一种圆柱形工件空间角度测量系统及方法

1.本发明涉及工业自动化测量技术领域，具体涉及一种圆柱形工件空间角度测量系统及方法。


背景技术：

2.近年来，随着先进制造技术及工艺的快速发展和机械制造尺度的增加，大型装配工业现场具有整体尺寸大、被测目标结构外形复杂多样、现场装配环境条件恶劣、多个测量任务并存以及高效率、高精度的装配需求等特点，因此对现场几何量测量技术提出了更高的要求。船舶管件、兵器弹药等圆柱形工件在装配过程中需要对各工件部件的空间相位角进行测量和控制，但是目前主要还是以人工测量为主，测量精度和测量效率低下，因此，迫切需要提供一种针对大型圆柱形工件空间相位角度测量系统及方法，提高圆柱形工件装配过程中空间相位角度的检测效率和检测精度。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本发明提供了一种圆柱形工件空间角度测量系统及方法，该测量系统提高了工作效率和测量精度，解决了传统人工测量空间相位角度的工作效率低、测量精度低、检测质量一致性差的问题。
4.本发明采用以下具体技术方案：
5.本发明提供了一种圆柱形工件空间角度测量系统，该测量系统包括底座、两个支撑旋转机构、基准工件测量机构、轴向限位机构、检测工件测量机构、检测工件调姿机构和控制装置；
6.所述底座直接安装在地面上；
7.沿所述底座的长度方向，所述轴向限位机构、所述基准工件测量机构、所述支撑旋转机构、所述检测工件调姿机构以及所述检测工件测量机构依次与所述底座滑动配合；
8.两个所述支撑旋转机构间隔设置，用于支承基准工件并驱动基准工件转动；
9.所述基准工件测量机构用于检测基准工件的第一特征位置；
10.所述轴向限位机构用于在转动过程中对基准工件进行轴向固定，防止基准工件发生轴向窜动；
11.所述检测工件测量机构用于检测检测工件的第二特征位置；
12.所述检测工件调姿机构用于支承检测工件并调整检测工件的姿态；
13.所述控制装置用于控制所述轴向限位机构、所述基准工件测量机构、所述支撑旋转机构、所述检测工件调姿机构以及所述检测工件测量机构动作，并根据标定结果计算基准工件第一特征与检测工件第二特征之间的空间相位角度。
14.更进一步地，所述底座包括固定安装于所述底座的前端导轨、驱动齿条、驱动丝杠、龙门立柱导轨、两个支撑旋转机构定位块、后端导轨、气缸安装板以及检测机构定位块；
15.所述前端导轨和所述后端导轨均沿所述底座的长度方向延伸且相对设置于所述
底座的两端；
16.两个所述支撑旋转机构分别为第一支撑旋转机构和第二支撑旋转机构；
17.所述第一支撑旋转机构和所述检测工件测量机构分别通过滑块与所述前端导轨滑动配合；
18.所述驱动齿条与所述检测工件调姿机构的齿轮啮合传动；
19.所述驱动丝杠通过连接件与所述检测工件测量机构连接；
20.所述龙门立柱导轨与所述检测工件测量机构滑动配合；
21.两个所述支撑旋转机构定位块通过定位销形式分别固定所述第一支撑旋转机构和所述第二支撑旋转机构的轴向位置；
22.所述第二支撑旋转机构、所述基准工件测量机构以及所述轴向限位机构分别通过滑块与所述后端导轨滑动配合；
23.所述气缸安装板用于固定安装所述轴向限位机构的驱动气缸；
24.所述检测机构定位块通过定位销形式固定所述基准工件测量机构的轴向位置。
25.更进一步地，每个所述支撑旋转机构均包括安装支架、圆周转动电机及减速器、主动轮以及从动轮；
26.所述第一支撑旋转机构的安装支架滑动配合地安装于所述前端导轨；所述第二支撑旋转机构的安装支架滑动配合地安装于所述后端导轨；
27.所述圆周转动电机及减速器固定安装于所述安装支架；
28.所述主动轮和所述从动轮能够转动地安装于所述安装支架的顶部；
29.所述圆周转动电机及减速器通过联轴器与所述主动轮传动连接，用于驱动所述主动轮转动，并在放置工件后通过工件带动所述从动轮转动。
30.更进一步地，所述基准工件测量机构包括安装板、支撑立柱、上端点激光位移传感器以及下端点激光位移传感器；
31.所述安装板滑动配合地安装于所述后端导轨；
32.所述支撑立柱的底端固定安装于所述安装板；
33.所述上端点激光位移传感器和下端点激光位移传感器沿竖直方向间隔安装于所述支撑立柱，用于检测基准工件圆周面上的第一特征位置。
34.更进一步地，所述轴向限位机构还包括连接板、立柱以及限位圆盘；
35.所述驱动气缸通过安装支架固定安装于所述气缸安装板；
36.所述连接板两端部通过滑块与所述后端导轨滑动配合，中部与所述驱动气缸的活塞杆固定连接，通过所述驱动气缸驱动所述连接板沿轴向移动；
37.所述立柱的底端固定安装于所述连接板；
38.所述限位圆盘能够转动地安装于所述立柱的顶端，所述限位圆盘的端面用于与工件接触并可跟随工件转动。
39.更进一步地，所述检测工件测量机构包括龙门立架、侧面导轨、顶部导轨、连接立柱、三维视觉传感器以及龙门横杆；
40.所述龙门立架包括固定连接形成直角形结构的龙门立柱和龙门横杆；龙门立柱沿竖直方向延伸，底部两侧通过滑块与所述龙门立柱导轨滑动配合，底部中间通过所述连接块与所述驱动丝杠螺旋配合；
41.所述龙门横杆沿水平方向延伸，一端固定安装于所述龙门立柱的顶端，另一端形成悬臂端；
42.在所述龙门横杆的侧面固定安装于侧面导轨，并在顶面固定安装有顶部导轨；
43.所述连接立柱的顶部通过滑块分别与所述侧面导轨和所述顶部导轨滑动配合，底部安装有防护盒；
44.所述三维视觉传感器安装在所述防护盒内，用于检测检测工件第二特征的空间位置。
45.更进一步地，所述检测工件调姿机构还包括驱动组件、减速机、第一安装底板、导向立柱、升降丝杠、升降机构、第二安装底板、第三安装底板、端面限位机构、后端左支撑轮、后端右支撑轮、调节螺钉、滑轨、前端支撑轮摇轮、前端右支撑轮、前端左支撑轮；
46.所述驱动组件通过所述减速机驱动所述齿轮与所述驱动齿条啮合传动，用于驱动所述检测工件调姿机构轴向移动；
47.所述第一安装底板通过滑块与所述前端导轨连接；
48.所述升降丝杠通过所述升降机构驱动所述第二安装底板整体升降动作，并通过所述导向立柱保持升降动作平稳；
49.所述后端左支撑轮和所述后端右支撑轮共同支撑工件后端；
50.所述第三安装底板固定安装在所述第二安装底板上，通过所述端面限位机构进行工件后端面的轴向限位，通过所述调节螺钉实现所述第三安装底板的位置调整；
51.所述前端右支撑轮和前端左支撑轮共同支撑工件前端；
52.所述前端支撑轮摇轮通过丝杠传动控制所述前端右支撑轮、所述前端左支撑轮支撑工件前端的位置调整，通过滑块与所述滑轨连接，实现支撑工件前端位置的轴向移动。
53.更进一步地，所述控制装置包括可编程控制器、触摸屏、安全急停开关按钮、基准工件正转开关按钮、基准工件反转开关按钮、轴向限位前进按钮、轴向限位后退按钮、启动按钮、停止按钮、复位按钮、圆周转动电机驱动器、轴向限位驱动气缸以及声光报警指示灯；
54.所述可编程控制器通过profinet总线与所述触摸屏连接和圆周转动电机驱动器连接，并通过开关量输入信号与所述安全急停开关按钮、所述基准工件正转开关按钮、所述基准工件反转开关按钮、所述轴向限位前进按钮、所述轴向限位后退按钮、所述启动按钮、所述停止按钮、所述复位按钮、所述轴向限位驱动气缸以及所述声光报警指示灯连接。
55.更进一步地，所述驱动组件为手动摇轮或者伺服电机。
56.另外，本发明还提供了一种采用上述测量系统的圆柱形工件空间角度测量方法，该测量方法包括以下步骤：
57.步骤一，系统标定：
58.1.1、确定基坐标系o：以基准工件的旋转轴线与第一特征a轴线的交点为原点；以基准工件旋转轴线为x轴，方向由基准工件后端指向前端；以第一特征a轴线在与x轴垂直平面内的投影方向为y轴，方向由下方指向上方；通过x轴与y轴叉乘获得z轴；
59.1.2、通过激光跟踪仪多次测量基坐标系o计算刚体变换矩阵的算术平均，建立激光跟踪仪坐标系l与基坐标系o之间的关系标定，假设激光跟踪仪坐标系l与基坐标系o之间的关系矩阵为
60.1.3、通过激光跟踪仪与三维视觉传感器采集固定不动的球体拟合球心数据，根据
球心点集进行对齐实现三维视觉传感器坐标系s到激光跟踪仪坐标系l之间的关系标定，假设三维视觉传感器坐标系l与三维视觉传感器坐标系s之间的关系矩阵为
61.1.4、通过坐标变换得到三维视觉传感器坐标系s与基坐标系o之间的关系，记为则可通过以下公式计算得到：
[0062][0063]
1.5、通过三维视觉传感器测量检测工件第二特征b的中心轴线位置坐标，将中心轴线位置坐标乘以进行坐标变换到基坐标系下，则得到检测工件第二特征b在基坐标系o中的角度值。
[0064]
步骤二、各机构回原始位，吊装工件上料：
[0065]
2.1、轴向限位机构通过驱动气缸驱动回原始位置；
[0066]
2.2、检测工件调姿机构通过驱动组件回原始位置；手动完成检测工件端面限位机构竖直向上，处于限位位置；
[0067]
2.3、吊装基准工件放置到支撑旋转机构上，并使得基准工件上的第一特征在基准工件测量机构的检测范围内；
[0068]
2.4、吊装检测工件放置到检测工件调姿机构上，并使得检测工件端面与检测工件端面限位机构贴合；
[0069]
步骤三、采用轴向限位机构对基准工件进行轴向限位，基准工件圆周转动，基准工件测量机构检测到基准工件圆周第一特征a的空间位置：
[0070]
3.1、轴向限位机构通过驱动气缸动作使得限位圆盘的端面与基准工件接触；
[0071]
3.2、通过圆周转动电机使得基准工件圆周转动，通过上端点激光位移传感器或下端点激光位移传感器检测到基准工件第一特征a的空间位置在设定范围内时，圆周转动电机停止转动；
[0072]
步骤四、通过检测工件调姿机构调整检测工件的空间位置，使得第二特征b处于检测工件测量机构的测量范围内，通过检测工件测量机构检测第二特征b的空间位置：
[0073]
4.1、调整检测工件使其第二特征b位置处于检测工件测量机构的测量范围内；
[0074]
步骤五、检测工件测量机构测量检测工件第二特征b的空间位置，计算检测工件第二特征b中心轴线的空间相位角，并使得空间相位角度在设定范围内：
[0075]
5.1、通过检测工件测量机构中的三维视觉传感器扫描检测工件表面第二特征b的中心轴线位置坐标为p(x,y,z)；
[0076]
5.2、将工件表面第二特征b的中心轴线位置坐标p(x,y,z)、三维视觉传感器坐标系s与基坐标系o之间的关系矩阵相乘，得到第二特征b中心轴线的空间相位角度θ；
[0077]
5.3、如果计算得到的空间相位角度θ在设定范围内，则停止测量；如果计算得到的空间相位角θ不在设定范围内，则重复步骤三和步骤四，直到空间相位角度在设定范围内；
[0078]
步骤六、完成基准工件和检测工件装配成整体工件，吊装工件下料：
[0079]
6.1、微调检测工件调姿机构完成基准工件和检测工件装配；
[0080]
6.2、吊装工件下料。
[0081]
有益效果：
[0082]
1、本发明的圆柱形工件空间角度测量系统采用模块化结构设计，包括用于支承基准工件并驱动基准工件转动的支撑旋转机构、用于检测基准工件第一特征位置的基准工件测量机构、用于在转动过程中对基准工件进行轴向固定的轴向限位机构、用于检测检测工件第二特征位置的检测工件测量机构、用于支承检测工件并调整姿态的检测工件调姿机构、以及计算基准工件第一特征与检测工件第二特征之间的空间相位角度的控制装置，能够实现大型圆柱形基准工件圆周转动、轴向限位、特征位置测量、检测工件姿态调整、特征位置测量等功能，同时实现两个圆柱形工件装配特征空间角度的在线测量，具有柔性好、适应性强、工作效率高、测量精度高的优点，解决了传统人工测量空间相位角度的工作效率低、测量精度低、检测质量一致性差的问题。
[0083]
2、本发明的圆柱形工件空间角度测量系统采用点激光位移传感器和三维视觉传感器检测圆柱体工件特征的空间位置，通过系统标定计算基准工件与检测工件空间相位角度，具有测量精度高、测量效率高以及自动化程度高等优点；
[0084]
3、本发明的圆柱形工件空间角度测量方法通过激光跟踪仪建立中间坐标系，通过坐标变换建立三维视觉传感器与基坐标系之间的坐标关系，实现大尺寸工件空间相位角度的系统标定和精确测量。
附图说明
[0085]
图1为本发明圆柱形工件空间角度测量系统的立体结构示意图；
[0086]
图2为本发明圆柱形工件空间角度测量系统的工作状态示意图；
[0087]
图3为图1中前端部分的局部放大结构示意图；
[0088]
图4为图1中后端部分的局部放大结构示意图；
[0089]
图5为图1中支撑旋转机构的立体结构示意图；
[0090]
图6为图1中基准工件测量机构的立体结构示意图；
[0091]
图7为图1中轴向限位机构的立体结构示意图；
[0092]
图8为图1中检测工件测量机构的立体结构示意图；
[0093]
图9为图1中检测工件调姿机构的立体结构示意图；
[0094]
图10为控制装置的组成框图。
具体实施方式
[0095]
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
[0096]
实施例一
[0097]
本实施例提供了一种圆柱形工件空间角度测量系统，如图1和图2结构所示，该测量系统包括底座1、两个支撑旋转机构2、基准工件测量机构3、轴向限位机构4、检测工件测量机构5、检测工件调姿机构6和控制装置7；
[0098]
底座1直接安装在地面上，用于支撑整个测量系统；沿底座1的长度方向，轴向限位机构4、基准工件测量机构3、支撑旋转机构2、检测工件调姿机构6以及检测工件测量机构5依次与底座1滑动配合；
[0099]
两个支撑旋转机构2间隔设置，用于共同支承基准工件a并驱动基准工件a转动；两个支撑旋转机构2具有相同结构，分别为第一支撑旋转机构2和第二支撑旋转机构2，如图2、
图3和图4所示，第一支撑旋转机构2支承于基准工件a的前端，第二支撑旋转机构2支承于基准工件a的后端；在本实施例中，以图2中检测工件b所处的一端定义为前端，基准工件a所处的一端定位为后端；
[0100]
基准工件测量机构3用于检测基准工件a的第一特征位置；如图2所示，基准工件a上具有一个第一特征a；
[0101]
轴向限位机构4用于在转动过程中对基准工件a进行轴向固定，防止基准工件a发生轴向窜动；
[0102]
检测工件测量机构5用于检测检测工件b的第二特征位置；如图2所示，检测工件b具有一个第二特征b；
[0103]
检测工件调姿机构6用于支承检测工件b并调整检测工件b的姿态；
[0104]
控制装置7用于控制轴向限位机构4、基准工件测量机构3、支撑旋转机构2、检测工件调姿机构6以及检测工件测量机构5动作，并根据标定结果计算基准工件第一特征a与检测工件第二特征b之间的空间相位角度。
[0105]
上述测量系统采用模块化结构设计，包括底座1、用于支承基准工件a并驱动基准工件a转动的支撑旋转机构2、用于检测基准工件第一特征a位置的基准工件测量机构3、用于在转动过程中对基准工件进行轴向固定的轴向限位机构4、用于检测检测工件第二特征b位置的检测工件测量机构5、用于支承检测工件b并调整姿态的检测工件调姿机构6、以及计算基准工件第一特征a与检测工件第二特征b之间的空间相位角度的控制装置7，通过安装于底座1上的各个机构能够实现大型圆柱形基准工件圆周转动、轴向限位、特征位置测量、检测工件姿态调整、特征位置测量等功能，同时实现两个圆柱形工件装配特征空间角度的在线测量，具有柔性好、适应性强、工作效率高、测量精度高的优点，解决了传统人工测量空间相位角度的工作效率低、测量精度低、检测质量一致性差的问题。
[0106]
上述测量系统中，如图3和图4结构所示，底座1包括固定安装于底座1的前端导轨8、驱动齿条9、驱动丝杠10、龙门立柱导轨11、两个支撑旋转机构定位块12、后端导轨13、气缸安装板14以及检测机构定位块15；前端导轨8和后端导轨13均沿底座1的长度方向延伸且相对设置于底座1的两端，前端导轨8固定安装于底座1的前端，后端导轨13固定安装于底座1的后端，前端导轨8的延伸方向和后端导轨13的延伸方向均与底座1的长度方向一致，并与基准工件和检测工件的排列方向一致；前端导轨8和后端导轨13均具有平行设置地两个轨道；第一支撑旋转机构2通过滑块与前端导轨8；检测工件测量机构5通过滑块与龙门立柱导轨11滑动配合；驱动齿条9与检测工件调姿机构6的齿轮35啮合传动；驱动丝杠10通过连接件与检测工件测量机构5连接，连接件可以为螺母等与驱动丝杠10螺旋配合的零部件；龙门立柱导轨11与检测工件测量机构5滑动配合；两个支撑旋转机构定位块12通过定位销形式分别固定第一支撑旋转机构2和第二支撑旋转机构2的轴向位置，即，一个支撑旋转机构定位块12与第一支撑旋转机构2对应且用于对第一支撑旋转机构2进行轴向定位，另一个支撑旋转机构定位块12与第二支撑旋转机构2对应且用于对第二支撑旋转机构2进行轴向定位；第二支撑旋转机构2、基准工件测量机构3以及轴向限位机构4分别通过滑块与后端导轨13滑动配合；气缸安装板14用于固定安装轴向限位机构4的驱动气缸29；检测机构定位块15通过定位销形式固定基准工件测量机构3的轴向位置。驱动丝杠10可通过伺服电机驱动，实现检测工件测量机构5的轴向自动移动。
[0107]
如图5所示，每个支撑旋转机构2均包括安装支架16、圆周转动电机及减速器17、主动轮18以及从动轮19；第一支撑旋转机构2的安装支架16滑动配合地安装于前端导轨8；第二支撑旋转机构2的安装支架16滑动配合地安装于后端导轨13；主动轮18和从动轮19能够转动地安装于安装支架16的顶部；圆周转动电机及减速器17固定安装于安装支架16；圆周转动电机及减速器17通过联轴器与主动轮18传动连接，用于驱动主动轮18转动，并在放置工件后通过工件带动从动轮19转动。
[0108]
如图6所示，基准工件测量机构3包括安装板25、支撑立柱26、上端点激光位移传感器27以及下端点激光位移传感器28；安装板25滑动配合地安装于后端导轨13；安装板25可以通过滑块与后端导轨13滑动配合；支撑立柱26的底端固定安装于安装板25，用于支承上端点激光位移传感器27以及下端点激光位移传感器28；上端点激光位移传感器27和下端点激光位移传感器28沿竖直方向间隔安装于支撑立柱26，用于检测基准工件圆周面上的第一特征位置。
[0109]
如图7所示，轴向限位机构4包括驱动气缸29、连接板30、立柱31以及限位圆盘32；驱动气缸29固定安装于气缸安装板14；连接板30两端部通过滑块与后端导轨13滑动配合，中部与驱动气缸29的活塞杆固定连接，通过驱动气缸29驱动连接板30沿轴向移动；立柱31的底端固定安装于连接板30；限位圆盘32能够转动地安装于立柱31的顶端，限位圆盘32的端面用于与工件接触进行轴向限位并可跟随工件转动。
[0110]
如图8所示，检测工件测量机构5包括龙门立架、侧面导轨21、顶部导轨22、连接立柱23以及三维视觉传感器24；龙门立架包括固定连接形成直角形结构的龙门立柱20和龙门横杆；龙门立柱20沿竖直方向延伸，底部两侧通过滑块与龙门立柱导轨11滑动配合，底部中间通过连接块与驱动丝杠10螺旋配合；龙门立架通过驱动丝杠10与连接块的螺旋配合实现位置调节，通过滑块与龙门立柱20导轨11的滑动配合实现滑动导向；龙门横杆沿水平方向延伸，一端固定安装于龙门立柱20的顶端，另一端形成悬臂端；在龙门横杆的侧面固定安装于侧面导轨21，并在顶面固定安装有顶部导轨22；连接立柱23的顶部通过滑块分别与侧面导轨21和顶部导轨22滑动配合，底部安装有防护盒；连接立柱23通过侧面导轨21和顶部导轨22实现稳定导向；三维视觉传感器24安装在防护盒内，用于检测检测工件特征的空间位置。
[0111]
如图9所示，检测工件调姿机构6包括驱动组件、减速机34、齿轮35、第一安装底板36、导向立柱37、升降丝杠38、升降机构39、第二安装底板40、第三安装底板41、端面限位机构42、后端左支撑轮43、后端右支撑轮44、调节螺钉45、滑轨46、前端支撑轮摇轮47、前端右支撑轮48、前端左支撑轮49；驱动组件可以为手动摇轮33或者伺服电机；驱动组件通过减速机34驱动齿轮35与驱动齿条9啮合传动，用于驱动检测工件调姿机构6轴向移动；第一安装底板36通过滑块与前端导轨8连接；升降丝杠38通过升降机构39驱动第二安装底板40整体升降动作，并通过导向立柱37保持升降动作平稳；后端左支撑轮43和后端右支撑轮44共同支撑工件后端；第三安装底板41固定安装在第二安装底板40上，通过端面限位机构42进行工件后端面的轴向限位，通过调节螺钉45实现第三安装底板41的位置调整；前端右支撑轮48和前端左支撑轮49共同支撑工件前端；前端支撑轮摇轮47通过丝杠传动控制前端右支撑轮48、前端左支撑轮49支撑工件前端的位置调整，通过滑块与滑轨46连接，实现支撑工件前端位置的轴向移动。
[0112]
如图10所示，控制装置7包括可编程控制器、触摸屏、安全急停开关按钮、基准工件正转开关按钮、基准工件反转开关按钮、轴向限位前进按钮、轴向限位后退按钮、启动按钮、停止按钮、复位按钮、圆周转动电机驱动器以及声光报警指示灯；圆周转动电机驱动器设置有与第一支撑旋转机构2对应的第一圆周转动电机驱动器和与第二支撑旋转机构2对应的第二圆周转动电机驱动器，通过对应的圆周转动电机驱动器分别控制圆周转动电机；
[0113]
可编程控制器通过profinet总线与触摸屏连接和圆周转动电机驱动器连接，并通过开关量输入信号与安全急停开关按钮、基准工件正转开关按钮、基准工件反转开关按钮、轴向限位前进按钮、轴向限位后退按钮、启动按钮、停止按钮、复位按钮、驱动气缸29以及声光报警指示灯连接。
[0114]
上述测量系统采用点激光位移传感器和三维视觉传感器24检测圆柱体工件特征的空间位置，通过系统标定计算基准工件与检测工件空间相位角度，具有测量精度高、测量效率高以及自动化程度高等优点；
[0115]
实施例二
[0116]
本实施例提供了一种采用上述测量系统的圆柱形工件空间角度测量方法，该测量方法包括以下步骤：
[0117]
步骤一，系统标定：
[0118]
1.1、确定基坐标系o：以基准工件a的旋转轴线与第一特征a轴线的交点为原点；以基准工件a的旋转轴线为x轴，方向由基准工件a的后端指向前端；以第一特征a轴线在与x轴垂直平面内的投影方向为y轴，方向由下方指向上方；通过x轴与y轴叉乘获得z轴；
[0119]
1.2、通过激光跟踪仪多次测量基坐标系o计算刚体变换矩阵的算术平均，建立激光跟踪仪坐标系l与基坐标系o之间的关系标定，假设激光跟踪仪坐标系l与基坐标系o之间的关系矩阵为
[0120]
1.3、通过激光跟踪仪与三维视觉传感器24采集固定不动的球体拟合球心数据，根据球心点集进行对齐实现三维视觉传感器24坐标系s到激光跟踪仪坐标系l之间的关系标定，假设三维视觉传感器24坐标系l与三维视觉传感器24坐标系s之间的关系矩阵为
[0121]
1.4、通过坐标变换得到三维视觉传感器24坐标系s与基坐标系o之间的关系，记为则可通过以下公式计算得到：
[0122][0123]
1.5、通过三维视觉传感器24测量检测工件第二特征b的中心轴线位置坐标，将中心轴线位置坐标乘以进行坐标变换到基坐标系下，则得到检测工件第二特征b在基坐标系o中的角度值。
[0124]
步骤二、各机构回原始位，吊装工件上料：
[0125]
2.1、轴向限位机构4通过驱动气缸29驱动回原始位置；
[0126]
2.2、检测工件调姿机构6通过驱动组件回原始位置；手动完成检测工件端面限位机构42竖直向上，处于限位位置；
[0127]
2.3、吊装基准工件放置到支撑旋转机构2上，并使得基准工件上的第一特征在基准工件测量机构3的检测范围内；
[0128]
2.4、吊装检测工件放置到检测工件调姿机构6上，并使得检测工件端面与检测工件端面限位机构42贴合；
[0129]
步骤三、采用轴向限位机构4对基准工件进行轴向限位，基准工件圆周转动，基准工件测量机构3检测到基准工件圆周第一特征a的空间位置：
[0130]
3.1、轴向限位机构4通过驱动气缸29动作使得限位圆盘32的端面与基准工件接触；
[0131]
3.2、通过圆周转动电机使得基准工件圆周转动，通过上端点激光位移传感器27检测到基准工件第一特征a的空间位置在设定范围内时，圆周转动电机停止转动；
[0132]
步骤四、通过检测工件调姿机构6调整检测工件的空间位置，使得第二特征b处于检测工件测量机构5的测量范围内，通过检测工件测量机构5检测第二特征b的空间位置：
[0133]
4.1、调整检测工件使其第二特征b位置处于检测工件测量机构5的测量范围内；
[0134]
步骤五、检测工件测量机构5测量检测工件第二特征b的空间位置，计算检测工件第二特征b中心轴线的空间相位角，并使得空间相位角度在设定范围内：
[0135]
5.1、通过检测工件测量机构5中的三维视觉传感器24扫描检测工件表面第二特征b的中心轴线位置坐标为p(x,y,z)；
[0136]
5.2、将工件表面第二特征b的中心轴线位置坐标p(x,y,z)、三维视觉传感器坐标系s与基坐标系o之间的关系矩阵相乘，得到第二特征b中心轴线的空间相位角度θ；
[0137]
5.3、如果计算得到的空间相位角度θ在设定范围内，则停止测量；如果计算得到的空间相位角θ不在设定范围内，则重复步骤三和步骤四，直到空间相位角度在设定范围内；
[0138]
步骤六、完成基准工件和检测工件装配成整体工件，吊装工件下料：
[0139]
6.1、微调检测工件调姿机构6完成基准工件和检测工件装配；
[0140]
6.2、吊装工件下料。
[0141]
上述测量方法通过激光跟踪仪建立中间坐标系，通过坐标变换建立三维视觉传感器24与基坐标系之间的坐标关系，实现大尺寸工件空间相位角度的系统标定和精确测量。
[0142]
综上，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种圆柱形工件空间角度测量系统，其特征在于，包括底座、两个支撑旋转机构、基准工件测量机构、轴向限位机构、检测工件测量机构、检测工件调姿机构和控制装置；所述底座直接安装在地面上；沿所述底座的长度方向，所述轴向限位机构、所述基准工件测量机构、所述支撑旋转机构、所述检测工件调姿机构以及所述检测工件测量机构依次与所述底座滑动配合；两个所述支撑旋转机构间隔设置，用于支承基准工件并驱动基准工件转动；所述基准工件测量机构用于检测基准工件的第一特征位置；所述轴向限位机构用于在转动过程中对基准工件进行轴向固定，防止基准工件发生轴向窜动；所述检测工件测量机构用于检测检测工件的第二特征位置；所述检测工件调姿机构用于支承检测工件并调整检测工件的姿态；所述控制装置用于控制所述轴向限位机构、所述基准工件测量机构、所述支撑旋转机构、所述检测工件调姿机构以及所述检测工件测量机构动作，并根据标定结果计算基准工件第一特征与检测工件第二特征之间的空间相位角度。2.如权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述底座包括固定安装于所述底座的前端导轨、驱动齿条、驱动丝杠、龙门立柱导轨、两个支撑旋转机构定位块、后端导轨、气缸安装板以及检测机构定位块；所述前端导轨和所述后端导轨均沿所述底座的长度方向延伸且相对设置于所述底座的两端；两个所述支撑旋转机构分别为第一支撑旋转机构和第二支撑旋转机构；所述第一支撑旋转机构和所述检测工件测量机构分别通过滑块与所述前端导轨滑动配合；所述驱动齿条与所述检测工件调姿机构的齿轮啮合传动；所述驱动丝杠通过连接件与所述检测工件测量机构连接；所述龙门立柱导轨与所述检测工件测量机构滑动配合；两个所述支撑旋转机构定位块通过定位销形式分别固定所述第一支撑旋转机构和所述第二支撑旋转机构的轴向位置；所述第二支撑旋转机构、所述基准工件测量机构以及所述轴向限位机构分别通过滑块与所述后端导轨滑动配合；所述气缸安装板用于固定安装所述轴向限位机构的驱动气缸；所述检测机构定位块通过定位销形式固定所述基准工件测量机构的轴向位置。3.如权利要求2所述的测量系统，其特征在于，每个所述支撑旋转机构均包括安装支架、圆周转动电机及减速器、主动轮以及从动轮；所述第一支撑旋转机构的安装支架滑动配合地安装于所述前端导轨；所述第二支撑旋转机构的安装支架滑动配合地安装于所述后端导轨；所述圆周转动电机及减速器固定安装于所述安装支架；所述主动轮和所述从动轮能够转动地安装于所述安装支架的顶部；所述圆周转动电机及减速器通过联轴器与所述主动轮传动连接，用于驱动所述主动轮转动，并在放置工件后通过工件带动所述从动轮转动。
4.如权利要求3所述的测量系统，其特征在于，所述基准工件测量机构包括安装板、支撑立柱、上端点激光位移传感器以及下端点激光位移传感器；所述安装板滑动配合地安装于所述后端导轨；所述支撑立柱的底端固定安装于所述安装板；所述上端点激光位移传感器和下端点激光位移传感器沿竖直方向间隔安装于所述支撑立柱，用于检测基准工件圆周面上的第一特征位置。5.如权利要求4所述的测量系统，其特征在于，所述轴向限位机构还包括连接板、立柱以及限位圆盘；所述驱动气缸通过安装支架固定安装于所述气缸安装板；所述连接板两端部通过滑块与所述后端导轨滑动配合，中部与所述驱动气缸的活塞杆固定连接，通过所述驱动气缸驱动所述连接板沿轴向移动；所述立柱的底端固定安装于所述连接板；所述限位圆盘能够转动地安装于所述立柱的顶端，所述限位圆盘的端面用于与工件接触并可跟随工件转动。6.如权利要求5所述的测量系统，其特征在于，所述检测工件测量机构包括龙门立架、侧面导轨、顶部导轨、连接立柱以及三维视觉传感器；所述龙门立架包括固定连接形成直角形结构的龙门立柱和龙门横杆；龙门立柱沿竖直方向延伸，底部两侧通过滑块与所述龙门立柱导轨滑动配合，底部中间通过所述连接块与所述驱动丝杠螺旋配合；所述龙门横杆沿水平方向延伸，一端固定安装于所述龙门立柱的顶端，另一端形成悬臂端；在所述龙门横杆的侧面固定安装于侧面导轨，并在顶面固定安装有顶部导轨；所述连接立柱的顶部通过滑块分别与所述侧面导轨和所述顶部导轨滑动配合，底部安装有防护盒；所述三维视觉传感器安装在所述防护盒内，用于检测检测工件第二特征的空间位置。7.如权利要求6所述的测量系统，其特征在于，所述检测工件调姿机构还包括驱动组件、减速机、第一安装底板、导向立柱、升降丝杠、升降机构、第二安装底板、第三安装底板、端面限位机构、后端左支撑轮、后端右支撑轮、调节螺钉、滑轨、前端支撑轮摇轮、前端右支撑轮、前端左支撑轮；所述驱动组件通过所述减速机驱动所述齿轮与所述驱动齿条啮合传动，用于驱动所述检测工件调姿机构轴向移动；所述第一安装底板通过滑块与所述前端导轨连接；所述升降丝杠通过所述升降机构驱动所述第二安装底板整体升降动作，并通过所述导向立柱保持升降动作平稳；所述后端左支撑轮和所述后端右支撑轮共同支撑工件后端；所述第三安装底板固定安装在所述第二安装底板上，通过所述端面限位机构进行工件后端面的轴向限位，通过所述调节螺钉实现所述第三安装底板的位置调整；所述前端右支撑轮和前端左支撑轮共同支撑工件前端；所述前端支撑轮摇轮通过丝杠传动控制所述前端右支撑轮、所述前端左支撑轮支撑工
件前端的位置调整，通过滑块与所述滑轨连接，实现支撑工件前端位置的轴向移动。8.如权利要求7所述的测量系统，其特征在于，所述驱动组件为手动摇轮或者伺服电机。9.如权利要求1-8任一项所述的测量系统，其特征在于，所述控制装置包括可编程控制器、触摸屏、安全急停开关按钮、基准工件正转开关按钮、基准工件反转开关按钮、轴向限位前进按钮、轴向限位后退按钮、启动按钮、停止按钮、复位按钮、圆周转动电机驱动器以及声光报警指示灯；所述可编程控制器通过profinet总线与所述触摸屏连接和圆周转动电机驱动器连接，并通过开关量输入信号与所述安全急停开关按钮、所述基准工件正转开关按钮、所述基准工件反转开关按钮、所述轴向限位前进按钮、所述轴向限位后退按钮、所述启动按钮、所述停止按钮、所述复位按钮、所述驱动气缸以及所述声光报警指示灯连接。10.一种采用权利要求9所述的测量系统的圆柱形工件空间角度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，系统标定：1.1、确定基坐标系o：以基准工件的旋转轴线与第一特征a轴线的交点为原点；以基准工件旋转轴线为x轴，方向由基准工件后端指向前端；以第一特征a轴线在与x轴垂直平面内的投影方向为y轴，方向由下方指向上方；通过x轴与y轴叉乘获得z轴；1.2、通过激光跟踪仪多次测量基坐标系o计算刚体变换矩阵的算术平均，建立激光跟踪仪坐标系l与基坐标系o之间的关系标定，假设激光跟踪仪坐标系l与基坐标系o之间的关系矩阵为t
ol
；1.3、通过激光跟踪仪与三维视觉传感器采集固定不动的球体拟合球心数据，根据球心点集进行对齐实现三维视觉传感器坐标系s到激光跟踪仪坐标系l之间的关系标定，假设三维视觉传感器坐标系l与三维视觉传感器坐标系s之间的关系矩阵为1.4、通过坐标变换得到三维视觉传感器坐标系s与基坐标系o之间的关系，记为t
os
，则t
os
可通过以下公式计算得到：1.5、通过三维视觉传感器测量检测工件第二特征b的中心轴线位置坐标，将中心轴线位置坐标乘以t
os
进行坐标变换到基坐标系下，则得到检测工件第二特征b在基坐标系o中的角度值。步骤二、各机构回原始位，吊装工件上料：2.1、轴向限位机构通过驱动气缸驱动回原始位置；2.2、检测工件调姿机构通过驱动组件回原始位置；手动完成检测工件端面限位机构竖直向上，处于限位位置；2.3、吊装基准工件放置到支撑旋转机构上，并使得基准工件上的第一特征a在基准工件测量机构的检测范围内；2.4、吊装检测工件放置到检测工件调姿机构上，并使得检测工件端面与检测工件端面限位机构贴合；步骤三、采用轴向限位机构对基准工件进行轴向限位，基准工件圆周转动，基准工件测
量机构检测到基准工件圆周第一特征a的空间位置：3.1、轴向限位机构通过驱动气缸动作使得限位圆盘的端面与基准工件接触；3.2、通过圆周转动电机使得基准工件圆周转动，通过上端点激光位移传感器或下端点激光位移传感器检测到基准工件第一特征a的空间位置在设定范围内时，圆周转动电机停止转动；步骤四、通过检测工件调姿机构调整检测工件的空间位置，使得第二特征b处于检测工件测量机构的测量范围内，通过检测工件测量机构检测第二特征b的空间位置：4.1、调整检测工件使其第二特征b位置处于检测工件测量机构的测量范围内；步骤五、检测工件测量机构测量检测工件第二特征b的空间位置，计算检测工件第二特征b中心轴线的空间相位角，并使得空间相位角度在设定范围内：5.1、通过检测工件测量机构中的三维视觉传感器扫描检测工件表面第二特征b的中心轴线位置坐标为p(x,y,z)；5.2、将检测工件表面第二特征b的中心轴线位置坐标p(x,y,z)、三维视觉传感器坐标系s与基坐标系o之间的关系矩阵相乘，得到第二特征b中心轴线的空间相位角度θ；5.3、如果计算得到的空间相位角度θ在设定范围内，则停止测量；如果计算得到的空间相位角θ不在设定范围内，则重复步骤三和步骤四，直到空间相位角度在设定范围内；步骤六、完成基准工件和检测工件装配成整体工件，吊装工件下料：6.1、微调检测工件调姿机构完成基准工件和检测工件装配；6.2、吊装工件下料。

技术总结
本发明公开了一种圆柱形工件空间角度测量系统及方法，该测量系统的两个支撑旋转机构间隔设置，用于支承基准工件并驱动基准工件转动；基准工件测量机构用于检测基准工件的特征位置；轴向限位机构用于对基准工件进行轴向固定；检测工件测量机构用于检测检测工件的特征位置；检测工件调姿机构用于支承检测工件并调整检测工件的姿态；控制装置用于控制轴向限位机构、基准工件测量机构、支撑旋转机构、检测工件调姿机构以及检测工件测量机构动作，并计算基准工件特征与检测工件特征之间的空间相位角度。上述测量系统提高了工作效率和测量精度，解决了传统人工测量空间相位角度的工作效率低、测量精度低、检测质量一致性差的问题。检测质量一致性差的问题。检测质量一致性差的问题。


技术研发人员：刘荣华 潘峰
受保护的技术使用者：北京理工大学
技术研发日：2023.04.19
技术公布日：2023/8/5