CN102416431A

CN102416431A - 一种曲面零件法向铆接的伺服控制方法

Info

Publication number: CN102416431A
Application number: CN2011103935869A
Authority: CN
Inventors: 何华兵; 李国进; 周文强
Original assignee: Chengdu Aircraft Industrial Group Co Ltd
Current assignee: Chengdu Aircraft Industrial Group Co Ltd
Priority date: 2011-12-02
Filing date: 2011-12-02
Publication date: 2012-04-18

Abstract

本发明公开一种曲面零件法向铆接的伺服控制方法：装挂零件至具有X、Y、Z1、Z2、A五轴的钻铆托架，并对零件铆接点作标记；安装调试位移传感器；安装调试视觉传感器；移动零件铆接点至视觉传感器的视野范围内；移动零件，在上升过程中，移动零件，在上升过程中，根据位移传感器信号，控制钻铆托架运动，调整铆接点姿态为法向；根据视觉传感器信号，控制钻铆托架运动，使铆接点处于铆接中心位置；重复调整法向和铆接中心，根据位移传感器信号移动零件至设定范围内时，且铆接点处于法向状态和铆接中心位置，曲面蒙皮铆接法向的姿态调整完成。整个过程采用过高优先原则、多高度不同速度不同精度控制、自学习方式，使得法向调整安全、快速、准确、稳定。整套控制方法成本低，工作效率和调整精度完全满足航空专业铆接标准要求。

Description

一种曲面零件法向铆接的伺服控制方法

技术领域

本发明涉及曲面零件的铆接领域，特别是小曲率薄壁件法向铆接领域。

背景技术

小曲率双曲度薄壁钣金件、复合材料零件法向姿态检测调整方法是集检测技术、模糊控制技术、伺服技术于一体的产品，通过多个传感器检测曲面零件于工作头之间的距离，在可编程控制器中转换成数字信号，根据传感器检测位置和执行机构动作方式，编制合理、可靠、安全的软件来进行处理，控制相应伺服执行机构动作，最终使得曲面零件加工点与工作头处于法向状态，保证曲面零件加工质量。现有技术中，曲面零件法向姿态检测调整方法主要有三种：多点检测循环扫描零件调整控制、四点检测对应软吊链驱动控制、三点检测多轴联动调整控制。这三种自动钻铆托架系统各有优缺点。多点检测循环扫描零件调整控制理论上可以有很高的法向精度，但实际调整时间过长、对零件曲度要求较高、程序控制过于复杂，存在有长期振荡的可能性，没有实际应用效果。四点检测对应软吊链驱动控制能够实现精度较低的法向调整，但是由于采用四点软吊链悬挂产品零件，下降过程全靠产品的自重形成，且调整时产品存在来回晃动，刚性、稳定性、重复性较差。三点检测多轴联动调整控制目前是属于国外专业大公司垄断技术，它需要10个控制轴，且要两对五轴联动工作头，功能实现起来非常困难，操作也不方便，国内还没有一台这样的产品。

发明内容：

本发明的目的是针对上述现有技术中存在的不足之处，提供一种精密检测、高精度转换、模糊控制、全刚性支撑，数字伺服定位，在线补偿，稳定、可靠、快速、操作简便的曲面零件法向全自动检测调整方法。

为了达到上述目的，本发明提供一种一种曲面零件法向铆接的伺服控制方法，该方法为：

1) 装挂零件至具有X、Y、Z1、Z2、A五轴的钻铆托架，并对零件铆接点作标记；

2) 安装调试位移传感器；

3) 安装调试视觉传感器；

4) 移动零件铆接点至视觉传感器的视野范围内；

5) 移动零件，在上升过程中，

6) 移动零件，在上升过程中，根据位移传感器信号，控制钻铆托架运动，调整铆接点姿态为法向；

7) 根据视觉传感器信号，控制钻铆托架运动，使铆接点处于铆接中心位置；

8) 重复步骤5）和6),根据位移传感器信号移动零件至设定范围内时，且铆接点处于法向状态和铆接中心位置，曲面蒙皮铆接法向的姿态调整完成。

通过应用塔式全自动钻铆托架系统，X向运动为横向运动，由钻铆机移动完成； Y向运动为钻铆托架两个立柱同步运动； Z向运动为沿两个立柱的垂直升降运动； A为绕固定零件的托框自身的旋转运动，托框安装于Z向立柱上。

由于蒙皮曲面半径较大，在小范围内蒙皮的弧度度变化较小，因此曲面上一点的法向检测可以采用检测曲面上以其为中心、与其邻近四个点所构成的平面的法向。本发明以铆接点为菱形对角线交点，曲面上四点为菱形的顶点，两条对角线分别平行于X轴和Y轴，当菱形的四个顶点与钻铆机的上压力脚的中心所在水平面距离相等时，认为蒙皮处于钻铆机钻轴垂直于铆接点的法向姿态。

法向控制程序采用三段调整步骤，在每一次调整完成，通过现有的数据进行判断、分析，得到该点蒙皮的近似曲率，为下一步精调提供参考误差范围，提高调整效率和精度；

整个钻铆机与托架全部采用刚性连接结构，只要位置坐标保持不变，当出现紧急情况需要检查时，重新定位后其法向姿态会保持不变，给操作带来极大方便。

利用视觉传感器检测零件加工点的位置，当出现X、Y坐标偏差时，即时自动给出补偿信号控制X轴、Y轴移动，保证加工点始终位于中心位置；

选用四个位移传感器检测零件表面与工作头的距离，左右两个位移传感器检测的距离变化分别由托架Z1轴和Z2轴上升、下降来实现；

前后两个位移传感器检测的距离变化由托架A轴两个伺服电机同步翻转来实现；

整个过程采用过高优先原则、多高度不同速度不同精度控制，使得法向调整安全、快速、准确、稳定，整个曲面零件法向姿态的检测、调整过程都是自动完成，不需要人工任何干预。

本方案相比于现有技术具有如下有益效果。

本方案采用位移检测传感器的安装形式充分与塔式全自动钻铆托架系统机械结构相结合，检测点与执行机构一一对应，前后、左右互不干扰，使得检测与控制形成一个独立的闭环系统。在控制程序中时刻检测最高位置，采用过高优先原则，防止产品零件与设备发生碰撞；采用多高度分段控制，蒙皮曲率自学习，使得法向调整快速、准确、稳定。

由于在法向检测调整过程中首次引入视觉传感器，通过编程判断、处理，控制X、Y轴运动，确保了加工点的中心位置，提高了自动化程度，操作时更加方便。

由于采用了全刚性执行结构，每一个动作都由伺服电机直接执行，响应及时，使得整个法向检测调整过程稳定、快速，重复精度高。若中途停机，也可实现程序再启动加工功能，生产连续性好，自动化程度高，加工效率高。

附图说明

下面结合附图和实施例进一步说明本方案，但并不因此将本方案限制在所述的实施例范围之中。

图1是本方案法向检测传感器的俯视安装示意图。

图2是本方案曲面零件法向姿态检测调整的构造示意图。

图3是本方案的闭环控制原理图。

图中：S0为视觉传感器，安装于钻铆机压力脚的上方；S1、S2、S3、S4为位移检测传感器，正方形分布于压力脚的四周；“O”点是曲面蒙皮零件的加工点；H1、H2、H3、H4分别对应四个超声波传感器检测零件蒙皮的高度距离值。

具体实施方式

参照附图1、附图2、附图3，就本方案的具体实施方式阐述如下：

以钻铆机上压力脚的中心“O”为中心点，中心位置上方工作头的一个工位处安装视觉传感器S0，通过示教、参数设置，将实际最佳法向钻铆点状态存储起来作为一个基准，在以后的法向调整过程中，将采集到图像与“基准”比较、判断，结合给定的误差范围，实时给出X、Y的平面的补偿信号，确保法向调整完成后其中心点为实际加工钻铆点。

将四个检测曲面零件位移的传感器S1、S2、S3、S4呈菱形分布安装在中心点“O”四周，左右对角两个传感器S1、S2与X向平行，它们与上压力脚之间的距离值变化由Z1、Z2两个电机上升或下降来完成；前后对角两个传感器S3、S4与Y向平行，与上压力脚之间的距离值变化由A轴两个电机（A1、A2）同步旋转来完成。由于两个Z轴之间的跨度约15米，A轴托框的旋转半径约为2米，结合钻铆机压力脚的外形尺寸，左右对角两个传感器S1、S2之间的距离约为300mm，其连线与X向平行，它们与上压力脚之间的距离值变化由Z1、Z2轴的两个电机上升或下降来完成；前后对角两个传感器S3、S4之间的距离约为240mm，其连线与Y向平行，与上压力脚之间的距离值变化由A轴两个电机（A1、A2）同步旋转来完成，对角连接线的交点即为中心点“O”。法向四个点的检测与控制互不干涉，形成各自闭环系统，确保法向的顺利完成。

Claims

1.一种曲面零件法向铆接的伺服控制方法，

装挂零件至具有X、Y、Z1、Z2、A五轴的钻铆托架，并对零件铆接点作标记；

安装调试位移传感器；

安装调试视觉传感器；

移动零件铆接点至视觉传感器的视野范围内；

移动零件，在上升过程中，

移动零件，在上升过程中，根据位移传感器信号，控制钻铆托架运动，调整铆接点姿态为法向；

根据视觉传感器信号，控制钻铆托架运动，使铆接点处于铆接中心位置；

重复步骤5）和6),根据位移传感器信号移动零件至设定范围内时，且铆接点处于法向状态和铆接中心位置，曲面蒙皮铆接法向的姿态调整完成。

2.根据权利要求1所述曲面零件法向铆接的伺服控制方法，其特征在于，所述步骤2）位移传感器呈菱形分布安装钻铆机上压力脚的中心四周，左右对角两个传感器与X向平行，前后对角两个传感器与Y向平行，并采用标准的平板来示教作为测量基准。

3.根据权利要求1所述曲面零件法向铆接的伺服控制方法，其特征在于，所述步骤2）将视觉传感器安装于钻铆机上压力脚的中心适当位置，并将实际最佳法向钻铆点状态通过示教作为基准。

4.根据权利要求1所述曲面零件法向铆接的伺服控制方法，其特征在于，所述步骤6）调整铆接点姿态为法向的步骤为：

a 比较左右两个位移传感器的测量距离,如果差值超过允许误差值，调整钻铆托架，使差值小于允许误差值；

b 比较前后两个位移传感器的测量距离，如果差值超过允许误差值，调整钻铆托架，使差值小于允许误差值；

c 比较四个两个位移传感器的测量距离，如果差值超过允许误差值，调整钻铆托架，使差值小于允许误差值。

5.根据权利要求1所述曲面零件法向铆接的伺服控制方法，其特征在于，所述步骤5）法向调整过程中，根据铆接点与压力脚距离，远距离采用大速度调整；中距离采用中等速度调整；近距离采用小速度调整。

6.一种曲面零件法向的伺服控制系统，包括钻铆托架、位移传感器、视觉传感器、法向控制器、伺服控制器，其特征在于：

钻铆托架为全刚性控制零件X、Y、Z1、Z2、A五轴运动的机构；

位移传感器呈菱形分布安装于钻铆机上压力脚的中心四周；

视觉传感器安装于钻铆机上压力脚的中心适当位置；

法向控制器，根据位移传感器和视觉传感器系统的信号输出控制信号至零件运动机构，使零件法向状态和铆接点状态同时满足设定要求，即停止调整，发出铆接信号至钻铆机控制器。

7.根据权利要求6所述的曲面零件法向的伺服控制系统，其特征在于：所述的控制曲面零件姿态的全刚性运动机构，即X、Y、Z的三维空间运动；A轴翻转运动；Z1、Z2同步上升、下降实现Z向运动，Z1、Z2差动形成B角运动。

8.根据权利要求6所述的曲面零件法向的伺服控制系统，其特征在于：在曲面零件法向姿态过程中，视觉传感器测定铆接点中心位置与理论要求的位置差别，并输出X、Y平面运动的控制信号，调整零件至设定值。

9.根据权利要求6所述的曲面零件法向的伺服控制系统，其特征在于：零件与加工头之间的空间垂直距离由四个超声波传感器进行检测，其检测点与对应的执行机构一一对应，互不干涉，各自闭环控制。