[發明專利]一種三維激光打孔定位方法

有效

• 申請號: 202011007259.0
• 申請日: 2020-09-23
• 公開（公告）號: CN111992909B
• 公開（公告）日: 2021-09-10
• 發明（設計）人: 楊茜;王雪輝;王建剛
• 申請（專利權）人: 武漢華工激光工程有限責任公司
• 主分類號: B23K26/382
• 分類號: B23K26/382;B23K26/08;B23K26/70
• 代理公司: 南京縱橫知識產權代理有限公司 32224
• 代理人: 徐瑛

1.一種三維激光打孔定位方法，其特征在于，包括以下步驟：

對三維五軸運動平臺進行初始化，將工件固定在三維五軸運動平臺上，激光頭固定在三維五軸運動平臺上方；

通過三維五軸運動平臺對工件進行姿態轉正，使工件基準面的法向量與三維五軸運動平臺的Z軸平行；

通過三維五軸運動平臺調整工件基準面到激光頭的距離為預設值；

尋找基準面上的mark點，通過三維五軸運動平臺調整工件的姿態，使激光頭發射的激光落在工件待加工孔區域中心，完成位置對準；

依次提取工件坐標系中待加工孔的坐標值，通過坐標變換求取孔平面垂直于激光且激光焦點落在孔平面時，三維五軸運動平臺的五軸取值(X,Y,Z,A,C)，完成對待加工孔的定位；

所述三維五軸運動平臺包括三個平動軸X軸、Y軸、Z軸和兩個轉動軸A軸、C軸，所述X軸、Y軸、Z軸兩兩正交；所述A軸繞X軸旋轉，所述C軸繞Z軸旋轉；

在進行坐標變換之前，首先要建立以下坐標系：

機械坐標系，即三維五軸平臺的坐標系；

0號坐標系，將機械坐標系的原點平移至A軸、C軸交點O處，再將平移后的機械坐標系繞Z軸順時針轉90度，即得到O號坐標系；

1號坐標系，原點為A軸、C軸交點O，Z軸與A軸的轉動軸心重合；

2號坐標系，原點為A軸、C軸交點O，Z軸與C軸的轉動軸心重合；

工件坐標系，所述工件坐標系的原點O為工件上待加工區域的中心點，其Z軸垂直于工件基準面，X軸和Y軸垂直，且XOY面與基準面平行；

夾具坐標系，所述夾具坐標系的原點位于A軸和C軸的交點處，其Z軸與工件坐標系的Z軸重合；

激光坐標系，所述激光坐標系的原點為激光的焦點，其X軸、Y軸、Z軸分別與0號坐標系的X軸、Y軸、Z軸平行；

所述坐標變換的方法為：

根據0號坐標系、1號坐標系、2號坐標系之間的位置關系，得到轉換矩陣如下：

其中，表示1號坐標系相對0號坐標系的變換矩陣；表示2號坐標系相對1號坐標系的變換矩陣；表示2號坐標系相對0號坐標系的變換矩陣；θ1為A軸旋轉的角度；θ2為C軸旋轉的角度；

根據夾具坐標系與2號坐標系之間的位置關系可知：夾具坐標系的原點相對于2號坐標系的原點有一個平移量(dx、dy、dz)，該平移量為定值；則

其中，表示夾具坐標系相對0號坐標系的變換矩陣；表示夾具坐標系相對2號坐標系的變換矩陣；

根據激光焦點在機械坐標系中的坐標值(X_laser,Y_laser,Z_laser)為定值，三維五軸的實時坐標為(X,Y,Z,A,C)，則

其中，表示0號坐標系相對激光坐標系的變換矩陣；

根據激光坐標系與工件坐標系的位置關系可知，激光坐標系的Z軸與工件坐標系的Z軸重合，激光坐標系的原點與工件坐標系的原點在Z方向上的距離為r，激光坐標系的X/Y軸與工件坐標系的X/Y軸的夾角為θ_d；則

其中，表示0狀態下工件坐標系相對激光坐標系的變換矩陣，0狀態表示位置對準完成后的狀態，此時，工件坐標系的Z軸與激光坐標系的Z軸重合，工件坐標系的原點與激光坐標系的原點在Z方向上的距離為r；表示夾具坐標系相對工件坐標系的變換矩陣；cθ_d表示cosθ_d；sθ_d表示sinθ_d；

根據坐標變換方法計算待加工孔平面垂直于激光且激光焦點落在孔平面時，三維五軸運動平臺的A軸和C軸轉動的角度θ1、θ2；方法如下：

根據矩陣轉換公式

得到工件坐標系相對0號坐標系的變換矩陣；

取工件坐標系中待加工孔的坐標為⁴P(X_HOLE,Y_HOLE,Z_HOLE)，計算待加工孔在夾具坐標系中的坐標為

根據以下公式計算θ1、θ2：

A3＝arccos(Z₃/len)

C3＝arctan(X₃/Y₃)

其中，A3＝θ1，C3＝θ2。