本发明提出一种工业机器人精准制孔的法向调平方法，利用四个激光距离传感器建立零面坐标系，根据加工过程中四个激光距离传感器在加工表面的实际光点位置，来确定加工表面和刀具轴线的实际夹角，并将夹角传给工业机器人，通过多次循环调整工业机器人直到加工表面和刀具轴线的垂直角度符合要求；同时，在法向调平中将工业机器人工具坐标系的原点标定在和缩回状态的压力鼻平面沿刀具轴线正方向距离为l的平行平面上，该平面与刀具轴线的交点即为工具坐标系原点，以保证制孔加工时，工具坐标系的坐标系原点在零组件表面，为待制孔位置，使得待制孔的空间位置坐标不会受到法向调平程序的影响。
1.一种工业机器人精准制孔的法向调平方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：在工业机器人制孔刀具周围布置四个激光距离传感器A、B、C、D，并利用标定圆盘，通过以下步骤对四个激光距离传感器进行标定，所述标定圆盘由盘身和中心杆组成，中心杆与盘身保证垂直度为90±0.05°：步骤1.1：将工业机器人制孔刀具保持竖直状态，并将中心杆装夹在工业机器人制孔刀具的刀柄上；
步骤1.2：调整四个激光距离传感器，是其将激光点均打在标定圆盘盘面上；
步骤1.3：工业机器人制孔刀具电主轴沿轴向运动，带动标定圆盘轴向运动，观察四个激光距离传感器在盘面上的激光点运动轨迹；调整四个激光距离传感器，使四个激光距离传感器在盘面上的激光点运动轨迹相互平行，且任意三个激光距离传感器在盘面上的激光点运动轨迹不共线；
步骤1.4：分别测量计算四个激光距离传感器光轴与标定圆盘盘面的夹角
步骤2：轴向调整工业机器人制孔刀具电主轴，使标定圆盘盘面与模拟工作面重合；所述模拟工作面指沿电主轴进给方向的，且与工业机器人制孔刀具中处于缩回状态的压力鼻平面距离为l的平面；l为制孔时，待制孔零组件平面和处于缩回状态的压力鼻平面的距离；
测量当前状态下四个激光距离传感器的距离读数sA，sB，sC，sD；
步骤3：在标定圆盘盘面上建立与工业机器人制孔刀具固连的零面坐标系ObXbYbZb，并得到四个激光距离传感器在盘面上的激光点在零面坐标系ObXbYbZb中的坐标值(xA，yA)，(xB，yB)，(xC，yC)，(xD，yD)；零面坐标系原点选择为任意一个激光距离传感器在盘面上的激光点，并以该激光点的运动轨迹为ObYb轴；ObXb轴处于盘面上，且ObXb垂直于ObYb轴；ObYb轴正方向与工具坐标系OtXtYtZt的OtYt轴正方向夹角为锐角，ObXb轴正方向与工具坐标系OtXtYtZt的OtXt轴正方向夹角为锐角；ObZb轴正方向由ObYb轴正方向以及ObXb轴正方向按照右手定则确定；
所述工具坐标系OtXtYtZt与工业机器人制孔刀具末端固连，本步骤中工具坐标系
OtXtYtZt原点处于模拟工作面上，OtXt轴和OtYt轴在模拟工作面上，电主轴进给方向为OtZt轴正方向，工业机器人法兰坐标系OFXFYFZF的OFXF轴正方向在模拟工作面上的投影为OtXt轴正方向，OFYF轴正方向在模拟工作面上的投影为OtYt轴正方向；
步骤4：移除标定圆盘，并移动工业机器人，使工具坐标系OtXtYtZt原点处于待制孔零组件的待制孔位置；
步骤5：四个激光距离传感器将激光点A'、B'、C'、D'打在待制孔零组件表面，得到四个激光距离传感器的测量距离值sA’，sB’，sC’，sD’；根据sA’，sB’，sC’，sD’，步骤1得到的以及步骤2得到的sA，sB，sC，sD，计算得到激光点A'、B'、C'、D'在零面坐标系ObXbYbZb的坐标值；
步骤6：由激光点A'、B'、C'、D'在零面坐标系ObXbYbZb的坐标值计算得到四个平面A'B'C'、A'B'D'、A'C'D'、B'C'D'的法向量，取四个平面A'B'C'、A'B'D'、A'C'D'、B'C'D'法向量的平均值为待制孔零组件表面法向量n1；
步骤7：根据法向量n1在零面坐标系ObXbYbZb中的坐标，得到法向量n1与ObZb轴的夹角α1，若α1在±0.2°范围内，则法向调平结束，否则根据法向量n1在零面坐标系ObXbYbZb中的坐标，得到将零面坐标系ObXbYbZb旋转至ObZb轴与法向量n1重合时，ObXb轴的旋转角度γ和ObYb轴的旋转角度β；按照角度γ和角度β移动工业机器人，使工具坐标系的OtXt轴旋转角度γ，OtYt轴旋转角度β，并返回步骤5。
工业机器人精准制孔的四点法向调平方法
技术领域
[0001] 本发明涉及工业机器人标定技术领域，是一种制孔系统的法向调平方法,具体为一种工业机器人精准制孔的法向调平方法。
背景技术
[0002] 目前,工业机器人自动化制孔已经在飞机、汽车等制造领域被逐渐应用。自动制孔过程中，制孔精度很大程度上取决于制孔过程中，刀具轴线相对工件的垂直精度。从理论上讲，制孔时可以根据理论数学模型获得制孔部位的法向信息，但由于部件的加工误差、装配误差、变形等因素，往往导致制孔部位的实际外形与理论外形有一定的偏差，如果仍然按照理论数学模型确定制孔部位的法向，会导致制孔质量缺陷。
[0003] 现有某些设备为实现法向调平功能,对传感器的安装要求很高,很难达到要求；同时，也有一套很繁琐的标定方法和复杂的标定工具；算法对传感器自身和标定方法过分依赖。
发明内容
[0004] 为解决现有技术存在的问题，本发明提出了一种工业机器人精准制孔的法向调平方法。
[0005] 本发明的技术方案为：
[0006] 所述一种工业机器人精准制孔的法向调平方法，其特征在于：包括以下步骤：
[0007] 步骤1：在工业机器人制孔刀具周围布置四个激光距离传感器A、B、C、D，并利用标定圆盘，通过以下步骤对四个激光距离传感器进行标定，所述标定圆盘由盘身和中心杆组成，中心杆与盘身保证垂直度为90±0.05°：
[0008] 步骤1.1：将工业机器人制孔刀具保持竖直状态，并将中心杆装夹在工业机器人制孔刀具的刀柄上；
[0009] 步骤1.2：调整四个激光距离传感器，是其将激光点均打在标定圆盘盘面上；
[0010] 步骤1.3：工业机器人制孔刀具电主轴沿轴向运动，带动标定圆盘轴向运动，观察四个激光距离传感器在盘面上的激光点运动轨迹；调整四个激光距离传感器，使四个激光距离传感器在盘面上的激光点运动轨迹相互平行，且任意三个激光距离传感器在盘面上的激光点运动轨迹不共线；
[0011] 步骤1.4：分别测量计算四个激光距离传感器光轴与标定圆盘盘面的夹角
[0012] 步骤2：轴向调整工业机器人制孔刀具电主轴，使标定圆盘盘面与模拟工作面重合；所述模拟工作面指沿电主轴进给方向的，且与工业机器人制孔刀具中处于缩回状态的压力鼻平面距离为l的平面；l为制孔时，待制孔零组件平面和处于缩回状态的压力鼻平面的距离；测量当前状态下四个激光距离传感器的距离读数sA，sB，sC，sD；
[0013] 步骤3：在标定圆盘盘面上建立与工业机器人制孔刀具固连的零面坐标系ObXbYbZb，并得到四个激光距离传感器在盘面上的激光点在零面坐标系ObXbYbZb中的坐标值(xA，yA)，(xB，yB)，(xC，yC)，(xD，yD)；零面坐标系原点选择为任意一个激光距离传感器在盘面上的激光点，并以该激光点的运动轨迹为ObYb轴；ObXb轴处于盘面上，且ObXb垂直于ObYb轴；
ObYb轴正方向与工具坐标系OtXtYtZt的OtYt轴正方向夹角为锐角，ObXb轴正方向与工具坐标系OtXtYtZt的OtXt轴正方向夹角为锐角；ObZb轴正方向由ObYb轴正方向以及ObXb轴正方向按照右手定则确定；
[0014] 所述工具坐标系OtXtYtZt与工业机器人制孔刀具末端固连，本步骤中工具坐标系OtXtYtZt原点处于模拟工作面上，OtXt轴和OtYt轴在模拟工作面上，电主轴进给方向为OtZt轴正方向，工业机器人法兰坐标系OFXFYFZF的OFXF轴正方向在模拟工作面上的投影为OtXt轴正方向，OFYF轴正方向在模拟工作面上的投影为OtYt轴正方向；
[0015] 步骤4：移除标定圆盘，并移动工业机器人，使工具坐标系OtXtYtZt原点处于待制孔零组件的待制孔位置；
[0016] 步骤5：四个激光距离传感器将激光点A'、B'、C'、D'打在待制孔零组件表面，得到四个激光距离传感器的测量距离值sA’，sB’，sC’，sD’；根据sA’，sB’，sC’，sD’，步骤1得到的以及步骤2得到的sA，sB，sC，sD，计算得到激光点A'、B'、C'、D'在零面坐标系ObXbYbZb的坐标值；
[0017] 步骤6：由激光点A'、B'、C'、D'在零面坐标系ObXbYbZb的坐标值计算得到四个平面A'B'C'、A'B'D'、A'C'D'、B'C'D'的法向量，取四个平面A'B'C'、A'B'D'、A'C'D'、B'C'D'法向量的平均值为待制孔零组件表面法向量n1；
[0018] 步骤7：根据法向量n1在零面坐标系ObXbYbZb中的坐标，得到法向量n1与ObZb轴的夹角α1，若α1在±0.2°范围内，则法向调平结束，否则根据法向量n1在零面坐标系ObXbYbZb中的坐标，得到将零面坐标系ObXbYbZb旋转至ObZb轴与法向量n1重合时，ObXb轴的旋转角度γ和ObYb轴的旋转角度β；按照角度γ和角度β移动工业机器人，使工具坐标系的OtXt轴旋转角度γ，OtYt轴旋转角度β，并返回步骤5。
[0019] 有益效果
[0020] 本方法没有过分依赖法向传感器的安装姿态和标定方法。对法向传感器的安装位置姿态要求更容易实现；法向传感器的标定方法和工具简单易行，验证方法简单。该犯法应用范围广，法向调平方法适合多种零组件表面，在保证精度的同时能适应更广泛的应用场合。
附图说明
[0021] 附图1是机器人末端工具坐标系示意图；
[0022] 附图2是法向传感器标定及法向调平验证示意图；
[0023] 附图3是法向调平加工应用示意图；
[0024] 其中：1.气缸；2.法向激光距离传感器；3.压力鼻；4.机器人末端工具坐标系；5.模拟工作面；6.丝杠导轨；7.刀柄；8.电主轴；9.待制孔零组件表面法向量；10.待制孔零组件表面；11.法向激光距离传感器激光束；12.法向激光距离传感器激光点；13.标定圆盘；14.零面坐标系；15.光点运动轨迹。
具体实施方式
[0025] 下面结合具体实施例描述本发明：
[0026] 本实施例属于工业机器人标定技术领域，该方法利用四个激光距离传感器建立零面坐标系，根据加工过程中四个激光距离传感器在加工表面的实际光点位置，来确定加工表面和刀具轴线的实际夹角，并将夹角传给工业机器人，通过多次循环调整工业机器人直到加工表面和刀具轴线的垂直角度符合要求；同时，在法向调平中将工业机器人工具坐标系的原点标定在和缩回状态的压力鼻平面沿刀具轴线正方向距离为l的平行平面上，该平面与刀具轴线的交点即为工具坐标系原点，以保证制孔加工时，工具坐标系的坐标系原点在零组件表面，为待制孔位置，使得待制孔的空间位置坐标不会受到法向调平程序的影响。
[0027] 下面给出本实施例中方法的具体步骤：
[0028] 步骤1：参照附图1和附图2，在工业机器人制孔刀具周围布置四个激光距离传感器A、B、C、D，四个激光距离传感器用来检测刀具和待制孔零组件的法向角度，所以需要对四个激光距离传感器进行标定。本发明利用标定圆盘，通过以下步骤对四个激光距离传感器进行标定，所述标定圆盘由盘身和中心杆组成，中心杆与盘身保证垂直度为90±0.05°。
[0029] 步骤1.1：将工业机器人制孔刀具保持竖直状态，避免重力因素影响标定结果，将中心杆装夹在工业机器人制孔刀具的刀柄上；
[0030] 步骤1.2：调整四个激光距离传感器，是其将激光点均打在标定圆盘盘面上；
[0031] 步骤1.3：工业机器人制孔刀具电主轴沿轴向运动，带动标定圆盘轴向运动，使四个激光距离传感器和标定圆盘相对运动，观察四个激光距离传感器在盘面上的激光点运动轨迹；调整四个激光距离传感器，使四个激光距离传感器在盘面上的激光点运动轨迹相互平行，且任意三个激光距离传感器在盘面上的激光点运动轨迹不共线；
[0032] 步骤1.4：分别测量计算四个激光距离传感器光轴与标定圆盘盘面的夹角测量计算激光距离传感器光轴与标定圆盘盘面的夹角可以通过以下过程
进行：以5mm为运动单位移动电主轴，记录激光距离传感器的距离读数差，记录多组数据取距离差平均值，而后通过三角关系得到激光距离传感器光轴与标定圆盘盘面的夹角。
[0033] 步骤2：轴向调整工业机器人制孔刀具电主轴，使标定圆盘盘面与模拟工作面重合；所述模拟工作面指沿电主轴进给方向的，且与工业机器人制孔刀具中处于缩回状态的压力鼻平面距离为l的平面；l为制孔时，待制孔零组件平面和处于缩回状态的压力鼻平面的距离；测量当前状态下四个激光距离传感器的距离读数sA，sB，sC，sD。
[0034] 步骤3：在标定圆盘盘面上建立与工业机器人制孔刀具固连的零面坐标系ObXbYbZb，并得到四个激光距离传感器在盘面上的激光点在零面坐标系ObXbYbZb中的坐标值(xA，yA)，(xB，yB)，(xC，yC)，(xD，yD)；零面坐标系原点选择为任意一个激光距离传感器在盘面上的激光点，并以该激光点的运动轨迹为ObYb轴；ObXb轴处于盘面上，且ObXb垂直于ObYb轴；
ObYb轴正方向与工具坐标系OtXtYtZt的OtYt轴正方向夹角为锐角，ObXb轴正方向与工具坐标系OtXtYtZt的OtXt轴正方向夹角为锐角；ObZb轴正方向由ObYb轴正方向以及ObXb轴正方向按照右手定则确定；
[0035] 所述工具坐标系OtXtYtZt与工业机器人制孔刀具末端固连，本步骤中工具坐标系OtXtYtZt原点处于模拟工作面上，OtXt轴和OtYt轴在模拟工作面上，电主轴进给方向为OtZt轴正方向，工业机器人法兰坐标系OFXFYFZF的OFXF轴正方向在模拟工作面上的投影为OtXt轴正方向，OFYF轴正方向在模拟工作面上的投影为OtYt轴正方向。
[0036] 零面坐标系与工具坐标系各轴不完全平行，由于保证了标定圆盘盘身与其中心杆的角度在90±0.05°，所以能够保证零面坐标系的ObZb轴和工具坐标系的OtZt轴的偏转角度在±0.05°内。
[0037] 步骤4：移除标定圆盘，并移动工业机器人，使工具坐标系OtXtYtZt原点处于待制孔零组件的待制孔位置。
[0038] 步骤5：四个激光距离传感器将激光点A'、B'、C'、D'打在待制孔零组件表面，得到四个激光距离传感器的测量距离值sA’，sB’，sC’，sD’；根据sA’，sB’，sC’，sD’，步骤1得到的以及步骤2得到的sA，sB，sC，sD，计算得到激光点A'、B'、C'、D'在零面坐标系ObXbYbZb的坐标值。
[0039] 步骤6：由于四个激光点不共线，所以四个激光点可以构成四个平面A'B'C'、A'B'D'、A'C'D'、B'C'D'，在每个平面中，用三点构成的两条线叉乘，得到平面的法向量：激光点A'、B'、C'、D'在零面坐标系ObXbYbZb的坐标值计算得到四个平面A'B'C'、A'B'D'、A'C'D'、B'C'D'的法向量，取四个平面A'B'C'、A'B'D'、A'C'D'、B'C'D'法向量的平均值为待制孔零组件表面法向量n1。
[0040] 步骤7：根据法向量n1在零面坐标系ObXbYbZb中的坐标，得到法向量n1与ObZb轴的夹角α1，若α1在±0.2°范围内，则法向调平结束，否则根据法向量n1在零面坐标系ObXbYbZb中的坐标，得到将零面坐标系ObXbYbZb旋转至ObZb轴与法向量n1重合时，ObXb轴的旋转角度γ和ObYb轴的旋转角度β；将旋转角度γ、β通过工控机实时通讯传给机器人，按照角度γ和角度β移动工业机器人，使工具坐标系的OtXt轴旋转角度γ，OtYt轴旋转角度β，并返回步骤5。
[0041] 实际上返回步骤5后，在工控机中重新读取法向激光距离传感器的读数，重新计算法向量n1与ObZb轴的夹角α1，如果夹角α1在±0.2°范围内，则法向调平完成，否则，再次重复以上过程，直到夹角α1符合要求。
[0042] 参照附图1和附图2，由于标定的零面坐标系和工具坐标系的坐标轴不完全平行，存在微小夹角θ，即工具坐标系的OtZt轴按顺时针方向旋转θ，就与零面坐标系的ObZb平行，所以通过零面坐标系检测出来的偏角γ、β，不受夹角θ的影响，将偏角γ、β传给机器人，分别使工具坐标系的OtXt轴旋转角度γ，OtYt轴旋转角度β，就能使工具坐标系的OtZt轴与待制孔零组件表面的法向量平行。同时，最终检测结果是通过检测法向量n1与零面坐标系的ObZb轴的夹角α1进行的，而零面坐标系的ObZb轴和工具坐标系的OtZt偏转角度在±0.05°内，所以，最终刀具轴线和待制孔零组件表面的垂直结果可以保证。在法向调平时，旋转工具坐标系的OtXt轴和OtYt轴，保证了工具坐标系的原点不变，由于工具坐标系的原点在待制孔零组件表面上，而原点是待制孔的位置，使得待制孔的空间位置坐标不会受到法向调平的影响。
