CN110935906A - 一种基于混连式轨道制孔系统的加工点定位、法向检测和调整方法 - Google Patents

Abstract

一种基于混连式轨道制孔系统的加工点定位、法向检测和调整方法，其特征是：首先，在已知几何参数的基础上，通过目标加工点的位置和法向，一次性快速解算出各运动轴的目标位置；第二，通过法向检测算法快速检测出目标检测位置在末端坐标系下的法向；第三，通过法向调姿实现快速定位。本发明简便快捷，且算法核心公式与加工点定位算法相同，便于软件实现。

Description

一种基于混连式轨道制孔系统的加工点定位、法向检测和调 整方法

技术领域

本发明涉及一种飞机装配技术，尤其是一种飞机蒙皮表面制孔技术，具体地说是一种基于混连式轨道制孔系统的加工点定位、法向检测和调整方法

背景技术

飞机装配是飞机制造全流程中难度最大、工作量最多、工艺流程最为复杂的环节，装配质量的水平直接决定了飞机性能及使用寿命。因此，自动化装配系统的应用是一个主要发展趋势。飞机自动化装配系统的发展主要为两个方向。一种是成本较高的、适用于批量较大产品的大型专用自动化装配系统，如MPAC、VPAC等。另一种是成本较低的、适用于批量较小产品的轻型自动化装配系统，该种系统的发展方向为轻型化、柔性化、模块化，目前其典型代表有基于工业机器臂自动装配系统、柔性轨道自动化装配系统和自主移动制孔系统。其中，轨道式自动化装配系统是应用广泛的一种主流自动化装配系统。该类系统是以刚性或柔性轨道为平台，配上相应的末端执行器，完成自动化制孔等工作。典型的如:

波音公司申请的中国发明专利CN200580025525.X所公开的柔性轨道多轴工具机及方法。该柔性轨道系统通过安装于导轨底部的真空吸盘，直接吸附在飞机等值段机身曲面上开展自动制孔作业，安装于导轨上的末端执行器可在一次轨道铺设内完成自动钻孔等任务。

浙江大学设计了一种圆形轨道拼接在机身筒段环向、由三层装置组合而成的飞机机身弧形制孔装置，该设备将机身对接筒段划分为若干制孔区域，一次安装可完成整个覆盖区域内机身环形区域内的全部制孔任务。但该设备刚性轨道设备仅适合于圆形规则曲面的加工，需配合保持架和冗余配重使用，安装铺设工作占用工位时间较长。

南京航空航天大学设计了一种刚柔结合的环形轨道制孔系统，该设备通过刚性定位辅助工装上带有的刚性定位节点将环形柔性轨道定位在机身蒙皮表面上，利用齿轮齿条传动制孔平台完成制孔任务。

无论哪一种轨道制孔系统，都存在到达制孔区域之后，对目标加工点定位，然后进行法向检测，如检测发现刀具轴线未沿加工区域的法线方向则需要进行法向调整。

发明内容

本发明的目的是为刚柔结合的混连式轨道制孔系统提供一套加工点定位、法向检测和调整方法，它具有算法简单，易于控制实现的优点。

本发明的技术方案是：

一种基于混连式轨道制孔系统的加工点定位、法向检测和调整方法，其特征是：

所述的加工点定位方法是：

设：已知目标点在小车坐标系下的位置为Dc＝[xDt,yDt,zDt]^T和法向Nc＝[l,m,n]^T；压力脚距离目标点位置Lpd；

末端坐标系OeXYZ的坐标原点Oe在压力脚压力环中心贴合蒙皮的位置上，Xe平行于压力脚安装座平面，初始平行位置时和Xc平行并指向驱动机构方向，Ze轴沿底座平面法向向上，Ye形成向外的右手系；小车坐标系OcXYZ的坐标原点Oc在固定腿足部铰链中心，Xc平行于底座指向驱动机构方向，Zc轴沿底座平面法向向上，Yc形成向外的右手系，环形轨道系统的制孔小车固定腿Z1、单向补偿腿Z2、Z3、Z4、X1、Y、压力脚P共7个运动轴决定位姿；

则：从末端坐标系到小车坐标系的旋转矩阵Re^c:

其中SA、CA、SB、CB分别表示sinA,cosA,sinB,cosB；

可知：

其中：A、B分别为绕固定坐标系(小车坐标系)的x-y顺序的角度；l，m，n为法向Nc＝[l,m,n]^T的三个分量；

OcOe为目标位置下，小车坐标系原点Oc到末端坐标系原点Oe的距离，也就是Oe在小车坐标系下的位置，等于目标位置在目标点沿目标法向提高Lpd；

即OcOe＝Dc+Lpd*Nc，所述法向是蒙皮的外法向；

将公式(2)求得的A、B角值和式(3)求得的OcOe值代入从末端坐标系到小车坐标系的齐次变换矩阵Te^c:

式中d是从小车坐标系原点到末端坐标系原点的矢量，用公式(3)求解。

上部框架上F1、F2、F3、F4点，在末端坐标系的位置为Fie，在小车坐标系下位置为Fic(i＝1,2,3,4)

注意：

F_1e＝[-x₁ y p 1]^T(6)

式中：

x₁为小车x方向的运动位置，y为小车y方向的运动位置，p为小车压力脚的运动位置

(附图3所示)；

设F_1c＝[x_F1c y_F1c z_F1c 1]^T

由于腿的目标位置就是目标法向Nc，所以各腿的点法式方程均是：

球铰链位置Si就是该方程与所在平面方程Z＝Zi的交点。

如S1就是该方程与Z＝0的交点，联立可得：

注意S1c为原点Oc，所以：

S_1c＝[0 0 0 1]^T (9)

由(8)和(9)可知：

公式(11)中可求得x1、y、Zf1c

y＝z_F1c·m/(n·CA)+p·tanA-d_y/CA (13)

x₁＝-y·SA/tanB+z_F1c/SB-p·CA/tanB-d_z/SB (14)

代入公式(5)可求得

所述的法向检测方法是：

设四个传感器Si(即S1～S4)的位置和方向为：

传感器Si检测到的距离为DSi；

那么Si检测到蒙皮的实际位置为TSi：

TS_i＝Ps_i+DS_i·NS_i

注意方向是有正负号的，垂直安装时NSi为[0,0,-1]^T；

任何3点TSi、TSj、TSk确定的蒙皮外法向N_ijk:

N_ijk＝(TS_k-YS_j)×(TS_i-TS_j)

N_ijk再单位化即可获得单位化的法向向量；

四个传感器Si(i＝1，2，3，4)确定末端坐标系下的法向N_e；N₄₁₂、N₁₂₃、N₂₃₄、N₃₄₁单位化后的法向为n₄₁₂、n₁₂₃、n₂₃₄、n₃₄₁，则：

N_e＝(n₄₁₂+n₁₂₃+n₂₃₄+n₃₄₁)/4；

所述的法向调姿的方法为：

首先，将末端坐标系下的法向Ne转换为当前小车坐标系下目标法向Nc；

将Dc＝[xDt,yDt,zDt]^T和Nc’＝[l’,m’,n’]^T值重新代入公式(2)～(16)可求解调整到检测法向状态下各轴的运动位置；然后设置各轴运行到新的绝对位置，或者与原有的位置比较后得到增量位置值，各轴运行增量值。

在调姿过程重，制孔点始终没变，也就是TCP点就是制孔/K孔点Dc，在末端坐标系的[0；0；-Lpd]处。

所述的压力脚距离目标点位置Lpd是通过默认测量获得。

法向检测时，如果某一传感器Si数据有问题，则含有i的三组法向与离线差别大于阈值20％以上时报警，说明传感器Si数据有问题，则此时应使用不含Si数据的那个方向为法向。

本发明的有益效果：

本发明针对一种混连式轨道制孔系统，提供其用于控制实现法向检测和调整的运动算法。涉及主要用于飞机装配过程中混连式轨道制孔系统在局部加工区域实现目标点定位、法向检测、法向调姿算法。具有以下显著优点：

首先，该算法简单快捷，在已知几何参数的基础上，只需要提供目标加工点的位置和法向，就可以一次快速解算出各运动轴的目标位置，控制应用方便；第二，该方法提供了一种法向检测算法，该算法可以快速检测出目标检测位置在末端坐标系下的法向。特别是，本方法考虑了利用多传感器冗余信息提高检测精度，也考虑了传感器的安装位置参数，便于标定这些安装位置参数后快速修正算法；第三，给出了检测法向后，进行法向调姿的方法，简便快捷，且算法核心公式与加工点定位算法相同，便于软件实现。

附图说明

图1是本发明所涉及的混连式轨道制孔机构结构示意图。

图2本发明所涉及的混连式轨道制孔机构原理简图

图3是本发明所涉及的运动轴和几何参数示意图。

图4是本发明所涉及的由多激光测距传感器组成的法矢检测系统示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1-4所示，

一种基于混连式轨道制孔系统的加工点定位、法向检测和调整方法，其混连式轨道制孔系统结构如图1所示，等效原理图如图2所示。

混连式轨道制孔系统包括底座框架8、主轴电机3、压力脚4、立柱支腿5、内框架1；底座框架8在边角下方安装有四组V型轮7，通过V型轮7与柔性轨道连接；拖车12上安装有带有减速器的伺服电机和齿轮，移动制孔平台通过齿轮链条副在柔性轨道上移动；四条立柱支腿5与内框架1通过支腿底端的基座安装在底盘框架8上，底座框架8内部开有管孔，用于穿插管线布置；每条立柱支腿5内都安装有直线电机、伺服驱动器，支腿的底部安装有X向调姿补偿锁紧气缸6和Y向调姿补偿锁紧气缸6，避免在法向调姿时四条支腿发生干涉；内框架1两侧安装有直线导轨2和丝杆，实现末端执行器的X、Y轴两个方向的移动；所述末端执行器通过丝杠10在内框架上移动，用于调节X、Y两个方向坐标，Z轴进给由四条立柱支腿5同步耦合进给实现；所述主轴3安装在末端执行器上，通过同步带传递动力；所述压力脚安装在主轴3下方，压力脚的通孔与主轴3同轴设置。

1.确定加工点定位的方法：

已知目标点在小车坐标系下的位置Dc＝[xDt,yDt,zDt]^T和法向Nc＝[l,m,n]^T。默认测量时，压力脚距离目标点位置Lpd.

末端坐标系OeXYZ的坐标原点Oe在压力脚压力环中心贴合蒙皮的位置上，Xe平行于压力脚安装座平面(初始平行位置时和Xc平行并指向驱动机构方向)，Ze轴沿底座平面法向向上，Ye形成右手系(向外)；小车坐标系OcXYZ的坐标原点Oc在固定腿足部铰链中心，Xc平行于底座指向驱动机构方向，Zc轴沿底座平面法向向上，Yc形成右手系(向外)，如图2所示。环形轨道系统的制孔小车Z1(固定腿)、Z2(单向补偿腿)、Z3、Z4、X1、Y、压力脚P(7个轴)共7个运动轴决定位姿的。

从末端坐标系到小车坐标系的旋转矩阵Re^c:

其中SA、CA、SB、CB分别表示sinA,cosA,sinB,cosB。

可知：

OcOe为目标位置下，小车坐标系原点Oc到末端坐标系原点Oe的距离，也就是Oe在小车坐标系下的位置，等于目标位置在目标点沿目标法向提高Lpd，即OcOe＝Dc+Lpd*Nc(注意，法向应该是蒙皮的外法向)

将公式(2)求得A、B角值，和式(3)求得OcOe带入从末端坐标系到小车坐标系的齐次变换矩阵Te^c:

上部框架上F1F2F3F4点，在末端坐标系的位置为Fie，在小车坐标系下位置为Fic(i＝1,2,3,4)

注意：

F_1e＝[-x₁ y p 1]^T (6)

设F_1c＝[x_F1c y_F1c z_F1c 1]^T

由于腿的目标位置就是目标法向Nc，所以各腿的点法式方程均是：

球铰链位置Si就是该方程与所在平面方程Z＝Zi的交点。

如S1就是该方程与Z＝0的交点，联立可得：

注意S1c为原点Oc，所以：

S_1c＝[0 0 0 1]^T (9)

由(8)和(9)可知：

公式(11)中可求得x1、y、Zf1c

y＝z_F1c·m/(n·CA)+p·tanA-d_y/CA (13)

x₁＝-y·SA/tanB+z_F1c/SB-p·CA/tanB-d_z/SB (14)

带入公式(5)可求得

2.法向检测的方法：

已知四个传感器Si(即S1～S4)的位置和方向为

传感器Si检测到的距离为DSi

那么Si检测到蒙皮的实际位置为TSi

TS_i＝Ps_i+DS_i·NS_i

注意方向是有正负号的，垂直安装NSi一般为[0,0,-1]^T。

任何3点确定的蒙皮外法向，比如TSi、TSj、TSk确定的法向N_ijk:(比如TS1、TS2、TS4确定的法向N₄₁₂)

N_ijk＝(TS_k-TS_j)×(TS_i-TS_j)

N_ijk再单位化即可获得单位化的法向向量。

正常已知四个传感器Si(i＝1，2，3，4)确定末端坐标系下的法向N_e。N₄₁₂、N₁₂₃、N₂₃₄、N₃₄₁单位化后的法向为n₄₁₂、n₁₂₃、n₂₃₄、n₃₄₁，则：

N_e＝(n₄₁₂+n₁₂₃+n₂₃₄+n₃₄₁)/4

注意，如果某一传感器Si数据有问题，则含有i的三组法向与离线差别较大(比如可以设置阈值差20％以上为较大)，此时报警说传感器Si数据有问题，并建议用不含Si数据的那个方向为法向。

3.法向调姿的方法：

首先，将末端坐标系下的法向Ne转换为当前小车坐标系下目标法向Nc。

将Dc＝[xDt,yDt,zDt]^T和Nc’＝[l’,m’,n’]^T值重新代入公式(2)～(16)可求解调整到检测法向状态下各轴的运动位置。然后可以设置各轴运行到新的绝对位置，或者与原有的位置比较后得到增量位置值，各轴运行增量值。

注意，在调姿过程重，制孔点始终没变，也就是TCP点就是制孔/K孔点Dc，在末端坐标系的[0；0；-Lpd]处。

详述如下：

一种基于混连式轨道制孔系统的加工点定位、法向检测和调整方法，它包括以下步骤：

首先，制孔小车在轨道上局部定位之后，离线编程代码中的制孔孔位转换为小车坐标系下的制孔孔位，然后根据这个孔位数据，即目标点在小车坐标系下的位置Dc＝[xDt,yDt,zDt]^T和法向Nc＝[l,m,n]^T。按照本发明的算法，根据几何参数和默认测量时(压力脚压紧前)，压力脚距离目标点位置Lpd，计算各轴的目标位置：

y＝z_F1c·m/(n·CA)+p·tanA-d_y/CA (13)

x₁＝-y·SA/tanB+z_F1c/SB-p·CA/tanB-d_z/SB (14)

带入公式(5)可求得

控制系统根据这个位置驱动各运动轴到达目标点。

第2步，启动法线检测传感器测量到目标表面的距离，并计算当前的位置在末端坐标系的法向：

N_ijk再单位化即可获得单位化的法向向量。正常已知四个传感器Si(i＝1，2，3，4)确定末端坐标系下的法向N_e。N₄₁₂、N₁₂₃、N₂₃₄、N₃₄₁单位化后的法向为n₄₁₂、n₁₂₃、n₂₃₄、n₃₄₁，则：

N_e＝(n₄₁₂+n₁₂₃+n₂₃₄+n₃₄₁)/4

第3步，将末端坐标系下的法向Ne转换为当前小车坐标系下目标法向Nc。

第4步，Dc＝[xDt,yDt,zDt]^T和Nc’＝[l’,m’,n’]^T值重新代入公式

y＝z_F1c·m/(n·CA)+p·tanA-d_y/CA (13)

x₁＝-y·SA/tanB+z_F1c/SB-p·CA/tanB-d_z/SB (14)

带入公式(5)可求得

可求解调整到检测法向状态下各轴的运动位置，然后可以设置各轴运行到新的绝对位置。

第5步，完成制孔等加工工作后，重新获取下一个加工点的位置，重复第1步工作，直至所有点加工完成。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (3)

1.一种基于混连式轨道制孔系统的加工点定位、法向检测和调整方法，其特征是：

所述的加工点定位方法是：

设：已知目标点在小车坐标系下的位置为Dc＝[xDt，yDt，zDt]^T和法向Nc＝[l，m，n]^T；压力脚距离目标点位置Lpd；

末端坐标系OeXYZ的坐标原点Oe在压力脚压力环中心贴合蒙皮的位置上，Xe平行于压力脚安装座平面，初始平行位置时和Xc平行并指向驱动机构方向，Ze轴沿底座平面法向向上，Ye形成向外的右手系；小车坐标系OcXYZ的坐标原点Oc在固定腿足部铰链中心，Xc平行于底座指向驱动机构方向，Zc轴沿底座平面法向向上，Yc形成向外的右手系，环形轨道系统的制孔小车固定腿Z1、单向补偿腿Z2、Z3、Z4、X1、Y、压力脚P共7个运动轴决定位姿；

则：从末端坐标系到小车坐标系的旋转矩阵Re^c：

其中SA、CA、SB、CB分别表示sinA，cosA，sinB，cosB；

可知：

其中：A、B分别为绕固定坐标系(小车坐标系)的x-y顺序的角度；l，m，n为法向Nc＝[l，m，n]^T的三个分量；

OcOe为目标位置下，小车坐标系原点Oc到末端坐标系原点Oe的距离，也就是Oe在小车坐标系下的位置，等于目标位置在目标点沿目标法向提高Lpd；

即OcOe＝Dc+Lpd*Nc，所述法向是蒙皮的外法向；

将公式(2)求得的A、B角值和式(3)求得的OcOe值代入从末端坐标系到小车坐标系的齐次变换矩阵Te^c：

式中d是从小车坐标系原点到末端坐标系原点的矢量，用公式(3)求解；

上部框架上F1、F2、F3、F4点，在末端坐标系的位置为Fie，在小车坐标系下位置为Fic(i＝1，2，3，4)

注意：

F_1e＝[-x₁ y p 1]^T (6)

式中：

x₁为小车x方向的运动位置，y为小车y方向的运动位置，p为小车压力脚的运动位置；

设F_1c＝[x_F1c Y_F1c z_F1c 1]^T

由于腿的目标位置就是目标法向Nc，所以各腿的点法式方程均是：

球铰链位置Si就是该方程与所在平面方程Z＝Zi的交点。

如S1就是该方程与Z＝0的交点，联立可得：

注意S1c为原点Oc，所以：

S_1c＝[0 0 0 1]^T (9)

由(8)和(9)可知：

公式(11)中可求得x1、y、Zf1c

y＝z_F1c·m/(n·CA)+p·tanA-d_y/CA (13)

x₁＝-y·SA/tanB+z_F1c/SB-p·CA/tanB-d_z/SB (14)

代入公式(5)可求得

所述的法向检测方法是：

设四个传感器Si(即S1～S4)的位置和方向为：

传感器Si检测到的距离为DSi；

那么Si检测到蒙皮的实际位置为TSi：

TS_i＝Ps_i+DS_i·NS_i

注意方向是有正负号的，垂直安装时NSi为[0，0，-1]^T；

任何3点TSi、TSj、TSk确定的蒙皮外法向N_ijk：

N_ijk＝(TS_k-TS_j)×(TS_i-TS_j)

N_ijk再单位化即可获得单位化的法向向量；

四个传感器Si(i＝1，2，3，4)确定末端坐标系下的法向N_e；N₄₁₂、N₁₂₃、N₂₃₄、N₃₄₁单位化后的法向为n₄₁₂、n₁₂₃、n₂₃₄、n₃₄₁，则：

N_e＝(n₄₁₂+n₁₂₃+n₂₃₄+n₃₄₁)/4；

所述的法向调姿的方法为：

首先，将末端坐标系下的法向Ne转换为当前小车坐标系下目标法向Nc；

将Dc＝[xDt，yDt，zDt]^T和Nc’＝[l′，m′，n′]^T值重新代入公式(2)～(16)可求解调整到检测法向状态下各轴的运动位置；然后设置各轴运行到新的绝对位置，或者与原有的位置比较后得到增量位置值，各轴运行增量值。

在调姿过程重，制孔点始终没变，也就是TCP点就是制孔/K孔点Dc，在末端坐标系的[0；0；-Lpd]处。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的压力脚距离目标点位置Lpd是通过默认测量获得。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征是法向检测时，如果某一传感器Si数据有问题，则含有i的三组法向与离线差别大于阈值20％以上时报警，说明传感器Si数据有问题，则此时应使用不含Si数据的那个方向为法向。

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