CN105787200B - 大型部件自动对接装配方法及系统 - Google Patents

Abstract

一种大型部件自动对接装配方法及系统，通过首先标定伺服调姿定位器在负载条件下的伺服调姿定位器运动学参数，根据对接部件的测量数据建立对接部件的实际数模，通过比较对接部件的实际数模和其理想数模来修正或返工对接部件，之后，标定该对接部件的对接特征点和设置于支撑装置的支撑测量点的相对位置，将该对接部件安装到伺服调姿定位器上并确定其在全局参考坐标系中的位置，而后，采用最佳匹配算法规划对接部件的路径，并反解出伺服调姿定位器的各个轴的驱动量，最后，伺服调姿定位器移动对接部件完成对接装配，本发明减少了传递误差，避免了使用理想数模或对接特征点的不可测所造成的误差，从而保证了自动装配的质量和成功率。

Description

大型部件自动对接装配方法及系统

技术领域

本发明涉及的是一种机械制造领域的技术，具体是一种大型部件自动对接装配方法及系统。

背景技术

伺服控制系统以及高精度测量设备应用于设备组装，使得大型部件即大尺寸部件逐渐采用自动装配技术，以取代传统的人工装配。但在装备及装配部件的生产及装配环节，会产生误差，并导致最终的装配结果出现偏差，仍需大量人工参与进行反复调整，无法充分发挥高精度伺服系统及测量装备的技术优势。

经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN103274055A，公开日为2013年09月04日，公开了一种基于室内GPS的飞机大部件无应力装配系统，数字化测量检验系统、数控执行系统和三维应力检测系统分别与自动控制系统进行数据信息传送，其中数字化测量检验系统包括室内GPS和激光跟踪仪，室内GPS接收器和激光跟踪仪靶球放置在飞机各机身上，数控执行系统包括3组至少11个定位器，11个定位器按3-4-4分组用于支撑前机身、中机身和后机身，三维应力检测系统位于定位器上。但该技术在进行飞机对接时，使用的是各个部件的设计参数，没有考虑对接装配部件和定位器本身在加工和装配过程中的误差。使用该装配系统过程中，需要多次重复对接操作以及人工参与，甚至，当实际部件的参数与其设计参数相差较大时，导致无法顺利装配。

中国专利文献CN102001451A，公开日为2011年04月06日，公开了一种基于四个数控定位器、调姿平台和移动托架的飞机部件调姿、对接系统及方法，该系统包括；移动托架、调姿平台、数控定位器、数控定位器组导轨、上位机、球铰连接和激光跟踪仪，调姿、对接步骤为:1)将移动托架固定到调姿平台并用数控定位器支撑；2)机身段入位；3)建立现场装配坐标系和固结在机身段上的局部坐标系；4)测量并计算机身段A的当前姿态；5)数控定位器运动路径规划；6)机身段A姿态调整；7)测量对接孔坐标并计算机身段B的目标位姿；8)计算机身段B的当前位姿；9}机身段B姿态调整；10)机身段对接；11)系统复位；12)撤离移动托架。该方法通过使用激光跟踪仪测量机身测量点及对接孔的坐标位置，计算对接目标位姿，但该技术忽略了机身与对接点相对于机身支撑装置和调姿动平台之间的位置误差，以及调姿定位器在该对接工作中的绝对定位精度问题。在获得对接目标位姿后，由于多个环节存在误差，需要进行重复对接操作才能达到目标位姿，当两段机身接近时，机身对接点的测量难度会增大，激光跟踪仪的测量光线会被阻挡。

中国专利文献CN105215669A，公开日为2016年01月06日，公开了一种用于对接待测物体的方法，其包括：ⅰ.确定待测物体上的测量点的分布，并且基于测量点的实测位置值与理论位置值构建与测量现场相关的测量坐标系；ⅱ.构建测量坐标系与待测物体的设计坐标系之间的转换关系；ⅲ.获取位姿测量点的位置信息和驱动测量点的位置信息，并基于转换关系确定与驱动测量点对应的驱动器将要运动的目标坐标；ⅳ.基于目标坐标驱动驱动器。但该技术在环节ⅲ中是将驱动测量点的测量数据向飞机设计坐标系中对应的参数进行匹配，进而得到驱动器需要的运动量，因此对接时仍然是将飞机部件向设计参数进行匹配，没有考虑到在实际装配过程中的偏差导致飞机部件的实际参数与设计参数无法完全匹配的问题，实际装配时无法一次性装配。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种大型部件自动对接装配方法及系统。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明通过首先标定伺服调姿定位器在负载条件下的伺服调姿定位器运动学参数，根据对接部件的测量数据建立对接部件的实际数模，通过比较对接部件的实际数模和其理想数模来修正或返工对接部件，之后，标定该对接部件的对接特征点和设置于支撑装置的支撑测量点的相对位置，将该对接部件安装到伺服调姿定位器上并确定其在全局参考坐标系中的位置，而后，采用最佳匹配算法规划对接部件的路径，并反解出伺服调姿定位器的各个轴的驱动量，最后，伺服调姿定位器移动对接部件完成对接装配。

所述的最佳匹配算法依赖于具体的对接工艺要求。比如，在多点匹配对接时，最佳匹配算法公式可以选择求取的最小值，即所有对应点距离的最小二乘解，其中：{p_i}、{q_i}为两个对接部件的对接特征点的有序点集，R和t表示对接部件转动量和移动量，e_i对应两点之间的距离。

本发明具体包括以下步骤：

1)标定伺服调姿定位器运动学参数；

2)测量对接部件获得测量数据，拟合出实际数模并与理想数模对比，对不满足要求的对接部件进行修正或返工；

3)标定伺服调姿定位器动平台、对接部件的对接特征点以及设置于支撑装置的支撑测量点之间的相对位置；

4)计算对接部件的最佳匹配位置并进行可装配性分析；

5)规划对接部件的装配轨迹并获得其轨迹参数，进行伺服调姿定位器运动学逆解；

6)调整对接部件位姿，完成自动对接；

7)测量关键工艺特征，评价对接部件的对接状态，并反馈调整。

所述的伺服调姿定位器运动学参数取决于具体的伺服定位器构型，一般包括驱动关节的初始位置，移动关节的轴线方向，转动关节的转动中心位置等。

所述的步骤1)具体包括以下步骤：

1.1)负载条件下进行实验测量，获得实际的伺服调姿定位器的驱动关节输入值和其动平台位姿输出值；

1.2)结合伺服调姿定位器的理论尺寸值进行正运动学计算，计算动平台位姿输出值的理论值并与实际值相比较获得定位偏差；

1.3)如果定位偏差满足要求则标定完成，否则根据线性传递模型调整伺服调姿定位器的机构尺寸变量及其运动学参数并回到步骤1.2)。

所述的线性传递模型公式为：δy＝J_pδp，其中：δy表示伺服调姿定位器的动平台位姿误差的广义坐标，J_p表示伺服调姿定位器运动学参数误差到伺服调姿定位器的动平台的末端误差的线性传递矩阵，δp表示伺服调姿定位器运动学参数误差。

所述的步骤3)，具体包括以下步骤：

3.1)获得对接特征点及支撑装置测量点在测量坐标系中的位置，并拟合支撑装置参考坐标系

3.2)将测量坐标系向支撑装置参考坐标系转化，获得对接特征在中的位置ρ_i，其中：i为对接特征点的编号；

3.3)将支撑装置连同其上的对接部件安装到伺服调姿定位器的动平台，获得该动平台在测量坐标系中的位置，而后拟合伺服调姿定位器的动平台参考坐标系和支撑装置参考坐标系

3.4)拟合全局参考坐标系和动平台参考坐标系计算对接特征在全局参考坐标系中的位置p_i，其中：i为对接特征点的编号。

所述的对接特征点在全局参考坐标系中的位置p_i＝T_MT_MFρ_i，其中：R_MF为3×3的单位正交矩阵，表示支撑装置参考坐标系相对伺服调姿定位器的动平台的姿态，p_MF为3×1向量，表示支撑装置参考坐标系相对于该动平台的位置矢量，为动平台参考坐标系相对于全局参考坐标系的位置和姿态，R_M为3×3的单位正交矩阵，表示动平台参考坐标系相对全局参考坐标系的姿态，p_M为3×1向量，表示动平台参考坐标系相对于全局参考坐标系的位置。

所述的装配轨迹的轨迹参数包括对接部件的位置信息及其运动时间。

本发明涉及一种实现上述方法的系统，包括：用于调整对接部件的伺服调姿定位器、控制系统和测量系统，其中：伺服调姿定位器定平台设置于与全局坐标系相对静止的地方，测量装置设置于对接部件四周以测量对接部件、伺服调姿定位器的位姿信息，控制系统接收该位置信息后经过最佳匹配位置及定位器运动学反解计算向各个伺服调姿定位器发出各个轴的驱动量信息。

技术效果

与现有技术相比，本发明能够及时发现不满足要求的对接部件并对其修正或返工，减少了伺服调姿定位器运动误差对装配结果的影响，通过对接部件、支撑装置以及动平台之间相互位置关系的标定减少了它们之间的传递误差，避免了使用理想数模或对接特征点的不可测所造成的误差，从而保证了自动装配的质量和成功率。

附图说明

图1为伺服调姿定位器装载对接部件后的结构示意图；

图2为全局参考坐标系设定示意图；

图3为坐标系设定示意图；

图4为靶标球座与对接特征点关系示意图；

图5为实施例1的对接装配方法流程示意图；

图6为伺服调姿定位器运动学参数标定流程示意图；

图7为实际数模和理想数模对比图；

图中：1激光跟踪仪；2第一对接部件；3并联伺服调姿定位器；4第一支撑装置；5对接特征点；6第二对接部件；7第二支撑装置；8塔式伺服调姿定位器；9靶标球座；10基座；11并联伺服定位器动平台；12球铰链；13支撑杆；14移动关节。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，具体以两段筒体进行‘销-孔’对接、以并联平台和四塔定位平台为伺服定位器、以激光跟踪仪作为测量装置对该实施例进行说明，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

如图1所示，本实施例包括：并联伺服调姿定位器3、塔式伺服调姿定位器8、控制模块和激光跟踪仪1，其中：并联伺服调姿定位器3和塔式伺服调姿定位器8相对设置于基座10上，激光跟踪仪1设置于基座10四周以测量第一对接部件2、第二对接部件6、并联伺服调姿定位器3和塔式伺服调姿定位器8的位姿信息，控制模块接收该位置信息后向并联伺服调姿定位器3和塔式伺服调姿定位器8发出各个轴的驱动量信息。

所述的并联伺服调姿定位器3用于装载作为第一对接部件2的对接筒段，塔式伺服调姿定位器8用于装载作为第二对接部件6的对接筒段。通过两个伺服调姿定位器来调整各自承载的对接部件在空间的位姿，且都具有空间六自由度调姿能力。

所述的第一对接部件2安装到第一支撑装置4后，其与第一支撑装置4的相对位置不变，第一支撑装置4安装在并联伺服调姿定位器3的动平台上。第二对接部件6安装于第二支撑装置7，其与第二支撑装置7的相对位置不变，第二支撑装置7安装在塔式伺服调姿定位器8的动平台上。

所述的并联伺服调姿定位器3和塔式伺服调姿定位器8周围设有多台激光跟踪仪1。在并联伺服调姿定位器3的定平台和动平台、塔式伺服调姿定位器8的定平台和动平台、基座10、第一支撑装置4和第二支撑装置7上安装有靶标球座9，用来拟合各个部件在全局坐标系中的位置。

如图2所示，所述的全局坐标系以基座10作为基准设置。

如图3所示，所述的第一支撑装置4作为支撑装置参考坐标系的基准。所述的并联伺服调姿定位器动平台11作为动平台参考坐标系的基准，并联伺服调姿定位器的定平台作为定平台参考坐标系的基准。所述的并联伺服调姿定位器动平台11通过支撑杆13和移动关节14设置于并联伺服调姿定位器定平台，并联伺服调姿定位器动平台11还连有驱动关节和转动关节以实现并联伺服调姿定位器动平台11的位姿调整。同样的需要在塔式伺服调姿定位器8处建立各个对应的坐标系。

所述的第一对接部件2和第二对接部件6相互配合的轴端面分别设有三个能够相互配合对接特征点5，即沿筒段的轴线方向的“插轴入孔”。

如图4所示，所述的对接特征点5处设有靶标球座9。

如图5所示，所述的第二对接部件6和第一对接部件2自动对接装配方法包括以下步骤：

1)标定伺服调姿定位器运动学参数：

所述的伺服调姿定位器运动学参数包括驱动关节的初始位置，移动关节的轴线方向，转动关节的转动中心位置。所述的运动学参数具体为移动关节14相对于定平台参考坐标系的初始位置，驱动关节相对于的方向矢量，球铰链12中心及转动关节相对于动平台坐标系的位置。在并联伺服调姿定位器3和塔式伺服调姿定位器8在负载情况下进行标定。根据伺服调姿定位器的结构，可以得到伺服调姿定位器的线性传递模型：δy＝J_pδp，其中：δy表示伺服调姿定位器动平台位姿误差的广义坐标，J_p表示伺服调姿定位器的运动学参数误差到伺服调姿定位器的动平台的末端误差的线性传递矩阵，δp表示伺服调姿定位器运动学参数误差。

如图6所示，该标定过程的具体步骤包括：

1.1)负载条件下进行实验测量，获得实际的并联伺服调姿定位器3的驱动关节输入值和动平台位姿输出值，通过测量安装在并联伺服调姿定位器3上的靶标球来建立定平台参考坐标系将测量坐标系转换到处，记录每个位形下的动平台参考坐标系在下的位姿坐标、驱动关节的驱动量以及动平台的位姿参数；

1.2)结合伺服调姿定位器的理论尺寸值，对每一个位形的驱动关节的驱动量进行运动学正解计算，得到每个位形下动平台参考坐标系的理论位形，将理论位姿和测量出的实际位姿参数进行比较，获得动平台位姿偏差即定位偏差；

1.3)如果定位偏差满足要求则标定完成，否则根据线性传递模型对运动学参数误差求取最小二乘解，调整伺服调姿定位器的机构尺寸变量及其运动学参数并回到步骤1.2)。

所述的标定伺服调姿定位器的运动学参数，可以弥补调姿定位器在制造以及装配环节带来的结构尺寸偏差。通过以步骤1)标定并联伺服调姿定位器3和塔式伺服调姿定位器8的运动学参数。

2)测量对接部件获得测量数据，拟合出实际数模并与理想数模对比，修正或返工该对接部件：

通过激光跟踪仪1测量对接部件，获得对接部件的对接特征点处的轴或孔的中心位置以及两对接部件的型面参数。根据测量数据拟合实际的第一对接部件2和第二对接部件6的几何特征得出实际数模，并与理想数模对比。图7以对接面制造误差表示第一对接部件2的实际数模和理想数模的对比。之后评估对接部件的制造质量和可装配性，如不满足要求则需要修正或返工对接部件。

3)标定伺服调姿定位器、对接部件的对接特征点5以及支撑测量点之间的相对位置：

3.1)通过测量，获得第一对接部件2上的对接特征点5以及第一支撑装置4上的支撑测量点在测量坐标系中的位置，并建立与第一支撑装置4相对应的支撑装置参考坐标系

3.2)将测量坐标系向支撑装置参考坐标系转化，获得第一对接部件2的对接特征点5在中的位置坐标ρ_i，其中：i为第一对接部件2的对接特征点5的编号。

3.3)将第一支撑装置4连同其上的第一对接部件2安装到并联伺服调姿定位器动平台11上，获得并联伺服调姿定位器动平台11在测量坐标系中的位置，而后拟合并联伺服调姿定位器3的动平台参考坐标系和其对应支撑装置参考坐标系得到第一支撑装置4的支撑装置参考坐标系相对于其对应的动平台坐参考标系的位置关系。

3.4)在全局参考坐标系下，计算第一对接部件2对接特征点5在全局参考坐标系中的位置p_i，其中：i为对接特征点的编号。

所述的对接特征点在全局参考坐标系中的位置p_i＝T_MT_MFρ_i，其中：R_MF为3×3的单位正交矩阵，表示支撑装置参考坐标系相对伺服调姿定位器的动平台的姿态，p_MF为3×1向量，表示支撑装置参考坐标系相对于该动平台的位置矢量，为动平台参考坐标系相对于全局参考坐标系的位置和姿态，R_M为3×3的单位正交矩阵，表示动平台参考坐标系相对全局参考坐标系的姿态，p_M为3×1向量，表示动平台参考坐标系相对于全局参考坐标系的位置矢量。

采用同样的方式可以得到塔式伺服调姿定位器8上的第二对接部件6的对接特征点5在全局坐标系中的位置信息。

4)计算对接部件的最佳匹配位置并进行可装配性分析：

在得到第一对接部件2和第二对接部件6上的对接特征点5在全局坐标系中的位置信息后，按照工艺要求，对第一对接部件2上的对接特征点5和第二对接部件6上的对接特征点5最佳匹配计算，即求两组对应特征点5的最小二乘解，获得两对接部件、两定位器的动平台的最优位姿。根据p_i＝T_MT_MFρ_i可计算在达到最优位姿时各个对接特征点5的理论位置。之后，通过比较在达到最优位姿时第一对接部件2和第二对接部件6上对应的对接特征点5的位置偏差，根据对接工艺中对该偏差的具体要求，预测第一对接部件2和第二对接部件6的最终装配效果。

5)规划对接部件的装配轨迹获得轨迹参数，进行伺服调姿定位器运动学逆解：

在确定第一对接部件2和第二对接部件6的最佳匹配位置后，安装对接工艺的要求，通过最匹配算法规划出两个对接部件的装配轨迹。之后，根据作为轨迹参数的两个对接部件的位置信息及其运动时间，结合并联伺服调姿定位器3和塔式伺服调姿定位器8的位置进行运动学逆解，得到并联伺服调姿定位器3和塔式伺服调姿定位器8的各个轴的驱动量及速度。

所述的最佳匹配算法公式为求取的最小值，其中：{p_i}、{q_i}为两个对接部件的对接特征点5的有序点集，R和t表示对接部件转动量和移动量，e_i对应两点之间的距离。

6)调整两个对接部件位姿，完成自动对接：使用步骤5)得到的驱动量，并联伺服调姿定位器3和塔式伺服调姿定位器8调整各自的对接部件的位姿，实现对接。

7)通过测量关键工艺特征评价对接部件的对接状态，并反馈调整：

所述的关键工艺特征为安装在第一支撑装置4和第二支撑装置7上的支撑测量点坐标，从而可以间接得到对接特征点相5对于全局参考系的位置信息。如果满足要求则完成对接，否则回到步骤4)。

本方法能够及时发现不满足要求的对接部件并对其修正或返工，减少了伺服调姿定位器运动误差对装配结果的影响，通过对接部件、支撑装置以及动平台之间相互位置关系的标定减少了它们之间的传递误差，避免了使用理想数模或对接特征点的不可测所造成的误差，从而保证了自动装配的质量和成功率。

Claims (8)

1.一种大型部件自动对接装配方法，其特征在于，首先标定伺服调姿定位器在负载条件下的伺服调姿定位器运动学参数，根据对接部件的测量数据建立对接部件的实际数模，通过比较对接部件的实际数模和其理想数模来修正或返工对接部件，之后，标定该对接部件的对接特征点和设置于支撑装置的支撑测量点的相对位置，将该对接部件安装到伺服调姿定位器上并确定其在全局参考坐标系中的位置，而后，采用最佳匹配算法规划对接部件的路径，并反解出伺服调姿定位器的各个轴的驱动量，最后，伺服调姿定位器移动对接部件完成对接装配；

所述的相对位置，通过以下方式得到：

i)获得对接特征点及支撑测量点在测量坐标系中的位置，并拟合支撑装置参考坐标系

ii)将测量坐标系向支撑装置参考坐标系转化，获得对接特征点在中的位置坐标ρ_i，其中：i为对接特征点的编号；

iii)将支撑装置连同其上的对接部件安装到伺服调姿定位器的动平台，获得该动平台在测量坐标系中的位置，而后拟合伺服调姿定位器的动平台参考坐标系和支撑装置参考坐标系

iv)拟合全局参考坐标系和动平台参考坐标系计算对接特征点在全局参考坐标系中的位置坐标p_i，其中：i为对接特征点的编号。

2.根据权利要求1所述的大型部件自动对接装配方法，其特征是，在多点位置匹配对接过程中，最佳匹配算法为求取的最小值，即各对应点距离的最小二乘解，其中：{p_i}、{q_i}为两个对接部件的对接特征点的有序点集，R和t表示对接部件转动量和移动量，e_i对应两点之间的距离。

3.根据权利要求1所述的大型部件自动对接装配方法，其特征是，具体包括以下步骤：

1)标定伺服调姿定位器运动学参数；

2)测量对接部件获得测量数据，拟合出实际数模并与理想数模对比，对不满足要求的对接部件进行修正或返工；

3)标定伺服调姿定位器动平台、对接部件的对接特征点以及设置于支撑装置的支撑测量点之间的相对位置；

4)计算对接部件的最佳匹配位置并进行可装配性分析；

5)规划对接部件的装配轨迹并获得其轨迹参数，进行伺服调姿定位器运动学逆解；

6)调整对接部件位姿，完成自动对接；

7)测量关键工艺特征，评价对接部件的对接状态，并反馈调整。

4.根据权利要求3所述的大型部件自动对接装配方法步骤1)中的运动学参数，其特征是，根据定位器具体构型不同而有不同选择，包括驱动关节的初始位置，移动关节的轴线方向，转动关节的转动中心位置等运动学分析中涉及到的参数。

5.根据权利要求3所述的大型部件自动对接装配方法，其特征是，所述的步骤1)具体包括：

1.1)负载条件下进行实验测量，获得实际的伺服调姿定位器的驱动关节输入值和其动平台位姿输出值；

1.2)结合伺服调姿定位器的理论尺寸值进行正运动学计算，计算动平台位姿输出值的理论值并与实际值相比较获得定位偏差；

1.3)如果定位偏差满足要求则标定完成，否则根据线性传递模型调整伺服调姿定位器的机构尺寸变量及其运动学参数并回到步骤1.2)。

6.根据权利要求5所述的大型部件自动对接装配方法，其特征是，所述的线性传递模型公式为：δy＝J_pδp，其中：δy表示伺服调姿定位器的动平台位姿误差的广义坐标，J_p表示伺服调姿定位器运动学参数误差到伺服调姿定位器的动平台的末端误差的线性传递矩阵，δp表示伺服调姿定位器运动学参数误差。

7.根据权利要求3所述的大型部件自动对接装配方法，其特征是，所述的装配轨迹的轨迹参数包括对接部件的位置信息及其运动时间。

8.一种实现上述任一权利要求所述方法的系统，其特征在于，包括：伺服调姿定位器、控制系统和测量系统，其中：伺服调姿定位器定平台与全局参考坐标系相对静止，测量装置设置于基座四周以测量对接部件测量点、伺服调姿定位器动平台位姿信息，控制模块接收该位姿信息后向伺服调姿定位器发出各个轴的驱动量信息。