CN115366119A - 飞机大部件上表面卧式制孔装置及其定位精度补偿办法 - Google Patents

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CN115366119A CN202210962686.7A CN202210962686A CN115366119A CN 115366119 A CN115366119 A CN 115366119A CN 202210962686 A CN202210962686 A CN 202210962686A CN 115366119 A CN115366119 A CN 115366119A
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Abstract

本发明提供了一种飞机大部件上表面卧式制孔装置及其定位精度补偿办法，包括：定位装置与多自由度制孔装置；所述定位装置包括定位装置横梁、滑鞍、齿条导轨组合件、立柱型底座；两排所述立柱型底座沿X轴平行设置；两排所述立柱型底座上承托所述齿条导轨组合件；在所述齿条导轨组合件上安装所述定位装置横梁，所述定位装置横梁在所述齿条导轨组合件上沿X轴伺服运动；所述滑鞍安装在所述定位装置横梁上，所述滑鞍在所述定位装置横梁上沿Y轴伺服运动；所述多自由度制孔装置与所述滑鞍连接。

Description

飞机大部件上表面卧式制孔装置及其定位精度补偿办法
技术领域
本发明涉及飞机装配技术与装备领域，具体地，涉及飞机大部件上表面卧式制孔装置及其定位精度补偿办法。
背景技术
已有的制孔方案为采用五轴龙门设备的方案，即设备具备X、Y、Z、A、B(或C)等5个自由度，通过五轴联动实现末端执行器在飞机大部件上表面的定位，并借助末端执行器上的进给轴实现制孔加工。该方案中，制孔定位精度由五轴龙门设备空间定位精度保证，当飞机大部件宽度尺寸增大时，龙门横梁跨度将相应增大，在跨度大到一定级别时，受重力变形等因素的影响，其定位精度无法满足航空制孔要求。
本发明要解决的问题就是设计一种卧式制孔系统，并对其定位精度进行补偿，以实现飞机大部件上表面高位置精度的卧式制孔。
专利文献CN109794938A(申请号：201910103729.4)公开了一种适用于曲面结构的机器人制孔误差补偿装置及其方法，属于机器人制孔领域，该装置包括工业相机，四个激光测距传感器，刀具、特定标定板、刚性可拆卸连接轴及若干夹具；工业相机以一定角度固连于机器人末端，四个激光测距传感器分布在刀具四周；该方法为以单应变换表征手眼关系；以基准孔对应的机器人理论驱动坐标与实际驱动坐标建立三维误差矩阵，通过三维误差矩阵对基准孔邻域范围内的待钻孔的驱动坐标进行重新计算，以完成待钻孔的定位误差补偿。
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飞机大部件上表面卧式制孔装置及其定位精度补偿办法。
根据本发明提供的一种飞机大部件上表面卧式制孔装置，包括：定位装置与若干个多自由度制孔装置；
所述若干个多自由度制孔装置通过龙门结构形式或水平悬臂梁结构形式与所述定位装置搭载。
优选地，当所述若干个多自由度制孔装置通过龙门结构形式与所述定位装置搭载时，所述定位装置包括定位装置横梁1、第一滑鞍3、齿条导轨组合件5以及立柱型底座7；
两排所述立柱型底座7沿X轴平行设置；两排所述立柱型底座7上承托所述齿条导轨组合件5；在所述齿条导轨组合件5上安装所述定位装置横梁1，所述定位装置横梁1在所述齿条导轨组合件上沿X轴伺服运动；所述第一滑鞍3安装在所述定位装置横梁1上，所述第一滑鞍3在所述定位装置横梁1上沿Y轴伺服运动；
所述若干个多自由度制孔装置与所述第一滑鞍3连接。
优选地，当所述若干个多自由度制孔装置通过水平悬臂梁结构形式与所述定位装置搭载时，所述定位装置包括第三滑鞍、横梁、立柱、第二滑鞍以及基座；
所述立柱通过所述第二滑鞍安装在所述基座上，所述第二滑鞍在所述基座上沿X轴伺服运动；所述横梁与所述立柱垂直安装且无相对运动；所述第三滑鞍在所述横梁上沿Y轴伺服运动；
所述若干个多自由度制孔装置通过第三滑鞍与所述横梁连接。
优选地，所述多自由度制孔装置包括制孔末端执行器2，所述制孔末端执行器2安装在具有多自由度的多轴运动定位机构4；所述多轴运动定位机构4通过法兰盘安装在所述第一滑鞍或第三滑鞍的底部。
优选地，所述多自由度制孔装置包括：制孔末端执行器2和多轴运动定位机构4；
所述多轴运动定位机构4固定安装在所述第一滑鞍或第三滑鞍的底部；所述制孔末端执行器2通过法兰盘安装在多轴运动定位机构4的法兰上；
所述多轴运动定位机构4为工业六轴机器人、六自由度并联机器人或五坐标运动部件。
根据本发明提供的一种飞机大部件上表面卧式制孔装置的定位精度补偿办法，运用上述所述的飞机大部件上表面卧式制孔装置执行如下步骤：
步骤M1：以上表面卧式制孔装置上多自由度制孔装置底座固定时能覆盖的典型加工区域为最小单元，对加工区域进行划分，得到若干个子加工单元；
步骤M2：根据激光跟踪仪建立机床坐标系；
步骤M3：多自由度制孔装置依次移动至各个子加工单元，并对X轴Y轴进行锁紧，利用激光跟踪仪测得多自由度制孔装置基座上的靶球在机床坐标系下的坐标，得到多自由度制孔装置基坐标系在机床坐标系下的齐次变换矩阵
Figure BDA0003793787380000031
步骤M4：基于各个子加工单元的多自由度制孔装置基坐标系在机床坐标系下的齐次变换矩阵
Figure BDA0003793787380000032
计算齐次变换矩阵增量
Figure BDA0003793787380000033
并将各个子加工单元的齐次变换矩阵增量存入控制系统中；
步骤M5：利用离线编程软件得到待加工点在机床坐标系下的名义齐次坐标
Figure BDA0003793787380000034
步骤M6：根据待加工点在机床坐标系下的名义齐次坐标
Figure BDA0003793787380000035
和齐次变换矩阵增量
Figure BDA0003793787380000036
计算待加工点在机器人基坐标下的齐次坐标误差
Figure BDA0003793787380000037
步骤M7：将齐次坐标误差补偿待加工点在设备坐标系下的名义齐次坐标，得到待加工点在机器人基坐标系下的真实齐次坐标
Figure BDA0003793787380000038
完成定位。
优选地，所述步骤M4包括：
Figure BDA0003793787380000039
其中，
Figure BDA00037937873800000310
(xi,yj)表示设备在子加工单元时的X轴坐标和Y轴坐标。
优选地，所述步骤M6包括：
Figure BDA00037937873800000311
优选地，所述步骤M7包括：
Figure BDA00037937873800000312
其中，
Figure BDA00037937873800000313
表示待加工点在制孔装置基坐标系下的名义齐次坐标。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、飞机大型部件自身的尺寸决定了以它为对象的加工设备需要有很大的加工空间跨度。同时，飞机结构的结构刚性与疲劳强度要求需要自动化加工设备具有很高的定位精度。相比传统五轴龙门机床的加工方式，本方案在保证加工精度满足要求的前提下，可以大大节约制造成本。
2、本发明大型飞机部件表面制孔系统与方法的适用范围广泛，不受被加工对象的尺寸、曲率、加工工艺等的影响。可根据产品的加工需求，灵活的选用龙门机床、悬臂梁机床等定位装置形式与五轴制孔执行器、工业六轴机器人等的多种组合。
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为飞机大部件上表面卧式制孔装置结构示意图。
图2为飞机大部件上表面卧式制孔装置结构示意图。
图3为定位精度补偿流程图。
图4为6自由度工业机器人变更为6自由度并联机器人或五坐标运动部件结构示意图。
图5为龙门结构变更为悬臂梁结构示意图。
图6为横梁上安装2个或以上多自由度制孔装置结构示意图。
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。
实施例1
根据本发明提供的根据本发明提供的一种飞机大部件上表面卧式制孔装置，包括：定位装置与若干个多自由度制孔装置；
所述定位装置与若干个多自由度制孔装置通过龙门结构形式或水平悬臂梁结构形式搭载。
具体地，当所述若干个多自由度制孔装置通过龙门结构形式与所述定位装置搭载时，所述定位装置包括定位装置横梁1、第一滑鞍3、齿条导轨组合件5以及立柱型底座7；
两排所述立柱型底座7沿X轴平行设置；两排所述立柱型底座7上承托所述齿条导轨组合件5；在所述齿条导轨组合件5上安装所述定位装置横梁1，所述定位装置横梁1在所述齿条导轨组合件上沿X轴伺服运动；所述第一滑鞍3安装在所述定位装置横梁1上，所述第一滑鞍3在所述定位装置横梁1上沿Y轴伺服运动；
所述若干个多自由度制孔装置与所述第一滑鞍3连接。
具体地，当所述若干个多自由度制孔装置通过水平悬臂梁结构形式与所述定位装置搭载时，所述定位装置包括第三滑鞍、横梁、立柱、第二滑鞍以及基座；
所述立柱通过所述第二滑鞍安装在所述基座上，所述第二滑鞍在所述基座上沿X轴伺服运动；所述横梁与所述立柱垂直安装且无相对运动；所述第三滑鞍在所述横梁上沿Y轴伺服运动；
所述若干个多自由度制孔装置通过第三滑鞍与所述横梁连接。
具体地，所述多自由度制孔装置包括制孔末端执行器2，所述制孔末端执行器2安装在具有多自由度的多轴运动定位机构4；所述多轴运动定位机构4通过法兰盘安装在所述第一滑鞍或第三滑鞍的底部。
具体地，所述多自由度制孔装置包括：制孔末端执行器2和多轴运动定位机构4；
所述多轴运动定位机构4固定安装在所述第一滑鞍或第三滑鞍的底部；所述制孔末端执行器2通过法兰盘安装在多轴运动定位机构4的法兰上；
所述多轴运动定位机构4为工业六轴机器人、六自由度并联机器人或五坐标运动部件。
根据本发明提供的一种飞机大部件上表面卧式制孔装置的定位精度补偿办法，运用上述所述的飞机大部件上表面卧式制孔装置执行如下步骤：
步骤M1：以表面卧式制孔装置上多自由度制孔装置底座固定时能覆盖的典型加工区域为最小单元，对加工区域进行划分，得到若干个子加工单元；
步骤M2：根据激光跟踪仪建立机床坐标系；
步骤M3：多自由度制孔装置依次移动至各个子加工单元，并对X轴Y轴进行锁紧，利用激光跟踪仪测得多自由度制孔装置基座上的靶球在机床坐标系下的坐标，得到多自由度制孔装置基坐标系在机床坐标系下的齐次变换矩阵
Figure BDA0003793787380000051
步骤M4：基于各个子加工单元的多自由度制孔装置基坐标系在机床坐标系下的齐次变换矩阵
Figure BDA0003793787380000052
计算齐次变换矩阵增量
Figure BDA0003793787380000053
并将各个子加工单元的齐次变换矩阵增量存入控制系统中；
步骤M5：利用离线编程软件得到待加工点在机床坐标系下的名义齐次坐标
Figure BDA0003793787380000054
步骤M6：根据待加工点在机床坐标系下的名义齐次坐标
Figure BDA0003793787380000055
和齐次变换矩阵增量
Figure BDA0003793787380000056
计算待加工点在多自由度制孔装置基坐标下的齐次坐标误差
Figure BDA0003793787380000057
步骤M7：将齐次坐标误差补偿待加工点在设备坐标系下的名义齐次坐标，得到待加工点在多自由度制孔装置基坐标系下的真实齐次坐标
Figure BDA0003793787380000058
完成定位。
具体地，所述步骤M4包括：
Figure BDA0003793787380000061
其中，
Figure BDA0003793787380000062
(xi,yj)表示设备在子加工单元时的X轴坐标和Y轴坐标。
具体地，所述步骤M6包括：
Figure BDA0003793787380000063
具体地，所述步骤M7包括：
Figure BDA0003793787380000064
其中，
Figure BDA0003793787380000065
表示待加工点在制孔装置基坐标系下的名义齐次坐标。
实施例2
实施例2是实施例1的优选例
如图1至图6所示，本发明提供了一种飞机大部件上表面卧式制孔装置，包括以龙门结构形式搭载多自由度制孔装置或者以水平悬臂梁结构搭载多自由度制孔装置,如图5a和图5b所示，可在大空间跨度内进行X轴、Y轴定位的机床装置，其结构形式包括但不限于龙门形式和悬臂梁形式；
此处以龙门结构形式搭载为示例，包括定位装置与若干个多自由度制孔装置；例如：包括1个、2个或2个以上多自由度制孔装置。
其中，定位装置包括定位装置横梁1、滑鞍3(定位装置Y轴)、齿条导轨组合件5(定位装置X轴)、立柱型底座7。
多自由度制孔装置包括制孔末端执行器2或有制孔末端执行器的多轴运动定位机构4；所述多轴运动定位机构4包括工业六轴机器人、6自由度并联机器人或五坐标运动部件，如图4a、图4b、图4c所示。
两排立柱型底座沿X轴平行设置，定位装置的立柱型底座7承托齿条导轨组合件5；在齿条导轨组合件5上安装定位装置横梁1，定位装置横梁1可在导轨上沿X轴伺服运动；滑鞍3通过导轨滑块安装到定位装置横梁1上，可沿着Y轴伺服运动。
多自由度制孔装置若为搭载了制孔末端执行器2的具有5个自由度(x、y、z、a、b/c)的五坐标运动部件，则此五坐标运动部件通过法兰盘在滑鞍的底部固定安装；多自由度制孔装置若为搭载了制孔末端执行器的六轴工业机器人，六轴工业机器人通过地脚螺栓固定在滑鞍的底部，六轴工业机器人中的制孔末端执行器通过法兰盘2.a安装在机器人第六轴的安装法兰上。
工作时，定位装置负责将多自由度制孔装置移动至加工站位，并进行锁紧。定位装置锁紧后，多自由度制孔装置根据离线编程获得的点位数据进行定位，定位完成后，末端执行器开始制孔加工。
由于定位装置横梁跨度大，受自身重力变形等因素的影响，其定位精度和几何精度难以充分保证。为保证最终的孔位精度满足航空标准要求，需要对整套设备的制孔定位精度进行补偿，本发明中采用了细分网格单元并比对激光跟踪仪测量实际多自由度制孔装置基坐标系相对于机床坐标系位姿的方式进行定位精度补偿，以搭载了制孔末端执行器的六轴工业机器人作为多自由度制孔装置为例，补偿办法如下：
第一步，以机器人底座固定时能覆盖的典型加工区域为最小单元，对设备的加工区域进行划分，并将其划分为若干子加工单元6，各子加工单元表示为Station(xi，yj)，其中xi为设备在该子加工单元时的x轴坐标，yj为设备在该子加工单元时的y轴坐标。机器人在各子加工单元内工作时，其基座位置均移动到经激光跟踪仪标定的位置。机器人在入位后，x轴和y轴进行锁紧。
第二步，借助激光跟踪仪，建立机床坐标系$Machine。
第三步，机器人依次入位至各子加工单元Stat ion(xi，yj)，并对x轴和y轴进行锁紧，利用激光跟踪仪测得机器人基座上的靶球在机床坐标系下的坐标，得到基坐标系在机床坐标系下的齐次变换矩阵
Figure BDA0003793787380000071
第四步，按照如下公式计算齐次矩阵增量
Figure BDA0003793787380000072
并将各子加工单元的齐次变换矩阵增量存入控制系统中。
Figure BDA0003793787380000073
其中，
Figure BDA0003793787380000074
第五步，编程得到待加工点在机床坐标系下的名义齐次坐标
Figure BDA0003793787380000075
其中i，j表示所属子加工单元，k表示点位序号，M表示$Machine。
第六步，控制系统通过如下公式自动计算待加工点在机器人基坐标下的齐次坐标误差
Figure BDA0003793787380000076
Figure BDA0003793787380000077
第七步，将齐次坐标误差补偿到编程得到的待加工点在机器人基坐标系下的名义齐次坐标
Figure BDA0003793787380000081
得到待加工点在机器人基坐标系下的真实齐次坐标
Figure BDA0003793787380000082
并完成定位，补偿公式如下：
Figure BDA0003793787380000083
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 (9)

1.一种飞机大部件上表面卧式制孔装置，其特征在于，包括：定位装置与若干个多自由度制孔装置；
所述若干个多自由度制孔装置通过龙门结构形式或水平悬臂梁结构形式与所述定位装置搭载。
2.根据权利要求1所述的飞机大部件上表面卧式制孔装置，其特征在于，当所述若干个多自由度制孔装置通过龙门结构形式与所述定位装置搭载时，所述定位装置包括定位装置横梁(1)、第一滑鞍(3)、齿条导轨组合件(5)以及立柱型底座(7)；
两排所述立柱型底座(7)沿X轴平行设置；两排所述立柱型底座(7)上承托所述齿条导轨组合件(5)；在所述齿条导轨组合件(5)上安装所述定位装置横梁(1)，所述定位装置横梁(1)在所述齿条导轨组合件上沿X轴伺服运动；所述第一滑鞍(3)安装在所述定位装置横梁(1)上，所述第一滑鞍(3)在所述定位装置横梁(1)上沿Y轴伺服运动；
所述若干个多自由度制孔装置与所述第一滑鞍(3)连接。
3.根据权利要求1所述的飞机大部件上表面卧式制孔装置，其特征在于，当所述若干个多自由度制孔装置通过水平悬臂梁结构形式与所述定位装置搭载时，所述定位装置包括第三滑鞍、横梁、立柱、第二滑鞍以及基座；
所述立柱通过所述第二滑鞍安装在所述基座上，所述第二滑鞍在所述基座上沿X轴伺服运动；所述横梁与所述立柱垂直安装且无相对运动；所述第三滑鞍在所述横梁上沿Y轴伺服运动；
所述若干个多自由度制孔装置通过第三滑鞍与所述横梁连接。
4.根据权利要求2或3所述的飞机大部件上表面卧式制孔装置，其特征在于，所述多自由度制孔装置包括制孔末端执行器(2)，所述制孔末端执行器(2)安装在具有多自由度的多轴运动定位机构(4)；所述多轴运动定位机构(4)通过法兰盘安装在所述第一滑鞍或第三滑鞍的底部。
5.根据权利要求2或3所述的飞机大部件上表面卧式制孔装置，其特征在于，所述多自由度制孔装置包括：制孔末端执行器(2)和多轴运动定位机构(4)；
所述多轴运动定位机构(4)固定安装在所述第一滑鞍或第三滑鞍的底部；所述制孔末端执行器(2)通过法兰盘安装在多轴运动定位机构(4)的法兰上；
所述多轴运动定位机构(4)为工业六轴机器人、六自由度并联机器人或五坐标运动部件。
6.一种飞机大部件上表面卧式制孔装置的定位精度补偿办法，其特征在于，运用权利要求1-5任意一个权利要求所述的飞机大部件上表面卧式制孔装置执行如下步骤：
步骤M1：以上表面卧式制孔装置上多自由度制孔装置底座固定时能覆盖的典型加工区域为最小单元，对加工区域进行划分，得到若干个子加工单元；
步骤M2：根据激光跟踪仪建立机床坐标系；
步骤M3：多自由度制孔装置依次移动至各个子加工单元，并对X轴Y轴进行锁紧，利用激光跟踪仪测得多自由度制孔装置基座上的靶球在机床坐标系下的坐标，得到多自由度制孔装置基坐标系在机床坐标系下的齐次变换矩阵
Figure FDA0003793787370000024
步骤M4：基于各个子加工单元的多自由度制孔装置基坐标系在机床坐标系下的齐次变换矩阵
Figure FDA0003793787370000026
计算齐次变换矩阵增量
Figure FDA0003793787370000025
并将各个子加工单元的齐次变换矩阵增量存入控制系统中；
步骤M5：利用离线编程软件得到待加工点在机床坐标系下的名义齐次坐标
Figure FDA0003793787370000027
步骤M6：根据待加工点在机床坐标系下的名义齐次坐标
Figure FDA0003793787370000028
和齐次变换矩阵增量
Figure FDA0003793787370000029
计算待加工点在机器人基坐标下的齐次坐标误差
Figure FDA00037937873700000210
步骤M7：将齐次坐标误差补偿待加工点在设备坐标系下的名义齐次坐标，得到待加工点在机器人基坐标系下的真实齐次坐标
Figure FDA00037937873700000211
完成定位。
7.根据权利要求6所述的飞机大部件上表面卧式制孔装置的定位精度补偿办法，其特征在于，所述步骤M4包括：
Figure FDA0003793787370000021
其中，
Figure FDA0003793787370000022
(xi,yj)表示设备在子加工单元时的X轴坐标和Y轴坐标。
8.根据权利要求6所述的飞机大部件上表面卧式制孔装置的定位精度补偿办法，其特征在于，所述步骤M6包括：
Figure FDA0003793787370000023
9.根据权利要求6所述的飞机大部件上表面卧式制孔装置的定位精度补偿办法，其特征在于，所述步骤M7包括：
Figure FDA0003793787370000031
其中，
Figure FDA0003793787370000032
表示待加工点在制孔装置基坐标系下的名义齐次坐标。
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