CN102198857A - 基于机器人和高度检测单元的飞机机翼水平评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于机器人和高度检测单元的飞机机翼水平评估方法。该方法利用机器人手持水平测量点高度检测工装对机翼上的水平测量点高度进行测量，并将测量结果传递到主控系统，主控系统对测量结果与数字化标准模型进行匹配计算，评估机翼姿态，若机翼姿态满足精度要求，则调姿操作结束，否则计算调姿路径，并驱动真空吸附式三坐标柔性调姿单元实现对机翼的姿态调整。本发明的优点有：(1)整个过程由测量系统和机器人协同完成，评估过程高度自动化。(2)采用比较先进的测量仪器(激光跟踪仪、直线位移传感器)，不但可以满足飞机装配中对机翼的精确调姿要求，而且效率高，适应性好。(3)评估数学模型求解简单。

Description

基于机器人和高度检测单元的飞机机翼水平评估方法

技术领域

本发明涉及一种基于机器人和高度检测单元的飞机机翼水平评估方法。

背景技术

在现代飞机的装配制造过程中，一般都是将整个飞机分成若干个装配大部件，采用先部装再总装的方式进行装配。由于飞机部件都是由成千上万个零件组成的复杂装配体，其实际形状不可避免的存在一定的轮廓误差。为了保证飞机总装时的插配精度和装配之后的外形协调精度，需要在总装之前将每个大部件的位姿调整至设计容差范围之内，然后再对插配部位的交点孔、面进行精加工，并使其满足装配的精度要求。

飞机机翼在调姿之前，需要通过测量机翼上若干特征点的空间坐标来计算机翼的初始位姿，用于调姿定位器的运动轨迹规划。特征点主要是分布在与机身相连接部位的交点孔，以及机翼表面上的结构部位处的一些点，它们的空间坐标都可通过激光跟踪仪测量得到。

另外，根据原有的飞机装配工艺要求，在调姿后需要用直线位移传感器对机翼上的若干水平测量点的高度进行测量，计算相关点的高度差，保证机翼的安装角、上反角、偏斜度和倾斜度等安装要求。在飞机机翼调姿到位后，还需要对这些水平测量点进行打制，即作一定标记，待飞机总装完成之后进行水平测量和对称性检查。为了能够同时保证机翼上的特征点以及水平测量点的位置精度要求，需要根据这两种类型点的测量数据对机翼的位姿进行综合的评估，判断其是否达到姿态调整的精度要求。如果没有，则需要根据评估结果再次对机翼的姿态进行调整和修正。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于机器人和高度检测单元的飞机机翼水平评估方法。

基于机器人和高度检测单元的飞机机翼水平评估方法的步骤如下：

1)机器人复位，安装水平测量点高度检测工装；

2)建立机器人控制器与水平测量点高度检测工装之间的数据连接；

3)利用激光跟踪仪对机器人基坐标系进行标定，利用激光跟踪仪对水平测量点高度检测工装坐标系进行标定；

4)机器人路径规划；

5)测量系统驱动激光跟踪仪测量安装在机翼上的靶标的实际位置，并将数据传递至主控系统；

6)机器人手持水平测量点高度检测工装按照规划的路径对机翼的水平测量点高度进行测量，并将数据传递至主控系统；

7)由主控系统对测量结果与数字化标准模型进行匹配计算，评估机翼姿态，若机翼姿态满足精度要求，则调姿操作结束，否则计算调姿路径，并驱动真空吸附式三坐标柔性调姿单元实现对机翼的姿态调整。

所述的测量系统由调姿平台、数控精加工机床、真空吸附式三坐标柔性调姿单元、机器人导轨、机器人、刚体部件、激光跟踪仪、水平测量点高度检测工装组成；调姿平台上设有真空吸附式三坐标柔性调姿单元和机器人导轨，调姿平台外侧设有数控精加工机床和激光跟踪仪，机器人沿机器人导轨运动，机器人手持水平测量点高度检测工装，真空吸附式三坐标柔性调姿单元支撑刚体部件。

所述的水平测量点高度检测工装包括位移传感器前护罩、位移传感器中保护罩、位移传感器护罩法兰、位移传感器座、位移传感器后保护罩、直线位移传感器、快换法兰工具端、直线位移传感器信号电缆，直线位移传感器测量头；机器人过工具快换法兰与传感器的安装支座相连，位移传感器座通过位移传感器护罩法兰一端连接位移传感器中保护罩、位移传感器前护罩，位移传感器护罩法兰另一端连接位移传感器后保护罩，位移传感器中保护罩、位移传感器前护罩，位移传感器后保护罩内设有直线位移传感器。

所述的激光跟踪仪、水平测量点高度检测工装、机器人之间的通讯是通过Socket开发工具和RS485以太网以字符串的形式发送数据、命令和请求。

所述的由主控系统对测量结果与数字化标准模型进行匹配计算模型为：

$\left\{\begin{array}{c}\min (f\left(v\right)=w\underset{i}{\max }|{\mathrm{\&Delta;}}_{p_i}|+(1-w)\underset{j}{\max }|{\mathrm{\&Delta;}}_{h_j}\left|\right)\\ 0<w<1\\ i=\mathrm{1,2},...,m_1\\ j=\mathrm{1,2},...,m_2\end{array}\right.$

其中

是由激光跟踪仪测量得到的特征点的实际位置与理论位置之间的差，

是水平测量点高度检测工装实际所检测到的点的理论高度与实际高度的差，w是根据以上两类测量点的精度要求和分布位置等因素所设定的权重系数，m₁是机翼检测点的个数，m₂是水平测量点的个数。

本发明与现有技术相比具有的有益效果：(1)整个过程由测量系统和机器人协同完成，评估过程高度自动化。(2)采用比较先进的测量仪器(激光跟踪仪、直线位移传感器)，不但可以满足飞机装配中对机翼的精确调姿要求，而且效率高，适应性好。(3)评估数学模型求解简单。

附图说明

图1为基于机器人和高度检测单元的飞机机翼水平评估方法软件流程图；

图2为本发明的测量系统结构示意图；

图3为本发明的水平测量点高度检测工装结构主视图；

图4为本发明的水平测量点高度检测工装结构俯视图；

图5为本发明的特征点和水平测量点分布图；

图6为本发明的系统数据传递原理图；

图中：调姿系统平台1、数控精加工机床2、三坐标数控定位器3、机器人轨道4、机器人5、刚体部件6、激光跟踪仪7、水平测量点高度检测工装8、位移传感器前护罩9、位移传感器中护罩10、位移传感器护罩法兰11、位移传感器座12、位移传感器后护罩13、直线位移传感器14、快换法兰工具端15、直线位移传感器信号电缆16、直线位移传感器测量头17。

具体实施方式

如图1所示，基于机器人和高度检测单元的飞机机翼水平评估方法的步骤如下：

1)机器人复位，安装水平测量点高度检测工装；

2)建立机器人控制器与水平测量点高度检测工装之间的数据连接；

3)利用激光跟踪仪对机器人基坐标系进行标定，利用对尖法对水平测量点高度检测工装坐标系进行标定；

利用激光跟踪仪对机器人基坐标系进行标定的具体方法是：利用机器人控制器控制机器人末端到达3个任意位姿，记下机器人控制器中的位姿数据，并用激光跟踪仪测量末端在激光跟踪仪测量坐标系下的位姿。最后利用SVD分解法求解出机器人基坐标系相对于激光跟踪仪测量坐标系下的位姿。

利用法对水平测量点高度检测工装坐标系进行标定的具体方法是：利用机器人控制器控制机器人末端从4个不同方向接触一个固定尖点，将4组末端位姿的数据存入机器人控制器，由机器人控制器自动计算出水平测量点高度检测工装相对于机器人基坐标系下的坐标变换。

4)机器人路径规划；

5)测量系统驱动激光跟踪仪测量安装在机翼上的靶标的实际位置，并将数据传递至主控系统，；

6)机器人手持水平测量点高度检测工装按照规划的路径对机翼的水平测量点高度进行测量，并将数据传递至主控系统；

7)由主控系统对测量结果与数字化标准模型进行匹配计算，评估机翼姿态，若机翼姿态满足精度要求，则调姿操作结束，否则计算调姿路径，并驱动真空吸附式三坐标柔性调姿单元实现对机翼的姿态调整。

如图2所示测量系统由调姿平台1、数控精加工机床2、真空吸附式三坐标柔性调姿单元3、机器人导轨4、机器人5、刚体部件6、激光跟踪仪7、水平测量点高度检测工装8组成；调姿平台1上设有真空吸附式三坐标柔性调姿单元3和机器人导轨4，调姿平台1外侧设有数控精加工机床2和激光跟踪仪7，机器人5沿机器人导轨4运动，机器人5手持水平测量点高度检测工装8，真空吸附式三坐标柔性调姿单元3支撑刚体部件6。

利用机器人把持水平测量点高度检测工装对机翼上的水平测量点高度进行测量，并将测量结果传递到主控系统，主控系统对测量结果与数字化标准模型进行匹配计算，评估机翼姿态，若机翼姿态满足精度要求，则调姿操作结束，否则计算调姿路径，并驱动真空吸附式三坐标柔性调姿单元实现对机翼的姿态调整。整个过程由主控系统、测量系统和机器人协同完成。

如图3、图4所示水平测量点高度检测工装8包括位移传感器前护罩9、位移传感器中保护罩10、位移传感器护罩法兰11、位移传感器座12、位移传感器后保护罩13、直线位移传感器14、快换法兰工具端15、直线位移传感器信号电缆16，直线位移传感器测量头17；机器人5通过工具快换法兰15与传感器的安装支座12相连，位移传感器座12通过位移传感器护罩法兰11一端连接位移传感器中保护罩10、位移传感器前护罩9，位移传感器护罩法兰11另一端连接位移传感器后保护罩13，位移传感器中保护罩10、位移传感器前护罩9，位移传感器后保护罩13内设有直线位移传感器14。

水平测量点高度检测工装采用德国HBM公司WA50弹簧复位式直线位移传感器，其最大测量误差为±0.05mm，行程为50mm。机器人通过工具快换法兰与传感器的安装支座相连，便于工装的快速安装与拆卸。为防止位移传感器在搬运、安装等过程中发生碰撞损坏，传感器用护罩进行保护。测量时，传感器位于测量点理论位置的正下方并竖直向上运动，接触到机翼后测量头缩回，根据传感器的高度和测量头的收缩量就可以计算出测点的高度。

如图6所示，激光跟踪仪7、水平测量点高度检测工装8、机器人5之间的通讯是通过Socket开发工具和RS485以太网以字符串的形式发送数据、命令和请求。

所述的由主控系统对测量结果与数字化标准模型进行匹配计算模型为：

$\left\{\begin{array}{c}\min (f\left(v\right)=w\underset{i}{\max }|{\mathrm{\&Delta;}}_{p_i}|+(1-w)\underset{j}{\max }|{\mathrm{\&Delta;}}_{h_j}\left|\right)\\ 0<w<1\\ i=\mathrm{1,2},...,m_1\\ j=\mathrm{1,2},...,m_2\end{array}\right.$

其中

是由激光跟踪仪测量得到的特征点的实际位置与理论位置之间的差，

是水平测量点高度检测工装实际所检测到的点的理论高度与实际高度的差，w是根据以上两类测量点的精度要求和分布位置等因素所设定的权重系数，m₁是机翼检测点的个数，m₂是水平测量点的个数。

和

的具体计算过程如下：

主控系统基于激光跟踪仪靶标的测量数据，计算机翼在系统全局坐标系下的当前姿态，其方法为：机翼姿态用旋转序列和平移向量合成的六元组v表示，即v＝[α，β，γ，px，py，pz]。机翼从初始姿态到当前姿态通过先绕参考坐标系的x轴旋转α度，绕y轴旋转β度，再绕z轴旋转γ度，最后在x，y，z方向上各平移px，py，pz获得。

检测点的实际位置与理论位置之间的差最终可写成以下形式：

${\mathrm{\&Delta;}}_{p_i}\left(v\right)=\left|\right|r_{p_i}^{\&prime;}-(R\left(v\right)r_{p_i}+t\left(v\right))\left|\right|,$

其中，

是测量所得检测点位置矢量，

是其理论位置矢量，R(v)和t(v)表示由姿态参数确定的旋转矩阵和平移矩阵。

其中，R(v)和t(v)利用奇异值分解法求解。

水平测量点的测量高度与理论高度之间的差：

${\mathrm{\&Delta;}}_{h_j}=|h_j\left(v\right)-h_j^{\&prime;}|$

Claims (5)

1.一种基于机器人和高度检测单元的飞机机翼水平评估方法，其特征在于，它的步骤如下：

1)机器人复位，安装水平测量点高度检测工装；

2)建立机器人控制器与水平测量点高度检测工装之间的数据连接；

3)利用激光跟踪仪对机器人基坐标系进行标定，利用对尖法对水平测量点高度检测工装坐标系进行标定；

4)机器人路径规划；

5)测量系统驱动激光跟踪仪测量安装在机翼上的靶标的实际位置，并将数据传递至主控系统；

6)机器人手持水平测量点高度检测工装按照规划的路径对机翼的水平测量点高度进行测量，并将数据传递至主控系统；

7)由主控系统对测量结果与数字化标准模型进行匹配计算，评估机翼姿态，若机翼姿态满足精度要求，则调姿操作结束，否则计算调姿路径，并驱动真空吸附式三坐标柔性调姿单元实现对机翼的姿态调整。

2.根据权利要求1所述的一种基于机器人和高度检测单元的飞机机翼水平评估方法，其特征在于，所述的测量系统由调姿平台(1)、数控精加工机床(2)、真空吸附式三坐标柔性调姿单元(3)、机器人导轨(4)、机器人(5)、刚体部件(6)、激光跟踪仪(7)、水平测量点高度检测工装(8)组成；调姿平台(1)上设有真空吸附式三坐标柔性调姿单元(3)和机器人导轨(4)，调姿平台(1)外侧设有数控精加工机床(2)和激光跟踪仪(7)，机器人(5)沿机器人导轨(4)运动，机器人(5)手持水平测量点高度检测工装(8)，真空吸附式三坐标柔性调姿单元(3)支撑刚体部件(6)。

3.根据权利要求2所述的一种基于机器人和高度检测单元的飞机机翼水平评估方法，其特征在于，所述的水平测量点高度检测工装(8)包括位移传感器前护罩(9)、位移传感器中保护罩(10)、位移传感器护罩法兰(11)、位移传感器座(12)、位移传感器后保护罩(13)、直线位移传感器(14)、快换法兰工具端(15)、直线位移传感器信号电缆(16)，直线位移传感器测量头(17)；机器人(5)通过工具快换法兰(15)与传感器的安装支座(12)相连，位移传感器座(12)通过位移传感器护罩法兰(11)一端连接位移传感器中保护罩(10)、位移传感器前护罩(9)，位移传感器护罩法兰(11)另一端连接位移传感器后保护罩(13)，位移传感器中保护罩(10)、位移传感器前护罩(9)，位移传感器后保护罩(13)内设有直线位移传感器(14)。

4.根据权利要求2所述的一种机器人和高度检测单元的飞机机翼水平评估方法，其特征在于所述的激光跟踪仪(7)、水平测量点高度检测工装(8)、机器人(5)之间的通讯是通过Socket开发工具和RS485以太网以字符串的形式发送数据、命令和请求。

5.根据权利要求1所述的一种基于机器人和高度检测单元的飞机机翼水平评估方法，其特征在于所述的由主控系统对测量结果与数字化标准模型进行匹配计算模型为：

$\left\{\begin{array}{c}\min (f\left(v\right)=w\underset{i}{\max }|{\mathrm{\&Delta;}}_{p_i}|+(1-w)\underset{j}{\max }|{\mathrm{\&Delta;}}_{h_j}\left|\right)\\ 0<w<1\\ i=\mathrm{1,2},...,m_1\\ j=\mathrm{1,2},...,m_2\end{array}\right.$

其中是由激光跟踪仪测量得到的特征点的实际位置与理论位置之间的差，

是水平测量点高度检测工装实际所检测到的点的理论高度与实际高度的差，w是根据以上两类测量点的精度要求和分布位置等因素所设定的权重系数，m₁是机翼检测点的个数，m₂是水平测量点的个数。

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