CN109489556B - 一种用于飞机装配的接触式曲面法向测量装置及方法 - Google Patents

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CN109489556B CN201910009670.2A CN201910009670A CN109489556B CN 109489556 B CN109489556 B CN 109489556B CN 201910009670 A CN201910009670 A CN 201910009670A CN 109489556 B CN109489556 B CN 109489556B
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Abstract

本发明公开了一种用于飞机装配的接触式曲面法向测量装置，包括基座组件，基座组件包括基座、激光位移传感器和光电接近开关，激光位移传感器和光电接近开关均安装在基座上；接触式球销测头组件，接触式球销测头组件包括摆动测头和球头，摆动测头安装在基座上，摆动测头上安装有滚动轴承，滚动轴承通过轴端挡圈安装在导向键上，球头上设有键槽，摆动测头可沿着滚动轴承的轴线OA旋转，亦可沿着经过球心且垂直于球头的键槽导向面的轴线OB旋转，本发明的接触式自适应测头，直接与产品接触，可满足曲率变化较大曲面的法向测量需求，并能够实现飞机内侧曲面法向测量。

Description

一种用于飞机装配的接触式曲面法向测量装置及方法
技术领域
本发明涉及机械测量领域，具体为一种用于飞机装配的接触式曲面法向测量装置及方法。
背景技术
飞机装配时，需要在壁板上进行制孔、铆接等操作，目前，新型飞机对装配质量要求越来越高，自动制孔、铆接设备正逐步取代传统手动加工的作业模式。法向测量是自动制孔及铆接的重要环节，法向测量的精度直接影响到制孔及铆接质量。目前，曲面法向测量的基本原理为：测量某点附近区域的多个点(至少是3个，通常是4个)的位置，利用这几个点的坐标拟合平面或曲面，从而得到该点处的法向。通常，通过测量曲面上的点到传感器的距离换算出曲面上各点的位置。因此，常常采用各类位移传感器直接测出各点的位置，也可以采用力传感器测量，间接地推算出各点的位置。
例如，申请号为201110284912.2，专利名称为一种测量自由曲面任意点处法向矢量的装置及其测量方法发明专利：
此发明采用曲线拟合代替了曲面拟合，相对与曲面拟合法较为简单，测量数据点较少，省去了曲面拟合的复杂过程，而且在测量大曲率曲面时精度也能满足实际要求，便于应用。由于采用接触式测量方法，数据采集结果准确，测量精度较高，并可有效降低装置成本，具有结构简单、操作灵活，可靠性高、生产成本低等特点。
但是，现有的曲面法向量测量方法普遍存在以下缺陷：
(1)首先，至少需要3个位移传感器(通常是4个传感器)，对于大多数设备而言，较难实现均匀的布局，为了比较合理地布局，通常需要改变传感器机座的结构、增大传感器机座的尺寸，恶化了设备的工作性能；
(2)其次，现有曲面法向测量方法一般用在飞机外表面法向测量，无法实现飞机内侧长桁、框等零部件曲面法向测量；
(3)再次，飞机制孔、铆接过程一般需要压紧飞机表面，压紧后的飞机表面发生变形，曲面法向也发生变化，现有曲面法向测量方法测量加工区域未压紧状态时的法向，无法获得压紧后的曲面法向；
(4)最后，现有曲面法向测量方法测量精度受传感器测量点距离、曲面曲率半径等因素影响较大，针对不同曲率的曲面，需要设计相应测量点距离以提高测量精度，通常一套测量装置难以实现曲率变化较大产品的测量，直接限制整套设备的适用性。
发明内容
为了克服现有技术方案的不足，本发明提供一种用于飞机装配的接触式曲面法向测量装置及方法，设计了一种接触式自适应测头，直接与产品接触，测头能够反映待测区域压紧状态的曲面法向，通过两个位移传感器采集的距离信息计算测头摆动角度，可满足曲率变化较大曲面的法向测量需求，并能够实现飞机内侧曲面法向测量，有效的解决背景技术提出的问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种用于飞机装配的接触式曲面法向测量装置，包括：
基座组件，以及接触式球销测头组件；
所述基座组件包括基座以及安装在基座上的两个激光位移传感器；所述接触式球销测头组件安装在基座中间；
所述接触式球销测头组件包括与所述激光位移传感器正相对设置的摆动测头，所述摆动测头用于反映待测产品表面压紧状态的曲面法向，并可轴旋转适应曲面曲率。
作为本发明一种优选的实施方式，所述基座组件还包括：拉伸弹簧，拉紧销，光电接近开关；所述激光位移传感器和光电接近开关均通过紧固件安装在基座上；所述拉伸弹簧通过两个所述的拉紧销固定在所述接触式球销测头组件与所述基座之间。
作为本发明一种优选的实施方式，所述接触式球销测头组件还包括：轴承端盖，轴端挡圈，滚动轴承，导向键，球头和压盖；
所述轴承端盖通过紧固定件安装在摆动测头上，所述滚动轴承外圈与摆动测头上的轴承安装孔相配合，所述导向键通过轴端挡圈与滚动轴承的内圈固定，所述导向键两侧面与球头键槽相配合，所述导向键可沿着球头上的导向键滑动，所述压盖通过紧固件安装在摆动测头(，所述摆动测头内表面、压盖内表面均与球头外表面相配合，所述摆动测头可沿滚动轴承的轴线及垂直于球头的键槽导向面且经过球心的轴线旋转，且两轴线垂直。
另外本发明还设计了一种用于飞机装配的接触式曲面法向测量方法，包括以下步骤：
步骤100、假设摆动侧头沿两条相交且互相垂直的轴线OC和轴线OD旋转，轴线OC和轴线OD的交点记为O，在摆动侧头上设定两个分别垂直于轴线OC和轴线OD的A面和B面，轴线OC与A面交于C点，轴线OD与A面交于D点，记OC的长度为L1，OD的长度为L2；
步骤200、通过两个位移传感器沿位移传感器的测量轴线，测量两个位移传感器分别到A面和B面的距离，两个位移传感器分别记为位移传感器一和位移传感器二；
步骤300、设定位移传感器一和位移传感器二的测量0点分别为P1和P3，位移传感器一的测量轴线与A面交于点P，位移传感器二的测量轴线与B面交于点Q；
步骤400、记初始状态为：
摆动测头未与待测曲面接触，A面与轴线OC垂直，B面与轴线OD垂直；
P1P长度为L3，P3Q长度为L4；
以O点为原点，以轴线OD为X轴，以轴线OD的方向为X轴正方向，以轴线OC位为Y轴，以轴线OC的方向为Y轴正方向，建立空间坐标系；
Z轴垂直于X轴、Y轴，Z正方向遵守右手定则；
步骤500、将摆动侧头先后绕X轴和Y轴旋转α°和β°，依据等比三角形原理求取α°和β°。
作为本发明一种优选的实施方式，所述步骤400的初始状态为：
C点坐标：(0，L1，0)；
A面：法向：n＝(0，1，0)；
D点坐标：(L2，0，0)；
B面：法向：m＝(1，0，0)；
传感器一测量0点坐标P1(x1,y1,z1)，测量轴线经过P2(x2,y2,z2)；
传感器二测量距离L3，传感器二测量0点坐标P3(x3,y3,z3)，测量轴线经过P4(x4,y4,z4),传感器二的测量距离L4；
直线P1P方程：
Figure BDA0001936736050000041
直线P3Q方程：
Figure BDA0001936736050000042
作为本发明一种优选的实施方式，所述步骤500还包括：
摆动侧头绕X轴旋转α°后，记C点移动至C'点，则：
C'点坐标：(0,L1cosα,L1sinα)；
A面法向量：n1＝(0,cosα,sinα)；
D点坐标：(L2,0,0)；
B面法向：m＝(1,0,0)；
摆动侧头绕Y轴旋转β°后，记C'点移动至C″点，D点移动至D″点；
C″点坐标：(L1sinαcosβ,L1cosα,L1sinαcosβ)；
A面法向量：n2＝(sinαcosβ,cosα,sinαcosβ)；
D″点坐标：(L2cosβ,0,L2sinβ)；
B面法向：m2＝(cosβ,0,sinβ)；
旋转后A面方程：
sinαsinβ(x-L1sinαsinβ)+cosα(y-L1cosα)+sinαcosβ(z-L1sinαcosβ)＝0
简化得：
xsinαsinβ+zsinαcosβ+ycosα-L1＝0 (1)
旋转后B面方程：
cosβ(x-L2cosβ)+sinβ(z-L2sinβ)＝0
简化得：
xcosβ+zsinβ-L2＝0 (2)
根据等比三角形原理：
Figure BDA0001936736050000051
Figure BDA0001936736050000052
△P1D2P2为直角三角形，则有：
Figure BDA0001936736050000053
Figure BDA0001936736050000061
Figure BDA0001936736050000062
Figure BDA0001936736050000063
Figure BDA0001936736050000064
根据等比三角形原理：
Figure BDA0001936736050000065
Figure BDA0001936736050000066
△P3F2P4为直角三角形，则有：
Figure BDA0001936736050000067
Figure BDA0001936736050000068
Figure BDA0001936736050000069
Figure BDA00019367360500000610
Figure BDA00019367360500000611
根据公式(3)、(4)有：
Figure BDA00019367360500000612
解方程得α和β。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明可实现飞机内侧与外侧复杂结构(飞机长桁、框等)曲面法向测量；
(2)本发明通过两个位移传感器实现曲面法向测量，比现有方法使用位移传感器少，并且各类形式的位移传感器在本装置中均适用；
(3)本发明可测量飞机零部件受压紧力、制孔力、铆接力等情况下的曲面法向测量，更接近典型工况；
(4)本发明适用于曲率变化较大产品的曲面法向测量。
附图说明
图1为本发明的法向测量角度计算原理图；
图2为本发明的压脚测头绕X轴旋转后示意图；
图3为本发明的压脚测头绕Y轴旋转后示意图；
图4为本发明的位移传感器1处等比三角形原理示意图；
图5为本发明的位移传感器2处等比三角形原理示意图；
图6为本发明的用于飞机装配的接触式曲面法向测量装置外形图；
图7为本发明的接触式球销测头结构垂直截面示意图；
图8为本发明的接触式球销测头结构水平截面示意图；
图9为本发明的接触式球销测头结构示意图。
图中标号
1-基座组件；11-基座；12-激光位移传感器；13-拉伸弹簧；14-拉紧销；15-光电接近开关；
2-接触式球销测头组件；21-轴承端盖；22-轴端挡圈；23-滚动轴承；24-导向键；25-摆动测头；26-球头；27-压盖。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
如图5至图8所示，本发明提供了一种用于飞机装配的接触式曲面法向测量装置，包括：基座组件1，基座组件1包括基座11、激光位移传感器12以及光电接近开关15，激光位移传感器12和光电接近开关15均通过固件安装在基座11上。接触式球销测头组件2和基座11之间通过拉紧销14安装有拉伸弹簧13。
接触式球销测头组件2，接触式球销测头组件2包括摆动测头25和球头26，摆动测头25活动安装在基座11上，摆动测头25上安装有滚动轴承23。优选的，摆动测头25通过固定件安装有用于防止滚动轴承23从安装孔内脱落的轴承端盖21。摆动测头25的内表面通过固件安装有压盖27，压盖27的内表面与球头26的内表面相互配合。
滚动轴承23的外圈与摆动测头25的轴承安装孔相配合，滚动轴承23的内圈通过轴端挡圈22安装有导向键24，球头26上设有键槽，导向键24沿着球头26的键槽滑动，摆动测头25可沿着滚动轴承23的轴线OA旋转，摆动测头25亦可沿着经过球心且垂直于球头26的键槽导向面的轴线OB旋转，轴线OA和轴线OB相互垂直。
如图9所示，需要进行曲面法向测量时，接触式球销测头组件2上的摆动测头25与待测表面接触，摆动测头25可沿着两个垂直的轴线0A和轴线OB旋转，从而适应曲面曲率，通过激光位移传感器12测得的距离及转角计算方法计算摆动测头25沿两轴线旋转角度，通过光电接近开关15判断转角方向。完成一次曲面法向测量。
实施例2：
本发明还提供了一种用于飞机装配的接触式曲面法向测量装置的测量方法，其特征在于：包括以下步骤：
S100、接触：接触式球销测头组件2的摆动测头25与待侧物体表面接触；
S200、旋转：摆动测头25沿着两个相互垂直且相交的轴线OA和轴线OB旋转；
S300、测量计算：通过激光位移传感器12测量距离，利用转角计算方法计算摆动测头25沿轴线OA和轴线OB的旋转角度；
S400、判断转角方向：通过光电接近开关15判断步骤S300的转角方向。
至此完成一次曲面法向测量。
下面详细介绍如何通过转角计算方法计算摆动测头25沿两个相交且相互垂直的轴线OA和轴线OB旋转的旋转角度。法向测量角度计算原理如图1所示：
测头可沿两条相交且互相垂直的轴线OC和OD旋转，OC与OD交点为O，A面与B面固定在测头上，随着测头的转动而转动。A面与轴线OC垂直，OC与A面交于C点，B面与轴线OD垂直，OD与B面交与D点，OC长度为L1，OD长度L2。位移传感器1沿着位移传感器1的测量轴线测量位移传感器1到A面的距离，位移传感器2沿着位移传感器2的测量轴线测量位移传感器2到A面的距离，设位移传感器1测量0点为P1，设位移传感器2测量0点为P3，位移传感器1测量轴线与A面交于点P，位移传感器2测量轴线与B面交于点Q。初始状态：测头未与曲面接触，A面与OC垂直，B面与OD垂直。此时，P1P长度为L3，P3Q长度为L4。以O点为原点，以OD为X轴，以OD的方向为X轴正方向，以OC位为Y轴，以OC的方向为Y轴正方向。Z轴垂直于X轴、Y轴，Z正方向遵守右手定则。
测量过程中涉及的推导公式如下：
(1)初始状态：
C点坐标：(0，L1，0)；
A面：法向：n＝(0，1，0)；
D点坐标：(L2，0，0)；
B面：法向：m＝(1，0，0)；
传感器1测量0点坐标P1(x1,y1,z1)，轴线经过P2(x2,y2,z2)，传感器测量距离L3。传感器2测量0点坐标P3(x3,y3,z3)，轴线经过P4(x4,y4,z4)，传感器测量距离L4。
直线P1P方程：
Figure BDA0001936736050000101
直线P3Q方程：
Figure BDA0001936736050000102
(2)如图2所示，压脚测头先绕X轴旋转α°，C点移动至C'点：
C'点坐标：(0,L1cosα,L1sinα)；
A面法向量：n1＝(0,cosα,sinα)；
D点坐标：(L2,0,0)；
B面法向：m＝(1,0,0)。
(3)如图3所示，压脚测头再绕Y轴旋转β°，C'点移动至C”点，D点移动至D”点：
C”点坐标：(L1sinαcosβ,L1cosα,L1sinαcosβ)；
A面法向量：n2＝(sinαcosβ,cosα,sinαcosβ)；
D”点坐标：(L2cosβ,0,L2sinβ)
B面法向：m2＝(cosβ,0,sinβ)
旋转后A面方程：
sinαsinβ(x-L1sinαsinβ)+cosα(y-L1cosα)+sinαcosβ(z-L1sinαcosβ)＝0
简化得：
xsinαsinβ+zsinαcosβ+ycosα-L1＝0 (1)
旋转后B面方程：
cosβ(x-L2cosβ)+sinβ(z-L2sinβ)＝0
简化得：
xcosβ+zsinβ-L2＝0 (2)
(4)如图4所示的位移传感器1处等比三角形原理示意图：
Figure BDA0001936736050000111
Figure BDA0001936736050000112
△P1D2P2为直角三角形，则有：
Figure BDA0001936736050000113
Figure BDA0001936736050000114
Figure BDA0001936736050000115
Figure BDA0001936736050000116
Figure BDA0001936736050000117
(5)根据图5所示的位移传感器2处等比三角形原理示意图：
Figure BDA0001936736050000121
Figure BDA0001936736050000122
△P3F2P4为直角三角形，则有：
Figure BDA0001936736050000123
Figure BDA0001936736050000124
Figure BDA0001936736050000125
Figure BDA0001936736050000126
Figure BDA0001936736050000127
根据公式(3)、(4)有：
Figure BDA0001936736050000128
解方程得α和β。
这两个角度代表待测曲面法向与测量装置基座上建立的坐标系的两个轴线的夹角。
测量方法实质上是通过摆动测头与待测面接触，摆动测头旋转，通过测距传感器测量距离计算摆动侧头旋转角度，从而反映待测面与测量装置基座之间的角度。计算方法主要用到等比三角形计算角度，最终反映待测面与测量装置基座之间的角度。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (5)

1.一种用于飞机装配的接触式曲面法向测量装置，其特征在于，包括：
基座组件(1)，以及接触式球销测头组件(2)；
所述基座组件(1)包括基座(11)以及安装在基座(11)上的两个激光位移传感器(12)；所述接触式球销测头组件(2)安装在基座(11)中间；
所述接触式球销测头组件(2)包括与所述激光位移传感器(12)正相对设置的摆动测头(25)，所述摆动测头(25)用于反映待测产品表面压紧状态的曲面法向，并可轴旋转适应曲面曲率；
所述接触式球销测头组件(2)还包括：轴承端盖(21)，轴端挡圈(22)，滚动轴承(23)，导向键(24)，球头(26)和压盖(27)；所述轴承端盖(21)通过紧固定件安装在摆动测头(25)上，所述滚动轴承(23)外圈与摆动测头(25)上的轴承安装孔相配合，所述导向键(24)通过轴端挡圈(22)与滚动轴承(23)的内圈固定，所述导向键(24)两侧面与球头(26)键槽相配合，所述导向键(24)可沿着球头(26)上的键槽滑动，所述压盖(27)通过紧固件安装在摆动测头(25)，所述摆动测头(25)内表面、压盖(27)内表面均与球头(26)外表面相配合，所述摆动测头(25)可沿滚动轴承(23)的轴线及垂直于球头(26)的键槽导向面且经过球心的轴线旋转，且两轴线垂直。
2.根据权利要求1所述的一种用于飞机装配的接触式曲面法向测量装置，其特征在于：所述基座组件(1)还包括：拉伸弹簧(13)，拉紧销(14)，光电接近开关(15)；
所述激光位移传感器(12)和光电接近开关(15)均通过紧固件安装在基座(11)上；所述拉伸弹簧(13)通过两个所述的拉紧销(14)固定在所述接触式球销测头组件(2)与所述基座(11)之间。
3.一种基于权利要求1所述接触式曲面法向测量装置的方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤100、假设摆动侧头沿两条相交且互相垂直的轴线OC和轴线OD旋转，轴线OC和轴线OD的交点记为O，在摆动侧头上设定两个分别垂直于轴线OC和轴线OD的A面和B面，轴线OC与A面交于C点，轴线OD与A面交于D点，记OC的长度为L1，OD的长度为L2；
步骤200、通过两个位移传感器沿位移传感器的测量轴线，测量两个位移传感器分别到A面和B面的距离，两个位移传感器分别记为位移传感器一和位移传感器二；
步骤300、设定位移传感器一和位移传感器二的测量0点分别为P1和P3，位移传感器一的测量轴线与A面交于点P，位移传感器二的测量轴线与B面交于点Q；
步骤400、记初始状态为：
摆动测头未与待测曲面接触，A面与轴线OC垂直，B面与轴线OD垂直；
P1P长度为L3，P3Q长度为L4；
以O点为原点，以轴线OD为X轴，以轴线OD的方向为X轴正方向，以轴线OC位为Y轴，以轴线OC的方向为Y轴正方向，建立空间坐标系；
Z轴垂直于X轴、Y轴，Z正方向遵守右手定则；
步骤500、将摆动侧头先后绕X轴和Y轴旋转α°和β°，依据等比三角形原理求取α°和β°。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述步骤400的初始状态为：
C点坐标：(0，L1，0)；
A面：法向：n＝(0，1，0)；
D点坐标：(L2，0，0)；
B面：法向：m＝(1，0，0)；
传感器一测量0点坐标P1(x1,y1,z1)，测量轴线经过P2(x2,y2,z2)；
传感器二测量距离L3，传感器二测量0点坐标P3(x3,y3,z3)，测量轴线经过P4(x4,y4,z4),传感器二的测量距离L4；
直线P1P方程：
Figure FDA0002564975420000031
直线P3Q方程：
Figure FDA0002564975420000032
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述步骤500还包括：
摆动侧头绕X轴旋转α°后，记C点移动至C'点，则：
C'点坐标：(0,L1cosα,L1sinα)；
A面法向量：n1＝(0,cosα,sinα)；
D点坐标：(L2,0,0)；
B面法向：m＝(1,0,0)；
摆动侧头绕Y轴旋转β°后，记C'点移动至C”点，D点移动至D”点；
C”点坐标：(L1sinαcosβ,L1cosα,L1sinαcosβ)；
A面法向量：n2＝(sinαcosβ,cosα,sinαcosβ)；
D”点坐标：(L2cosβ,0,L2sinβ)；
B面法向：m2＝(cosβ,0,sinβ)；
旋转后A面方程：
sinαsinβ(x-L1sinαsinβ)+cosα(y-L1cosα)+sinαcosβ(z-L1sinαcosβ)＝0
简化得：
xsinαsinβ+zsinαcosβ+ycosα-L1＝0 (1)
旋转后B面方程：
cosβ(x-L2cosβ)+sinβ(z-L2sinβ)＝0
简化得：
xcosβ+zsinβ-L2＝0 (2)
根据等比三角形原理：
Figure FDA0002564975420000041
Figure FDA0002564975420000042
△P1D2P2为直角三角形，则有：
Figure FDA0002564975420000043
Figure FDA0002564975420000044
Figure FDA0002564975420000045
Figure FDA0002564975420000046
Figure FDA0002564975420000047
根据等比三角形原理：
Figure FDA0002564975420000048
Figure FDA0002564975420000049
△P3F2P4为直角三角形，则有：
Figure FDA0002564975420000051
Figure FDA0002564975420000052
Figure FDA0002564975420000053
Figure FDA0002564975420000054
Figure FDA0002564975420000055
根据公式(3)、(4)有：
Figure FDA0002564975420000056
解方程得α和β。
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