、(12)、(13)所示。A1=a1b1c1a1 x1a1 z1b1 x1b1 z1c1 x1c1 z1a2b2c2a2 x2a2 z2b2 x2b2 z2c2 x2c2 z2a9b9c9a9 x9a9 z9b9 x9b9 z9c9 x9c9 z9(11)X1=x0y0z0A1A3B1B3C1C3T(12)D1=d1d2d3d4d5d6d7d8d9T(13)利用矩阵运算可得:X1=(AT1A1)1AT1D1(14)利用式(4)可以求解得 A2、B2和 C2。令式(7)中 x=0，可得:a (x0+A1 y+A2 v y+A3(z+y)+b (y0+B1 y+B2 v y+B3(z+y)+c (z0+C1 y+C2 v y+C3(z+y)=d(15)由 3 个相互不平行的基准面可得:(ai A1+bi B1+ci C1)yi +(ai A2+bi B2+ci C2)yiv+(ai A2+bi B2+ci C2)yi =di，i=1，3(16)将式(16)改写成矩阵形式为A2X2=D2(17)式中:A2、X2、D2分别如式(18)式(20)所示。A2=(a1 A1+b1 B1+c1 C1)y1(a1 A2+b1 B2+c1 C2)y1(a1 A2+b1 B2+c1 C2)y1(a2 A1+b2 B1+c2 C1)y2(a2 A2+b2 B2+c2 C2)y2(a2 A2+b2 B2+c2 C2)y2(a3 A1+b3 B1+c3 C1)y3(a3 A2+b3 B2+c3 C2)y3(a3 A2+b3 B2+c3 C2)y3(18)X2=vT(19)D2=d1d2d3T(20)利用矩阵运算，可以求得:X2=(AT2A2)1AT2D2(21)坐标系 O-xyz 与机床坐标系 O-xyz 之间的关系为(，)=x()z()(22)式中:为机床 A 摆角度;为机床 B 摆角度。x()=1000cos sin0sincos(23)z()=cos sin0sincos0001(24)机床 TCP 点在机床坐标系 O-xyz 下的坐标为P=XYZT(25)因此，可以得到测量点在机床坐标系 O-xyz 下的坐标为PS=P+(，)p(26)2基准孔识别利用线激光扫描仪