CN111331431B - 接触式曲面壁板法向测量与锪窝深度补偿装置及测量方法 - Google Patents

接触式曲面壁板法向测量与锪窝深度补偿装置及测量方法 Download PDF

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CN111331431B CN202010202323.4A CN202010202323A CN111331431B CN 111331431 B CN111331431 B CN 111331431B CN 202010202323 A CN202010202323 A CN 202010202323A CN 111331431 B CN111331431 B CN 111331431B
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Abstract

本发明提供了一种接触式曲面壁板法向测量与锪窝深度补偿装置及测量方法，包括：伺服电机与单轴驱动器的丝杠同轴并由联轴器连接；单轴驱动器固定在测量装置支架的上面；拖链支架固定在测量装置支架的侧面；法向测量组件安装支架固定于单轴驱动器，拖链的固定端和自由端分别与拖链支架和法向测量组件安装支架固定连接，长度计安装支架固定在法向测量组件安装支架上；长度计安装支架与支架盖板对长度计实现紧密的夹持，在长度计安装支架前端安装长度计限位块；本发明实现了一种既可对外侧具有桁条等复杂结构的曲面工件进行高精度、高可靠性的法向测量，又可以在对曲面工件上进行锪窝时补偿锪窝深度的装置与方法。

Description

接触式曲面壁板法向测量与锪窝深度补偿装置及测量方法
技术领域
本发明涉及机械加工领域，具体地，涉及自动化航天装配的法向测量装置及方法，尤其是可适用于具有桁条的曲面壁板制孔的高精度法向测量，以及接触式曲面壁板法向测量与锪窝深度补偿装置及测量方法，更为具体地，涉及接触式曲面壁板法向测量与锪窝深度补偿装置及测量方法。
背景技术
在自动制孔设备中，对曲率大于零的工件进行高精度的曲面法向测量是保障制孔垂直度的重要方法。而制孔垂直度是影响连接质量的重要因素，有研究表明，当孔垂直度超过2°时，连接的强度将降低57％。因此，高精度的法向测量技术可为连接强度带来很大提升。
对自动制孔设备来说，锪窝深度控制是同样一项影响装配质量的重要技术指标。控制锪窝深度的目的在于避免出现因铆钉、螺钉钉头超出或陷入壁板表面，从而引起航空航天器出现疲劳强度的损失，影响其使用寿命或者隐身性能。
现有的曲面法向测量装置与方法普遍存在以下缺陷：
(1)现有的曲面法向测量装置一般在无遮蔽的曲面上进行测量，无法有效的对表面有较复杂结构(如，桁条)的曲面进行测量；
(2)现有窝深控制限于将压紧装置脚口与进给轴运动独立，并使用绝对光栅尺测量压紧装置脚口的相对于基体的进给量来为锪窝刀具的进给量进行补偿，但是在对较大曲率的曲面工件进行锪窝时刀具与工件表面的起始接触位置与压紧装置脚口的接触位置仍有偏差。
专利文献CN204064269U(申请号：201420430291.3)公开了一种接触式法向测量装置，它包括一个作为基础的壳体，该壳体的几何中心处开设有一圆心孔，在壳体的下部活动链接有一个球面基体，这个球面基体与壳体之间为球面连接。当固定连接于球面基体的压力脚贴紧曲面时，球面基体通过与壳体的球面连接进行转动，通过检测这个转动的角度间接完成对曲面上此处法向的测量。其球面基体与压紧装置脚口间的距离较近，在面对复杂结构曲面时，易发生干涉，无法对桁条附近区域进行测量。且当工件表面曲率较大时，无法对实际刀具起始接触位置与理论的刀具起始接触位置之间的偏差进行补偿，见图6。
专利文献CN108015312B(申请号：201711056976.0)公开了一种用于机器人高精度制孔与锪窝的末端执行器，包括：主轴及其进给单元、法向测量装置及其驱动单元、基准孔视觉定位单元以及导轨安装板，其中：所述主轴及其给进单元安装在所述导轨安装板上；所述法向测量装置安装所述导轨安装板的一端；所述基准孔视觉定位单元安装在所述导轨安装板的背面。本发明结构紧凑，并包含多个功能模块，包括位移检测模块、法向测量模块、基准孔视觉定位模块，增加测量可靠性；本发明的位移检测模块能够检测刀具进给量、工件夹紧与加工时工件的变形量，并对其进行补偿。该专利仅对曲面壁板在受压时所发生的型变量进行了锪窝深度补偿。同样地，无法对(如图片5中所示)因大曲率工件被压紧后，表面突入压紧装置脚口内而引起的锪窝起始位置偏差做出有效补偿。
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接触式曲面壁板法向测量与锪窝深度补偿装置及测量方法。
根据本发明提供的一种接触式曲面壁板法向测量与锪窝深度补偿装置，包括：
拖链1、拖链支架2、法向测量组件安装支架3、长度计安装支架4、支架盖板5、长度计6、伺服电机7、单轴驱动器8、测量装置支架9和长度计限位块10；
所述伺服电机7与所述单轴驱动器8的丝杠同轴连接；所述单轴驱动器8固定在所述测量装置支架9的上面；
所述拖链支架2固定在所述测量装置支架9的侧面；所述法向测量组件安装支架3固定于所述单轴驱动器8，所述拖链1的固定端和自由端分别与所述拖链支架2和所述法向测量组件安装支架3固定连接，所述长度计安装支架4固定在所述法向测量组件安装支架3上；所述长度计安装支架4与所述支架盖板5对所述长度计6实现紧密的夹持，在所述长度计安装支架4前端安装所述长度计限位块10；
测量时由所述伺服电机7驱动定位，所述单轴驱动器8传动与导向，带动所述拖链支架2及所述长度计6向前进给，压紧工件表面，使所述长度计6作用，测量工件表面法向。
优选地，所述伺服电机7与所述单轴驱动器8的丝杠同轴并由联轴器连接。
优选地，所述长度计安装支架4有三个圆柱形凹槽，所述长度计安装支架4与所述支架盖板5紧固后，对所述长度计6实现紧密的夹持。
优选地，所述长度计6有三个，三个所述长度计6在所述长度计安装支架4与所述支架盖板5的紧密夹持下呈“品”字型排列。
优选地，包括：利用曲面壁板法向测量与锪窝深度补偿装置进行法向测量和利用曲面壁板法向测量与锪窝深度补偿装置进行锪窝深度补偿；
优选地，所述利用曲面壁板法向测量与锪窝深度补偿装置进行法向测量包括：
步骤M1：在自动制孔设备中的主轴刀柄上，夹装长度计标定工装，调整长度计标定工装安装角度，确保标定平面可与三个所述长度计同时接触；
步骤M2：定义在测量位置时的所述长度计6的端点在工具坐标系下的坐标为(Δxi,yi,zi),i＝1,2,3；其中，Δxi为各长度计读数，因为测量装置只在x轴有一个自由度，故yi,zi为常数；
步骤M3：所述单轴驱动器8进给，使3个所述长度计6同时与所述长度计标定工装的工装标定平面接触，记录此时的长度计读数并对长度计进行归零；
步骤M4：在对曲面进行测量时，使3个所述长度计6同时接触工件表面，此时所述长度计6端点位置记录为(Δxi',yi,zi),i＝1,2,3；
步骤M5：利用三个所述长度计各自端点中的两两端点形成的任意两个向量
Figure GDA0003012408970000031
与
Figure GDA0003012408970000032
根据向量叉积方法，求解出工件当前位置的法向量
Figure GDA0003012408970000033
所述长度计标定工装用于对装配完成的长度计进行法向标定校准，保证经过标定的长度计的归零点和刀具轴线垂直，保障法向测量结果与制孔轴线无进一步偏差。
优选地，所述长度计标定工装包括工装标定平面、工装圆棒和胀紧套；所述工装标定平面与工装圆棒轴线垂直。
优选地，所述步骤M5包括：
Figure GDA0003012408970000034
Figure GDA0003012408970000041
设
Figure GDA0003012408970000042
单位化后可得到测量工件的法向：
Figure GDA0003012408970000043
其中，
Figure GDA0003012408970000044
表示x方向方向向量，
Figure GDA0003012408970000045
表示y方向方向向量，
Figure GDA0003012408970000046
表示z方向方向向量，
Figure GDA0003012408970000047
表示
Figure GDA0003012408970000048
向量与
Figure GDA0003012408970000049
向量的叉积。
优选地，所述曲面壁板法向测量与锪窝深度补偿装置进行锪窝深度补偿包括：
步骤N1：使制孔设备的压紧装置脚口顶紧标定平面；
步骤N2：所述单轴驱动器8进给到预设的固定位置，并使3个所述长度计6同时接触标定平面，得到并记录当前的长度计测量时的读数li,i＝1,2,3，此时长度计与制孔设备的压紧装置脚口平齐；
步骤N3：在锪窝前，使所述单轴驱动器8进给至相同的固定位置，3个长度计同时接触工件表面后，得到标定时的读数li',i＝1,2,3；
步骤N4：将长度计测量时的读数li,i＝1,2,3与标定时读数li',i＝1,2,3依次相减，再对差值求平均值，获得一个刀具实际接触位置
Figure GDA00030124089700000410
步骤N5：在进行锪窝时，将锪窝刀具的进给量减少
Figure GDA00030124089700000411
完成对锪窝深度的补偿。
优选地，所述步骤N4包括：
Figure GDA00030124089700000412
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明可实现火箭筒段内侧与外侧复杂结构(桁条等)的曲面法向测量；
2、本发明通过三个长度计实现曲面法向测量，长度计排列紧凑，对不同曲率工件有广泛的适用范围，解决了大曲率工件的法向测量问题；
3、本发明可以测量较大曲率工件被压脚压紧后，制孔位置处的工件表面与刀具的实际接触位置，从而实现锪窝深度补偿功能，有助于提高自动制孔设备的锪窝深度控制精度；
4、本发明在进行锪窝深度补偿测量时，对工件的曲率半径有很广的适用范围，对大曲率凹面与大曲率凸面的工件均可有效的补偿锪窝深度；
5、本发明与的法向测量装置可独立于工件压紧装置，可适用于不同机械结构的压紧装置，有很强的通用性。
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为本发明的紧凑型接触式法向测量装置的结构示意图；
图2为本发明法向测量装置的测量组件结构示意图；
图3为本发明法向测量装置的标定方法示意图；
图4为本发明的长度计标定工装示意图；
图5为本发明的接触式法向测量原理图；
图6为本发明的锪窝深度补偿原理图；
图7为本发明的锪窝深度补偿功能标定示意图；
图中示出：
1--拖链；2--拖链支架；3--法向测量组件安装支架；4--长度计安装支架；5--长度计安装支架盖板；6--长度计；7--伺服电机；8--单轴驱动器；9--测量装置支架；10--长度计限位块；11--长度计标定工装；12--刀柄；13--胀紧套；14--工装圆棒；15--工装标定平面。
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。
根据本发明提供的一种接触式曲面壁板法向测量与锪窝深度补偿装置，包括：如图1所示：
拖链1、拖链支架2、法向测量组件安装支架3、长度计安装支架4、支架盖板5、长度计6、伺服电机7、单轴驱动器8、测量装置支架9和长度计限位块10；
长度计安装支架4、支架盖板5、三个长度计6与长度计限位块10组成了法向测量组件；该法向测量组件通过法向测量组件安装支架3与伺服电机7和单轴驱动器8组成的进给机构连接。拖链1与拖链支架2连接在游离的法向测量组件安装支架3和固定的测量装置支架9。
所述伺服电机7与所述单轴驱动器8的丝杠同轴并由联轴器连接；所述单轴驱动器8固定在所述测量装置支架9的上面；
所述拖链支架2固定在所述测量装置支架9的侧面；所述法向测量组件安装支架3固定于所述单轴驱动器8，所述拖链1的固定端和自由端分别与所述拖链支架2和所述法向测量组件安装支架3固定连接，所述长度计安装支架4固定在所述法向测量组件安装支架3上；所述长度计安装支架4有三个圆柱形凹槽，与所述支架盖板5对三个所述长度计6实现紧密的夹持，在所述长度计安装支架4前端安装所述长度计限位块10；长度计限位块10固定于长度计之下，防止长度计受压超过极限。
测量时由所述伺服电机7驱动定位，所述单轴驱动器8传动与导向，带动所述拖链支架2及所述长度计6向前进给，压紧工件表面，使所述长度计6作用，测量工件表面法向。
在进行曲面法向测量时，运动进给机构带动法向测量组件进给，使三个长度计均与工件表面的待测量区域贴紧接触，3个长度计因为姿态不同发生了不同长度的回缩并将此回缩量进行测量。根据回缩量换算出此时各长度计端点的坐标并计算出该位置处的工件表面法向。完成一次曲面法向的测量。
在进行法向测量的同时，通过处理3个长度计测量的回缩量，可求解出当前点位处锪窝刀具与工件的实际接触位置，并对锪窝刀具进给量进行补偿，达到控制锪窝深度的目的。
如图2所示，具体地，所述长度计6有三个，三个所述长度计6在所述长度计安装支架4与所述支架盖板5的紧密夹持下呈“品”字型排列。它们的3个端点距离很近，对曲率较大的工件表面亦可进行高精度的法向测量。
所述的长度计限位块，可对长度计进行有效保护，使长度计不会因为超量程而被损坏。
在锪窝时，所述长度计可以在压紧装置脚口压紧曲面工件后，测量(压紧装置脚口内)制孔轴线附近的工件表面实际位置，并依据此测量结果对锪窝的起始位置进行补偿，提升锪窝深度精度，如图片6所示。
具体地，包括：利用曲面壁板法向测量与锪窝深度补偿装置进行法向测量和利用曲面壁板法向测量与锪窝深度补偿装置进行锪窝深度补偿；
具体地，所述利用曲面壁板法向测量与锪窝深度补偿装置进行法向测量包括：如图3所示：
步骤M1：在自动制孔设备中的主轴刀柄上，夹装长度计标定工装，调整长度计标定工装安装角度，确保标定平面可与三个所述长度计同时接触；
步骤M2：定义在测量位置时的所述长度计6的端点在工具坐标系下的坐标为(Δxi,yi,zi),i＝1,2,3，如图5所示；其中，Δxi为各长度计读数，因为测量装置只在x轴有一个自由度，故yi,zi为常数；
步骤M3：所述单轴驱动器8进给，使3个所述长度计6同时与所述长度计标定工装的工装标定平面接触，记录此时的长度计读数并对长度计进行归零；
步骤M4：在对曲面进行测量时，使3个所述长度计6同时接触工件表面，此时所述长度计6端点位置记录为(Δxi',yi,zi),i＝1,2,3；
步骤M5：利用三个所述长度计各自端点中的两两端点形成的任意两个向量
Figure GDA0003012408970000071
与
Figure GDA0003012408970000072
根据向量叉积方法，求解出工件当前位置的法向量
Figure GDA0003012408970000073
所述长度计标定工装是标定校准用工装所述长度计标定工装专门用于对装配完成的长度计进行法向标定校准，可保证经过标定的长度计的归零点(归零平面)与和刀具轴线垂直，保障法向测量结果与制孔轴线无进一步偏差。
如图4所示，具体地，所述长度计标定工装11包括工装标定平面15、工装圆棒14和胀紧套13；所述工装标定平面15与工装圆棒14的轴线垂直。
具体地，所述步骤M5包括：
Figure GDA0003012408970000074
Figure GDA0003012408970000081
设
Figure GDA0003012408970000082
单位化后可得到测量工件的法向：
Figure GDA0003012408970000083
其中，
Figure GDA0003012408970000084
表示x方向方向向量，
Figure GDA0003012408970000085
表示y方向方向向量，
Figure GDA0003012408970000086
表示z方向方向向量，
Figure GDA0003012408970000087
表示
Figure GDA0003012408970000088
向量与
Figure GDA0003012408970000089
向量的叉积。
具体地，所述曲面壁板法向测量与锪窝深度补偿装置进行锪窝深度补偿包括：
步骤N1：如图7所示，使制孔设备的压紧装置脚口顶紧大理石标定平面；
步骤N2：所述单轴驱动器8进给到预设的固定位置，并使3个所述长度计6同时接触上述大理石标定平面，得到并记录当前的长度计测量时的读数li,i＝1,2,3，此时长度计与制孔设备的压紧装置脚口平齐；
步骤N3：在锪窝前，使所述单轴驱动器8进给至相同的固定位置，3个长度计同时接触工件表面后，得到标定时的读数li',i＝1,2,3；
步骤N4：将长度计测量时的读数li,i＝1,2,3与标定时读数li',i＝1,2,3依次相减，再对差值求平均值，获得一个刀具实际接触位置
Figure GDA00030124089700000810
步骤N5：在进行锪窝时，将锪窝刀具的进给量减少
Figure GDA00030124089700000811
完成对锪窝深度的补偿。
具体地，所述步骤N4包括：
Figure GDA00030124089700000812
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。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。
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 (8)

1.一种接触式曲面壁板法向测量与锪窝深度补偿装置的测量方法，其特征在于，包括：利用曲面壁板法向测量与锪窝深度补偿装置进行法向测量和利用曲面壁板法向测量与锪窝深度补偿装置进行锪窝深度补偿；
所述接触式曲面壁板法向测量与锪窝深度补偿装置，包括：
拖链(1)、拖链支架(2)、法向测量组件安装支架(3)、长度计安装支架(4)、支架盖板(5)、长度计(6)、伺服电机(7)、单轴驱动器(8)、测量装置支架(9)和长度计限位块(10)；
所述伺服电机(7)与所述单轴驱动器(8)的丝杠同轴连接；所述单轴驱动器(8)固定在所述测量装置支架(9)的上面；
所述拖链支架(2)固定在所述测量装置支架(9)的侧面；所述法向测量组件安装支架(3)固定于所述单轴驱动器(8)，所述拖链(1)的固定端和自由端分别与所述拖链支架(2)和所述法向测量组件安装支架(3)固定连接，所述长度计安装支架(4)固定在所述法向测量组件安装支架(3)上；所述长度计安装支架(4)与所述支架盖板(5)对所述长度计(6)实现紧密的夹持，在所述长度计安装支架(4)前端安装所述长度计限位块(10)；
测量时由所述伺服电机(7)驱动定位，所述单轴驱动器(8)传动与导向，带动所述拖链支架(2)及所述长度计(6)向前进给，压紧工件表面，使所述长度计(6)作用，测量工件表面法向；
所述利用曲面壁板法向测量与锪窝深度补偿装置进行法向测量包括：
步骤M1：在自动制孔设备中的主轴刀柄上，夹装长度计标定工装，调整长度计标定工装安装角度，确保标定平面可与三个所述长度计同时接触；
步骤M2：定义在测量位置时的所述长度计(6)的端点在工具坐标系下的坐标为(Δxi,yi,zi),i＝1,2,3；其中，Δxi为各长度计读数，因为测量装置只在x轴有一个自由度，故yi,zi为常数；
步骤M3：所述单轴驱动器(8)进给，使3个所述长度计(6)同时与所述长度计标定工装的标定平面接触，记录此时的长度计读数并对长度计进行归零；
步骤M4：在对曲面进行测量时，使3个所述长度计(6)同时接触工件表面，此时所述长度计(6)端点位置记录为(Δxi',yi,zi),i＝1,2,3；
步骤M5：利用三个所述长度计各自端点中的两两端点形成的任意两个向量
Figure FDA0003012408960000021
与
Figure FDA0003012408960000022
根据向量叉积方法，求解出工件当前位置的法向量
Figure FDA0003012408960000023
所述长度计标定工装用于对装配完成的长度计进行法向标定校准，保证经过标定的长度计的归零点和刀具轴线垂直，保障法向测量结果与制孔轴线无进一步偏差。
2.根据权利要求1所述的接触式曲面壁板法向测量与锪窝深度补偿装置的测量方法，其特征在于，所述伺服电机(7)与所述单轴驱动器(8)的丝杠同轴并由联轴器连接。
3.根据权利要求1所述的接触式曲面壁板法向测量与锪窝深度补偿装置的测量方法，其特征在于，所述长度计安装支架(4)有三个圆柱形凹槽，所述长度计安装支架(4)与所述支架盖板(5)紧固后，对所述长度计(6)实现紧密的夹持。
4.根据权利要求1所述的接触式曲面壁板法向测量与锪窝深度补偿装置的测量方法，其特征在于，所述长度计(6)有三个，三个所述长度计(6)在所述长度计安装支架(4)与所述支架盖板(5)的紧密夹持下呈“品”字型排列。
5.根据权利要求1所述的接触式曲面壁板法向测量与锪窝深度补偿装置的测量方法，其特征在于，所述长度计标定工装(11)包括工装标定平面(15)、工装圆棒(14)和胀紧套(13)；所述工装标定平面(15)与工装圆棒(14)的轴线垂直。
6.根据权利要求1所述的接触式曲面壁板法向测量与锪窝深度补偿装置的测量方法，其特征在于，所述步骤M5包括：
Figure FDA0003012408960000024
Figure FDA0003012408960000025
设
Figure FDA0003012408960000026
单位化后可得到测量工件的法向：
Figure FDA0003012408960000027
其中，
Figure FDA0003012408960000028
表示x方向方向向量，
Figure FDA0003012408960000029
表示y方向方向向量，
Figure FDA00030124089600000210
表示z方向方向向量，
Figure FDA00030124089600000211
表示
Figure FDA0003012408960000031
向量与
Figure FDA0003012408960000032
向量的叉积。
7.根据权利要求1所述的接触式曲面壁板法向测量与锪窝深度补偿装置的测量方法，其特征在于，所述曲面壁板法向测量与锪窝深度补偿装置进行锪窝深度补偿包括：
步骤N1：使制孔设备的压紧装置脚口顶紧标定平面；
步骤N2：所述单轴驱动器(8)进给到预设的固定位置，并使3个所述长度计(6)同时接触标定平面，得到并记录当前的长度计测量时的读数li,i＝1,2,3，此时长度计与制孔设备的压紧装置脚口平齐；
步骤N3：在锪窝前，使所述单轴驱动器(8)进给至相同的固定位置，3个长度计同时接触工件表面后，得到标定时的读数li',i＝1,2,3；
步骤N4：将长度计测量时的读数li,i＝1,2,3与标定时读数li',i＝1,2,3依次相减，再对差值求平均值，获得一个刀具实际接触位置
Figure FDA0003012408960000033
步骤N5：在进行锪窝时，将锪窝刀具进给量减少
Figure FDA0003012408960000034
完成对锪窝深度的补偿。
8.根据权利要求7所述的接触式曲面壁板法向测量与锪窝深度补偿装置的测量方法，其特征在于，所述步骤N4包括：
Figure FDA0003012408960000035
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