基于并聯(lián)機構的法向找正方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于并聯(lián)機構的法向找正方法，屬于法向精度控制領域。本發(fā)明使用的裝置包括并聯(lián)機構、十字滑臺、四個激光位移傳感器及末端執(zhí)行器；并聯(lián)機構包括通過連接桿相連的定平臺和動平臺，末端執(zhí)行器安裝在并聯(lián)機構的動平臺上，并聯(lián)機構的定平臺安裝在十字滑臺上，激光位移傳感器安裝在末端執(zhí)行器上；該方法首先建立并聯(lián)機構坐標系及工具坐標系，通過激光位移傳感器檢測出的距離值計算末端執(zhí)行器應調整到的期望法向姿態(tài)；最后在保證虛擬刀尖點位置不變的情況下通過當前姿態(tài)到期望姿態(tài)的偏差逆解求出并聯(lián)機構的調整量，從而實現(xiàn)法向找正。本發(fā)明使用的裝置剛性好、承載力大，其逆解算法簡單、精度高，能夠快速實現(xiàn)末端執(zhí)行器的法向找正。
【專利說明】基于并聯(lián)機構的法向找正方法

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種法向找正方法，具體講是一種基于并聯(lián)機構的法向找正方法，屬 于法向精度控制領域。

【背景技術】
[0002] 飛機部件的裝配主要是通過鉚接方式實現(xiàn)，鉚接質量直接影響到飛機的性能和安 全性，因此鉚接是飛機制造過程中一項非常重要的工藝環(huán)節(jié)。而鉚接前的制孔精度對鉚接 質量起到決定性作用，尤其是制孔時刀具的軸向與蒙皮待制孔位置的法向保持一致的程 度。因此，制孔前必須調整產品或者刀具的姿態(tài)，以保證刀具軸線與制孔位置處的垂直精 度。
[0003] 目前，自動化鉆鉚系統(tǒng)在進行制孔時的法向姿態(tài)調整方式有對產品姿態(tài)和刀具姿 態(tài)進行調節(jié)兩種方式。
[0004] 2007年11月，《航空學報》第06期，1455-1459頁，公開了一篇作者為秦現(xiàn)生、汪文 旦、尉藤的大型壁板數控鉆鉚的三點快速調平算法，其描述了一種通過數控托架調整產品 姿態(tài)，使刀具軸線與加工位置處的法向一致的法向調姿方法，該方法采用安裝在鉆鉚機動 力頭上的三個位移傳感器檢測法向偏差，以此為依據計算托架各個調整軸的調整量，從而 實現(xiàn)法向找正的目的，其不足之處在于飛機部件體積一般比較龐大，結構復雜，調整起來比 較困難，調整幅度有限，對數控托架的結構剛度和控制精度提出了較高的要求。
[0005] 2013年11月20日，中國發(fā)明專利CN 102284956 B公開了一種自動鉆鉚機器人的 法向找正方法，其通過安裝在末端執(zhí)行器上的4個激光位移傳感器檢測計算出刀具軸線與 制孔處法向的偏差，以此為依據計算機器人6個關節(jié)的調整量，從而調整刀具軸線與蒙皮 法向的一致性，該調姿方式主要用于飛機機翼部件、垂尾等小部件裝配制孔時的法向調姿， 但是針對大飛機如C919機身對接對縫處的制孔來說，這種落地式的裝配系統(tǒng)無法進行滿 足。
[0006] 2012年03月28日，中國發(fā)明專利CN101957175B公開了一種基于三點微平面式法 向檢測方法，該方法采用平面近似代替微曲面，并應用激光位移傳感器技術及數據采集技 術，通過一定的算法測得曲面上待測點的法向量的方法，該檢測方法不足之處在于法向檢 測過程中需要利用傳感器在擬定的球面上采集30個測量點從而對激光位移傳感器姿態(tài)參 數進行標定，這樣就會使計算過程變得復雜，無法適用于自動化鉆鉚系統(tǒng)的末端執(zhí)行器法 向找正。
[0007] 2010年第7期《現(xiàn)代制造工程》中，公開了作者為謝友金、王仲奇、康永剛、應高明 的球面逼近求解變形曲面法向矢量算法研究，其描述的球面逼近求解變形曲面法向矢量算 法能解決實時求解曲面點法失向量的問題，但是該測量方法與傳統(tǒng)的檢測方法一樣，存在 著對檢測設備要求高，數據采集量大，數據處理復雜、耗時長的不足。


【發(fā)明內容】

[0008] 本發(fā)明所要解決的技術問題在于克服現(xiàn)有技術的缺陷，提供一種使用裝置結構簡 單、步驟簡便、找正精度高且能適用于大部件裝配制孔的基于并聯(lián)機構的法向找正方法。
[0009] 為了解決上述技術問題，本發(fā)明提供的基于并聯(lián)機構的法向找正方法，該方法所 使用的裝置包括并聯(lián)機構、十字滑臺、四個激光位移傳感器及末端執(zhí)行器；所述并聯(lián)機構包 括通過連接桿相連的定平臺和動平臺；所述末端執(zhí)行器安裝在并聯(lián)機構動平臺上，所述并 聯(lián)機構定平臺安裝在十字滑臺上，所述四個激光位移傳感器安裝在末端執(zhí)行器上；該方法 包括如下步驟：
[0010] 1)、建立坐標系：將末端執(zhí)行器定位到預定的位置和姿態(tài)上，在并聯(lián)機構定平臺上 建立并聯(lián)機構坐標系，在末端執(zhí)行器的刀具軸線方向上建立工具坐標系；
[0011] 2)、期望姿態(tài)計算：通過末端執(zhí)行器上四個激光位移傳感器檢測出曲面上制孔位 置處的期望法向姿態(tài)；
[0012] 3)、并聯(lián)機構調整量計算：通過末端執(zhí)行器當前法向姿態(tài)和期望法向姿態(tài)的偏差 逆解分別求出并聯(lián)機構可伸縮桿的長度、并聯(lián)機構在十字滑臺上的平移量及刀具的進給 量；
[0013] 4)、根據步驟3)求得并聯(lián)機構可伸縮桿的長度、并聯(lián)機構在十字滑臺上的平移量 及刀具的進給量完成末端執(zhí)行器法向找正。
[0014] 本發(fā)明中，所述步驟3)中并聯(lián)機構調整量的計算步驟如下：
[0015] 31)、采用并聯(lián)機構以定平臺固定、動平臺調整的方式將刀具軸線調整到與制孔 位置處的期望法向姿態(tài)相同；計算此時虛擬刀尖點的坐標，并求出并聯(lián)機構可伸縮桿的長 度；
[0016] 32)、完成步驟31)之后將末端執(zhí)行器沿著十字滑臺X向、Y向平移，同時刀具沿著 其軸線方向Z向進給，將虛擬刀尖點移動到制孔位置處，則步驟31)中求出的虛擬刀尖點的 坐標與制孔位置處的坐標之間的偏差就是末端執(zhí)行器的平移量及刀具的進給量。
[0017] 本發(fā)明中，所述連接桿包括2根伸縮桿和1根固定桿，所述可伸縮桿和固定桿均通 過虎克鉸與動平臺連接，所述可伸縮桿通過球面副與定平臺連接，固定桿與定平臺固連。
[0018] 本發(fā)明的有益效果在于：（1)、本發(fā)明使用的裝置繼承了并聯(lián)機構剛度重量比大、 承載能力強、響應速度快的優(yōu)點，其逆解算法簡單、精度高，能夠快速、準確地實現(xiàn)末端執(zhí)行 器法向找正；（2)、根據檢測出的期望姿態(tài)可以直接計算出并聯(lián)機構可伸縮桿的調整量及平 移量，便于鉆鉚系統(tǒng)的姿態(tài)控制；（3)、本發(fā)明方法可應用于輕型自主爬行鉆鉚系統(tǒng)法向找 正，從而滿足大飛機機身對接對縫處的制孔精度要求。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019] 圖1為本發(fā)明的法向檢測幾何模型示意圖；
[0020] 圖2為本發(fā)明的法向檢測平面投影示意圖；
[0021] 圖3為本發(fā)明的法向調姿幾何模型示意圖；
[0022] 圖1中，Tp為虛擬刀尖點，Tp-XYZ為法向找正前的工具坐標系，Tp-X' Y' Z'為法向 找正后的工具坐標系；圖2中，B1P1A2P 2為并聯(lián)機構可伸縮的桿，B3P3為固定桿，0B- Xyz為并 聯(lián)機構坐標系，Tp-Xyz為法向找正前的工具坐標系，OpT p為當前刀具軸線方向，TP' -X' y' z' 為保證刀具軸線與制孔處法向一致的工具坐標系，Ο/TP'為對應刀具軸線方向，Tp-XYZ為保 證虛擬刀尖點一致的工具坐標系，Op" Tp為期望的刀具軸線方向。

【具體實施方式】
[0023] 下面結合附圖對本發(fā)明作進一步詳細說明。
[0024] 本發(fā)明基于并聯(lián)機構的法向找正方法所使用的裝置包括并聯(lián)機構、十字滑臺、四 個激光位移傳感器及末端執(zhí)行器，整個裝置由鉆鉚系統(tǒng)控制器控制調整。上述并聯(lián)機構具 有兩個轉動自由度，包括定平臺和動平臺，定平臺和動平臺之間通過2根可伸縮桿和1根固 定桿相連，其中可伸縮桿和固定桿均通過虎克鉸與動平臺連接，可伸縮桿通過球面副與定 平臺連接，固定桿與定平臺固定連接，其支鏈構成SPU結構。四個激光位移傳感器安裝在末 端執(zhí)行器上，末端執(zhí)行器安裝在并聯(lián)機構動平臺上并，并聯(lián)機構定平臺安裝在十字滑臺上， 可實現(xiàn)X向、Y向移動，刀具主軸進給可實現(xiàn)Z向移動，因此，末端執(zhí)行器可實現(xiàn)5自由度的 法向調姿。
[0025] 本發(fā)明首先利用安裝于末端執(zhí)行器上的四個激光位移傳感器檢測出制孔位置處 的期望法向姿態(tài)，然后根據末端執(zhí)行器當前法向姿態(tài)與制孔位置處的期望法向姿態(tài)的偏差 計算并聯(lián)機構的調整量，從而實現(xiàn)法向找正的目的。如圖3所示，為了保證調姿之后虛擬刀 尖點位置不變，法向調姿實現(xiàn)過程如下：（1)、根據檢測出的制孔位置的期望法向姿態(tài)，通過 并聯(lián)機構以定平臺固定、動平臺調整的方式將刀具軸線調整到與制孔位置法矢量相同，即 刀具軸線由O pTp軸線變換到Ο/ TP'的過程；（2)、完成（1)后，將末端執(zhí)行器沿著十字滑臺X 向、Y向平移（其方向與并聯(lián)機構坐標系X向、Y向方向相同），同時刀具沿著其軸線方向Z 向進給，使虛擬刀尖點移動到制孔位置處，即刀具由〇Ρ' Τρ'變換到Op" Tp的過程；最終保證 虛擬刀尖點Tp位置不改變。
[0026] 本發(fā)明的具體實施步驟如下：
[0027] 步驟1、建立坐標系：如圖3所示，將末端執(zhí)行器定位到預定的位置和姿態(tài)上，利用 激光跟蹤儀建立并聯(lián)機構的坐標系〇 B_xyz，其坐標系圓心為并聯(lián)機構定平臺中心，X軸沿著 ObB1方向，y軸與B1B2平行，z軸垂直于定平臺堅直向上；同理，建立刀具坐標系Tp-XYZ，其 坐標系圓心為預先設定的虛擬刀尖點，X、y軸方向與調姿前并聯(lián)機構坐標系X、y軸方向相 同，z軸沿著刀具軸線方向。兩坐標系之間的轉換參數可從激光跟蹤儀中獲取。
[0028] 步驟2、法向檢測，得出曲面上制孔位置處的期望法向姿態(tài)：如圖1所示，四個位 移傳感器十字形均布安裝在末端執(zhí)行器上，等分布局在以刀具軸線為中心軸的圓柱面上， 且均與刀具軸線成α夾角安裝，α夾角為45度，以使得打到蒙皮表面的四個激光束在不 交叉的前提下又能夠足夠靠攏，激光位移傳感器的安裝點分別為Sp S2、S3、S4，安裝時要求 四個安裝點共面，安裝尺寸應滿足M=M=/，且；^與g分別為工具坐標系X軸和Y 軸正方向，四束激光在蒙皮表面上的投影點分別為Qp Q2、Q3、Q4, P?與分別為^在 平面YTpZ和平面XTpZ中的投影。令^ = Ai、％ = Zz2、@ @ = /;4, θ 1為Z軸 到的角，Θ 2為Z軸到的角，&為到的角。由幾何關系得到：
[0029] h = arctan (cos Θ 2 X tan Θ 丄)
[0030] 如圖2所示，Θ i在工具坐標系XTpZ平面內的投影關系，根據以上幾何關系，
[0031] 可求得：

【權利要求】
1. 一種基于并聯(lián)機構的法向找正方法，其特征在于： 該方法所使用的裝置包括并聯(lián)機構、十字滑臺、四個激光位移傳感器及末端執(zhí)行器；所 述并聯(lián)機構包括通過連接桿相連的定平臺和動平臺；所述末端執(zhí)行器安裝在并聯(lián)機構的動 平臺上，所述并聯(lián)機構的定平臺安裝在十字滑臺上，所述四個激光位移傳感器安裝在末端 執(zhí)行器上； 該方法包括如下步驟： 1) 、建立坐標系：將末端執(zhí)行器定位到預定的位置和姿態(tài)上，在并聯(lián)機構定平臺上建立 并聯(lián)機構坐標系，在末端執(zhí)行器的刀具軸線方向上建立工具坐標系； 2) 、期望姿態(tài)計算：通過末端執(zhí)行器上四個激光位移傳感器檢測出曲面上制孔位置處 的期望法向姿態(tài)； 3) 、并聯(lián)機構調整量計算：通過末端執(zhí)行器當前法向姿態(tài)和制孔位置處的期望法向姿 態(tài)的偏差逆解分別求出并聯(lián)機構可伸縮桿的長度、并聯(lián)機構在十字滑臺上的平移量及刀具 的進給量，并保證虛擬刀尖點位置不變； 4) 、根據步驟3)求得并聯(lián)機構可伸縮桿的長度、并聯(lián)機構在十字滑臺上的平移量及刀 具的進給量完成末端執(zhí)行器法向找正。
2. 根據權利要求1所述的基于并聯(lián)機構的法向找正方法，其特征在于：所述步驟3)中 具體過程為如下： 31) 、采用并聯(lián)機構以定平臺固定、動平臺調整的方式將刀具軸線調整到與制孔位置處 的期望法向姿態(tài)相同；計算此時虛擬刀尖點的坐標，并求出并聯(lián)機構可伸縮桿的長度； 32) 、完成步驟31)之后將末端執(zhí)行器沿著十字滑臺X向、Y向平移，同時刀具沿著其軸 線方向Z向進給，將虛擬刀尖點移動到制孔位置處，則步驟31)中求出的虛擬刀尖點的坐標 與制孔位置處的坐標之間的偏差就是末端執(zhí)行器的平移量及刀具的進給量。
3. 根據權利要求1或2所述的基于并聯(lián)機構的法向找正方法，其特征在于：所述連接 桿包括2根伸縮桿和1根固定桿，所述可伸縮桿和固定桿均通過虎克鉸與動平臺連接，所述 可伸縮桿通過球面副與定平臺連接，固定桿與定平臺固連。
【文檔編號】B23Q15/26GK104385053SQ201410416197
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年8月21日 優(yōu)先權日:2014年8月21日
【發(fā)明者】田威, 廖文和, 韓鋒, 張旋 申請人:南京航空航天大學