CN103979118B - 一种机翼壁板数字化定位方法以及定位装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机翼壁板数字化定位方法，包括以下步骤：步骤一：在机翼骨架和机翼壁板上设定n组对应的第一特征点和第二特征点，并获取所有第一特征点的坐标；步骤二：获取所有第二特征点的坐标；步骤三：根据各组第一特征点和第二特征点的对应关系进行匹配，各组第一特征点和第二特征点匹配度最高时，计算得到旋转和平移信息；步骤四：对得到的旋转和平移信息与预定目标进行比较，如果未达到预定目标则根据旋转和平移信息调整机翼壁板，返回步骤二；如果达到预定目标则将机翼壁板进行装配。同时公开了一种机翼壁板数字化定位装置，以提高机翼壁板与机翼骨架装配的精度。

Description

一种机翼壁板数字化定位方法以及定位装置

技术领域

本发明涉及航空制造中的飞机零部件的装配技术领域，特别涉及一种机翼壁板数字化定位方法以及定位装置。

背景技术

机翼是在飞行过程中支撑整机重量、产生气动升力并提供不同气动特性的关键部件，因此飞机机翼的安装是飞机装配制造中的重要环节，对整机寿命有重要影响。

目前国内传统的复合材料机翼壁板的定位方式，一般是利用型架上的卡板的外形面确定机翼壁板的空间位置。这种装配方法会产生型架卡板的制造误差、机翼壁板和卡板的协调误差、机翼壁板的外形面在卡板夹紧力下的变形误差，各误差经过累积将降低最终的翼型的准确度以及机翼部件对接时的协调性。而且此种装配方法采用的是专用装配工装，成本较高，适应性不强。因此基于飞机数字化装配技术，开发一种效率高、装配过程可控，且满足装配精度要求的复合材料机翼壁板数字化定位方法成为迫切需求。

为了解决上述问题，有研究者提出利用激光检测技术来矫正误差的方法，公告号为CN101776440B的专利文献公开了一种基于激光测量的机翼腹板式翼肋的装配定位方法，有九大步骤：一：在翼肋的三个基准孔上安装靶标基座。二：将翼肋固定在装配单元的夹具上。三：装配单元夹持翼肋到装配空间位置。四：用激光仪测量翼肋上的3个基准孔的圆心坐标。五：计算出该翼肋当前空间位置偏差及空间位置补偿量。六：根据五计算出的空间位置补偿量生成空间位置调整指令。七：据空间位置调整指令，驱动装配单元实施空间位置微调整。八：重复四至七的过程，直到翼肋的空间位置偏差在允许的范围内。九：重复一至八，完成该组其他翼肋的装配。上述方法利用激光测量技术结合计算机能解决现有的依靠模拟量在专用装配工装内进行腹板式翼肋装配定位的精度较低、效率较差、成本较高的问题。

上述方法中，通过激光测量技术获取机翼壁板上的特定点的坐标，并将这些坐标与理论坐标进行匹配，从而将机翼壁板调整到位，但是由于在制造过程中，不仅机翼会有制造误差，机身（即机翼骨架）也会有制造误差，如果仅仅调整机翼壁板使接近理论值，实际的装配过程中，由于机身的实际结构与理论值还有一定的差异，从而造成机翼壁板与机身装配时仍有较大的误差。

发明内容

本发明提供了一种机翼壁板数字化定位方法和定位装置，以进一步提高机翼壁板的装配精度。

一种机翼壁板数字化定位方法，包括以下步骤：

步骤一：在机翼骨架和机翼壁板上设定n组对应的第一特征点和第二特征点，n≥3，并获取所有第一特征点的坐标；

步骤二：获取所有第二特征点的坐标；

步骤三：根据各组第一特征点和第二特征点的对应关系进行匹配，各组第一特征点和第二特征点匹配度最高时，计算得到调整机翼壁板的旋转和平移信息；

步骤四：对得到的旋转和平移信息与预定目标进行比较，如果未达到预定目标则根据旋转和平移信息调整机翼壁板，返回步骤二；如果达到预定目标则将机翼壁板装配至机翼骨架上。

理论上，机翼壁板的在旋转和平移一定角度和距离后，会使各组第一特征点和第二特征点同时对应上，但是由于误差的存在，各组第一特征点和第二特征点对应时，旋转和平移的数据无法完全相同，因此，本方法的目的是得到匹配度最高的旋转和平移信息来实现机翼壁板定位。

本方法中，获取第一测试点的坐标得到的是机翼骨架的实际结构特征，获取第二测试点的坐标得到的是机翼壁板的实际结构特征，将各对应的第一测试点和第二测试点进行匹配，从而得到更加准确的机翼壁板调整数据，提高机翼壁板与机翼骨架装配的精度，并且设置闭环调整，进一步提高装配精度。

在定位过程中，可以先通过理论数据将机翼壁板初步调整到位，再进行上述操作方法，也可以直接获取坐标，进行上述操作方法。

如果在实际装配时，机翼骨架也要进行调整，则在调整后也需要重新获取第一特征点的坐标，优选的，在步骤二中，在调整机翼壁板后，重新获取所有第一特征点的坐标。从而提高第一特征点和第二特征点匹配的准确性。

优选的，所述各组第一特征点和第二特征点的对应关系如下：

P_fi＝RP_pi+T，

其中

p_fi＝(x_fi,y_fi,z_fi)^T,i＝1,…,n，为各第一特征点的坐标；

p_pi＝(x_pi,y_pi,z_pi)^T,i＝1,…,n，为各第二特征点的坐标；

R表示调整机翼壁板姿态的旋转矩阵；

T表示调整机翼壁板位置的平移向量。

该对应关系表示，理论上，机翼壁板在旋转R和平移T后，各组对应的第二特征点和第一特征点重合。

优选的，在步骤三中，采用最小二乘法对第一特征点和第二特征点进行匹配，公式如下：

当Ω取最小值时，得到第一特征点和第二特征点匹配度最高的R和T。采用最小二乘法来进行数据匹配，计算公式简单，可以通过常见的编程语言实现。

本发明还提供一种机翼壁板数字化定位装置，包括：

吸附工装，用于固定连接机翼壁板；

工业机器人，与吸附工装连接以调整机翼壁板的姿势和位置；

机器人移动平台，用于承载工业机器人以完成机翼壁板与机翼骨架的对接；

激光跟踪仪，用于检测设置在机翼壁板与机翼骨架上的第一特征点和第二特征点的坐标；

控制模块，所述控制模块接收激光跟踪仪测量得到的坐标数据，并进行以下操作：

（1）根据坐标数据匹配第一特征点和第二特征点，计算得到各组第一特征点和第二特征点匹配度最高时，机翼壁板的旋转和平移信息；

（2）对得到的旋转和平移信息与预定目标进行比较，如果未达到预定目标，则根据旋转和平移信息控制工业机器人调整机翼壁板，如果达到预定目标，则控制机器人移动平台完成机翼壁板与机翼骨架的对接。

所述控制模块实现上述的功能，可以是用通用的计算装置来实现，将上述的操作用编写成可执行的程序代码，然后将它们存储在存储装置中由计算装置来执行。

为了使吸附工装与机翼壁板稳定连接，优选的，所述吸附工装包括：基本覆盖机翼壁板的框架，若干通过活动联杆与框架连接的真空吸盘，所述真空吸盘在框架上均匀分布。吸附工装固定连接机翼壁板时，先将吸附工装的真空吸盘吸紧到机翼壁板表面，调节并锁紧活动联杆，保持活动联杆长度以适应机翼壁板表面曲率变化。

为了实现快速安装和拆卸，优选的，所述框架通过快换法兰与工业机器人的工作端连接。

本发明使用时，吸附工装通过真空吸盘吸附与机翼壁板连接；工业机器人与吸附工装通过快换法兰连接；通过工业机器人对于位姿的闭环调整，实现机翼壁板的定位；工业机器人沿机器人移动平台运动，保持定位姿态将机翼壁板移动到与机翼骨架对接。

本发明的有益效果：

本发明的机翼壁板数字化定位方法以及定位装置，通过获取具有对应关系的第一特征点和第二特征点，将各对应的第一测试点和第二测试点进行匹配，从而得到更加准确的机翼壁板调整数据，提高机翼壁板与机翼骨架装配的精度，并且设置闭环调整，进一步提高装配精度。

附图说明

图1为本发明的定位装置的结构示意图。

图2为图1中A部分的放大示意图。

图3为吸附工装的结构示意图。

图4为本发明的定位装置的工作示意图。

图5为使用本发明的定位装置的流程示意图。

具体实施方式

如图1～4所示，本实施例的机翼壁板数字化定位装置包括：吸附工装2，用于固定连接机翼壁板1；工业机器人5，与吸附工装2连接以调整机翼壁板1的姿势和位置；机器人移动平台6，用于承载工业机器人5以完成机翼壁板1与机翼骨架的对接；激光跟踪仪12，用于检测设置在机翼骨架与机翼壁板1上的第一特征点和第二特征点的坐标；控制模块，接收激光跟踪仪12测量得到的坐标数据，并进行以下操作：

（1）根据坐标数据匹配第一特征点和第二特征点11，计算得到各组第一特征点和第二特征点11匹配度最高时，机翼壁板1的旋转和平移信息；

（2）对得到的旋转和平移信息与预定目标进行比较，如果未达到预定目标，则根据旋转和平移信息控制工业机器人5调整机翼壁板1，如果达到预定目标，则控制机器人移动平台6完成机翼壁板1与机翼骨架的对接。

机翼壁板1在与吸附工装2连接之前，装载在初始定位工装3上。

本实施例中，设定三组对应的第一特征点和第二特征点，在第一特征点和第二特征点位置设置与激光跟踪仪12配合的靶标11。

本实施例中，设置的各组第一特征点和第二特征点的对应关系如下：

P_fi＝RP_pi+T，

其中

p_fi＝(x_fi,y_fi,z_fi)^T,i＝1,…,n，为各第一特征点的坐标；

p_pi＝(x_pi,y_pi,z_pi)^T,i＝1,…,n，为各第二特征点的坐标；

R表示调整机翼壁板姿态的旋转矩阵；

T表示调整机翼壁板位置的平移向量。

本实施例中，采用最小二乘法对第一特征点和第二特征点进行匹配，公式如下：

当Ω取最小值时，得到第一特征点和第二特征点匹配度最高的R和T。

本实施例中，吸附工装2包括：基本覆盖机翼壁板1的框架9，通过活动联杆8与框架9连接的真空吸盘7，真空吸盘7在框架9上均匀分布。本实施例中，吸附工装2固定在连接机翼壁板1时，先将吸附工装2的真空吸盘7吸紧到机翼壁板1表面，调节并锁紧活动联杆8，保持活动联杆长度8以适应机翼壁板1表面曲率变化。

本实施例中，框架9通过快换法兰10与工业机器人5的工作端连接。

如图5所示，使用本实施例的机翼壁板数字化定位装置的方法，具体步骤包括：

步骤一：吸附工装2固定连接机翼壁板1，然后框架9通过快换法兰10与工业机器人5的工作端连接；

步骤二：通过激光跟踪仪12通过检测靶标11的位置获取所有第一特征点和有第二特征点的坐标；

步骤三：控制模块接收激光跟踪仪12的获取的数据，计算得到各组第一特征点51和第二特征点21匹配度最高时，机翼壁板2的旋转和平移信息；

步骤四：控制模块对得到的旋转和平移信息与预定目标进行比较，如果未达到预定目标，则控制工业机器人5根据旋转和平移信息调整机翼壁板1，之后返回步骤二；如果达到预定目标，则控制机器人移动平台6完成机翼壁板1与机翼骨架的对接。

综上所述，使用本实施例的机翼壁板数字化定位装置，通过获取具有机翼壁板和机翼骨架上具有对应关系的第一特征点和第二特征点，将各对应的第一测试点和第二测试点进行匹配，从而得到更加准确的机翼壁板调整数据，通过工业机器人调整机翼壁板，提高机翼壁板与机翼骨架装配的精度，并且设置闭环调整，进一步提高装配精度。

Claims (2)

1.一种机翼壁板数字化定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：在机翼骨架和机翼壁板上设定n组对应的第一特征点和第二特征点，n≥3，并获取所有第一特征点的坐标，获取第一特征点的坐标得到的是机翼骨架的实际结构特征，获取第二特征点的坐标得到的是机翼壁板的实际结构特征；

步骤二：获取所有第二特征点的坐标，在调整机翼壁板后，重新获取所有第一特征点的坐标；

步骤三：根据各组第一特征点和第二特征点的对应关系进行匹配，各组第一特征点和第二特征点匹配度最高时，计算得到调整机翼壁板的旋转和平移信息；

所述各组第一特征点和第二特征点的对应关系如下：

P_fi＝RP_pi+T，

其中

p_fi＝(x_fi,y_fi,z_fi)^T,i＝1,…,n，为各第一特征点的坐标；

p_pi＝(x_pi,y_pi,z_pi)^T,i＝1,…,n，为各第二特征点的坐标；

R表示调整机翼壁板姿态的旋转矩阵；

T表示调整机翼壁板位置的平移向量；

采用最小二乘法对第一特征点和第二特征点进行匹配，公式如下：

$\mathrm{\Ω}=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\left|\right|p_{fi}-({\mathrm{Rp}}_{pi}+T)|{|}^2,$

当Ω取最小值时，得到第一特征点和第二特征点匹配度最高的R和T；

步骤四：对得到的旋转和平移信息与预定目标进行比较，如果未达到预定目标则根据旋转和平移信息通过工业机器人和机器人移动平台调整机翼壁板，返回步骤二；如果达到预定目标则将机翼壁板装配至机翼骨架上。

2.一种机翼壁板数字化定位装置，其特征在于，包括：

吸附工装，用于固定连接机翼壁板；

工业机器人，与吸附工装连接以调整机翼壁板的姿势和位置；

机器人移动平台，用于承载工业机器人以完成机翼壁板与机翼骨架的对接；

激光跟踪仪，用于检测设置在机翼壁板与机翼骨架上的第一特征点和第二特征点的坐标，获取第一特征点的坐标得到的是机翼骨架的实际结构特征，获取第二特征点的坐标得到的是机翼壁板的实际结构特征；

控制模块，接收激光跟踪仪测量得到的坐标数据，并进行以下操作：

(1)根据坐标数据匹配第一特征点和第二特征点，计算得到各组第一特征点和第二特征点匹配度最高时，机翼壁板的旋转和平移信息；

(2)对得到的旋转和平移信息与预定目标进行比较，如果未达到预定目标，则根据旋转和平移信息控制工业机器人调整机翼壁板，如果达到预定目标，则控制机器人移动平台完成机翼壁板与机翼骨架的对接；所述吸附工装包括：基本覆盖机翼壁板的框架，若干通过活动联杆与框架连接的真空吸盘，所述真空吸盘在框架上均匀分布；吸附工装固定连接机翼壁板时，先将吸附工装的真空吸盘吸紧到机翼壁板表面，调节并锁紧活动联杆，保持活动联杆长度以适应机翼壁板表面曲率变化；所述框架通过快换法兰与工业机器人的工作端连接。