CN109032072B - 一种双并联杆钻铆设备的法矢调姿及其偏移补偿方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双并联杆钻铆设备的法矢调姿及其偏移补偿方法，步骤S100：进行工件在双并联杆钻铆设备上的安装；步骤S200：进行双并联杆结构特征参数其机械坐标值的标定；步骤S300：计算法矢调整量；步骤S400：结合步骤S200中获得的各数控轴在机床坐标系中的实际位置值和步骤S300中计算出的法矢调整量，由计算模块通过偏移补偿算法计算各轴相应的偏移补偿量；步骤S500：可编程控制器通过伺服驱动控制器驱动驱动装置实现多轴联动以完成钻铆时的法矢调姿及其偏移补偿。本发明能够有效解决双并联杆结构特征参数无法理论计算和双曲度工件加工中心点法矢调姿及补偿偏移的问题，保证了基准数据的准确性，法矢调姿快速、准确。

Description

一种双并联杆钻铆设备的法矢调姿及其偏移补偿方法
技术领域
本发明涉及航空制造领域，适用于双并联杆钻铆设备，具体的说，是一种双并联杆钻铆设备的法矢调姿及其偏移补偿方法。
背景技术
双并联杆钻铆设备主要加工对象为双曲度航空工件，该类工件的实际模型与理论数据相差较远，为了完成法矢钻铆要求采用的工艺为适应性加工，即针对实际工件形状，现场采用传感器进行法矢检测、法矢调姿、偏移补偿等手段。
针对双并联杆钻铆设备，传统的法矢调整解决办法是：在其安装完成后，需要对其相关的机械位置进行位置标定，包括Z，W轴在机床坐标系中的位置以及加工中心点在机床坐标系中的位置等，由于该设备调姿部件尺寸最长有13米左右，加上装配误差，只得实际测量；而为了实现法矢检测与偏移补偿同时进行，电气控制采用可编程控制器(PLC)读取传感器的测量值，运算处理后，与数控单元(NCU)采用数据交换，参数读写，这种方式具有以下缺点：1)、使用卷尺测量会产生较大的误差，数据准确度不高，最后调整出来姿态误差较大，还需人工干预；2)、调整过程操作工需要不断地进行修正，花费了大量的时间，效率较低；3)、频繁读取系统变量，响应较慢，容易造成系统“死机”，整个系统只能断电重启；4)、增加操作工工作强度的同时，降低了生产效率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种双并联杆钻铆设备的法矢调姿及其偏移补偿方法，在使用双并联杆钻铆设备对复杂双曲度工件进行加工时，针对复杂双曲度工件法矢加工要求，解决钻铆加工中心点法矢调姿及偏移智能补偿的问题，提升其工作精度，提高生产效率，降低人工劳动强度。
本发明通过下述技术方案实现：一种双并联杆钻铆设备的法矢调姿及其偏移补偿方法，用于钻铆加工数控系统的法矢调姿及其偏移补偿，人为调整各数控轴，由可编程控制器获取人为调整过程中各数控轴数据、双并联杆结构特征参数反向计算得到各数控轴的特征参数，结合位移传感器值计算得到的法矢偏角计算得到法矢调整量、偏移补偿量，多轴联动完成法矢调姿及其偏移补偿。
进一步地，为了更好的实现本发明，所述数控系统设置有与工件加工中心点对应设置的位移传感器；所述法矢调姿及其偏移补偿方法为记录人为调整的各数控轴数据，反向计算进行特征参数其机械坐标值的标定并获得各数控轴的实际位置值，然后利用可编程控制器获取位移传感器值，得到工件在加工中心点的法矢偏角，计算得到法矢调整量，再根据双并联杆结构特征参数计算相应各数控轴的偏移补偿量，将各数控轴的实际位置值、法矢调整量、偏移补偿量同时汇总到数控系统，多轴联动完成法矢调姿及其偏移补偿。
进一步地，为了更好的实现本发明，所述记录人为调整的各数控轴数据，具体是指先找准加工中心点，通过人工分别多次旋转A旋转轴以及Z轴、W轴差动形成的虚拟B角，在不同状态下手动移动各直线坐标轴重新对准加工中心点，记下相应的机械坐标值。
进一步地，为了更好的实现本发明，所述反向计算是指利用几何矩阵关系推导得出的数学公式进行计算。
进一步地，为了更好的实现本发明，所述数控系统包括数控单元和分别与数控单元连接的四个安装在钻铆设备末端执行器上的区域位移传感器、一个用于定位加工中心点的目标位移传感器，数控单元包括依次连接的模拟量输入模块、内置计算模块的可编程控制器、伺服驱动控制器、驱动装置；所述四个区域位移传感器射出的测试线在工件表面形成四个测试点且四个测试点形成一个四边形；所述目标位移传感器为激光位移传感器，射出的激光点位于四边形内；
所述法矢调姿及其偏移补偿方法具体包括以下步骤：
步骤S100：进行工件在双并联杆钻铆设备上的安装，即先确认双并联杆钻铆设备的并联机构在机床坐标系中的位置，然后安放工件并使工件上待钻铆的加工中心点与加工主轴对应；
步骤S200：完成步骤S100后，进行双并联杆结构特征参数其机械坐标值的标定，即通过人为模拟调整，由模拟量输入模块记录各数控轴数据并通过计算模块反向计算以获得双并联杆结构各数控轴在机床坐标系中的实际位置值；
步骤S300：与步骤S200同时计算出法矢调整量，即利用可编程控制器分别读取区域位移传感器值、目标位移传感器值，获得加工主轴末端与加工中心点的距离，通过法矢偏角算法得到工件其加工中心点的法矢偏角，并由计算模块计算出法矢调整量；
步骤S400：结合步骤S200中获得的各数控轴在机床坐标系中的实际位置值和步骤S300中计算出的法矢调整量，由计算模块通过偏移补偿算法计算各数控轴相应的偏移补偿量；
步骤S500：可编程控制器将各数控轴在机床坐标系中的实际位置值、法矢调整量、各数控轴相应的偏移补偿量同时计算并编制成数控加工子程序，一次性生成程序指令值，通过伺服驱动控制器驱动驱动装置实现多轴联动以完成钻铆时的法矢调姿及其偏移补偿。
进一步地，为了更好的实现本发明，所述步骤S100具体是指，将双并联杆钻铆设备的加工主轴沿Z轴方向设置，先在机床坐标系中确认并联机构的一端在W轴的位置且并联机构的另一端在Z轴的位置，再确认加工中心点落在由四个区域位移传感器射出的测试点形成的四边形的中心，对蒙皮表面的测试点进行清晰的标记；标记后分别读取第一区域位移传感器、第二区域位移传感器、第三区域位移传感器、第四区域位移传感器这四个区域位移传感器的值S1、S2、S3、S4，并调取第一区域位移传感器与第二区域位移传感器之间的中心距L12、第三区域位移传感器与第四区域位移传感器之间的中心距L34，建立数学模型，得到蒙皮表面加工中心点与钻铆主轴间距离h。
进一步地，为了更好的实现本发明，所述步骤S200具体包括以下步骤：
步骤S210：保持A旋转轴处于0°不变，标定B虚拟旋转轴特征参数XZ(B)、XW(B)、ZD(B)；
步骤S220：标定A旋转轴特征参数XZ(A)、XW(A)、YD(A)、ZD(A)；
步骤S230：根据步骤S210中标定的B虚拟旋转轴特征参数和步骤S220中标定A旋转轴特征参数，计算双并联杆各旋转轴中心点在机床坐标系中的位置XZ、XW、YD、ZD；
所述步骤S300具体包括以下步骤：
步骤S310：根据四个区域位移传感器的值S1、S2、S3、S4及对角中心距L12、L34，计算加工中心点沿X轴方向的法矢偏角θ、加工中心点沿Y轴方向的法矢偏角Φ；
步骤S320：根据法矢偏角θ、Φ计算出托架A旋转轴的增量Δa、托架B虚拟旋转轴的增量Δb；
所述步骤S400具体包括以下步骤：
步骤S410：以加工中心点为圆心，托架单独旋转法矢偏角Φ，计算得到直线轴X、Y、Z、W需适当调整的位置x22、y22、z22、w22，得到A旋转轴法矢调节对应的各轴的补偿量ΔXA、ΔYA、ΔZA、ΔWA、Δa；
步骤S420：以加工中心点为圆心，托架单独旋转法矢角度θ，计算得到直线轴X、Y、Z、W需适当调整的位置x33、z33、w33，得到B虚拟旋转轴法矢调节对应的各轴的补偿量ΔXB、ΔYB、ΔZB、ΔWB；
步骤S430：综合法矢偏角Φ和θ调整需要，各数控轴需要移动定位增量值，即各数控轴相应的偏移补偿量ΔX、ΔY、ΔZ、ΔW、Δa。
进一步地，为了更好的实现本发明，所述步骤S210中标定B虚拟旋转轴特征参数XZ(B)、XW(B)、ZD(B)，具体包括以下步骤：
步骤S211：人为调整各数控轴，使目标位移传感器射出的激光点与加工中心点重合并作为标记点，记录此时各轴机械坐标值：x1、y1、z1、w1、u1、a1、h1；
步骤S212：调整Z轴、W轴实现虚拟B轴的旋转，再移动各直线坐标轴，使激光点与标记点重新重合，并使h2＝h1，记录此时各轴机械坐标值：
x2、y2、z2、w2、u2、a2、h2，其中h2＝h1＝h、y2＝y1、a2＝a1；
步骤S213：重复步骤S211至步骤S212，得到至少5组数据并分别记录在表格中；
步骤S214：任选步骤S213中2组数据，结合克莱姆法则，计算B虚拟旋转轴的特征参数XZ(B)、XW(B)、ZD(B)，具体算法如下：
Figure BDA0001747892820000041
Figure BDA0001747892820000042
Figure BDA0001747892820000043
其中：
A1＝2(x1-x2) (001)
B1＝0 (002)
C1＝2(z1-z2) (003)
D1＝(x1+x2)(x1-x2)+(z1+z2+2h)(z1-z2) (004)
A2＝0 (005)
B2＝2(x1-x2+u1-u2) (006)
C2＝2(w1-w2) (007)
D2＝(x1+x2+u1+u2)(x1-x2+u1-u2)+(w1+w2+2h)(w1-w2) (008)
A3＝2(u1-u2) (009)
B3＝-2(u1-u2) (010)
C3＝0 (011)
D3＝(z1+z2-w1-w2)(z2-z1-w2+w1)-(u1+u2)(u1-u2)(012)
将计算式(001)、(002)、(003)、(004)、(005)、(006)、(007)、(008)、(009)、(010)、(011)、(012)代入(G1)、(G2)、(G3)中，即可计算得到B虚拟旋转轴的特征参数XZ(B)、XW(B)、ZD(B)；
所述步骤S220所述标定A旋转轴特征参数XZ(A)、XW(A)、YD(A)、ZD(A)，具体包括以下步骤：
步骤S221：移动Z轴、W轴使B虚拟旋转轴对应的B角不处于0°位置，使激光点对准标记点，记录当前各轴机械坐标值x1'、y1'、z1'、w1'、u1'、a1'、h1'；
步骤S222：旋转A轴，第二次移动各直线坐标轴，使激光点与标记点重新重合，并使标记点处于同一高度即h2'＝h1'，记录各轴机械坐标值：x2'、y2'、z2'、w2'、u2'、a2'、h2'；
步骤S223：旋转A轴，第三次移动各直线坐标轴，使激光点与标记点重新重合，并使标记点处于同一高度即h3'＝h1'，记录各轴机械坐标值：x3'、y3'、z3'、w3'、u3'、a3'、h3'；
步骤S224：旋转A轴，第四次移动各直线坐标轴，使激光点与标记点重新重合，并使标记点处于同一高度即h4'＝h1'，记录各轴机械坐标值：x4'、y4'、z4'、w4'、u4'、a4'、h4'；
步骤S225：重复步骤S221至步骤S224，得到至少5组数据并分别记录在表格中，其中h4'＝h3'＝h2'＝h1'＝h；
步骤S226：任选步骤S225中2组数据计算出特征参数YDZ、ZDZ、YDW、ZDW；其中，YDZ表示利用Z轴坐标变化计算得到的特征参数YD，ZDZ表示利用Z轴坐标变化计算得到的特征参数ZD；YDW表示利用W轴坐标变化计算得到的特征参数YD，ZDW表示利用W轴坐标变化计算得到的特征参数ZD；YDZ、ZDZ、YDW、ZDW；
步骤S227：根据步骤S226中YDZ、ZDZ、YDW、ZDW计算出A旋转轴的特征参数XZ(A)、XW(A)、YD(A)、ZD(A)。
所述步骤S230中各旋转轴中心点在机床坐标系中的位置XZ、XW、YD、ZD。
进一步地，为了更好的实现本发明，所述步骤S310中法矢偏角θ、Φ由步骤S100中的区域位移传感器的值S1、S2、S3、S4和两区域位移传感器间中心距L12、L34计算得到；
所述步骤S320中托架A旋转轴的增量Δa、托架B虚拟旋转轴的增量Δb由步骤S310中法矢偏角θ、Φ得到，调整方法如下：
若S1＞S2，A旋转轴负向旋转且旋转角度|Φ|；
若S1＝S2，A旋转轴处于0°位置；
若S1＜S2，A旋转轴正向旋转且旋转角度|Φ|；
若Δb＞0，S3＞S4，则Z轴负向运动，W轴正向运动；
若S3＝S4，B虚拟旋转轴处于0°位置；
若S3＜S4，Z轴正向运动，W轴负向运动。
所述直线轴Z轴和直线轴W轴的运动距离不影响B虚拟旋转轴的旋转角度，此时根据S3、S4传感器高低位置来判断B虚拟旋转轴是处于正向角度还是负向角度。
进一步地，为了更好的实现本发明，所述步骤S410以加工中心点为圆心，托架单独旋转法矢偏角Φ，直线轴X、Y、Z、W需适当调整的位置x22、y22、z22、w22，由于对应W轴，其A、B旋转轴交点坐标可以表示为(XW-u，y，w)，初始坐标为(XW-u1，y1，w1)，旋转偏移补偿后的坐标为(XW-u2，y2，w2)，满足W2-W1＝Z2-Z1，其中u2为无需调节控制的自适应值，b1为旋转前的角度，所以根据x22、y22、z22、w22得到A旋转轴法矢调节对应的各轴的补偿量ΔXA、ΔYA、ΔZA、ΔWA、Δa；
步骤S420：以加工中心点为圆心，托架单独旋转法矢角度θ，计算得到直线轴
X、Y、Z、W需适当调整的位置x33、z33、w33，其中Y轴方向无偏移量，即ΔYB＝0；
步骤S430：所述各数控轴相应的偏移补偿量ΔX、ΔY、ΔZ、ΔW、Δa计算式如下：
ΔX＝ΔXA+ΔXB
ΔY＝ΔYA+ΔYB
ΔZ＝ΔZA+ΔZB
ΔW＝ΔWA+ΔWB
Δa＝-Φ。
进一步地，为了更好的实现本发明，所述步骤S500中法矢调姿及其偏移补偿的操作具体是指：通过伺服驱动控制器，驱动驱动装置，使加工中心点处XY平面的法矢偏角θ、Φ均等于0°，即控制旋转轴A调整角度θ、控制数控轴Z轴与W轴调整角度Φ及Z向高度、同时各轴根据偏移补偿量ΔX、ΔY、ΔZ、ΔW、Δa多轴联动，完成法矢调姿及其偏移补偿。
本发明通过人为调整记录各轴数据并反向计算进行结构特征参数的标定；利用可编程控制器读取相应位移传感器值，获得双曲面蒙皮加工中心点的法矢偏角，计算得出法矢调整量；再根据双并联杆结构特征参数计算相应各数控轴的偏移补偿量；同时，将各轴坐标值获取、法矢调整量计算、偏移补偿量计算等全过程编制成数控加工子程序，利用数控系统响应快速、准确定位的特点，一次性生成程序指令值，多轴联动完成法矢调姿及加工点偏移补偿。
本发明适用于双并联杆钻铆设备，特别适合设备本身结构无法理论计算，且其产品是没有理论模型、易变形的复杂双曲度工件的法矢调姿及偏移补偿。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：
(1)本发明通过人为调整以记录各轴机械坐标值进行双并联杆钻铆设备结构的特征参数标定，并采集区域位移传感器值和目标位移传感器值以计算出法矢偏角并反向映射法矢调节量，同时根据标定的设备结构的特征参数和法矢调节量计算出各轴对应的偏移补偿量，通过数控单元同时进行特征参数标定、法矢检测、法矢调节量计算、偏移补偿量计算，并编制成数控加工子程序，利用数控系统响应快速、定位准确的特点，一次性生成完整的程序指令值，使得多轴联动快速完成法矢调姿及加工点偏移补偿；
(2)本发明能够有效地解决双并联杆结构特征参数无法理论计算和双曲度工件加工中心点法矢调姿及偏移补偿的问题，保证了基准数据的准确性，提高了法矢调姿的快速性和准确性，减少了人工参与度，降低了调节时间，提高设备的自动化程度，减小人为误差的引入，同时采用数控系统控制的方式充分发挥系统响应快速的优点，降低工件调姿过程中的抖动；
(3)本发明摒弃实用卷尺测量会产生较大误差的缺陷；
(4)本发明可实现一次性法矢调姿和偏移补偿，无需多次修正；
(5)本发明中的算法简单、数控单元运算量较小、不用频繁调用系统变量、相应迅速；
(6)本发明可以有效提高工人的工作效率、降低其工作强度。
附图说明
图1为本发明涉及的双并联杆钻铆设备的机床结构图；
其中：3-并联机构A端，5-加工中心点，6-第三区域位移传感器，7-第二区域位移传感器，8-加工主轴，9-第一区域位移传感器，10-第四区域位移传感器，12-双曲面蒙皮，14-并联机构B端。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
本发明中法矢偏角算法，基于已授权发明专利：一种自动钻铆机器人的法向找正方法；授权公告号：CN 102284956 B。
实施例1：
本实施例中以双曲面蒙皮12作为待进行钻铆加工的工件，用带双并联杆结构的钻铆机床对其进行钻铆加工。若采用现有技术对加工中心点5的法矢调姿，由于双并联杆钻铆设备结构特征参数的机械位置无法理论获取，严重影响法矢调姿的精度。本实施例具体说明法矢调姿及偏移补偿方法：
如图1所示，一种双并联杆钻铆设备的机床结构图，双并联杆钻铆设备上配置四个安装在钻铆设备末端执行器上的区域位移传感器、一个用于定位加工中心点5的目标位移传感器，四个区域位移传感器射出的测试线在双曲面蒙皮12表面形成四个测试点且四个测试点形成一个四边形；所述目标位移传感器为激光位移传感器，射出的激光点位于四边形其对角线交点。清晰标记各激光点，便于重新对准。所述区域位移传感器、目标位移传感器分别与数控单元连接，数控单元包括依次连接的模拟量输入模块、内置计算模块的可编程控制器、伺服驱动控制器、驱动装置。
如图1所示，第一区域位移传感器9、第二区域位移传感器7、第三区域位移传感器6、第四区域位移传感器10，四个区域位移传感器安装在钻铆设备末端执行器上，通常安装在以刀具工作主轴为中心轴的圆柱面上且第三区域位移传感器6、第四区域位移传感器10沿X轴方向安装，同时第一区域位移传感器9、第二区域位移传感器7沿Y轴方向安装。通常情况，四个区域位移传感器与刀具其加工主轴8成45°夹角进行固定安装，可以使得区域位移传感器打到工件表面的测试线在不交叉的前提下又足够靠拢，即四束测试线落在工件表面形成四边形的面积尽可能小，以提高法矢偏角的精度。加工中心点5位于四边形内，第一区域位移传感器9、第二区域位移传感器7、第三区域位移传感器6、第四区域位移传感器10分别一一对应位移值S1、S2、S3、S4，且S1、S2、S3、S4由连接的模拟量输入模块采集并输送至可编程控制器。所述目标位移传感器获得加工中心点Z向高度值。
所述法矢调姿及其偏移补偿方法包括以下步骤：
步骤S100：进行工件在双并联杆钻铆设备上的安装，将双并联杆钻铆设备的加工主轴沿Z轴方向设置，先在机床坐标系中确认并联机构的一端在W轴的位置且并联机构的另一端在Z轴的位置，调整双曲面蒙皮12上加工中心点与钻铆主轴对应，利用可编程控制器分别读取区域位移传感器值、目标位移传感器值(S1、S2、S3、S4及L12、L34)，获得加工主轴末端与加工中心点的距离h；
步骤S200：完成步骤S100后，进行双并联杆结构特征参数其机械坐标值(B虚拟旋转轴特征参数XZ(B)、XW(B)、ZD(B)，A旋转轴特征参数XZ(A)、XW(A)、YD(A)、ZD(A))的标定，即通过人为模拟调整，由模拟量输入模块记录各数控轴数据并通过计算模块反向计算以获得双并联杆结构各数控轴在机床坐标系中的实际位置值(XZ、XW、YD、ZD)；
步骤S300：与步骤S200同时计算出法矢调整量，即根据区域位移传感器值、目标位移传感器值(S1、S2、S3、S4及L12、L34)，通过法矢偏角算法得到工件其加工中心点的法矢偏角(θ、Φ)，并由计算模块计算出法矢调整量(Δa、Δb)；
步骤S400：结合步骤S200中获得的各数控轴在机床坐标系中的实际位置值(XZ、XW、YD、ZD)和步骤S300中计算出的法矢调整量(Δa、Δb)，由计算模块通过偏移补偿算法计算各数控轴相应的偏移补偿量(ΔX、ΔY、ΔZ、ΔW、Δa)；
步骤S500：可编程控制器将各数控轴在机床坐标系中的实际位置值、法矢调整量、各数控轴相应的偏移补偿量同时计算并编制成数控加工子程序，一次性生成程序指令值，通过伺服驱动控制器驱动驱动装置实现多轴联动以完成钻铆时的法矢调姿及其偏移补偿。
所述步骤S100所述的双并联杆结构特征参数的标定可以是一次性标定，也可以是定期复查。激光位移传感器打在工件表面的激光点要尽量清晰、准确，激光点可以与加工中心点5重合也可以任选工件表面一点。为了精准计算待钻铆处的法矢偏角，一般将激光点与加工中心点5重合并作为标记点，方便后续操作重新定位标记点。
本发明是一种双并联杆钻铆设备的法矢调姿及偏移补偿方法，解决了如何通过人为模拟调整、记录各轴数据并反向标定出钻铆设备结构特征参数的实际机械位置值；通过数控单元中可编程控制器得到区域位移传感器的位置，得到双曲面蒙皮12在X轴方向的误差角度θ(即法矢的在X轴方向的分量)、Y轴方向的误差角度Φ(即法矢的在Y轴方向的分量)，并利用目标位移传感器获得加工中心点5其Z轴方向的高度值。
由于钻铆设备末端执行器的加工主轴8为Z轴方向设置，为了调整双曲度蒙皮这一工件的加工中心点5的法矢姿态，即在加工中心点5处与XY平面平行的平面内对应的法矢分量θ、Φ应当接近0°，需要控制托架的A旋转轴调整角度θ、控制Z轴、W轴调整角度Φ及Z向高度，同时根据双并联杆结构特征参数计算相应的X、Y、Z、W、A轴对应的偏移量，同时多轴联动完成法矢调姿及加工点偏移补偿。
实施例2：
本实施例在实施例1的基础上做进一步优化，具体如下：
步骤S100：读取S1、S2、S3、S4及L12、L34，获得h。
步骤S200：手动调整各数控轴并记录以下数据：
1、步骤S211中，首次找准加工中心点时对应各数控轴机械坐标值x1、y1、z1、w1、u1、a1、h1；
2、步骤S212中，调整B角后对应各数控轴机械坐标值x2、y2、z2、w2、u2、a2、h2；
3、步骤S221中，B角非0°时，对应各数控轴机械坐标值x1'、y1'、z1'、w1'、u1'、a1'、h1'；
4、步骤S222中，旋转A轴，第二次移动各直线坐标轴，对应各数控轴机械坐标值x2'、y2'、z2'、w2'、u2'、a2'、h2'；
5、步骤S223中，旋转A轴，第三次移动各直线坐标轴，对应各数控轴机械坐标值x3'、y3'、z3'、w3'、u3'、a3'、h3'；
6、步骤S224中，旋转A轴，第四次移动各直线坐标轴，对应各数控轴机械坐标值x4'、y4'、z4'、w4'、u4'、a4'、h4'；
其中h2＝h1＝h、h4'＝h3'＝h2'＝h1'＝h、y2＝y1、a2＝a1；
根据下列计算式：
Figure BDA0001747892820000101
Figure BDA0001747892820000102
Figure BDA0001747892820000103
Figure BDA0001747892820000104
Figure BDA0001747892820000105
Figure BDA0001747892820000106
Figure BDA0001747892820000107
Figure BDA0001747892820000108
Figure BDA0001747892820000109
Figure BDA00017478928200001010
Figure BDA00017478928200001011
Figure BDA00017478928200001012
Figure BDA0001747892820000111
YD＝YD(A) (G14)
Figure BDA0001747892820000112
其中：
A1＝2(x1-x2) (001)
B1＝0 (002)
C1＝2(z1-z2) (003)
D1＝(x1+x2)(x1-x2)+(z1+z2+2h)(z1-z2) (004)
A2＝0 (005)
B2＝2(x1-x2+u1-u2) (006)
C2＝2(w1-w2) (007)
D2＝(x1+x2+u1+u2)(x1-x2+u1-u2)+(w1+w2+2h)(w1-w2) (008)
A3＝2(u1-u2) (009)
B3＝-2(u1-u2) (010)
C3＝0 (011)
D3＝(z1+z2-w1-w2)(z2-z1-w2+w1)-(u1+u2)(u1-u2) (012)
A1＝2(x1'-x2') (013)
B1＝2(y1'-y2') (014)
C1＝2(z1'-z2') (015)
D1＝[x1'2+y1'2+(z1'+h)2]-[x2'2+y2'2+(z2'+h)2] (016)
A2＝2(x1'-x3') (017)
B2＝2(y1'-y3') (018)
C2＝2(z1'-z3') (019)
D2＝[x1'2+y1'2+(z1'+h)2]-[x3'2+y3'2+(z3'+h)2] (020)
A3＝2(x1'-x4') (021)
B3＝2(y1'-y4') (022)
C3＝2(z1'-z4') (023)
D3＝[x1'2+y1'2+(z1'+h)2]-[x4'2+y4'2+(z4'+h)2] (024)
E1＝2(w1'-w2') (025)
F1＝[(x1'+u1')2+y1'2+(w1'+h)2]-[(x2'+u2')2+y2'2+(w2'+h)2] (026)
E2＝2(w1'-w3') (027)
F2＝[(x1'+u1')2+y1'2+(w1'+h)2]-[(x3'+u3')2+y3'2+(w3'+h)2] (028)
E3＝2(w1'-w4') (029)
F3＝[(x1'+u1')2+y1'2+(w1'+h)2]-[(x4'+u4')2+y4'2+(w4'+h)2] (030)
将计算式(001)至(030)带入(G1)至(G15)，由(G12)至(G15)得双并联杆各旋转轴中心点在机床坐标系中的位置XZ、XW、YD、ZD。
步骤S300：调取S1、S2、S3、S4及L12、L34，结合下列计算式：
Figure BDA0001747892820000121
Figure BDA0001747892820000122
Figure BDA0001747892820000123
Figure BDA0001747892820000124
即得法矢偏角θ、Φ，法矢调整量Δa、Δb。
步骤S400：结合下列计算式：
Figure BDA0001747892820000125
Figure BDA0001747892820000126
Figure BDA0001747892820000127
w22＝z22 (034)
Figure BDA0001747892820000131
Figure BDA0001747892820000132
Zd＝ZD-h (037)
ΔXA＝x22-x1 (038)
ΔYA＝y22-y1 (039)
ΔZA＝z22-z1 (040)
ΔWA＝w22-w1 (041)
ΔXB＝x33-x1 (042)
ΔZB＝z33-z1 (043)
ΔWB＝w33-w1 (044)
x33＝XZ+(x1-XZ)·cos θ+[z1-(ZD-h)]·sin θ (045)
z33＝ZD-h+[z1-(ZD-h)]·cos θ-(x1-XZ)·sin θ (046)
w33＝ZD-h+[w1-(ZD-h)]·cos θ-[x1-(XW-u1)]·sin θ (047)
以及：
Figure BDA0001747892820000133
Figure BDA0001747892820000134
Figure BDA0001747892820000135
Figure BDA0001747892820000136
ΔXB＝-(x1-XZ)·(1-cos θ)+[z1-(ZD-h)]·sin θ (Z5)
ΔYB＝0 (Z6)
ΔZB＝-[z1-(ZD-h)]·(1-cos θ)-(x1-XZ)·sin θ (Z7)
ΔWB＝-[w1-(ZD-h)]·(1-cos θ)-[x1-(XW-u1)]·sin θ (Z8)
ΔX＝ΔXA+ΔXB (Z9)
ΔY＝ΔYA+ΔYB (Z10)
ΔZ＝ΔZA+ΔZB (Z11)
ΔW＝ΔWA+ΔWB (Z12)
得到：
ΔX＝-{(x1-XZ)·sin b1
+[z1-(ZD-h1)]·cos b1}·(1-cos Φ)·sin b1
+(y1-YD)·sin Φ·sin b1
-(x1-XZ)·(1-cos θ)
+[z1-(ZD-h1)]·sin θ (B1)
ΔY＝-{(x1-XZ)·sin b1
+[z1-(ZD-h1)]·cos b1}·sin Φ
-(y1-YD)·(1-cos Φ) (B2)
ΔZ＝-{(x1-XZ)·sin b1
+[z1-(ZD-h1)]·cos b1}·(1-cos Φ)·cos b1
+(y1-YD)·sin Φ·cos b1
-[z1-(ZD-h1)]·(1-cos θ)-(x1-XZ)·sin θ (B3)
ΔW＝-{(x1-XZ)·sin b1
+[z1-(ZD-h1)]·cos b1}·(1-cos Φ)·cos b1
+(y1-YD)·sin Φ·cos b1
-[w1-(ZD-h1)]·(1-cos θ)-[x1-(XW-u1)]·sin θ (B4)
Δa＝-Φ (B5)
将步骤S100、步骤S200、步骤S300中数据带入计算式(B1)至(B5)，即得偏移补偿量ΔX、ΔY、ΔZ、ΔW、Δa。
步骤S500：多轴联动以完成钻铆时的法矢调姿及其偏移补偿的动作。
若S1＞S2，A旋转轴负向旋转且旋转角度|Φ|；
若S1＝S2，A旋转轴处于0°位置；
若S1＜S2，A旋转轴正向旋转且旋转角度|Φ|；
若Δb＞0，S3＞S4，则Z轴负向运动，W轴正向运动；
若S3＝S4，B虚拟旋转轴处于0°位置；
若S3＜S4，Z轴正向运动，W轴负向运动。
实施例3：
本实施例重点说明法矢调整量及偏移补偿量的算法：
Figure BDA0001747892820000151
Figure BDA0001747892820000152
ΔX＝-{(x1-XZ)·sin b1
+[z1-(ZD-h1)]·cos b1}·(1-cos Φ)·sin b1
+(y1-YD)·sin Φ·sin b1
-(x1-XZ)·(1-cos θ)
+[z1-(ZD-h1)]·sin θ (B1)
ΔY＝-{(x1-XZ)·sin b1
+[z1-(ZD-h1)]·cos b1}·sin Φ
-(y1-YD)·(1-cos Φ) (B2)
ΔZ＝-{(x1-XZ)·sin b1
+[z1-(ZD-h1)]·cos b1}·(1-cos Φ)·cos b1
+(y1-YD)·sin Φ·cos b1
-[z1-(ZD-h1)]·(1-cos θ)-(x1-XZ)·sin θ (B3)
ΔW＝-{(x1-XZ)·sin b1
+[z1-(ZD-h1)]·cos b1}·(1-cos Φ)·cos b1
+(y1-YD)·sin Φ·cos b1
-[w1-(ZD-h1)]·(1-cos θ)-[x1-(XW-u1)]·sin θ (B4)
Δa＝-Φ (B5)
其中：
(1)x1、y1、z1、w1、u1、h1为步骤S200中各轴法矢调姿前对应的机械坐标值；
(2)XZ、XW、YD、ZD为从步骤S200中获得的4个定值；
(3)θ为加工中心点在X轴方向上法矢偏角，从步骤S300中获得；
(4)Φ为加工中心点在Y轴方向上法矢偏角，从步骤S300中获得；
(5)sin b1、cos b1从步骤S300中获得：
Figure BDA0001747892820000161
(6)Zd为工件表面钻铆点的高度位置值，即：Zd＝ZD-h；
(7)Δa为托架A旋转轴的增量，Φ与Δa对应，且Φ可作为托架A旋转轴其旋转指令中对应的旋转角度；
(8)Δb为为托架B虚拟旋转轴的增量，θ与Δb对应，且θ可作为托架B虚拟旋转轴其旋转指令中对应的旋转角度；
(9)S1、S2、S3、S4为模拟量输入模块采集的四个区域位移传感器值，从步骤S100中获得；
(10)L12为第一区域位移传感器9、第二区域位移传感器7之间的中心距，从步骤S100中获得；
(11)L34为第三区域位移传感器6、第四区域位移传感器10之间的中心距，从步骤S100中获得。
本实施例的其他部分与上述实施例相同，故不再赘述。
实施例4：
本实施例在上述实施例基础上做进一步优化，本实施例中四个区域位移传感器，即第一区域位移传感器9、第二区域位移传感器7、第三区域位移传感器6、第四区域位移传感器10可以是超声波传感器也可以是激光传感器。本实施例的其他部分与上述实施例相同，故不再赘述。
实施例5：
本实施例在上述实施例基础上做进一步优化，所述步骤S500具体是指，建立循环固定数控子程序，将步骤S200、步骤S300、步骤S400中获取各轴坐标值、获取目标位移传感器检测值、获取区域位移传感器位移值、法矢偏角算法及偏移补偿量算法等都写入到NC子程序的变量△X，△Y、△Z、△W、△A中，将变量转换为系统能够识别的指令值；同时依照数控子程序的结构进行完善，包括开头及结尾、各种防错措施的保护、完整的逻辑判断等。编写法矢调姿及偏移补偿的可编程逻辑(PLC)程序，建立一定的启动条件关系，利用NC程序自动编程执行各轴的运动，达到了位置、速度全闭环控制，速度快、精度高，减少了法矢调节时间，降低了劳动强度，提高了生产效率。
本实施例的其他部分与上述实施例相同，故不再赘述。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种双并联杆钻铆设备的法矢调姿及其偏移补偿方法，用于钻铆加工数控系统的法矢调姿及其偏移补偿，其特征在于：人为调整各数控轴，由可编程控制器获取人为调整过程中各数控轴数据、双并联杆结构特征参数反向计算得到各数控轴的特征参数，结合位移传感器值计算得到的法矢偏角计算得到法矢调整量、偏移补偿量，多轴联动完成法矢调姿及其偏移补偿；
所述数控系统包括数控单元和分别与数控单元连接的四个安装在钻铆设备末端执行器上的区域位移传感器、一个用于定位加工中心点的目标位移传感器，数控单元包括依次连接的模拟量输入模块、内置计算模块的可编程控制器、伺服驱动控制器、驱动装置；四个区域位移传感器射出的测试线在工件表面形成四个测试点且四个测试点形成一个四边形；所述目标位移传感器为激光位移传感器，射出的激光点位于四边形内；
所述法矢调姿及其偏移补偿方法具体包括以下步骤：
步骤S100：进行工件在双并联杆钻铆设备上的安装，即先确认双并联杆钻铆设备的并联机构在机床坐标系中的位置，然后安放工件并使工件上待钻铆的加工中心点与加工主轴对应；
步骤S200：完成步骤S100后，进行双并联杆结构特征参数其机械坐标值的标定，即通过人为模拟调整，由模拟量输入模块记录各数控轴数据并通过计算模块反向计算以获得双并联杆结构各数控轴在机床坐标系中的实际位置值；
步骤S300：与步骤S200同时计算出法矢调整量，即利用可编程控制器分别读取区域位移传感器值、目标位移传感器值，获得加工主轴末端与加工中心点的距离，通过法矢偏角算法得到工件其加工中心点的法矢偏角，并由计算模块计算出法矢调整量；
步骤S400：结合步骤S200中获得的各数控轴在机床坐标系中的实际位置值和步骤S300中计算出的法矢调整量，由计算模块通过偏移补偿算法计算各数控轴相应的偏移补偿量；
步骤S500：可编程控制器将各数控轴在机床坐标系中的实际位置值、法矢调整量、各数控轴相应的偏移补偿量同时计算并编制成数控加工子程序，一次性生成程序指令值，通过伺服驱动控制器驱动驱动装置实现多轴联动以完成钻铆时的法矢调姿及其偏移补偿。
2.根据权利要求1所述的一种双并联杆钻铆设备的法矢调姿及其偏移补偿方法，其特征在于：所述数控系统设置有与工件加工中心点对应设置的位移传感器；所述法矢调姿及其偏移补偿方法具体是指，所述法矢调姿及其偏移补偿方法为记录人为调整的各数控轴数据，反向计算进行特征参数其机械坐标值的标定并获得各数控轴的实际位置值，然后利用可编程控制器获取位移传感器值，得到工件在加工中心点的法矢偏角，计算得到法矢调整量，再根据双并联杆结构特征参数计算相应各数控轴的偏移补偿量，将各数控轴的实际位置值、法矢调整量、偏移补偿量同时汇总到数控系统，多轴联动完成法矢调姿及其偏移补偿。
3.根据权利要求2所述的一种双并联杆钻铆设备的法矢调姿及其偏移补偿方法，其特征在于：所述记录人为调整的各数控轴数据，具体是指先找准加工中心点，通过人工分别多次旋转A旋转轴以及Z轴、W轴差动形成的虚拟B角，在不同状态下手动移动各直线坐标轴重新对准加工中心点，记下相应的机械坐标值。
4.根据权利要求1所述的一种双并联杆钻铆设备的法矢调姿及其偏移补偿方法，其特征在于：所述步骤S100具体是指，将双并联杆钻铆设备的加工主轴沿Z轴方向设置，先在机床坐标系中确认并联机构的一端在W轴的位置且并联机构的另一端在Z轴的位置，再确认加工中心点落在由四个区域位移传感器射出的测试点形成的四边形的中心，对蒙皮表面的测试点进行清晰的标记；标记后分别读取第一区域位移传感器、第二区域位移传感器、第三区域位移传感器、第四区域位移传感器这四个区域位移传感器的值S1、S2、S3、S4，并调取第一区域位移传感器与第二区域位移传感器之间的中心距L12、第三区域位移传感器与第四区域位移传感器之间的中心距L34，建立数学模型，得到蒙皮表面加工中心点与钻铆主轴间距离h。
5.根据权利要求4所述的一种双并联杆钻铆设备的法矢调姿及其偏移补偿方法，其特征在于：所述步骤S200具体包括以下步骤：
步骤S210：保持A旋转轴处于0°不变，标定B虚拟旋转轴特征参数XZ(B)、XW(B)、ZD(B)；
步骤S220：标定A旋转轴特征参数XZ(A)、XW(A)、YD(A)、ZD(A)；
步骤S230：根据步骤S210中标定的B虚拟旋转轴特征参数和步骤S220中标定A旋转轴特征参数，计算双并联杆各旋转轴中心点在机床坐标系中的位置XZ、XW、YD、ZD；
所述步骤S300具体包括以下步骤：
步骤S310：根据四个区域位移传感器的值S1、S2、S3、S4及对角中心距L12、L34，计算加工中心点沿X轴方向的法矢偏角θ、加工中心点沿Y轴方向的法矢偏角Φ；
步骤S320：根据法矢偏角θ、Φ计算出托架A旋转轴的增量Δa、托架B虚拟旋转轴的增量Δb；
所述步骤S400具体包括以下步骤：
步骤S410：以加工中心点为圆心，托架单独旋转法矢偏角Φ，计算得到直线轴X、Y、Z、W需适当调整的位置x22、y22、z22、w22，得到A旋转轴法矢调节对应的各轴的补偿量ΔXA、ΔYA、ΔZA、ΔWA、Δa；
步骤S420：以加工中心点为圆心，托架单独旋转法矢角度θ，计算得到直线轴X、Y、Z、W需适当调整的位置x33、z33、w33，得到B虚拟旋转轴法矢调节对应的各轴的补偿量ΔXB、ΔYB、ΔZB、ΔWB；
步骤S430：综合法矢偏角Φ、θ和各数控轴补偿分量ΔXA、ΔYA、ΔZA、ΔWA、Δa、ΔXB、ΔYB、ΔZB、ΔWB，得到各数控轴相应的偏移补偿量ΔX、ΔY、ΔZ、ΔW、Δa。
6.根据权利要求5所述的一种双并联杆钻铆设备的法矢调姿及其偏移补偿方法，其特征在于：所述步骤S210中标定B虚拟旋转轴特征参数XZ(B)、XW(B)、ZD(B)，具体包括以下步骤：
步骤S211：人为调整各数控轴，使目标位移传感器射出的激光点与加工中心点重合并作为标记点，记录此时各轴机械坐标值：x1、y1、z1、w1、u1、a1、h1；
步骤S212：调整Z轴、W轴实现虚拟B轴的旋转，再移动各直线坐标轴，使激光点与标记点重新重合，并使h2＝h1，记录此时各轴机械坐标值：x2、y2、z2、w2、u2、a2、h2，其中h2＝h1＝h、y2＝y1、a2＝a1；
步骤S213：重复步骤S211至步骤S212，得到至少5组数据并分别记录在表格中；
步骤S214：任选步骤S213中2组数据，结合克莱姆法则，计算B虚拟旋转轴的特征参数XZ(B)、XW(B)、ZD(B)；
所述步骤S220所述标定A旋转轴特征参数XZ(A)、XW(A)、YD(A)、ZD(A)，具体包括以下步骤：
步骤S221：移动Z轴、W轴使B虚拟旋转轴对应的B角不处于0°位置，使激光点对准标记点，记录当前各轴机械坐标值x1'、y1'、z1'、w1'、u1'、a1'、h1'；
步骤S222：旋转A轴，第二次移动各直线坐标轴，使激光点与标记点重新重合，并使标记点处于同一高度即h2'＝h1'，记录各轴机械坐标值：x2'、y2'、z2'、w2'、u2'、a2'、h2'；
步骤S223：旋转A轴，第三次移动各直线坐标轴，使激光点与标记点重新重合，并使标记点处于同一高度即h3'＝h1'，记录各轴机械坐标值：x3'、y3'、z3'、w3'、u3'、a3'、h3'；
步骤S224：旋转A轴，第四次移动各直线坐标轴，使激光点与标记点重新重合，并使标记点处于同一高度即h4'＝h1'，记录各轴机械坐标值：x4'、y4'、z4'、w4'、u4'、a4'、h4'；
步骤S225：重复步骤S221至步骤S224，得到至少5组数据并分别记录在表格中，其中h4'＝h3'＝h2'＝h1'＝h；
步骤S226：任选步骤S225中2组数据计算出特征参数YDZ、ZDZ、YDW、ZDW；其中，YDZ表示利用Z轴坐标变化计算得到的特征参数YD，ZDZ表示利用Z轴坐标变化计算得到的特征参数ZD；YDW表示利用W轴坐标变化计算得到的特征参数YD，ZDW表示利用W轴坐标变化计算得到的特征参数ZD；
步骤S227：根据步骤S226中YDZ、ZDZ、YDW、ZDW计算出A旋转轴的特征参数XZ(A)、XW(A)、YD(A)、ZD(A)；
将步骤S210中B虚拟旋转轴的特征参数XZ(B)、XW(B)、ZD(B)、步骤S220中A旋转轴的特征参数XZ(A)、XW(A)、YD(A)、ZD(A)各值综合，得到步骤S230中各旋转轴中心点在机床坐标系中的位置XZ、XW、YD、ZD；即步骤S200可获得双并联杆结构各数控轴在机床坐标系中的实际位置值。
7.根据权利要求6所述的一种双并联杆钻铆设备的法矢调姿及其偏移补偿方法，其特征在于：所述步骤S310中法矢偏角θ、Φ由步骤S100中的区域位移传感器的值S1、S2、S3、S4和两区域位移传感器间中心距L12、L34计算得到；
所述步骤S320中托架A旋转轴的增量Δa、托架B虚拟旋转轴的增量Δb由步骤S310中法矢偏角θ、Φ得到，调整方法如下：
若S1＞S2，A旋转轴负向旋转且旋转角度|Φ|；
若S1＝S2，A旋转轴处于0°位置；
若S1＜S2，A旋转轴正向旋转且旋转角度|Φ|；
若Δb＞0，S3＞S4，则Z轴负向运动，W轴正向运动；
若S3＝S4，B虚拟旋转轴处于0°位置；
若S3＜S4，Z轴正向运动，W轴负向运动。
8.根据权利要求7所述的一种双并联杆钻铆设备的法矢调姿及其偏移补偿方法，其特征在于：所述步骤S410以加工中心点为圆心，托架单独旋转法矢偏角Φ，直线轴X、Y、Z、W需适当调整的位置x22、y22、z22、w22，由于对应W轴，其A、B旋转轴交点坐标可以表示为(XW-u，y，w)，初始坐标为(XW-u1，y1，w1)，旋转偏移补偿后的坐标为(XW-u2，y2，w2)，满足W2-W1＝Z2-Z1，其中u2为无需调节控制的自适应值，b1为旋转前的角度，所以根据x22、y22、z22、w22得到A旋转轴法矢调节对应的各轴的补偿量ΔXA、ΔYA、ΔZA、ΔWA、Δa；
步骤S420：以加工中心点为圆心，托架单独旋转法矢角度θ，计算得到直线轴X、Y、Z、W需适当调整的位置x33、z33、w33，得到B虚拟旋转轴法矢调节对应的各轴的补偿量ΔXB、ΔYB、ΔZB、ΔWB，其中Y轴方向无偏移量，即ΔYB＝0；
步骤S430：所述各数控轴相应的偏移补偿量ΔX、ΔY、ΔZ、ΔW、Δa计算式如下：
ΔX＝ΔXA+ΔXB
ΔY＝ΔYA+ΔYB
ΔZ＝ΔZA+ΔZB
ΔW＝ΔWA+ΔWB
Δa＝-Φ。
9.根据权利要求8所述的一种双并联杆钻铆设备的法矢调姿及其偏移补偿方法，其特征在于：所述步骤S500中法矢调姿及其偏移补偿的操作具体是指：通过伺服驱动控制器，驱动驱动装置，使加工中心点处XY平面的法矢偏角θ、Φ均等于0°，即控制旋转轴A调整角度θ、控制数控轴Z轴与W轴调整角度Φ及Z向高度、同时各轴根据偏移补偿量ΔX、ΔY、ΔZ、ΔW、Δa多轴联动，完成法矢调姿及其偏移补偿。
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