本发明涉及磁流变抛光工具头定标的技术领域，具体涉及一种基于跟踪仪的机器人用磁流变抛光工具头定标装置与方法。
背景技术：
相对于传统数控机床，机器人具有灵活度高、成本低廉的优势，商业机器人的成熟度已经非常高，通过在机器人末端搭载工具头，可以简便快捷的完成加工设备的构建，所以基于机器人的加工设备构建周期非常短。基于上述优势，机器人在精密超精密光学加工领域中的应用也越来越广泛，发展十分迅速。由于机器人搭载的工具头属于外加负载，要使用负载工具头进行加工，需要将工具头坐标系与机器人坐标系进行统一，并在此基础上，确定工件坐标系与机器人坐标系之间的相对关系。
而磁流变抛光工具头外形特殊，形成的去除函数含有方向，为非回转对称去除函数，常规机器人定标工具头和方法难以满足磁流变抛光工具头的定标需求，需要针对磁流变的外形特征和使用需求设计特殊的定标装置和定标方法，从而实现磁流变抛光工具头坐标系与机器人坐标系的统一。
技术实现要素：
本发明目的是为了解决机器人用磁流变抛光工具头外形特殊，常规机器人定标工具头和方法难以满足其定标需求，需要针对磁流变抛光工具头的形状特征和使用需求，发明设计特殊的定标装置和方法，从而实现磁流变抛光工具头坐标系与机器人坐标系的统一。
本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：
本发明的基于跟踪仪的机器人用磁流变抛光工具头定标装置，包括机器人1，磁流变抛光工具头2，定标装置3。其中磁流变抛光工具头包括工具头转接板2-1、工具头固定板2-2、轴承座2-3、定位销轴座2-4、定位销轴2-5、磁流变抛光轮2-6、定标工具座3-1、圆柱形的定标转换头3-2，以及激光跟踪仪靶球3-3。
磁流变抛光工具头2利用转接板2-1与机器人1末端法兰1-1采用螺钉紧固；定标工具座3-1和定标转换头3-2材料均为纯铁，定标工具座3-1与定标转换头3-2之间通过螺纹连接，定标工具座3-1通过磁流变抛光工具头2产生的磁场吸附固定在磁流变抛光轮2-6上，在磁场作用下定标转换头3-2被磁化，靶球3-3通过磁场吸附在定标转换头3-2上。
定标装置3装配到磁流变抛光轮2-6后，定标工具座3-1的第一测量侧平面3-1-1与缎带环2-8的对称轴面2-9平行，第二测量侧平面3-1-2与对称轴面2-9垂直。磁流变抛光轮2-6上的凹槽与定标工具3-1的凸起定位台相配合，确保两者之间的相互关系。磁流变抛光轮2-6的缎带环2-8的中心与装配号的靶球3-3球心连线与定标转换头3-2的回转轴重合，并经过磁流变抛光轮2-6的有效加工区域的中心o2，也经过定标工具座3-1与轮子配合的曲面中心o3，且磁流变抛光轮2-6最低点o2与定标工具座3-1的曲面中心o3重合。
为防止定标时，磁流变抛光轮旋转造成定标失败，需要附加磁流变抛光轮旋转锁死装置，利用旋转锁紧销2-5穿过轴承座2-3的固定孔2-4，并与磁流变抛光轮2-6上的锁紧盲孔2-7相配合，从而防止定标过程磁流变抛光轮发生旋转。
为确保磁流变抛光轮2-6的磁场最强的有效加工区域中心点o2为沿机器人法兰坐标系z的最低端，锁紧盲孔2-7与有效加工区域中心点o2的相对位置关系确定。从磁流变抛光轮侧视图看去，锁紧盲孔2-7的中心和磁流变抛光轮2-6中心的连线与经过o2和磁流变抛光轮2-6中心的连线夹角α来保证o2点的定标位置要求。
利用跟踪仪测量机器人1的末端法兰坐标系f1。
在此基础上，借助激光跟踪仪测量出装配完毕的靶球3-3的球心位置o3，测量定标转换头3-2的外圆柱，拟合得出定标转换头3-2的轴线作为z4轴；第一测量侧平面3-1-1并拟合其法线作为y3轴，或第二测量侧平面3-1-2并拟合其法线作为x3轴。利用跟踪仪测量得出的o3、z3、y3/x3可以得出定标装置3的末端坐标系f3。
进一步地，位于磁流变抛光轮加工区域最低点的有效加工坐标系f2的xy平面与坐标系f3的xy平面平行，定标工具座3-1的凹球面中心点与靶球3-3球心的距离l2-3可实测得出，因此定标装置3的末端靶球坐标系f3沿其z轴平移距离l2-3即可得到坐磁流变抛光轮的有效加工标系f2。
进一步地，以f1为基坐标系，根据xyz笛卡尔坐标系，确定f2坐标系的原点o2在f1坐标系下的各轴平移量px，py和pz。
进一步地，以f1为基坐标系，根据x-y-z欧拉角坐标系关系，确定f2坐标系各轴在f1坐标系下的各轴旋转量rx，ry和rz，
r＝[rxryrz]。
本发明的有益效果是：
(1)本发明可解决由于机器人用磁流变抛光工具头外形特殊，以及去除函数为非回转对称函数并与抛光工具头外形相关，常规机器人定标工具头和方法难以满足磁流变抛光工具头定标需求的问题，本发明针对磁流变的外形特征和使用需求发明设计的定标装置和方法，可以实现磁流变抛光工具头坐标系与机器人坐标系的统一，并确定磁流变抛光工具头的去除函数方向。
(2)本发明的工具头借助磁流变抛光工具头本身的磁场进行装配，安装方便快捷，工具头坐标系与定标装置坐标系相对关系简单，坐标系标定迅速，可满足用于机器人的磁流变抛光工具头的定标需求。
(3)本发明的磁流变抛光工具头定标装置，在跟踪仪辅助下，还可确定工具与待加工工件的相对位置关系。
附图说明
图1是装有磁流变抛光工具头及定标工具的机器人；
图2是磁流变抛光斑的形貌及方向；
图3是机器人手臂末端法兰、磁流变抛光工具头及定标工具的坐标系；
图4是装配定标工具的磁流变抛光轮主视图；
图5是装配定标工具的磁流变抛光轮侧视图；
图6是装配定标工具的磁流变抛光轮轴面示意图；
图7是磁流变抛光轮坐标系f2与定标工具坐标系f3；
图8是抛光轮底部定位槽；
图9是定标工具座示意图，其中，图9(a)为定标工具座立体图，图9(b)为俯视图；
图10是定标转换头。
具体实施方式
为更好的呈现本发明的技术方案和优势，结合图1-图10对具体实施方案进行阐述。本部分呈现的是本发明的典型实施方式，可以根据磁流变抛光工具的特征和需求对实施方案进行的优化，都属于本发明的保护范围。
本发明的基于跟踪仪的机器人用磁流变抛光工具头定标装置，包括机器人1，磁流变抛光工具头2，定标装置3。其中磁流变抛光工具头2及定标装置3包括工具头转接板2-1、工具头固定板2-2、轴承座2-3、定位销轴座2-4、定位销轴2-5、磁流变抛光轮2-6、定标工具座3-1、圆柱形的定标转换头3-2，以及激光跟踪仪靶球3-3。
图1为安装磁流变抛光工具的机器人整体装置，图2为磁流变抛光斑的形貌及其方向。由于磁流变抛光斑点具有方向，需要在保证加工过程能准确辨识磁流变抛光斑的方向，才能实现对光学元件的准确加工。
图3给出了磁流变抛光工具头2与机器人之间的连接关系。磁流变抛光工具头2利用转接板2-1与机器人1末端法兰1-1采用螺钉紧固；定标工具座3-1和定标转换头3-2材料均为纯铁，定标工具座3-1与定标转换头3-2之间通过螺纹3-2-1连接，定标工具座3-1通过磁流变抛光工具头2产生的磁场吸附固定在磁流变抛光轮2-6上，在磁场作用下定标转换头3-2被磁化，定标转换头3-2的三爪3-2-3与靶球外圆面配合，保证靶球3-3的球心在定标转换头杆3-2-2的轴线上，靶球3-3在磁场作用下吸附于定标转换头3-2。在磁流变抛光工具头2产生的磁场强度一定的条件下，定标转换头3-2的长短将决定靶球3-3能否牢固吸附，因此需要根据磁场强度确定合适长度的定标转换头杆3-2-2，保证靶球3-3在定标过程中不掉落。
定标装置3装配到磁流变抛光轮2-6后，定标工具座3-1的第一测量侧平面3-1-1与缎带环2-8的磁流变抛光轮2-6的对称轴面2-9平行，第二测量侧平面3-1-2与对称轴面2-9垂直。磁流变抛光轮2-6上的两个凹槽2-10和2-11与定标工具座3-1的凸起定位台3-1-3和3-1-4相配合，使两者之间的相对关系确定。磁流变抛光轮2-6的缎带环2-8的中心与装配号的靶球3-3球心连线与定标转换头3-2的回转轴重合，并经过磁流变抛光轮2-6的有效加工区域的中心o2，也经过定标工具座3-1与轮子配合的曲面中心o3，且磁流变抛光轮2-6最低点o2与定标工具座3-1的曲面中心o3重合。
为防止定标时，磁流变抛光轮旋转造成定标失败，需要附加磁流变抛光轮旋转锁死装置，利用旋转锁紧销2-5穿过轴承座2-3的固定孔2-4，并与磁流变抛光轮2-6上的锁紧盲孔2-7相配合，从而防止定标过程磁流变抛光轮的旋转。
为确保磁流变抛光轮2-6的磁场最强的有效加工区域中心点o2为沿机器人法兰坐标系z的最低端，锁紧盲孔2-7与有效加工区域中心点o2的相对位置关系要精确。从磁流变抛光轮侧视图看去，锁紧盲孔2-7的中心和磁流变抛光轮2-6中心的连线与经过o2和磁流变抛光轮2-6中心的连线夹角α来保证o2点的定标位置要求。
在装置装配完毕，磁流变抛光锁死的条件下，可利用跟踪仪测量机器人1的末端法兰1-1的坐标系f1。
在此基础上，借助激光跟踪仪测量出装配完毕的靶球3-3的球心位置o3，测量定标转换头3-2的外圆柱，拟合得出定标转换头3-2的轴线作为z4轴；第一测量侧平面3-1-1并拟合其法线作为y3轴，或第二测量侧平面3-1-2并拟合其法线作为x3轴。利用跟踪仪测量得出的o3、z3、y3/x3可以得出定标装置3的末端坐标系f3。
进一步，位于磁流变抛光轮加工区域最低点的有效加工坐标系f2的xy平面与坐标系f3的xy平面平行，定标工具座3-1的凹球面中心点与靶球3-3球心的距离l2-3可实测得出，也可以通过装置的设计尺寸得出，因此定标装置3的末端靶球坐标系f3沿其z轴平移距离l2-3即可得到坐磁流变抛光轮的有效加工标系f2。
进一步，以机器人1的末端法兰1-1的坐标系f1为基坐标系，根据xyz笛卡尔坐标系，确定有效加工坐标系f2坐标系的原点o2在f1坐标系下的各轴平移量px，py和pz。
进一步，以机器人1的末端法兰1-1的坐标系f1为基坐标系，根据x-y-z欧拉角坐标系关系，确定有效加工坐标系f2坐标系各轴在f1坐标系下的各轴旋转量rx，ry和rz，
r＝[rxryrz]。
进一步确定机器人1的末端法兰1-1的坐标系f1与有效加工坐标系f2的全部相对关系，从而将机器人1的坐标系与磁流变抛光工具2的坐标系关联起来，完成抛光工具坐标系的o2x2y2z2标定，在此条件下确定的磁流变去除函数方向x与坐标轴x2一致。
1.一种基于跟踪仪的机器人用磁流变抛光工具头定标装置，其特征在于：机器人(1)，磁流变抛光工具头(2)和定标装置(3)，其中，
所述磁流变抛光工具头(2)包括工具头转接板(2-1)、工具头固定板(2-2)、轴承座(2-3)、定位销轴座(2-4)、定位销轴(2-5)和磁流变抛光轮(2-6)；定标装置(3)包括定标工具座(3-1)、圆柱形的定标转换头(3-2)，以及激光跟踪仪靶球(3-3)；磁流变抛光工具头(2)利用转接板(2-1)与机器人(1)末端法兰(1-1)采用螺钉紧固；定标工具座(3-1)和定标转换头(3-2)材料均为纯铁，定标工具座(3-1)与定标转换头(3-2)之间通过螺纹连接，定标工具座(3-1)通过磁流变抛光工具头(2)产生的磁场吸附固定在磁流变抛光轮(2-6)上，在磁场作用下定标转换头(3-2)被磁化，靶球(3-3)通过磁场吸附在定标转换头(3-2)上。
2.根据权利要求1所述的磁流变抛光工具头定标装置，其特征在于：定标装置(3)装配到磁流变抛光轮(2-6)后，定标工具座(3-1)的第一测量侧平面(3-1-1)与缎带环(2-8)的对称轴面(2-9)平行，第二测量侧平面(3-1-2)与对称轴面(2-9)垂直，磁流变抛光轮(2-6)上的凹槽与定标工具座(3-1)的凸起定位台相配合，确保两者之间的相互关系，磁流变抛光轮(2-6)的缎带环(2-8)的中心与装配号的靶球(3-3)球心连线与定标转换头(3-2)的回转轴重合，并经过磁流变抛光轮(2-6)的有效加工区域的中心o2，也经过定标工具座(3-1)与轮子配合的曲面中心o3，且磁流变抛光轮(2-6)最低点o2与定标工具座(3-1)的曲面中心o3重合。
3.根据权利要求2所述的磁流变抛光工具头定标装置，其特征在于：为防止定标时，磁流变抛光轮旋转造成定标失败，附加磁流变抛光轮旋转锁死装置，利用旋转锁紧销(2-5)穿过轴承座(2-3)的固定孔(2-4)，并与磁流变抛光轮(2-6)上的锁紧盲孔(2-7)相配合。
4.根据权利要求1～3任一项所述磁流变抛光工具头定标装置，其特征在于：为确保磁流变抛光轮(2-6)的磁场最强的有效加工区域中心点o2为沿机器人法兰坐标系z的最低端，锁紧盲孔(2-7)与有效加工区域中心点o2的相对位置关系确定，从磁流变抛光轮侧视图看去，锁紧盲孔(2-7)的中心和磁流变抛光轮(2-6)中心的连线与经过o2和磁流变抛光轮(2-6)中心的连线夹角α来保证o2点的定标位置要求。
5.一种基于跟踪仪的机器人用磁流变抛光工具头定标方法，利用权利要求1～4任一项所述装置，其特征在于，包括以下步骤：
步骤(1)、利用跟踪仪测量机器人(1)的末端法兰坐标系f1；
步骤(2)、在步骤(1)基础上，借助激光跟踪仪测量出装配完毕的靶球(3-3)的球心位置o3，测量定标转换头(3-2)的外圆柱，拟合得出定标转换头(3-2)的轴线作为z4轴；第一测量侧平面(3-1-1)并拟合其法线作为y3轴，或第二测量侧平面(3-1-2)并拟合其法线作为x3轴，利用跟踪仪测量得出的o3、z3、y3/x3可以得出定标装置(3)的末端坐标系f3；
步骤(3)、位于磁流变抛光轮加工区域最低点的有效加工坐标系f2的xy平面与坐标系f3的xy平面平行，定标装置(3)的凹球面中心点与靶球(3-3)球心的距离l2-3可实测得出，因此定标装置(3)的末端靶球坐标系f3沿其z轴平移距离l2-3即可得到坐磁流变抛光轮的有效加工标系f2；
步骤(4)、以f1为基坐标系，根据xyz笛卡尔坐标系，确定f2坐标系的原点o2在f1坐标系下的各轴平移量px，py和pz，
步骤(5)、以f1为基坐标系，根据x-y-z欧拉角坐标系关系，确定f2坐标系各轴在f1坐标系下的各轴旋转量rx，ry和rz，
r＝[rxryrz]。
技术总结