CN110589011A - 一种用于飞机对接装配的新型球头球窝装置与入位方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于飞机对接装配的入位方法，主要包括以下步骤：球头自动识别步骤：通过工业相机识别球头的十字标记对球头进行初步识别与定位；球头球心计算步骤：根据所设计算法计算球心在定位器坐标系下的空间坐标；球头入位步骤：根据球头球心坐标，定位器球窝主动捕获球头，根据三向力示值微调定位器，完成球头精确入位。本发明还提供了一种用于飞机对接装配的新型球头球窝装置。本发明的优点在于能够实现球头的自动快速柔性入位，且能够使球头状态自动切换，不需要人工观察球头的入位状态，效率高，成本低，且具有普遍适用性。
Description
技术领域
本发明涉及飞机对接配装技术领域，具体地，涉及一种用于飞机对接装配的新型球头球窝装置与入位方法。
背景技术
在飞机部总装过程中，为了满足飞机大部件对接的互换性和协调性要求，经常采用多台三自由度数控定位器组成的六自由度并联机构对部件的姿态和位置进行自动调整。通常定位器与飞机部件或其工装以球铰形式连接，其连接过程称之为球头入位过程。
为保证飞机部件六自由度调姿的要求，普遍采用球头球窝结构作为飞机部件与定位器之间的连接机构，例如中国专利CN105539876B，所公开了一种飞机装配用调姿球头装置，包括球窝座和用于连接支撑机身的安装座，安装座上部为连接法兰，下部通过连接杆固定连接一球头，球窝座座体中心设置安装座安装腔，该安装腔下部为与所述的球头对应的球窝，安装座安置于该球窝座内；球窝座侧部沿周向均匀设置有3个夹紧装置，球窝座的底部设置有入位检测开关；由此可见现有的球头球窝装置一般采用采用电驱三爪卡盘或采用气动、液压的方式来锁紧固定球头。采用此类夹紧方式，所有驱动部件均为刚性体，在意外断电或断气情况下，由于失去动力，会导致夹紧力的变化，在实际应用中由于材料弹性变形、机械结构的反向间隙等影响，会导致球头出现松动、部分夹爪与球头不贴合等情况；另外，传统的球头球窝装置与入位方法一般不具备球头测量功能或测量操作过程复杂，主要依赖手动完成，即自动化程度低，缺乏高效率的测量手段，给飞机对接装配工作带来了较大的不便。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种用于飞机对接装配的新型球头球窝装置与入位方法。
根据本发明提供的一种用于飞机对接装配的入位方法，所述入位方法包括以下步骤：
球头自动识别步骤：通过工业相机识别球头的十字标记对球头进行初步识别与定位；
球头球心计算步骤：根据所设计算法计算球心在定位器坐标系下的空间坐标；
球头入位步骤：根据球头球心坐标，驱动定位器球窝主动捕获球头。
本发明还提供的一种用于飞机对接装配的新型球头球窝装置，包括
一用于连接飞机部件的飞机部件连接件；
所述飞机部件连接件包括连接杆，在所述连接杆的上端设有一用于连接飞机部件的连接法兰，在所述连接杆的下端设有一球头，在所述球头的底部设有十字标记；
一用于夹持在球头上的球窝组件，所述球窝组件设置在数控定位器的末端上；
其特征在于，所述球窝组件包括
一球窝座，在所述球窝座上端的中部开设有与球头相对应的球窝，在所述球窝的侧壁上沿其圆周方向间隔设有多个钢球容纳腔，在所述钢球容纳腔内设有钢球，在所述球窝座下端的中部开设有安装腔，在所述球窝座上端的外周面上设有向外延伸的上端盖；
一与上端盖相对应的下端盖，所述下端盖设置在球窝座的下端上；
一设置在上端盖与下端盖之间的外圈，所述外圈的上端与上端盖的下端连接，所述外圈的下端面与下端盖的上端连接；
一设置在外圈与球窝座之间的滑动环，所述滑动环套设在球窝座下部上且能够沿其轴向进行上下滑动，在所述外圈的内壁上设有限制滑动环向上滑动的距离的限位凸肩；
一套设在滑动环的侧壁上且能够沿其轴向进行上下滑动的限位环，所述限位环上端的内周面向外凸起形成一压接在钢球上的压接凸脚，在所述限位环的上端面上沿其圆周方向间隔设有多个弹簧容纳腔，在所述弹簧容纳腔内部设有弹簧，所述弹簧的下端设置在弹簧容纳腔的底部上，所述弹簧的上端设置在上端盖上；
一用于测量飞机部件与数控定位器的末端之间的距离的超声波传感器，所述超声波传感器通过支架设置在外圈的一侧上；
一用于为滑动环以及限位环提供滑动动力的供气系统；
一用于采用球头图像并对其底部的十字标记进行识别的工业相机，所述工业相机通过安装板设置在安装腔内；
一安装在数控定位器的末端上三向力传感器，所述三向力传感器上端设置在安装板上，在所述三向力传感器的下端上安装有整体连接法兰；
一PLC控制系统，所述PLC控制系统分别与数控定位器、超声波传感器、供气系统、工业相机和三向力传感器通讯连接。
在本发明的一个优选实施例中，该用于飞机对接装配的新型球头球窝装置还包括一防止操作人员误操作的手动锁定系统，所述手动锁定系统包括设置在外圈上的旋钮柱塞，在所述旋钮柱塞相对限位环的一端上设有限位插脚，在所述限位环上设有与限位插脚相对应的限位插槽。
在本发明的一个优选实施例中，在所述滑动环与外圈接触的外周面上设有第一密封圈，在所述滑动环与球窝座接触的内周面上设有第二密封圈。
在本发明的一个优选实施例中，在所述限位环与外圈接触的外周面上设有第三密封圈，在所述限位环与滑动环侧壁相接触的内周面上设有第四密封圈。
在本发明的一个优选实施例中，所述供气系统包括
一开设在下端盖内且出气口位于滑动环底部的第一气道，在所述第一气道的进气口上设有一第一快换接头，所述第一快换接头通过第一管道与气源相连通；
一开设在外圈内切出气口位于限位环底部的第二气道，在所述第二气道的进气口上设有一第二快换接头，所述第二快换接头通过第二管道与气源相连通。
在本发明的一个优选实施例中，在所述上端盖上沿其圆周方向间隔设有多个与弹簧相对应的弹簧限位螺栓，在所述上端盖上还设有防止限位环在滑动环发生相对转动的限位螺钉。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1.本发明在球窝组件上仅集成一个工业相机，通过单目视觉系统测量辅助技术实现球头的自动柔性入位，同时集成超声波传感器保证了入位过程的安全可靠。
2.本发明采用气动驱动，可以实现自由、防逃逸和锁紧三种球窝组件状态自动切换。
3.本发明可以实现手动锁紧，不会因为断电或断气等误动作信号导致球窝状态的变化，功能稳定性好。
4.本发明相对传统装置效率高，具有普遍适用性。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的剖视图。
图3为本发明连接件的结构示意图。
图4为本发明手动锁定系统锁定后的剖视图。
图5为本发明手动锁定系统解除锁定后的剖视图。
图6为本发明入位方法顺序图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
参照附图1-图5所示，图中给出了一种用于飞机对接装配的新型球头球窝装置，包括一用于连接飞机部件的飞机部件连接件6和一用于夹持在球头上的球窝组件。
飞机部件6连接件包括连接杆601，在连接杆601的上端设有一用于连接飞机部件的连接法兰602，在连接杆601的下端设有一球头603，在球头603的底部设有十字标记604，球窝组件设置在数控定位器的末端上。
球窝组件包括球窝座4、下端盖16、滑动环18、限位环17、超声波传感器8、供气系统、工业相机14、三向力传感器12和PLC控制系统。
在球窝座4上端的中部开设有与球头相对应的球窝402，在球窝402的侧壁上沿其圆周方向间隔设有多个钢球容纳腔，在钢球容纳腔内设有钢球5，在球窝座4下端的中部开设有安装腔403，在球窝座4上端的外周面上设有向外延伸的上端盖401。
下端盖16与上端盖403相对应，下端盖16通过螺栓固定安装在球窝座4的下端上，外圈2设置在上端盖401与下端盖16之间，外圈2的上端通过螺栓固定安装在上端盖401上，外圈2的下端通过螺栓固定安装在下端盖16上。
滑动环18设置在外圈2与球窝座4之间，滑动环18套设在球窝座4下部上且能够沿其轴向进行上下滑动，在外圈2的内壁上设有限制滑动环18向上滑动的距离的限位凸肩。
在滑动环18与外圈2接触的外周面上设有第一密封圈，在滑动环18与球窝座4接触的内周面上设有第二密封圈，采用此种结构能够有效的提高滑动环18与外圈2以及球窝座之间的密封性能，避免气体从其缝隙之间漏出。
限位环17套设在滑动环18的侧壁上且能够沿其轴向进行上下滑动，限位环17上端的内周面向外凸起形成一压接在钢球5上的压接凸脚1701，在限位环18的上端面上沿其圆周方向间隔设有多个弹簧容纳腔，在弹簧容纳腔内部设有弹簧3，弹簧3的下端设置在弹簧容纳腔的底部上，弹簧3的上端设置在上端盖401上。
在限位环17与外圈2接触的外周面上设有第三密封圈，在限位环17与滑动环18侧壁相接触的内周面上设有第四密封圈，采用此种结构能够有效的提高限位环17与外圈2以及滑动环18之间的密封性能，避免气体从其缝隙之间漏出。
在限位环17的外周面上设有橡胶磁铁1，在外圈2的内周面上设有与橡胶磁铁1相对应的3个磁铁开关20，3个磁铁开关20分别设置在与自由、防逃逸、锁紧三种状态对应的位置，通过橡胶磁铁1和3个磁性开关20自动检测球头的三种状态。
当球头状态切换时，球窝组件内部的限位环17将处于不同高度，即橡胶磁铁会处于不同高度。在橡胶磁铁1三个对应高度上分别设置1个磁性开关20，橡胶磁铁1与磁性开关20接近时，磁性开关20得到检测信号，即可自动检测球头的相应状态。
超声波传感器8用于测量飞机部件与数控定位器的末端之间的距离，超声波传感器通过支架9设置在外圈2的一侧上，且通过螺母10固定安装在支架9上，有效的提高了超声波传感器8与支架9之间的稳定性能。
供气系统用于为滑动环18以及限位环17提供滑动动力，供气系统包括一开设在下端盖内且出气口位于滑动环底部的第一气道和一开设在外圈内切出气口位于限位环底部的第二气道，在第一气道的进气口上设有一第一快换接头11，第一快换接头11通过第一管道与气源相连通，在第二气道的进气口上设有一第二快换接头23，第二快换接头23通过第二管道与气源相连通。
工业相机14用于采用球头603图像并对其底部的十字标记604进行识别，工业相机14通过安装板15设置在安装腔403内，安装板15通过螺栓固定安装在下端盖16上。
三向力传感器12安装在数控定位器的末端上，三向力传感器12上端通过螺栓固定安装在安装板15上，在三向力传感器12的下端上安装有整体连接法兰13，整体连接法兰13通过螺栓固定安装在三向力传感器12的下端上。
PLC控制系统分别与数控定位器、超声波传感器8、供气系统、工业相机14和三向力传感器12通讯连接。
该用于飞机对接装配的新型球头球窝装置还包括一防止操作人员误操作的手动锁定系统，手动锁定系统包括设置在外圈上的旋钮柱塞22，在旋钮柱塞22相对限位环17的一端上设有限位插脚2201，在限位环17上设有与限位插脚2201相对应的限位插槽1701，采用此种结构避免操作人员进行误操作，有效的提高了该新型球头球窝装置的安全性能。
在上端盖401上沿其圆周方向间隔设有多个与弹簧3相对应的弹簧限位螺栓7，在上端盖401上还设有防止限位环17在滑动环发生相对转动的限位螺钉21。
该球头球窝装置具有两大技术效果：1.能够使球头柔性入位；2.能够使球头状态自动切换。
1.能够使球头柔性入位
球窝组件可以自动捕获球头的位置，实现球头的柔性入位。具体步骤如下：
球头自动识别步骤：
a.人工将数控定位器末端驱动至所需要的位置，通过球窝组件侧面安装的超声波传感,发射超声波测量飞机部件与数控定位器的距离，通过预先设定最小安全距离阈值，保证数控定位器靠近飞机部件的过程中数控定位器末端与飞机部件不发生碰撞。
b.数控定位器以螺旋轨迹做自动搜寻运动，同时球窝组件内的工业相机开启连续拍照功能，通过采集球头图像并对球头底部小平面上的十字标记进行识别。
c.识别成功后，数控定位器根据十字标记中心的图像坐标，数控定位器做二维平动运动，使得球窝组件移动至球头的正下方，保证工业相机能拍到球头的完整图像。
球头球心计算步骤：
通过算法计算球心相对球窝组件的三维坐标，实现球头和相对球窝的空间位置测量。算法原理及流程介绍如下：
根据单目视觉系统的针孔成像原理，当球头中心不在工业相机光轴上时，球头图像为椭圆。球面和工业相机坐标系原点可以定义一个以坐标原点为顶点，各母线与球面相切的正圆锥面。在此几何模型的基础上，根据工业相机的固有参数和椭圆与圆锥曲面的关系，计算出圆心的坐标。
设成像椭圆在成像坐标系下的方程为：
ax2+bxy+cy2+dx+ey+f＝0
设圆锥面在工业相机坐标系下的方程为：
Ax2+Bxy+Cy2+Dxz+Eyz+Fz2＝0
其中：A＝af0 2,B＝bf0 2,C＝cf0 2,D＝df0,E＝ef0，F＝f，f0为工业相机焦距。该方程可写成矩阵形式：
[x y z]·Θ·[x y z]T＝0
其中：
以工业相机坐标系原点为原点，以圆锥轴线为Z轴建立直圆锥坐标系，该坐标系x，y，z轴在工业相机坐标系的方向向量分别表示为：
其中：(x0,y0)表示椭圆圆心坐标。
通过向量标准化，得到则得到旋转矩阵R：
R＝[xn yn zn]
通过坐标系旋转，将圆锥曲面方程的二次形式转化为标准形式：
M＝RTΘR＝diag(λ1,λ2,λ3)
λ1x2+λ2y2+λ3z2＝0
其中：R为上述旋转矩阵，RT为其转置矩阵；λ1、λ2、λ3为直圆锥标准方程得系数。
由直圆锥我们可知λ1＝λ2，则顶角由如下式计算：
因此，球心与光学中心的距离如下式计算：
D＝R0/sinθ
其中：R0为球头的半径。
由上式可计算得到球头球心在直圆锥坐标系下的三维坐标[XCi YCi ZCi]：
[XCi YCi ZCi]T＝[0 0 D]T
设R*与T*为工业相机坐标系与定位器坐标系的变换关系，则球心在定位器坐标系的三维坐标为：
其中：[Xp Yp Zp]表示球头球心在定位器坐标系下的三维坐标。
球头入位步骤：
PLC控制系统根据球头球心坐标，控制数控定位器先进行二维平动使得球窝和球头对准，然后驱动Z轴，使得球头靠近球窝组件。最终预留设定的安全行程，通过手动微调和三向力传感器力反馈数据，将球头手动调至准确位置，最终实现球头快速柔性入位。
2.能够使球头状态自动切换
球窝组件采用了气动驱动形式，可以实现自由、防逃逸、锁紧三种状态。
在飞机调姿过程中，根据调姿总体过程的需要，系统可单独设定每个球窝组件的工作状态，实现工艺球头的状态的自动切换。例如：在调姿过程中，切换为防逃逸状态；在对接过程中，切换为锁紧状态；在上架与下架对接过程中则自动切换为自由状态。整个过程均由系统自动完成。
a.自由状态
限位环下部通气，将弹簧被压缩，使得限位环与钢珠完全脱离，球头可随意放入或取出球窝内。
b.防逃逸状态
防逃逸状态滑动环下部通气，将限位环向上推出一小段距离，使得限位环的压接凸脚与钢珠保持少量间隙，球头放入后不受钢珠的接触力，但是每对钢珠最大间距小于球头直径，球头在球窝内可任意移动，却不能逃出球窝。
c.锁紧状态
气路均保持泄压状态，锁紧状态下弹簧3处于压缩状态，将限位环顶至最低位置，压接凸脚、钢珠和球头保持相互接触，弹簧力使使钢珠牢固的压在球头上，保持稳定的锁紧状态。
该球窝组件采用横截面为矩形的弹簧的形式锁紧，最多可装入12根弹簧。可提供最大6100N的锁紧力。即使在断气或断电状态下均可以实现稳定的锁紧状态，不会由于突然的电、气波动而导致工装姿态的改变。
在正常使用过程中，可成对拆除矩形弹簧以降低夹紧力满足工况要求。具体参数见表1：
表1弹簧数量与夹紧力参数
| 弹簧数量 | 锁紧力 |
| 12根 | 6100N |
| 10根 | 5100N |
| 8根 | 4000N |
| 6根 | 3000N |
| 4根 | 2000N |
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (10)
1.一种用于飞机对接装配的入位方法，其特征在于，包括以下步骤：
球头自动识别步骤：通过工业相机识别球头的十字标记对球头进行初步识别与定位；
球头球心计算步骤：根据所设计算法计算球心在定位器坐标系下的空间坐标；
球头入位步骤：根据球头球心坐标，驱动定位器球窝主动捕获球头。
2.根据权利要求1所述的一种用于飞机对接装配的入位方法，其特征在于，所述球头自动识别步骤包含以下步骤：
将定位器末端驱动至所大致入位的位置；定位器以螺旋轨迹做自动搜寻运动，通过工业相机采集球头图像并对球头底部小平面上的十字标记进行识别；识别成功后，定位器根据十字标记中心的图像坐标，数控定位器做二维平动运动，使得球窝组件移动至球头的正下方。
3.根据权利要求1所述的一种用于飞机对接装配的入位方法，其特征在于，所述球头球心计算步骤包含以下步骤：
步骤S1.1：拟合球头成像椭圆的椭圆方程与确定椭圆圆心坐标；
步骤S1.2：计算工业相机光心与球头所成圆锥面的标准方程；
步骤S1.3：以工业相机坐标系原点为原点，以圆锥轴线为Z轴建立直圆锥坐标系，计算该坐标系与相机坐标系的旋转矩阵；
步骤S1.4：计算直圆锥坐标系下的直圆锥方程，根据方程参数及球心直径计算所述球头的三维坐标。
4.根据权利要求1所述的一种用于飞机对接装配的入位方法，其特征在于，所述球头入位步骤包含以下步骤：
PLC控制系统根据球头球心坐标，控制定位器先进行二维平动使得球窝和球头对准，然后驱动Z轴，使得球头靠近球窝组件，通过三向力传感器力反馈数据，将球头手动调至准确位置，最终实现球头准确入位。
5.一种用于飞机对接装配的新型球头球窝装置，该装置采用上述权利要求1-4任意一项所述的用于飞机对接装配的入位方法进行操作，包括
一用于连接飞机部件的飞机部件连接件；
所述飞机部件连接件包括连接杆，在所述连接杆的上端设有一用于连接飞机部件的连接法兰，在所述连接杆的下端设有一球头，在所述球头的底部设有十字标记；
一用于夹持在球头上的球窝组件，所述球窝组件设置在数控定位器的末端上；
其特征在于，所述球窝组件包括
一球窝座，在所述球窝座上端的中部开设有与球头相对应的球窝，在所述球窝的侧壁上沿其圆周方向间隔设有多个钢球容纳腔，在所述钢球容纳腔内设有钢球，在所述球窝座下端的中部开设有安装腔，在所述球窝座上端的外周面上设有向外延伸的上端盖；
一与上端盖相对应的下端盖，所述下端盖设置在球窝座的下端上；
一设置在上端盖与下端盖之间的外圈，所述外圈的上端与上端盖的下端连接，所述外圈的下端面与下端盖的上端连接；
一设置在外圈与球窝座之间的滑动环，所述滑动环套设在球窝座下部上且能够沿其轴向进行上下滑动，在所述外圈的内壁上设有限制滑动环向上滑动的距离的限位凸肩；
一套设在滑动环的侧壁上且能够沿其轴向进行上下滑动的限位环，所述限位环上端的内周面向外凸起形成一压接在钢球上的压接凸脚，在所述限位环的上端面上沿其圆周方向间隔设有多个弹簧容纳腔，在所述弹簧容纳腔内部设有弹簧，所述弹簧的下端设置在弹簧容纳腔的底部上，所述弹簧的上端设置在上端盖上；
一用于测量飞机部件与数控定位器的末端之间的距离的超声波传感器，所述超声波传感器通过支架设置在外圈的一侧上；
一用于为滑动环以及限位环提供滑动动力的供气系统；
一用于采用球头图像并对其底部的十字标记进行识别的工业相机，所述工业相机通过安装板设置在安装腔内；
一安装在数控定位器的末端上三向力传感器，所述三向力传感器上端设置在安装板上，在所述三向力传感器的下端上安装有整体连接法兰；
一PLC控制系统，所述PLC控制系统分别与数控定位器、超声波传感器、供气系统、工业相机和三向力传感器通讯连接。
6.根据权利要求5所述的一种用于飞机对接装配的新型球头球窝装置，其特征在于，该用于飞机对接装配的新型球头球窝装置还包括一防止操作人员误操作的手动锁定系统，所述手动锁定系统包括设置在外圈上的旋钮柱塞，在所述旋钮柱塞相对限位环的一端上设有限位插脚，在所述限位环上设有与限位插脚相对应的限位插槽。
7.根据权利要求5所述的一种用于飞机对接装配的新型球头球窝装置，其特征在于，在所述滑动环与外圈接触的外周面上设有第一密封圈，在所述滑动环与球窝座接触的内周面上设有第二密封圈。
8.根据权利要求5所述的一种用于飞机对接装配的新型球头球窝装置，其特征在于，在所述限位环与外圈接触的外周面上设有第三密封圈，在所述限位环与滑动环侧壁相接触的内周面上设有第四密封圈。
9.根据权利要求5所述的一种用于飞机对接装配的新型球头球窝装置，其特征在于，所述供气系统包括
一开设在下端盖内且出气口位于滑动环底部的第一气道，在所述第一气道的进气口上设有一第一快换接头，所述第一快换接头通过第一管道与气源相连通；
一开设在外圈内切出气口位于限位环底部的第二气道，在所述第二气道的进气口上设有一第二快换接头，所述第二快换接头通过第二管道与气源相连通。
10.根据权利要求5所述的一种用于飞机对接装配的新型球头球窝装置，其特征在于，在所述上端盖上沿其圆周方向间隔设有多个与弹簧相对应的弹簧限位螺栓，在所述上端盖上还设有防止限位环在滑动环发生相对转动的限位螺钉。
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