CN115451882B - 基于浮动销的空间位姿计算蒙皮底孔轴线法向量的方法 - Google Patents

基于浮动销的空间位姿计算蒙皮底孔轴线法向量的方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于飞机蒙皮加工技术领域，涉及基于浮动销的空间位姿计算蒙皮底孔轴线法向量的方法，包括：基于机床底孔找正单元上的浮动销和多个长度计位移传感器搭建蒙皮底孔位姿检测机构；控制机床底孔找正单元使蒙皮底孔位姿检测机构的浮动销伸入蒙皮底孔中；根据长度计位移传感器的检测数据求出浮动销的轴线的空间向量；根据浮动销的轴线的空间向量获得蒙皮底孔的轴线方程；根据蒙皮底孔的轴线方程确定蒙皮底孔的轴线的空间法向，从而为蒙皮的位姿找正提供位姿数据。通过该方法可使该类机床装备的孔检测机构能够自主的辨识出蒙皮底孔轴线的法线，从而为机床智能化的进行蒙皮的位姿找正和孔的后续加工提供必要的基本条件。

Description

基于浮动销的空间位姿计算蒙皮底孔轴线法向量的方法
技术领域
本发明属于飞机蒙皮加工技术领域，涉及基于浮动销的空间位姿计算蒙皮底孔轴线法向量的方法。
背景技术
近年来，我国的飞机制造领域发展迅速，飞机制造领域是国民经济中重要的关键制造技术领域。飞机制造离不开各种先进的制造装备，飞机蒙皮孔的加工装备对于飞机制造至关重要。相关装备不仅在精度方面有很高的要求，在装备的研发设计方面也有很高很特殊的需求。飞机蒙皮在制造之初已加工完底孔，在后续加工中需要对底孔的孔轴线法向量进行精确的辨识，以便在此基础上进行后续锪窝加工。由于孔的直径很小，一般只有3～8mm，与尺寸较大的蒙皮相比较小。另一方面由于飞机蒙皮是不规则的曲面，曲率变化复杂，导致对在蒙皮上分布的小孔所对应的法向量的获取难度更大，因此对于大型机床装备来说，要实现这种条件下的底孔轴线法向量的有效获取，难度较大。
以往针对飞机蒙皮底孔的再加工，是人工手动操作机床，并操作固定蒙皮的支架，使蒙皮底孔对正到相应的含有定位销的卯砧上。过程中，通过人的感觉粗判定蒙皮底孔轴线法向，再操作机床进行蒙皮底孔的锪窝加工。其结果是，加工误差大，锪窝精度的一致性差，锪窝质量难以保证。对于飞机蒙皮这种特殊零件来说，这种人工操作的加工方式难以获得更好的零件加工精度。
为改变这种手动加工方式，研发制造自动化的大型飞机蒙皮底孔加工设备至关重要。而这种加工设备的关键技术在于对蒙皮底孔轴线法向量的有效、高精度获取。因此进行蒙皮底孔轴线法向量获取算法技术的研究，具有非常重要的意义。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种基于浮动销的空间位姿计算蒙皮底孔轴线法向量的方法，实现了蒙皮底孔轴线空间法向量的高精度获取。
本发明提供一种基于浮动销的空间位姿计算蒙皮底孔轴线法向量的方法，包括：
步骤1：基于机床底孔找正单元上的浮动销和多个长度计位移传感器搭建蒙皮底孔位姿检测机构，多个长度计位移传感器分为两组，每组中的长度计位移传感器都设置在同一与浮动销的轴线垂直的平面上，长度计位移传感器的触点与浮动销的侧壁接触，多个触点位于同一圆周上；
步骤2：将飞机蒙皮安装到蒙皮托架上且使底孔位于浮动销上方，控制机床底孔找正单元上升，浮动销产生倾斜后伸入飞机蒙皮底孔内，直到浮动销侧壁上的凸台抵触到蒙皮底面；
步骤3：浮动销伸入飞机蒙皮底孔后，每组长度计位移传感器中的多个触点位于同一椭圆上；将浮动销的轴线，即通过两个椭圆中心的直线近似为蒙皮底孔的轴线，以长轴和短轴的交点为原点建立两个椭圆方程，将长度计位移传感器触点的坐标带入相应的椭圆方程中，求解两个椭圆的中心坐标；
步骤4：根据两个椭圆中心坐标，求出浮动销的轴线的空间向量；
步骤5：根据浮动销的轴线的空间向量获得蒙皮底孔的轴线方程；
步骤6：根据蒙皮底孔的轴线方程确定蒙皮底孔的轴线的空间法向，从而为蒙皮的位姿找正提供位姿数据。
在本发明的基于浮动销的空间位姿计算蒙皮底孔轴线法向量的方法中，所述步骤1具体为：
步骤1.1：选取8个长度计位移传感器，将长度计位移传感器固定在传感器支架上；
步骤1.2：将8个长度计位移传感器分成2组，每组中的4个长度计位移传感器设置在同一平面内且夹角为90度，使长度计位移传感器的触点与浮动销的侧壁接触，且使未接触蒙皮处于自然状态下的浮动销的轴线与每组中的4个长度计位移传感器所在的平面垂直，进而每组中的4个长度计位移传感器的触点位于同一圆周上；
步骤1.3：将传感器支架固定在机床底孔找正单元上，两组长度计位移传感器所在平面相互平行。
在本发明的基于浮动销的空间位姿计算蒙皮底孔轴线法向量的方法中，所述步骤3具体为：
步骤3.1：设位于上方的第一组长度计位移传感器的4个触点位于第一椭圆上，第一椭圆的中心为O 1 (p 1，q 1)，第一椭圆的中心为浮动销的轴线与第一椭圆所在平面的交点；
步骤3.2：设位于下方的第二组长度计位移传感器的4个触点位于第二椭圆上，第二椭圆的中心为O 2 (p 2，q 2) ，第二椭圆的中心为浮动销的轴线与第二椭圆所在平面的交点；
步骤3.3：将浮动销的轴线，即通过两个椭圆中心的直线O 1 O 2近似为蒙皮底孔的轴线，直线O 1 O 2的空间向量近似表示蒙皮底孔的轴线的空间向量；
步骤3.4：分别以两个椭圆的长轴和短轴的交点为原点建立包含椭圆中心坐标的两个椭圆方程；
步骤3.5：将每组中4个长度计位移传感器触点的坐标带入相应的椭圆方程中，求解两个椭圆中心坐标。
在本发明的基于浮动销的空间位姿计算蒙皮底孔轴线法向量的方法中，所述步骤3.4中的两个椭圆方程分别为：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
（1）
Figure 729027DEST_PATH_IMAGE002
（2）
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE003
为第一椭圆的偏转角，a 1为第一椭圆的长半轴长度，b 1为第一椭圆的短半轴长度；/>
Figure 644900DEST_PATH_IMAGE004
为第二椭圆的偏转角，a 2为第二椭圆的长半轴长度，b 2为第二椭圆的短半轴长度；两个椭圆的短轴长度都为浮动销的直径长度。
在本发明的基于浮动销的空间位姿计算蒙皮底孔轴线法向量的方法中，所述步骤3.5具体为：
步骤3.5.1：将第一组长度计位移传感器的4个触点的坐标A 1 (x 11，y 11)、A 2 (x 21，y 21)、A 3(x 31，y 31)和A 4 (x 41，y 41)分别带入到公式（1）中，联立4个方程求出，a 1、p 1、q 1和
Figure DEST_PATH_IMAGE005
；
步骤3.5.2：将第二组长度计位移传感器的4个触点的坐标B 1 (x 12，y 12)、B 2 (x 22，y 22)、B 3 (x 32，y 32)和B 4 (x 42，y 42)分别带入到公式（2）中，联立4个方程求出，a 2、p 2、q 2和
Figure 661397DEST_PATH_IMAGE004
；
步骤3.5.3：求出第一椭圆在机床坐标系下的空间坐标O 1 (p 1，q 1，z 1)和第二椭圆在机床坐标系下的空间坐标O 2 (p 2，q 2，z 2)；其中z 1和z 2分别为第一组长度计位移传感器和第二组长度计位移传感器的在机床坐标系的z向位置值，通过机床直接获取对应数值。
在本发明的基于浮动销的空间位姿计算蒙皮底孔轴线法向量的方法中，所述步骤4中浮动销的轴线的空间向量S表示为：[(p 2-p 1)，(q 2-q 1)，(z 2- z 1)]。
在本发明的基于浮动销的空间位姿计算蒙皮底孔轴线法向量的方法中，所述步骤5中蒙皮底孔的轴线方程为：
Figure 628216DEST_PATH_IMAGE006
。
本发明的基于浮动销的空间位姿计算蒙皮底孔轴线法向量的方法，与现有的人工手动摸索蒙皮底孔轴线的方法相比，可以使该类机床装备的孔检测机构能够自主的辨识出蒙皮底孔轴线的法线，从而为蒙皮的位姿找正和孔的后续加工提供必要的基本条件。
附图说明
图1是本发明的基于浮动销的空间位姿计算蒙皮底孔轴线法向量的方法的流程图；
图2a-2c是本发明的方法中建立的蒙皮底孔位姿检测机构的示意图；其中，图2a为检测机构的整体图；图2b为第一组长度计位移传感器所在平面的示意图；图2c为第二组长度计位移传感器所在平面的示意图；
图3a-3c是本发明中通过蒙皮底孔位姿检测机构进行检测的示意图；其中，图3a为飞机蒙皮含角度安装时浮动销伸入底孔的示意图；图3b为第一组长度计位移传感器所在平面的示意图；图3c为第二组长度计位移传感器所在平面的示意图。
具体实施方式
飞机制造领域是国民经济的重点领域，相关装备的技术要求和技术复杂程度体现了装备制造领域的较高水平。飞机蒙皮底孔自动定位检测是飞机蒙皮孔加工设备工作的基础，其核心关键技术在于如何检测出底孔孔心轴线法向。
本发明的基于浮动销的空间位姿计算蒙皮底孔轴线法向量的方法，使得飞机蒙皮孔自动加工机床能够根据飞机蒙皮孔的分布特点，自主探测出蒙皮上底孔的位置与孔的轴线法向量，以使机床智能化的进行蒙皮位姿的调整，从而实现蒙皮孔的后续锪窝等加工。
如图1所示，本发明的基于浮动销的空间位姿计算蒙皮底孔轴线法向量的方法包括如下步骤：
步骤1：基于机床底孔找正单元上的浮动销和多个长度计位移传感器搭建蒙皮底孔位姿检测机构。图2a为蒙皮底孔位姿检测机构的整体图。多个长度计位移传感器4分为两组，每组中的长度计位移传感器4都设置在同一与浮动销3的轴线垂直的平面上，长度计位移传感器4的触点与浮动销3的侧壁接触，多个触点位于同一圆周上。其中，机床底孔找正单元为设置在机床底座上的可升降机构，所述步骤1具体为：
步骤1.1：选取8个长度计位移传感器，将长度计位移传感器固定在传感器支架上；
步骤1.2：将8个长度计位移传感器分成2组，每组中的4个长度计位移传感器设置在同一平面内且夹角为90度，使长度计位移传感器的触点与浮动销的侧壁接触，且使未接触蒙皮自然状态下的浮动销的轴线与每组中的4个长度计位移传感器所在的平面垂直，进而每组中的4个长度计位移传感器的触点位于同一圆周上。图2b为第一组长度计位移传感器所在平面的示意图；图2c为第二组长度计位移传感器所在平面的示意图。
步骤1.3：将传感器支架固定在机床底孔找正单元上，两组长度计位移传感器所在平面相互平行。
步骤2：将飞机蒙皮1安装到蒙皮托架上且使底孔2位于浮动销3上方，控制机床底孔找正单元上升，浮动销3产生倾斜后伸入飞机蒙皮底孔2内，直到浮动销3侧壁上的凸台5抵触到蒙皮底面。如图3a所示，为飞机蒙皮含角度安装时浮动销伸入底孔的示意图。图3b和图3c为浮动销伸入蒙皮底孔后，第一组长度计位移传感器所在平面的示意图和第二组长度计位移传感器所在平面的示意图。
步骤3：浮动销伸入飞机蒙皮底孔后，每组长度计位移传感器中的多个触点位于同一椭圆上；将浮动销的轴线，即通过两个椭圆中心的直线近似为蒙皮底孔的轴线，以长轴和短轴的交点为原点建立两个椭圆方程，将长度计位移传感器触点的坐标带入相应的椭圆方程中，求解两个椭圆的中心坐标，所述步骤3具体为：
步骤3.1：设位于上方的第一组长度计位移传感器的4个触点位于第一椭圆上，第一椭圆的中心为O 1 (p 1，q 1)，第一椭圆的中心为浮动销的轴线与第一椭圆所在平面的交点，如图3b所示。
步骤3.2：设位于下方的第二组长度计位移传感器的4个触点位于第二椭圆上，第二椭圆的中心为O 2 (p 2，q 2) ，第二椭圆的中心为浮动销的轴线与第二椭圆所在平面的交点，如图3c所示。
步骤3.3：将浮动销的轴线，即通过两个椭圆中心的直线O 1 O 2近似为蒙皮底孔的轴线，直线O 1 O 2的空间向量近似表示蒙皮底孔的轴线的空间向量；
步骤3.4：如图3b和3c，分别以两个椭圆的长轴和短轴的交点为原点建立包含椭圆中心坐标的两个椭圆方程；
Figure DEST_PATH_IMAGE007
（1）
Figure 288611DEST_PATH_IMAGE002
（2）
其中，
Figure 708091DEST_PATH_IMAGE003
为第一椭圆的偏转角，a 1为第一椭圆的长半轴长度，即A 1和A 4的距离的一半，b 1为第一椭圆的短半轴长度，即A 2和A 3的距离的一半；/>
Figure 308706DEST_PATH_IMAGE004
为第二椭圆的偏转角，a 2为第二椭圆的长半轴长度，即B 1和B 4的距离的一半，b 2为第二椭圆的短半轴长度，即B 2和B 3的距离的一半；两个椭圆的短轴长度都为浮动销的直径长度。
步骤3.5：将每组中4个长度计位移传感器触点的坐标带入相应的椭圆方程中，求解两个椭圆中心坐标，具体为：
步骤3.5.1：将第一组长度计位移传感器的4个触点的坐标A 1 (x 11，y 11)、A 2 (x 21，y 21)、A 3 (x 31，y 31)和A 4 (x 41，y 41)分别带入到公式（1）中，联立4个方程求出，a 1、p 1、q 1和
Figure 130031DEST_PATH_IMAGE005
；
步骤3.5.2：将第二组长度计位移传感器的4个触点的坐标B 1 (x 12，y 12)、B 2 (x 22，y 22)、B 3 (x 32，y 32)和B 4 (x 42，y 42)分别带入到公式（2）中，联立4个方程求出，a 2、p 2、q 2和
Figure 275842DEST_PATH_IMAGE004
；
步骤3.5.3：求出第一椭圆在机床坐标系下的空间坐标O 1 (p 1，q 1，z 1)和第二椭圆在机床坐标系下的空间坐标O 2 (p 2，q 2，z 2)；其中z 1和z 2分别为第一组长度计位移传感器和第二组长度计位移传感器的在机床坐标系的z向位置值，通过机床直接获取对应数值。
步骤4：根据两个椭圆中心坐标，求出浮动销的轴线的空间向量；
浮动销的轴线的空间向量S表示为：[(p 2-p 1)，(q 2-q 1)，(z 2- z 1)]。
步骤5：根据浮动销的轴线的空间向量获得蒙皮底孔的轴线方程；
蒙皮底孔的轴线方程，具体为：
Figure 933350DEST_PATH_IMAGE006
。
步骤6：根据蒙皮底孔的轴线方程确定蒙皮底孔的轴线的空间法向，从而为蒙皮的位姿找正提供位姿数据。
本发明的基于浮动销的空间位姿计算蒙皮底孔轴线法向量的方法，与现有的人工手动摸索蒙皮底孔轴线的方法相比，可以使该类机床装备的孔检测机构能够自主的辨识出蒙皮底孔轴线的法线，从而为蒙皮的位姿找正和孔的后续加工提供必要的基本条件。在节省人力的同时，提高了装备的智能化水平。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明的思想，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.基于浮动销的空间位姿计算蒙皮底孔轴线法向量的方法，其特征在于，包括：
步骤1：基于机床底孔找正单元上的浮动销和多个长度计位移传感器搭建蒙皮底孔位姿检测机构，多个长度计位移传感器分为两组，每组中的长度计位移传感器都设置在同一与浮动销的轴线垂直的平面上，长度计位移传感器的触点与浮动销的侧壁接触，多个触点位于同一圆周上；
步骤2：将飞机蒙皮安装到蒙皮托架上且使底孔位于浮动销上方，控制机床底孔找正单元上升，浮动销产生倾斜后伸入飞机蒙皮底孔内，直到浮动销侧壁上的凸台抵触到蒙皮底面；
步骤3：浮动销伸入飞机蒙皮底孔后，每组长度计位移传感器中的多个触点位于同一椭圆上；将浮动销的轴线，即通过两个椭圆中心的直线近似为蒙皮底孔的轴线，以长轴和短轴的交点为原点建立两个椭圆方程，将长度计位移传感器触点的坐标带入相应的椭圆方程中，求解两个椭圆的中心坐标；
步骤4：根据两个椭圆中心坐标，求出浮动销的轴线的空间向量；
步骤5：根据浮动销的轴线的空间向量获得蒙皮底孔的轴线方程；
步骤6：根据蒙皮底孔的轴线方程确定蒙皮底孔的轴线的空间法向，从而为蒙皮的位姿找正提供位姿数据。
2.如权利要求1所述的基于浮动销的空间位姿计算蒙皮底孔轴线法向量的方法，其特征在于，所述步骤1具体为：
步骤1.1：选取8个长度计位移传感器，将长度计位移传感器固定在传感器支架上；
步骤1.2：将8个长度计位移传感器分成2组，每组中的4个长度计位移传感器设置在同一平面内且夹角为90度，使长度计位移传感器的触点与浮动销的侧壁接触，且使未接触蒙皮处于自然状态下的浮动销的轴线与每组中的4个长度计位移传感器所在的平面垂直，进而每组中的4个长度计位移传感器的触点位于同一圆周上；
步骤1.3：将传感器支架固定在机床底孔找正单元上，两组长度计位移传感器所在平面相互平行。
3.如权利要求1所述的基于浮动销的空间位姿计算蒙皮底孔轴线法向量的方法，其特征在于，所述步骤3具体为：
步骤3.1：设位于上方的第一组长度计位移传感器的4个触点位于第一椭圆上，第一椭圆的中心为O1(p1，q1)，第一椭圆的中心为浮动销的轴线与第一椭圆所在平面的交点；
步骤3.2：设位于下方的第二组长度计位移传感器的4个触点位于第二椭圆上，第二椭圆的中心为O2(p2，q2)，第二椭圆的中心为浮动销的轴线与第二椭圆所在平面的交点；
步骤3.3：将浮动销的轴线，即通过两个椭圆中心的直线O1O2近似为蒙皮底孔的轴线，直线O1O2的空间向量近似表示蒙皮底孔的轴线的空间向量；
步骤3.4：分别以两个椭圆的长轴和短轴的交点为原点建立包含椭圆中心坐标的两个椭圆方程；
步骤3.5：将每组中4个长度计位移传感器触点的坐标带入相应的椭圆方程中，求解两个椭圆中心坐标。
4.如权利要求3所述的基于浮动销的空间位姿计算蒙皮底孔轴线法向量的方法，其特征在于，所述步骤3.4中的两个椭圆方程分别为：
Figure FDA0004019166300000021
Figure FDA0004019166300000022
其中，γ1为第一椭圆的偏转角，a1为第一椭圆的长半轴长度，b1为第一椭圆的短半轴长度；γ2为第二椭圆的偏转角，a2为第二椭圆的长半轴长度，b2为第二椭圆的短半轴长度；两个椭圆的短轴长度都为浮动销的直径长度。
5.如权利要求4所述的基于浮动销的空间位姿计算蒙皮底孔轴线法向量的方法，其特征在于，所述步骤3.5具体为：
步骤3.5.1：将第一组长度计位移传感器的4个触点的坐标A1(x11，y11)、A2(x21，y21)、A3(x31，y31)和A4(x41，y41)分别带入到公式(1)中，联立4个方程求出，a1、p1、q1和γ1；
步骤3.5.2：将第二组长度计位移传感器的4个触点的坐标B1(x12，y12)、B2(x22，y22)、B3(x32，y32)和B4(x42，y42)分别带入到公式(2)中，联立4个方程求出，a2、p2、q2和γ2；
步骤3.5.3：求出第一椭圆在机床坐标系下的空间坐标O1(p1，q1，z1)和第二椭圆在机床坐标系下的空间坐标O2(p2，q2，z2)；其中z1和z2分别为第一组长度计位移传感器和第二组长度计位移传感器的在机床坐标系的z向位置值，通过机床直接获取对应数值。
6.如权利要求5所述的基于浮动销的空间位姿计算蒙皮底孔轴线法向量的方法，其特征在于，所述步骤4中浮动销的轴线的空间向量S表示为：[(p2-p1)，(q2-q1)，(z2-z1)]。
7.如权利要求6所述的基于浮动销的空间位姿计算蒙皮底孔轴线法向量的方法，其特征在于，所述步骤5中蒙皮底孔的轴线方程为：
Figure FDA0004019166300000031
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