CN116124007A - 航空结构件制孔空间位置误差的测量方法及修正方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种航空结构件制孔空间位置误差的测量方法及修正方法，包括以下步骤：S10、从蒙皮和长桁的预连接孔中选取基准孔；S20、通过视觉系统获取基准孔图像，并使用算法计算出基准孔在图像坐标系中的像素位置坐标；S30、基于视觉系统和传感器，并通过像素位置坐标和视觉系统的相机参数，计算出基准孔在相机坐标系下的位置坐标，根据手眼关系和机器人基坐标系，计算出基准孔在飞机坐标系下的位置坐标；S40、根据基准孔在飞机坐标系下的位置坐标值和基准孔在飞机坐标系下的理论坐标值，计算基准孔的位置误差以及待制紧固孔位置偏差。
Description
技术领域
本发明涉及飞机数字化装配制造领域，特别涉及一种航空结构件制孔空间位置误差的测量方法及修正方法。
背景技术
作为典型航空结构件，飞机壁板装配是飞机制造中最重要的工艺环节之一，主要包括对壁板叠层结构按技术要求进行定位、制孔、连接等。以机身侧壁板为例，壁板通常由隔框、长桁、蒙皮、角片等组成。在壁板装配过程中，首先对隔框、长桁、蒙皮、角片进行定位和固定，然后通过铆接连接壁板各个零件。因此，在壁板装配过程中，需要加工数以万计的紧固件安装孔，人工制孔耗时费力，且制孔精度和一致性难以保证。鉴于工业机器人的低成本、高柔性和满意的制孔质量，机器人制孔系统在飞机制造领域得到大量应用。
在利用机器人制孔系统进行壁板制孔时，制孔系统及壁板的理论模型是制孔程序产生的基础，然而由于理论模型与其制孔现场实际状态并不一致，导致制孔位置误差的产生。通常将壁板制孔位置进行分区，每个制孔区域设置一定数量的基准孔，将制孔区域近似作为平面考虑，基于测量的基准孔坐标，采用线性插值的方法对基准孔覆盖范围内的制孔位置进行修正。然而由于蒙皮、隔框、角片的特殊位置关系，直接基于视觉系统测量角片上的基准孔，执行器与壁板会发生碰撞。因而，只能将基准孔选在蒙皮和长桁连接处，用与之近乎垂直的基准孔修正隔框和角片连接孔的制孔位置。另外，长桁上基准孔的Z向偏差直接影响隔框与角片连接孔的边距控制质量。
有鉴于此，拟发明一种航空结构件制孔空间位置误差测量和修正方法，通过融合多传感器信息精确获取长桁上基准孔三维坐标，然后通过一种三维空间位置修正策略，实现隔框与角片连接孔的位置修正，提高壁板制孔精度和产品质量。
发明内容
本发明的主要目的是提出一种航空结构件制孔空间位置误差的测量方法及修正方法，旨在解决实际工程应用中机器人制孔系统和待制孔产品的理论模型与其制孔现场实际状态不一致导致存在制孔位置偏差的技术问题。
为实现上述目的，本发明提出了一种航空结构件制孔空间位置误差的测量方法，包括以下步骤：
S10、从蒙皮和长桁的预连接孔中选取基准孔；
S20、通过视觉系统获取基准孔图像，并使用算法计算出基准孔在图像坐标系中的像素位置坐标；
S30、基于视觉系统和传感器，并通过像素位置坐标和视觉系统的相机参数，计算出基准孔在相机坐标系下的位置坐标，根据手眼关系和机器人基坐标系，计算出基准孔在飞机坐标系下的位置坐标；
S40、根据基准孔在飞机坐标系下的位置坐标和基准孔在飞机坐标系下的理论坐标，计算基准孔的位置误差。
可选地，所述步骤S20包括以下步骤：
S201、对基准孔图像的局部指数模式图像和视觉显著性图像进行线性加权融合，得到融合后的图像，完成基准孔特征纹理分割，；
其中，为基准孔原始图像的像素点坐标，为局部指数模式图像所占的权重比，为视觉显著性图像所占的权重比；
局部指数模式图像表示为；其中，为中心像素的像素值，为8邻域的像素值，n为邻域序号，对于预设阈值T，函数有如下定义：
；
视觉显著性图像表示为，其中，是原始基准孔图像的算术平均像素值，是原始基准孔图像的高斯滤波图像；
S202、采用Canny边缘检测算法，对完成基准孔特征纹理分割的融合图像进行边缘检测和轮廓提取，作为纹理分割边界轮廓，基于测地曲率流驱动纹理分割边界轮廓优化，并对优化后轮廓的轮廓点进行椭圆拟合，获得基准孔在图像坐标系中的像素位置坐标。
可选地，所述步骤S202包括以下步骤：
基于原始基准孔图像和纹理分割边界轮廓，初始化图像基准孔水平集函数；
；
其中，用于求解图像中像素点到轮廓曲线的最短距离；
基于曲面演化方程对曲面进行演化，演化后曲面的0水平集即为优化后的轮廓；
；
其中，表示曲面函数的梯度，为测地曲率。
可选地，所述步骤S30包括以下步骤：
S301、通过与相机光轴平行安装的单个激光位移传感器，移动末端执行器使基准孔处在相机正焦物距上；
S302、基于所拍摄基准孔在图像坐标系中的像素位置坐标，结合相机内参数，计算基准孔在相机坐标系下的位置坐标，将基准孔在相机坐标系下的位置记为；
S303、将计算所得基准孔在飞机坐标系下的位置记为，根据手眼关系和机器人基坐标系，通过以下公式计算基准孔在飞机坐标系下的位置坐标；
；
其中，表示相机坐标系对于飞机坐标系的变换矩阵，其计算公式如下：
；
其中，表示机器人基坐标系相对于飞机坐标系的变换矩阵，为机器人制孔系统已知参数；为机器人制孔系统在机器人基坐标系下的位姿矩阵，由机器人前向运动学计算得到；为机器人制孔系统手眼关系矩阵，为机器人制孔系统已知参数。
可选地，所述步骤S40包括以下步骤：
S401、根据视觉系统所测长桁上基准孔在飞机坐标系下的坐标和，以及基准孔在飞机坐标系下的理论坐标和，计算基准孔位置误差和；
S402、将两基准孔位置坐标和，及其位置误差和，沿隔框上待制紧固孔坐标系的Z向投影到其XY平面，得到相应的投影点和以及投影误差和；
S403、以两基准孔位置坐标和的投影点和为端点构造直线，基于以下公式计算隔框上第个待制紧固孔位置坐标的制孔位置偏差向量；
；
其中，是在和所构造的直线上的投影点。
本发明还提出了一种航空结构件制孔空间位置误差的修正方法，包括如上述的航空结构件制孔空间位置误差的测量方法；以及，
S50、根据制孔位置偏差向量，计算得到隔框上第个待制紧固孔修正后的制孔位置坐标，用以机器人制孔系统在隔框上进行紧固孔制孔；
其中，。
本发明的制孔空间位置误差的修正方法避免了基准孔测量时执行器与壁板发生碰撞，通过视觉系统和传感器的融合消除了单目视觉物距偏差产生的测量误差，对基准孔的三维坐标实现了精确获取，然后通过三维空间位置修正策略，实现隔框与角片连接孔的位置修正，提高壁板制孔精度和产品质量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1是本发明提供的航空结构件制孔空间位置误差的测量方法的流程示意图；
图2是本发明中基于视觉系统结合传感器组成的测量系统的示意图；
图3是本发明中基准孔从相机坐标系到飞机坐标系的转换关系及物距偏差示意图；
图4是本发明中飞机壁板上的基准孔与待制紧固孔位置的修正原理示意图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。
需要说明的是，实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。另外，全文中出现的“和/或”的含义，包括三个并列的方案，以“A和/或B”为例，包括A方案、或B方案、或A和B同时满足的方案。此外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。
作为典型航空结构件，飞机壁板装配是飞机制造中最重要的工艺环节之一，主要包括对壁板叠层结构按技术要求进行定位、制孔、连接等。以机身侧壁板为例，壁板通常由隔框、长桁、蒙皮、角片等组成。在壁板装配过程中，首先对隔框、长桁、蒙皮、角片进行定位和固定，然后通过铆接连接壁板各个零件。因此，在壁板装配过程中，需要加工数以万计的紧固件安装孔，人工制孔耗时费力，且制孔精度和一致性难以保证。在利用机器人制孔系统进行壁板制孔时，制孔系统及壁板的理论模型是制孔程序产生的基础，然而由于理论模型与其制孔现场实际状态并不一致，导致制孔位置误差的产生。
鉴于此，本发明提出了一种航空结构件制孔空间位置误差的测量方法，请参阅图1-4，所述测量方法包括以下步骤：
步骤S10、从蒙皮和长桁的预连接孔中选取基准孔。
请参阅图4，考虑在壁板隔框上设置基准孔，采用末端执行器上安装的视觉系统拍摄基准孔会导致执行器和壁板发生碰撞，因而从蒙皮和长桁预连接孔中选取基准孔，并对其位置误差进行测量。需要说明的是，末端执行器是指任何一个连接在机器人关节上且具有一定功能的工具，视觉系统包括相机及其处理单元。
步骤S20、通过视觉系统获取基准孔图像，并使用算法计算出基准孔在图像坐标系中的像素位置坐标。
在本实施例中，采用末端执行器上安装的视觉系统获取基准孔图像；算法为基于基准孔图像的局部指数模式和视觉显著性信息的加权融合进行基准孔特征纹理分割、基于测地曲率流驱动纹理分割边界轮廓优化，并对优化后轮廓的轮廓点进行椭圆拟合；获得基准孔在图像坐标系中的像素位置坐标。
具体实施时，所述步骤S20包括以下步骤：
步骤S201、对基准孔图像的局部指数模式图像和视觉显著性图像进行线性加权融合，得到融合后的图像，完成基准孔特征纹理分割，；
其中，为基准孔原始图像的像素点坐标，为局部指数模式图像所占的权重比，为视觉显著性图像所占的权重比；
局部指数模式图像表示为；其中，为中心像素的像素值，为8邻域的像素值，n为邻域序号，对于预设阈值T，函数有如下定义：
；
视觉显著性图像表示为，其中，是原始基准孔图像的算术平均像素值，是原始基准孔图像的高斯滤波图像；
步骤S202、采用Canny边缘检测算法，对完成基准孔特征纹理分割的融合图像进行边缘检测和轮廓提取，作为纹理分割边界轮廓，基于测地曲率流驱动纹理分割边界轮廓优化，并对优化后轮廓的轮廓点进行椭圆拟合，获得基准孔在图像坐标系中的像素位置坐标。
基于原始基准孔图像和纹理分割边界轮廓，初始化图像基准孔水平集函数；
；
其中，用于求解图像中像素点到轮廓曲线的最短距离；
基于曲面演化方程对曲面进行演化，演化后曲面的0水平集即为优化后的轮廓；
；
其中，表示曲面函数的梯度，为测地曲率。
步骤S30、基于视觉系统和传感器，并通过像素位置坐标和视觉系统的相机参数，计算出基准孔在相机坐标系下的位置坐标，根据手眼关系和机器人基坐标系，计算出基准孔在飞机坐标系下的位置坐标。
在本实施例中，基于与相机光轴平行安装的单个激光位移传感器，移动末端执行器使基准孔处在相机正焦物距上，基于所拍摄基准孔在图像坐标系中的像素位置坐标，结合相机内参数，计算基准孔在相机坐标系下的位置坐标，根据手眼关系和机器人基坐标系，计算基准孔在飞机坐标系下的位置坐标。此外，需要说明的是，本步骤中采用的传感器为激光位移传感器。请参阅图3，图3中的为非理想条件下视觉系统拍摄基准孔时的物距与正焦物距之间的偏差，为了消除该偏差，引入图2中的激光位移传感器，调整位移传感器安装位置使得激光束平行于相机光轴，通过提前标定激光出光点在相机坐标系下的空间位置和激光光束在摄像机坐标系下的方向向量，移动末端执行器使基准孔处在相机正焦物距上。在标定手眼关系时，记录下此时激光位移传感器测得的相对物距，在基准孔测量时，保持同样的相对物距，由于航空结构件(如机翼壁板，机身壁板等)曲率半径大，局部区域可以近似为平面，可以认为基准孔和激光位移传感器光斑均处在正焦平面上，测量时尽量使基准孔特征处于图像中心，以使测量结果准确。
具体实施时，所述步骤S30包括以下步骤：
S301、通过与相机光轴平行安装的单个激光位移传感器，移动末端执行器使基准孔处在相机正焦物距上；
S302、基于所拍摄基准孔在图像坐标系中的像素位置坐标，结合相机内参数，计算基准孔在相机坐标系下的位置坐标，将基准孔在相机坐标系下的位置记为；
S303、将计算所得基准孔在飞机坐标系下的位置记为，根据手眼关系和机器人基坐标系，通过以下公式计算基准孔在飞机坐标系下的位置坐标；
；
其中，表示相机坐标系对于飞机坐标系的变换矩阵，其计算公式如下：
；
其中，表示机器人基坐标系相对于飞机坐标系的变换矩阵，为机器人制孔系统已知参数；为机器人制孔系统在机器人基坐标系下的位姿矩阵，由机器人前向运动学计算得到；为机器人制孔系统手眼关系矩阵，为机器人制孔系统已知参数。
步骤S40、根据基准孔在飞机坐标系下的位置坐标和基准孔在飞机坐标系下的理论坐标，计算基准孔的位置误差，将两基准孔位置坐标和位置误差沿隔框上待制紧固孔坐标系的Z向投影到其XY平面，以两投影点为端点构造直线，进而计算出待制紧固孔位置偏差。
具体实施时，请参阅图4，图4为基准孔与待制紧固孔位置关系示意图，由于壁板的隔框、长桁、角片各零件的装配位置关系，直接利用视觉系统测量隔框与角片上的孔作为基准孔，执行器会与壁板发生碰撞；因而将基准孔选在了壁板上长桁与蒙皮连接处，将长桁上的基准孔测量结果，同时用于修正长桁与蒙皮、隔框与角片上的紧固孔，实现同时修正近乎垂直两张曲面上的待制紧固孔，所述步骤S40包括以下步骤：
S401、根据视觉系统所测长桁上基准孔在飞机坐标系下的坐标和，以及基准孔在飞机坐标系下的理论坐标和，计算基准孔位置误差和；
S402、将两基准孔位置坐标和，及其位置误差和，沿隔框上待制紧固孔坐标系的Z向投影到其XY平面，得到相应的投影点和以及投影误差和；
S403、以两基准孔位置坐标和的投影点和为端点构造直线，基于以下公式计算隔框上第个待制紧固孔位置坐标的制孔位置偏差向量；
；
其中，是在和所构造的直线上的投影点。
本发明还提出了一种航空结构件制孔空间位置误差的修正方法，包括如上述的航空结构件制孔空间位置误差的测量方法；以及，
S50、根据制孔位置偏差向量，计算得到隔框上第个待制紧固孔修正后的制孔位置坐标，用以机器人制孔系统在隔框上进行紧固孔制孔；
其中，。
本发明的制孔空间位置误差测量和修正方法避免了基准孔测量时执行器与壁板发生碰撞，通过工业相机和激光传感器的融合消除了单目视觉物距偏差产生的测量误差，对基准孔的三维坐标实现了精确获取，然后通过一种三维空间位置修正策略，实现隔框与角片连接孔的位置修正，提高壁板制孔精度和产品质量。
上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (6)
1.一种航空结构件制孔空间位置误差的测量方法，用于测量飞机侧壁板上制孔位置的误差，飞机侧壁板包括隔框、长桁、蒙皮和角片，其特征在于，测量方法包括以下步骤：
S10、从蒙皮和长桁的预连接孔中选取基准孔；
S20、通过视觉系统获取基准孔图像，并使用算法计算出基准孔在图像坐标系中的像素位置坐标；
S30、基于视觉系统和传感器，并通过像素位置坐标和视觉系统的相机参数，计算出基准孔在相机坐标系下的位置坐标，根据手眼关系和机器人基坐标系，计算出基准孔在飞机坐标系下的位置坐标；
S40、根据基准孔在飞机坐标系下的位置坐标值和基准孔在飞机坐标系下的理论坐标值，计算基准孔的位置误差，将两基准孔位置坐标和位置误差沿隔框上待制紧固孔坐标系的Z向投影到其XY平面，以两投影点为端点构造直线，进而计算出待制紧固孔位置偏差。
2.根据权利要求1所述的航空结构件制孔空间位置误差的测量方法，其特征在于，所述步骤S20包括以下步骤：
S201、对基准孔图像的局部指数模式图像和视觉显著性图像进行线性加权融合，得到融合后的图像，完成基准孔特征纹理分割，；
其中，为基准孔原始图像的像素点坐标，为局部指数模式图像所占的权重比，为视觉显著性图像所占的权重比；
局部指数模式图像表示为；其中，为中心像素的像素值，为8邻域的像素值，n为邻域序号，对于预设阈值T，函数有如下定义：
；
视觉显著性图像表示为，其中，是原始基准孔图像的算术平均像素值，是原始基准孔图像的高斯滤波图像；
S202、采用Canny边缘检测算法，对完成基准孔特征纹理分割的融合图像进行边缘检测和轮廓提取，作为纹理分割边界轮廓，基于测地曲率流驱动纹理分割边界轮廓优化，并对优化后轮廓的轮廓点进行椭圆拟合，获得基准孔在图像坐标系中的像素位置坐标。
3.根据权利要求2所述的航空结构件制孔空间位置误差的测量方法，其特征在于，所述步骤S202包括以下步骤：
基于原始基准孔图像和纹理分割边界轮廓，初始化图像基准孔水平集函数；
；
其中，用于求解图像中像素点到轮廓曲线的最短距离；
基于曲面演化方程；
；
其中，表示曲面函数的梯度，为测地曲率。
4.如权利要求1所述的一种航空结构件制孔空间位置误差的测量方法，其特征在于，所述步骤S30包括以下步骤：
S301、通过与相机光轴平行安装的单个激光位移传感器，移动末端执行器使基准孔处在相机正焦物距上；
S302、基于所拍摄基准孔在图像坐标系中的像素位置坐标，结合相机内参数，计算基准孔在相机坐标系下的位置坐标，将基准孔在相机坐标系下的位置记为；
S303、将计算所得基准孔在飞机坐标系下的位置记为，根据手眼关系和机器人基坐标系，通过以下公式计算基准孔在飞机坐标系下的位置坐标；
；
其中，表示相机坐标系对于飞机坐标系的变换矩阵，其计算公式如下：
；
其中，表示机器人基坐标系相对于飞机坐标系的变换矩阵，为机器人制孔系统已知参数；为机器人制孔系统在机器人基坐标系下的位姿矩阵，由机器人前向运动学计算得到；为机器人制孔系统手眼关系矩阵，为机器人制孔系统已知参数。
5.如权利要求1所述的一种航空结构件制孔空间位置误差的测量方法，其特征在于，所述步骤S40包括以下步骤：
S401、根据视觉系统所测长桁上基准孔在飞机坐标系下的坐标和，以及基准孔在飞机坐标系下的理论坐标和，计算基准孔位置误差和；
S402、将两基准孔位置坐标和，及其位置误差和，沿隔框上待制紧固孔坐标系的Z向投影到其XY平面，得到相应的投影点和以及投影误差和；
S403、以两基准孔位置坐标和的投影点和为端点构造直线，基于以下公式计算隔框上第个待制紧固孔位置坐标的制孔位置偏差向量；
；
其中，是在和所构造的直线上的投影点。
6.一种航空结构件制孔空间位置误差的修正方法，其特征在于，包括如权利要求1-5任一所述的航空结构件制孔空间位置误差的测量方法；以及，
S50、根据制孔位置偏差向量，计算得到隔框上第个待制紧固孔修正后的制孔位置坐标，用以机器人制孔系统在隔框上进行紧固孔制孔；
其中，。
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2023
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|---|---|---|---|---|
| CN116796576A (zh) * | 2023-08-24 | 2023-09-22 | 成都飞机工业（集团）有限责任公司 | 一种群孔加工工艺规划方法 |
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