一种工件表面测厚的被测位置定位误差偏移矫正方法

技术领域

本发明涉及一种工件测量技术领域，具体涉及一种工件表面测厚的被测位置定位误差偏移矫正方法。

背景技术

为了更清楚的了解工件的参数，需要对工件的厚度进行测量，同时为了监测加工后的工件的误差，需要获取工件表面局部的轮廓信息，也就是将工件的外形轮廓通过扫描仪进行扫描后通过软件进行自动化建模，实现三维数据的采集，根据扫描得到的工件外形轮廓数据与理论建模数据进行对比，以便于更好的分析制备的工件是否符合检测厚度的要求。

在实际的使用中，通过激光测距离调整激光位移传感器移动到最佳扫描距离500mm，还有其他系列可以提高最佳扫描高度，扫描100mmx100mm范围内的空间三维特征，从而获得测量区域的空间点位坐标数据，经过算法计算后将提取有效数据叠加到龙门三维坐标系X,Y,Z坐标变量中，通过计算得到测厚度的法线处坐标，根据坐标调整Z轴(上下)，R轴(旋转)，A轴(角度)，以达到电磁超声测厚仪探头的轴与法线重合，接触距离控制在测厚仪要求的1～2mm，正垂直于零件的测试点表面，测量的实际厚度值就是准确值。

但是在实际的测量中，工件在加工的时候是直接固定在托盘上的，进行测量的时候，将托盘取下使用AGV小车将托盘送至龙门测量设备处进行测量，但是，测量的时候工件的实际位置与被测位置之间存在偏差，容易造成测量数据的偏差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种工件表面测厚的被测位置定位误差偏移矫正方法，其能够有效的减小测量时的误差，提高工件检测精度。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种工件表面测厚的被测位置定位误差偏移矫正方法，包括如下步骤：

步骤1：建立龙门空间坐标系(x,y,z,R,A)，x,y,z对应龙门的x,y,z轴运动，i,j,k作为三维坐标x,y,z的法向，R轴为Z轴轴向旋转轴，A轴为摆臂，其顶端安装测厚探头，在A轴上按照有三维激光扫描器，理论上激光探头有360对工件表面特征进行识别，摆角轴A围绕z轴关节点转动；通过R轴和A轴的配合计算出被测工件的表面特征；

步骤2：通过固定销将被测工件固定在托盘上，根据固定销位置固定在数控机床上，并根据工件三维模型在基于数控机床的加工原点位置进行零件加工，根据数控机床的原始原点和定位销位置数据计算工件三维模型点在实际车床零件各空间点的准确坐标位置；

步骤3：当固定有工件的托盘从数控机床上拆卸后使用AGV小车自动输送至龙门坐标原点相对固定的位置；对托盘的位置进行偏移校准，找到托盘放置的准确偏差(x,y,z)，然后将偏差补偿至理论计算得到零件被测点的位置信息；

步骤4：利用三维激光扫描器对工件托盘进行位置偏差校准。

其中，步骤3中，工件在加工托盘上的三维坐标点即为零件的三维模型坐标，与加工托盘以定位销固定在数控机床上的实际位置经过合成后即可得到位置偏差校准后的龙门(x,y,z,R,A)轴的零件上的被测量点定位信息。

进一步优化，步骤4的具体步骤如下，根据理论计算的定位数据中获取推盘定位孔的理想位置，包括半径、深度以及中心点坐标，通过激光扫描100mm*100mm的区域内的一个孔点的中心位置、半径尺寸，计算出中心孔的位置偏移量，测量出两个中心孔的位置数据就可以计算出加工托盘的倾斜角度，也就是X轴的位置偏差和Y轴的位置偏差以及偏移角度的数据，将这个实际的偏差数据叠加到零件被测量点理想数据坐标值就得到真实的坐标信息。

进一步优化，本发明还包括步骤5，将工件测量点位置确定以后，通过量程为1.5米的长激光进行测量点的高度初步定位，龙门Z轴移动到龙门测量设备的长线激光的有效量程400mm的范围内，线激光对测量点周围100mmx100mm区域内进行线激光扫描工件表面特征，经过三维尺寸计算是否满足厚度探头进行测量的安全，在保证安全不接触工件表面的条件下，将测厚探头移动到工件表面，测量探头直径32mm圆头，根据设计要求探头下降安全X，Y向的空间保证38mm内，探头可以定位到测量位置垂直高度2mm的位置进行测量。

其中，线激光的测量范围为±300mm，对给定的测量点坐标中心点进行正交测量，通过线激光的测量值计算出中心点位置正方形38mmx38mm的矩形范围内是否满足探头下降的安全范围要求，并进行后续操作。

进一步优化，后续操作具体为，如果不满足要求，根据线激光反馈的数据寻找该100mmx100mm扫描区域的范围内是否满足38mmx38mm内的安全范围，从而校准之前给的测量点零件三维模型的理论坐标，从而纠正因为AGV小车定位不准或者托盘平面偏差带来的误差。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明将固定在托盘上进行加工的工件通过AGV小车自动输送至龙门检测设备处进行工件表面特征的自动化检测，在检测之前对托盘的位置进行偏移校准，找到托盘放置的准确偏差(x,y,z)，然后将偏差补偿至理论计算得到零件被测点的位置信息；然后将偏差补偿至理论计算得到零件被测点的位置信息，再采用激光进行三维扫描技术，对被需要测量点进行尺寸检测从而实时校准零件三维模型的理论坐标值，从而达到被选测量点的精确定位，以达到测厚的目的。本发明能够有效提高大批量复杂零件表面特征测量的效率，只需要给出零件三维模型的坐标值就实现测量设备的自动检测，该测量方法不仅可以测量工件表面的厚度，还可以扩展需求，测量被测量点周围的几何尺寸特征。设备无需任何改动只是根据测量需求改变测量特征要求，然后配合后台的软件计算方法和各运动轴的定位。提高自动化无人检测设备的可行性和生产效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明探头与被测量中心点的安全距离示意图。

具体实施方式

在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本发明实施例的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

实施例一

本实施例公开了一种工件表面测厚的被测位置定位误差偏移矫正方法，包括如下步骤：

步骤1：建立龙门空间坐标系(x,y,z,R,A)，x,y,z对应龙门的x,y,z轴运动，i,j,k作为三维坐标x,y,z的法向，R轴为Z轴轴向旋转轴，A轴为摆臂，其顶端安装测厚探头，，在A轴上按照有三维激光扫描器，理论上激光探头有360对工件表面特征进行识别，摆角轴A围绕z轴关节点转动；通过R轴和A轴的配合计算出被测工件的表面特征；

步骤2：通过固定销将被测工件固定在托盘上，根据固定销位置固定在数控机床上，并根据工件三维模型在基于数控机床的加工原点位置进行零件加工，根据数控机床的原始原点和定位销位置数据计算工件三维模型点在实际车床零件各空间点的准确坐标位置；

步骤3：当固定有工件的托盘从数控机床上拆卸后使用AGV小车自动输送至龙门坐标原点相对固定的位置；对托盘的位置进行偏移校准，找到托盘放置的准确偏差(x,y,z)，然后将偏差补偿至理论计算得到零件被测点的位置信息；

步骤4：利用三维激光扫描器对工件托盘进行位置偏差校准。

步骤3中，工件在加工托盘上的三维坐标点即为零件的三维模型坐标，与加工托盘以定位销固定在数控机床上的实际位置经过合成后即可得到位置偏差校准后的龙门(x,y,z,R,A)轴的零件上的被测量点定位信息。

步骤4的具体步骤如下，根据理论计算的定位数据中获取推盘定位孔的理想位置，包括半径、深度以及中心点坐标，通过激光扫描100mm*100mm的区域内的一个孔点的中心位置、半径尺寸，计算出中心孔的位置偏移量，测量出两个中心孔的位置数据就可以计算出加工托盘的倾斜角度，也就是X轴的位置偏差和Y轴的位置偏差以及偏移角度的数据，将这个实际的偏差数据叠加到零件被测量点理想数据坐标值就得到真实的坐标信息。

进一步优化，本实施例还包括步骤5，将工件测量点位置确定以后，通过量程为1.5米的长激光进行测量点的高度初步定位，龙门Z轴移动到龙门测量设备的长线激光的有效量程400mm的范围内，线激光对测量点周围100mmx100mm区域内进行线激光扫描工件表面特征，经过三维尺寸计算是否满足厚度探头进行测量的安全，在保证安全不接触工件表面的条件下，将测厚探头移动到工件表面，测量探头直径32mm圆头，根据设计要求探头下降安全X，Y向的空间保证38mm内，探头可以定位到测量位置垂直高度2mm的位置进行测量。

其中，长线激光的测量范围为100mm，对给定的测量点坐标中心点进行正交测量，通过长线激光的测量值计算出中心点位置正方形38mmx38mm的矩形范围内是否满足探头下降的安全范围要求，并进行后续操作。

进一步优化，后续操作具体为，如果不满足要求，根据线激光反馈的数据寻找该100mmx100mm扫描区域的范围内是否满足38mmx38mm内的安全范围，从而校准之前给的测量点零件三维模型的理论坐标，从而纠正因为AGV小车定位不准或者托盘平面偏差带来的误差。

为了便于本领域技术人员进一步理解本发明，下面结合本分发明的原理来进一步阐述本发明。

首先需要了解一下龙门运动轴(x,y,z,R,A)空间坐标系的概念：

龙门空间三维坐标系(x,y,z)，对应龙门x,y,z轴运动。I,j,k为三维坐标系(x,y,z)的法向，譬如：x轴正向为1，X轴反向为-1。

R轴为Z轴轴向旋转轴，运动范围限制在原点的0°～-340°；

A轴为摆臂，其顶端安装测厚探头。摆角轴围绕z轴关节点转动，运动范围限制在原点的105.0°～-255°；

通过R轴和A轴的配合计算出被测钣金多维度的表面测量实现多维度的探头定位能力，放置在托盘上的零件，从空间位置计算有六个面，除零件底部的面是放置零件是无法测量的，其他的各个角度上的被测量点理论上是都可以测量的，实际选点肯定需要考虑探头的尺寸和限制以及深度都有特殊要求。

X,Y,Z轴的法向(I,j,k)的定义是龙门坐标系和载有零件的加工托盘的坐标系是一致的。法向主要用于计算测量探头从哪个方向轴去接近被测量基准点中心位置。

譬如，如果探头需要测量工件表面点法向为-1的Y轴法向，那么探头就需要按照y轴负方向进行激光三维扫描从而将探头移动到接近工件被测量点的位置。根据多维角度测量的原理，存在x,y轴法向±两个方向，i＝1或者i＝-1,j＝1或者j＝-1,Z轴法向只有k＝1,因为z轴负方向是放置零件的方向。

在实际的使用中，被测零件是被固定在托盘，每一种零件的加工毛胚按照一种定位尺寸固定到托盘的。托盘是按照固定销位置固定在在机床上进行零件的加工。数控机床按照零件三维模型在基于车床的加工原点位置进行零件的加工。

每一种零件在数控车床中的原点位置是相同的，通过机床加工的原始原点和托盘的定位销位置数据，我们可以计算出零件三维模型点在实际车床零件各空间点在准确坐标位置。我们的这种测量点定位原理其实是利用的数控车床加工的三维模型的加工坐标得到的测量点的坐标。只要找到零件原始机械加工原点，我们就可以通过零件三维模型的点换算成龙门三维测量的坐标位置。

当固定工件的加工托盘从车床加工台上拆下来被AGV小车自动输送到龙门坐标原点相对固定的位置。由于AGV小车的定位精度(一般10mm以内)不能满足直接利用理论测量点的位置数据进行的测量，所以我们要进行托盘位置的偏移校准，只有找到加工托盘放置的准确偏差(x,y,z)，然后将偏差补偿到理论计算得到零件被测量点的位置信息。零件在加工托盘上的三维坐标点是零件三维模型的坐标+加工托盘以定位销固定在数控车床上的实际位置，经过合成以后就得到位置偏差校准以后的龙门(x,y,z,R,A)轴的零件上的被测量点定位信息。

接着，利用三维激光扫描器对加工托盘进行位置偏差校准的过程。根据理论计算的定位数据中获取托盘定位孔的理想位置，包括半径和深度以及中心点坐标，由于加工托盘被送到检测位置，因为AGV小车的移动偏差±10mm，所以加工托盘的定位孔与计算得到理想位置就有这个偏差的可能，所以在这个项目中考虑到这种情况，必须通过技术手段去校准这个偏差，才能准确定位被测点。

通过激光扫描100mmX100mm的区域内的一个孔点的中心位置，半径尺寸，就计算出中心孔的位置偏移量，测量出两个中心孔的位置数据就可以计算出加工托盘的倾斜角度也就是X轴的位置偏差和Y轴的位置偏差以及偏移角度的数据。这个实际的偏差数据叠加到零件被测量点理想数据坐标值就得到真实的坐标信息。

所以这里就采用三维激光成像技术对钣金的表面进行三维建模，基于不同形态的零件表面很多特征需要了解，计算得到很多几何尺寸，根据不同需求，定义一种测量结果叫特征，特征是具有实际建模数据的抽象数据；

譬如：扫描区域内找到一个孔的直径和中心点在与理想的孔的中心点计算以后就能计算出实际的孔偏差。

另外一种钣金表面的特征就是计算某一点直径范围内的圆有没有高度高于影响探头下降的台阶，这就是探头测量的必要条件。

得到测量数据后，自动判断是否探头移动到表面的安全风险，从而保证Z轴能够完成探头移动到表面不接触，保证1-2mm的距离的测量要求。

另外，本实施例还公开了一种龙门坐标的定位方法，具体过程如下：

步骤一：建立坐标系，该坐标系为龙门坐标，具体为龙门空间三维是坐标系；

步骤二：将工件安装在托盘上，并将龙门坐标轴XY,Z轴方向与托盘XY,Z轴方向重合，托盘上工件的图形罗阔点位为x’y’z’轴方向与托盘X,Y,Z轴方向对应，工件点位的I,j,k方向即可固定，i＝x,-x；j＝y,-y；k＝z,-z，对应定义就是i＝1,-1；j＝1,-1；k＝1,-1；

步骤3：承载托盘的AGV小车停止在龙门内固定位置，托盘设计为2个角的定位孔，采用孔位1作为零件的坐标系的参考点，孔位1和孔位2作为托盘偏差校准的参考孔；按照托盘校准位置的定位孔1和定位孔2的坐标，分别为：

TRAY_HOLE_1(tray_hole1_x,tray_hole1_y,tray_hole1_z,R)；

TRAY_HOLE_2(tray_hole2_x,tray_hole2_y,tray_hole2_z,R)；其中，直径尺寸R由需求方确定合适大小；以上坐标是托盘在龙门中校准以后的固定坐标值；

步骤4：测量定位孔1和定位孔2的尺寸和偏移，计算得出托盘的实际位置与开箱位置的偏差来纠正AGV小车的偏移，为后续测量提供修正基础；

步骤5：定位孔1和定位孔2在托盘上靠近龙门原点一侧，相距托盘一角的两条边尺寸固定不变；定位孔中心圆点距离托盘边缘多少MM，由需求方确定；不同托盘该距离可以一样也可以不一样，由需求方确定，必须考虑这个问题；选取托盘定位孔1作为工艺给出的工件上的数据坐标的参考点原点。

需要说明的是，在实际的使用中，装载上AGV移动小车上托盘上的钣金被测件，在加工时和加工托盘存在一定加工定位数据，根据模型和实际加工位置能够计算出来。

在AGV小车的移动运输到被测位置，因为AGV小车本身的定位误差比较大，所以怎么能找到托盘上的钣金件与龙门机构坐标位置定位的准确就成为一个比较难处理的问题。

根据被测点的测量特点，用户目的是得到某一区域板材的厚度，即使探头定位出现一点偏差也是允许的这一特点，提高设备适应性。通过三维激光器对该测量点区域的的实际扫描结果，只要满足龙门检测设备中探头下降的安全条件，探头仍然能够进行测量。

承载某一种类型工件的托盘的上有固定位置的定位孔，通过三维激光能够对这个定位孔区域进行扫描从而矫正因为AGV小车定位不准而产生的被测零件位置的偏差。

在AGV小车载重托盘到龙门HOME位置时，利用三维激光器根据校准数据进行100mmx100mm范围内进行托盘定位孔的扫描，主要目的是扫描定位孔的中心点坐标偏移量，从而计算出AGV小车与标准位置差别多少，从而校准被测量钣金零件的偏差。AGV小车定位精度控制在10mm以内，激光器扫描范围100mmx100mm能够覆盖这个偏差范围。

如图1所示，测量点位置确定以后，通过量程为1.5米的长激光进行测量点的高度初步定位，龙门Z上下轴移动到短线激光的有效量程400的范围内，线激光对测量点周围100mmx100mm区域内进行线激光扫描沉孔，测量探头直径32mm圆头，根据设计要求探头下降安全空间保证38mm内，探头可以定位到测量位置垂直高度2MM的位置进行测量，图1中，L1为探头的半径；L2为探头的半安全宽度，L2>L1+Amm,A为2-5mm中任意一值。

线激光的测量范围为100mm，对给定的测量点坐标中心点进行正交测量，通过长线激光的测量值得算法计算出中心点位置正方形38mmx38mm的矩形范围内是否满足探头下降的安全范围要求，如果不满足要求。根据机组线激光反馈的数据寻找该100mmx100mm扫描区域的范围内是否满足38mmx38mm内的安全范围，从而校准之前给的测量点坐标，从而纠正因为AGV小车定位不准或者托盘平面偏差带来的误差。有效控制AGV小车的定位精度和平面误差，可以有效提高测量点定位精度。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，应当指出的是，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。