CN106043736B - 一种用于飞机部件调姿的串并联机械结构及调姿方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于飞机部件调姿的串并联机械结构及调姿方法，采用串并联机构为整个调姿工装的主体结构；控制托板三个方向以及并联机构的三个运动轴，共六个轴的运动；外围加入激光跟踪仪进行调姿过程中的测量。大大简化了飞机部件调姿对接复杂程度。
Description
技术领域
本发明涉及飞机制造与工艺装备领域，具体地说，涉及一种飞机装配对接调姿方法。
背景技术
飞机产品的支撑、调姿定位是飞机装配的基础工艺，飞机部件的装配要求各产品具有正确的位置和姿态，这就要对飞机部件进行高精度的位姿调整。采用数字化柔性装配工装实现飞机产品的装配是提高装配效率和质量的有效途径。
专利CN1O1456452A提出的一种飞机机身柔性化、自动化调姿方法，是针对于飞机机身的大部件对接调姿，采用的是控制多个三坐标定位器单元实现对机身的姿态调整，只适合于机身等大部件的调姿对接。
专利CN101907893A提出一种基于六自由度并联机构飞机部件调姿装配系统及调试方法，其中使用的四杆并联机构结构复杂，调姿过程控制难度大。
因此，设计一款具有高精度、高刚度、高可靠性、位姿调整灵活性好并能够应用于飞机产品装配的数字化柔性工装势在必行，对于实现飞机产品的动态调姿与精准装配有着重要的工程应用意义和价值。
发明内容
要解决的技术问题
为了克服现有飞机部件调姿对接工装和方法的精度低、位姿调整灵活性差、控制过程复杂等问题，本发明提出一种串并联机构，并基于该结构开发了一套飞机部件调姿对接系统以及工艺方法，大大简化了飞机部件调姿对接复杂程度。
技术方案
一种用于飞机部件调姿的串并联机械结构，其特征在于包括串并联机构底座、串联机构X轴移动托板、串联机构Y轴移动托板、串联机构转动台、并联机构底座连接机构、并联机构电缸、并联机构球铰、并联机构上平台和并联机构下平台；串并联机构底座位于最下面，往上依次为串联机构X轴移动托板、串联机构Y轴移动托板和串联机构转动台；并联机构下平台位于串联机构转动台上，在并联机构下平台上设有3个并联机构底座连接机构，并联机构底座连接机构上连接并联机构电缸，并联机构电缸通过并联机构球铰与并联机构上平台连接；所述的串联机构X轴移动托板、串联机构Y轴移动托板、串联机构转动台和3个并联机构电缸内设有伺服电机。
一种由串并联机械结构组成的调姿系统，其特征在于还包括控制部分以及外围测量部分；控制部分：六个运动轴的控制器、一个多轴运动控制卡、以及一台工控机组成的上下位机控制系统，其中多轴运动控制卡一端连接工控机，另一端连接六个运动轴的控制器，所述的六个运动轴为串联机构X轴移动托板、串联机构Y轴移动托板、串联机构转动台和3个并联机构电缸；外围测量部分：采用激光跟踪仪对调姿串并联机构进行测量。
一种使用调姿系统对飞机部件进行的调姿方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：将所要调姿的飞机部件固定于并联机构上平台上；
步骤2：利用水平仪对并联机构下平台进行调平，然后利用激光跟踪仪测量并联机构下平台上三个靶标测量点M1、M2、M3的实际位置参数，在SA软件上与理论模型中的位置参数进行拟合后构造并联机构全局坐标系，即定坐标系O-XYZ；
步骤3：采用激光跟踪仪测量并联机构上平台上三个靶标测量点P1、P2、P3在定坐标系O-XYZ中坐标值P1＝[X1,Y1,Z1]T,P2＝[X2,Y2,Z2]T,P3＝[X3,Y3,Z3]T；
计算并联机构上平台中心点P在定坐标系中的位置坐标(XP，YP，ZP)：
计算并联机构上平台三个测量点P1、P2、P3所在空间平面的法向量：
计算并联机构上平台的姿态参数(α，β)：
步骤4：利用平台的姿态变化规律，运用运动学分析中的并联机构位姿反解算法由中心点P在定坐标系中的位置坐标和姿态参数(α，β)求解出串联机构X轴移动托板、串联机构Y轴移动托板、串联机构转动台和3个并联机构电缸的伸缩量，将求得的伸缩量转换为与串联机构X轴移动托板、串联机构Y轴移动托板、串联机构转动台和3个并联机构电缸相对应的伺服电机的转数，串并联机械结构运动到指定位姿；
步骤5：利用激光跟踪仪测量调整后的并联机构下平台上三个靶标测量点M1、M2、M3在定坐标系中的坐标值，即可求解得到当前实际位姿的数值，通过比较当前实际位姿参数与理论位姿参数便可得到动平台的位姿误差；
步骤6：将得到的位姿误差与飞机部件的调姿对接误差对比，如果误差大于调姿对接的允许误差将重复步骤三、四、五直到最后达到允许误差范围内。
有益效果
本发明相较于专利CN101907893A与专利CN1O1456452A在对飞机部件装配调姿过程中，本发明具有结构上更加紧凑、合理，可以灵活精确地对中小飞机部件进行调姿对接；在控制上更加简洁，由于本发明中的机械结构具有六自由度调节功能，而每个自由度均由各自的运动轴直接控制，减少了间接控制，使得本发明在调姿过程中拥有更高的精度；除此之外本机械结构结构采用串并联混合的方式大大提高了装配调姿设备的刚度，使得调姿精度进一步提高。
附图说明
图1串并联机构结构简图
图2并联机构的结构简图：(a)正视图；(b)轴测图
图3并联机构球铰结构简图：(a)球窝轴测图；(b)球头轴测图
图4并联机构下底座连接方式简图
图5并联机构下底座阶梯轴简图
图6并联机构下底座轴承座简图
图7电缸底座示意图
图8电缸示意图
图9串并联调姿设备机构简图
图10并联机构动平台测量点示意图
1-串并联机构底座；2-串联机构X轴移动托板；3-串联机构Y轴移动托板；4-并联机构底座连接机构；5-并联机构电缸；6-并联机构球铰；7-并联机构上平台；8-并联机构下平台；9-串联机构转动台；10-并联机构底座连接轴承座；11-电缸耳片；12-并联机构底座连接阶梯轴；13-电缸缸套；14-电缸丝杠。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
本发明为解决其问题所采用的技术方案是：采用串并联机构为整个调姿工装的主体结构；控制托板三个方向以及并联机构的三个运动轴，共六个轴的运动；外围加入激光跟踪仪进行调姿过程中的测量。
1、机械结构
本发明选择采用串并联机构作为调姿设备的主要机械结构，如图1所示，其包括串联机构部分和并联机构部分。串联机构部分包含X轴向运动托板、Y向运动托板、以及绕Z轴转动台；并联机构部分采用3RPS并联机构，由3个电动缸、上平台、下平台、3个球铰、3个底座连接结构组成。整个调姿机构具有6自由度调姿，可以对飞机中小部件实现精确、灵活的调姿。
2、调姿系统
它包含主要的机械部分、控制部分以及外围测量部分三部分。其中机械部分包括：如图9所示，具有沿X、Y轴移动以及绕Z轴转动的串联机构，具有沿Z轴移动以及绕X、Y轴转动的并联机构，将串联机构与并联机构组合而成的串并联机构；控制部分：六个运动轴的控制器、一个多轴运动控制卡、以及一台工控机组成的上下位机控制系统，其中多轴运动控制卡一端连接工控机，另一端连接六个运动轴的控制器；测量部分：采用激光跟踪仪对调姿串并联机构进行测量。
3、调姿方法
本飞机部件调姿工艺方法是采用上述以串并联机构为机械结构的调姿设备为调姿对接的主要部分，在调姿设备旁边放置激光跟踪仪作为调资过程中的测量设备。具体步骤如下：
步骤一：将所要调姿的飞机部件固定于调姿平台上；
步骤二：利用水平仪对并联机构定平台进行调平。然后利用激光跟踪仪测量定平台上三个靶标测量点的实际位置参数，在SA软件上与理论模型中的位置参数进行拟合后，便可通过这三点构造并联机构全局坐标系，即定坐标系，则可进行后续的数据测量工作。
步骤三：采用激光跟踪仪测量动平台上三个靶标测量点的方法来确定动平台在空间中的实际位姿参数，即通过测量点P1、P2、P3在定坐标系O-XYZ中坐标值，进而计算出动平台中心点P在定坐标系中的位置坐标(XP，YP，ZP)以及计算动平台的姿态参数(α，β)。
步骤四：利用平台的姿态变化规律，运用运动学分析中的并联机构位姿反解算法求解出六根驱动轴的伸缩量，将求得的伸缩量转换为伺服电机的转数，用运动控制卡发出脉冲指令，控制伺服电机按所给出的转数转动，使动平台运动到指定位姿。
步骤五：利用激光跟踪仪测量动平台上三个测量点在定坐标系中的坐标值，即可求解得到当前实际位姿的数值，通过比较当前实际位姿参数与理论位姿参数便可得到动平台的位姿误差。
步骤六：将得到的位姿误差与飞机部件的调姿对接误差对比，如果误差大于调姿对接的允许误差将重复步骤四、五、六直到最后达到允许误差范围内。
如图10所示，动平台上测量点P1、P2、P3与动平台球铰点均匀分布于同一圆周上，三个测量点在定坐标系O-XYZ中的位置矢量分别为P1＝[X1,Y1,Z1]T,P2＝[X2,Y2,Z2]T,P3＝[X3,Y3,Z3]T，则可得动平台中心点P在定坐标系位置参数为：
动平台的姿态可以通过动平台所在平面的单位法向量求解，设(l,m,n)为动平台三个测量点所在空间平面的法向量，则有
解上式可得：
则动平台单位法向量即动坐标系z轴在定坐标系中的方向余弦为：
因为旋转变换矩阵的第三列所表示的正是动坐标系的z轴在定坐标系中的方向余弦，故有：
解上式可得：
从而可以得到动平台的实际位姿的表达式为：
Claims (1)
1.一种使用调姿系统对飞机部件进行的调姿方法，调姿系统包括串并联机械结构、控制部分以及外围测量部分，其中串并联机械结构包括串并联机构底座(1)、串联机构X轴移动托板(2)、串联机构Y轴移动托板(3)、串联机构转动台(9)、并联机构底座连接机构(4)、并联机构电缸(5)、并联机构球铰(6)、并联机构上平台(7)和并联机构下平台(8)；串并联机构底座(1)位于最下面，往上依次为串联机构X轴移动托板(2)、串联机构Y轴移动托板(3)和串联机构转动台(9)；并联机构下平台(8)位于串联机构转动台(9)上，在并联机构下平台(8)上设有3个并联机构底座连接机构(4)，并联机构底座连接机构(4)上连接并联机构电缸(5)，并联机构电缸(5)通过并联机构球铰(6)与并联机构上平台(7)连接；所述的串联机构X轴移动托板(2)、串联机构Y轴移动托板(3)、串联机构转动台(9)和3个并联机构电缸(5)内设有伺服电机；所述的控制部分：六个运动轴的控制器、一个多轴运动控制卡、以及一台工控机组成的上下位机控制系统，其中多轴运动控制卡一端连接工控机，另一端连接六个运动轴的控制器，所述的六个运动轴为串联机构X轴移动托板(2)、串联机构Y轴移动托板(3)、串联机构转动台(9)和3个并联机构电缸(5)；所述的外围测量部分：采用激光跟踪仪对调姿串并联机构进行测量；其特征在于步骤如下：
步骤1：将所要调姿的飞机部件固定于并联机构上平台(7)上；
步骤2：利用水平仪对并联机构下平台(8)进行调平，然后利用激光跟踪仪测量并联机构下平台(8)上三个靶标测量点M1、M2、M3的实际位置参数，在SA软件上与理论模型中的位置参数进行拟合后构造并联机构全局坐标系，即定坐标系O-XYZ；
步骤3：采用激光跟踪仪测量并联机构上平台(7)上三个靶标测量点P1、P2、P3在定坐标系O-XYZ中坐标值P1＝[X1,Y1,Z1]T,P2＝[X2,Y2,Z2]T,P3＝[X3,Y3,Z3]T；
计算并联机构上平台(7)中心点P在定坐标系中的位置坐标(XP，YP，ZP)：
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步骤4：利用平台的姿态变化规律，运用运动学分析中的并联机构位姿反解算法由中心点P在定坐标系中的位置坐标和姿态参数(α，β)求解出串联机构X轴移动托板(2)、串联机构Y轴移动托板(3)、串联机构转动台(9)和3个并联机构电缸(5)的伸缩量，将求得的伸缩量转换为与串联机构X轴移动托板(2)、串联机构Y轴移动托板(3)、串联机构转动台(9)和3个并联机构电缸(5)相对应的伺服电机的转数，串并联机械结构运动到指定位姿；
步骤5：利用激光跟踪仪测量调整后的并联机构下平台(8)上三个靶标测量点M1、M2、M3在定坐标系中的坐标值，即可求解得到当前实际位姿的数值，通过比较当前实际位姿参数与理论位姿参数便可得到动平台的位姿误差；
步骤6：将得到的位姿误差与飞机部件的调姿对接误差对比，如果误差大于调姿对接的允许误差将重复步骤三、四、五直到最后达到允许误差范围内。
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