一種飛機壁板臥式自動鉆鉚機的基坐標(biāo)系標(biāo)定方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及飛機裝配技術(shù)與裝備領(lǐng)域，尤其涉及一種飛機壁板臥式自動鉆鉚機的 基坐標(biāo)系標(biāo)定方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 飛機裝配作為飛機制造中極其重要的一環(huán)，在很大程度上決定了飛機的最終質(zhì) 量、制造成本和交貨周期，是整個飛機制造過程中的關(guān)鍵和核心技術(shù)。由于飛機裝配過程中 涉及到大量的制孔和緊固件連接過程，因此，制孔與緊固件連接的質(zhì)量和效率，將成為影響 飛機整體裝配質(zhì)量和效率的重要因素。
[0003] 飛機壁板臥式自動鉆鉚機是飛機裝配中重要的制孔與緊固件連接設(shè)備，能夠自動 完成飛機壁板中鉚接孔的定位、制孔、锪窩、除塵、插釘、壓鉚等操作。它由制孔插釘側(cè)機床 和鐓緊側(cè)機床組成，兩側(cè)設(shè)備通過協(xié)同工作實現(xiàn)高質(zhì)量自動化鉆鉚。結(jié)合飛機壁板鉚接的 質(zhì)量要求可知，保證自動鉆鉚機中兩側(cè)設(shè)備末端的協(xié)調(diào)與相對位姿精度，是保證鉆鉚質(zhì)量、 提高整機裝配質(zhì)量所不可缺少的一部分。
[0004] 在飛機壁板臥式自動鉆鉚機的復(fù)雜系統(tǒng)中，影響設(shè)備整體的協(xié)調(diào)與工作精度的因 素有很多。當(dāng)單側(cè)設(shè)備精度均滿足要求時，雙側(cè)設(shè)備基坐標(biāo)系間的標(biāo)定誤差，仍會導(dǎo)致設(shè)備 末端之間的相對位姿誤差，導(dǎo)致制孔偏斜、插釘和鉚接過程不協(xié)調(diào)等嚴重問題，嚴重影響設(shè) 備的協(xié)調(diào)工作，使設(shè)備和壁板的受力狀態(tài)惡化，甚至破壞鉚釘或壁板。飛機壁板的鉆鉚質(zhì)量 對后續(xù)裝配工序也會產(chǎn)生不良影響，嚴重的會降低整機裝配質(zhì)量和氣動外形特性，最終縮 短其使用壽命。
[0005] 在飛機裝配過程中，通常借助外部測量系統(tǒng)對設(shè)備的基坐標(biāo)系進行標(biāo)定。通過基 坐標(biāo)系標(biāo)定，可以確定設(shè)備基坐標(biāo)系與裝配坐標(biāo)系之間的變換矩陣，以此得到設(shè)備末端TCP 坐標(biāo)系在裝配坐標(biāo)系中的位姿。在現(xiàn)有的基坐標(biāo)系標(biāo)定方法中，多通過設(shè)備基坐標(biāo)系-設(shè) 備末端TCP坐標(biāo)系-標(biāo)定板坐標(biāo)系-裝配坐標(biāo)系的坐標(biāo)系傳遞路徑，確定設(shè)備基坐標(biāo)系與 裝配坐標(biāo)系間的變換關(guān)系，實現(xiàn)對設(shè)備基坐標(biāo)系的標(biāo)定。但該標(biāo)定過程需已知由設(shè)備基坐 標(biāo)系到設(shè)備TCP坐標(biāo)系的變換關(guān)系，且標(biāo)定中的坐標(biāo)系傳遞路徑復(fù)雜，增加了誤差引入的可 能性。
[0006] 現(xiàn)有的飛機壁板臥式自動鉆鉚機亟需一種合適的標(biāo)定方法，實現(xiàn)對雙數(shù)控定位設(shè) 備基坐標(biāo)系進行標(biāo)定，確定雙設(shè)備基坐標(biāo)系間的相對位姿關(guān)系，以保證雙設(shè)備末端的相對 位姿精度，從而實現(xiàn)高質(zhì)量自動化鉆鉚，最終提升整機的裝配質(zhì)量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出一種飛機壁板臥式自動鉆鉚機的基坐標(biāo)系標(biāo) 定方法，可確定兩數(shù)控定位設(shè)備基坐標(biāo)系之間的空間相對位姿關(guān)系，保證兩設(shè)備末端相對 位姿精度，實現(xiàn)高質(zhì)量自動化鉆鉚，提升整機裝配質(zhì)量。
[0008] 本發(fā)明的具體技術(shù)方案如下：
[0009] -種飛機壁板臥式自動鉆鉚機的基坐標(biāo)系標(biāo)定方法，包括如下步驟：
[0010] (1)設(shè)定飛機壁板臥式自動鉆鉚機中鐓緊側(cè)機床和制孔插釘側(cè)機床的零點位置， 并繪制坐標(biāo)系定義圖，使兩側(cè)機床各子坐標(biāo)系與其基坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸方向一致；
[0011] (2)在飛機壁板臥式自動鉆鉚機的兩側(cè)機床上，分別安裝激光跟蹤儀測量用反射 鏡;并將激光跟蹤儀擺放在適當(dāng)位置；
[0012] (3)控制飛機壁板臥式自動鉆鉚機中兩數(shù)控定位設(shè)備的平動軸依次運動到指定位 置，通過激光跟蹤儀的跟蹤測量，獲取兩設(shè)備上反射鏡的一系列位置坐標(biāo)，并進行直線擬 合，以此代表數(shù)控定位設(shè)備基坐標(biāo)系各坐標(biāo)軸方向，建立兩數(shù)控定位設(shè)備基坐標(biāo)系的實際 位姿模型；
[0013] (4)激光跟蹤儀通過步驟(3)中測量得到兩數(shù)控定位設(shè)備基坐標(biāo)系在測量坐標(biāo)系 下的位姿狀態(tài)，計算兩設(shè)備基坐標(biāo)系到測量坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣Ri (i = 1，2)和平移矩陣Ti (i =1，2)，從而求得兩設(shè)備基坐標(biāo)系之間的相對位姿變換矩陣R和T。
[0014] 所述的飛機壁板臥式自動鉆鉚機的基坐標(biāo)系標(biāo)定方法，每臺數(shù)控定位設(shè)備有Χ、Υ、 Ζ、Α、Β五個運動軸，激光跟蹤儀通過跟蹤測量各平動軸，在測量坐標(biāo)系0m下建立數(shù)控定位設(shè) 備基坐標(biāo)系⑴和％，并確定兩基坐標(biāo)系間的相對位姿。兩基坐標(biāo)系在裝配坐標(biāo)系與測量坐標(biāo) 系下的相對位姿相同。
[0015] 所述的步驟(1)的具體步驟如下：
[0016] (1.1)將飛機壁板臥式自動鉆鉚機中兩數(shù)控定位設(shè)備的零點分別記為〇dP〇2,兩設(shè) 備基坐標(biāo)系以位姿六元組 ν=[α，β，γ，px，py，pz]表示。其中，[α，β，γ ]表示設(shè)備基坐標(biāo)系的 Χ-Υ-Ζ歐拉角(RPY角），[px，py，ρζ]表示設(shè)備坐標(biāo)系原點在測量坐標(biāo)系Om下的位置坐標(biāo)；
[0017] (1.2)繪制飛機壁板臥式自動鉆鉚機的坐標(biāo)系定義圖，各子坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸方向 與設(shè)備基坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸方向一致。
[0018] 所述的步驟(2)的具體步驟如下：
[0019] (2.1)在飛機壁板臥式自動鉆鉚機的鐓緊側(cè)機床和制孔插釘側(cè)機床上，分別安裝 激光跟蹤儀測量用反射鏡；
[0020] (2.2)將激光跟蹤儀擺放在適當(dāng)位置，使其測量范圍能夠覆蓋到兩臺五軸聯(lián)動數(shù) 控定位設(shè)備的運動范圍。
[0021] 所述的步驟(3)的具體步驟如下：
[0022] (3.1)控制系統(tǒng)使兩臺數(shù)控定位設(shè)備的各運動軸回歸至設(shè)備零點；
[0023] (3.2)在制孔插釘側(cè)數(shù)控定位設(shè)備(數(shù)控定位設(shè)備I)的X軸方向均勻地分布m個位 置，使數(shù)控定位設(shè)備I依次運動到各位置，并使激光跟蹤儀跟蹤測量數(shù)控定位設(shè)備上的反射 鏡位置，記錄下m個點的坐標(biāo);在數(shù)控定位設(shè)備I的Y軸方向均勻地分布n 2個位置，使數(shù)控定 位設(shè)備I依次運動到各位置，并使激光跟蹤儀測量數(shù)控定位設(shè)備上的反射鏡位置，記錄下n2 個點的坐標(biāo);當(dāng)數(shù)控定位設(shè)備沿某一方向運動時，其他運動軸均處于零位置，其光柵讀數(shù)為 零；
[0024] (3.3)利用最小二乘法對各軸方向的測量點進行直線擬合，建立數(shù)控定位設(shè)備I基 坐標(biāo)系的X、Y軸方向，并計算各軸的單位方向向量：

[0027] Ν3 = Ν2 ΧΝι
[0028] 其中，數(shù)控定位設(shè)備I的X軸擬合直線上正方向上的一點，其在測量坐標(biāo)系0沖 的坐標(biāo)為(^，加^山內(nèi)位于數(shù)控定位設(shè)備啲設(shè)備零點處淇在測量坐標(biāo)系⑴中的坐標(biāo)為 (X P2，yP2，Zp2)，P3是數(shù)控定位設(shè)備I的Y軸擬合直線上正方向上的一點，其在測量坐標(biāo)系0m中 的坐標(biāo)為(1 1)3,71)3,21)3)41表示數(shù)控定位設(shè)備1的乂軸方向的單位向量，他表示數(shù)控定位設(shè)備1 的Y軸方向的單位向量，N3表示數(shù)控定位設(shè)備I的Z軸方向的單位向量；由此，建立了數(shù)控定 位設(shè)備I的基坐標(biāo)系Οι;
[0029] (3.4)按照步驟(3.2)和(3.3)中同樣的方法，計算出鐓緊側(cè)數(shù)控定位設(shè)備(數(shù)控定 位設(shè)備Π )各坐標(biāo)軸的單位方向向量，建立數(shù)控定位設(shè)備Π 的基坐標(biāo)系。
[0030] 所述的步驟(4)的具體步驟如下：
[0031 ] (4.1)計算數(shù)控定位設(shè)備I的基坐標(biāo)系&與激光跟蹤儀測量坐標(biāo)系0m的相對位姿關(guān) 系，即求出兩坐標(biāo)系之間的旋轉(zhuǎn)矩陣心和平移矩陣?\:
[0032] a = -a tan 2(Ν32，Ν33)
[0039] Ti= [xP2,yP2,Zp2]T
[0040] 式中，Nll、Nl2、Nl3分別表示基坐標(biāo)系坐標(biāo)軸單位向量Ν?在測量坐標(biāo)系Om的Χ、Υ、Ζ方 向上的分量；以此類推。
[0041 ] (4.2)按照步驟(4.1)中同樣的方法，計算數(shù)控定位設(shè)備Π 的基坐標(biāo)系02與激光跟 蹤儀測量坐標(biāo)系⑴的相對位姿關(guān)系，即求出兩坐標(biāo)系之間的旋轉(zhuǎn)矩陣R2和平移矩陣Τ2;
[0042] (4.3)計算數(shù)控定位設(shè)備I的基坐標(biāo)系&與數(shù)控定位設(shè)備Π 的基坐標(biāo)系02之間的相 對位姿關(guān)系，即求出兩坐標(biāo)系之間的旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移矩陣Τ。基坐標(biāo)系02到基坐標(biāo)系&的轉(zhuǎn) 換關(guān)系為：
[0043] R = Ri*R2_1
[0044] Τ = Τι-Τ2
[0045] 所述的激光跟蹤儀通過步驟(3)和步驟(4)計算出在測量坐標(biāo)系0m下數(shù)控定位設(shè) 備I基坐標(biāo)系&與數(shù)控定位設(shè)備Π 基坐標(biāo)系02之間的旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移矩陣T，該變換矩陣與 裝配坐標(biāo)系下數(shù)控定位設(shè)備I基坐標(biāo)系&與數(shù)控定位設(shè)備Π 基坐標(biāo)系02之間的變換矩陣相 同，且激光跟蹤儀的測量位置對計算結(jié)果無影響;借助激光跟蹤儀測量坐標(biāo)系〇 m，可更加方 便地計算出兩數(shù)控定位設(shè)備基坐標(biāo)系的相對位姿關(guān)系。
[0046] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于：
[0047] (1)實現(xiàn)了在裝配坐標(biāo)系下，飛機壁板臥式自動鉆鉚機中兩數(shù)控定位設(shè)備基坐標(biāo) 系間相對位姿關(guān)系的建立，提高了雙設(shè)備的協(xié)同工作精度；
[0048] (2)通過激光跟蹤儀測量坐標(biāo)系0m將兩數(shù)控定位設(shè)備基坐標(biāo)系聯(lián)系在一起，將裝 配坐標(biāo)系下的基坐標(biāo)系標(biāo)定問題轉(zhuǎn)化到測量坐標(biāo)系中，縮短了基坐標(biāo)標(biāo)定中坐標(biāo)系間的傳 遞路徑，簡化基坐標(biāo)系標(biāo)定的過程；
[0049] (3)標(biāo)定過程中激光跟蹤儀的位置固定，其測量位置不影響標(biāo)定結(jié)果，只需保證其 跟蹤測量范圍覆蓋到兩數(shù)控定位設(shè)備各運動軸的運動范圍即可，大大方便了標(biāo)定中測量設(shè) 備的布置，節(jié)省了標(biāo)定時間；
[0050] (4)為多設(shè)備基坐標(biāo)系間的位姿關(guān)系的確定提供了一種思路，可準(zhǔn)確有效地提取 各設(shè)備間的位姿關(guān)系變換矩陣，提高了多設(shè)備協(xié)同工作的精度，提高了飛機裝配中的孔加 工質(zhì)量，提升了飛機部件整體的裝配質(zhì)量與裝配效率。
【附圖說明】
[0051 ]圖1飛機壁板臥式自動鉆鉚機的軸測圖；
[0052]圖2飛機壁板臥式自動鉆鉚機的正視圖；
[0053]圖3飛機壁板臥式自動鉆鉚機的俯視圖；
[0054]圖4飛機壁板臥式自動鉆鉚機的坐標(biāo)系定義圖；
[0055]圖5飛機壁板臥式自動鉆鉚機的坐標(biāo)系簡化示意圖；
[0056]圖6飛機壁板臥式自動鉆鉚機雙設(shè)備基坐標(biāo)系標(biāo)定的測量原理圖。
[0057] 圖中：制孔插釘側(cè)機床1，制孔插釘側(cè)數(shù)控定位設(shè)備2，制孔插釘執(zhí)行器3，鐓緊側(cè)數(shù) 控定位設(shè)備4，鐓緊側(cè)機床5，鐓緊頭6，壁板工裝7，飛機壁板8。
【具體實施方式】
[0058] 如圖1-圖3所示，飛機壁板臥式自動鉆鉚機是由制孔插釘側(cè)機床1、鐓緊側(cè)機床5組 成，其中制孔插釘側(cè)機床1是由制孔插釘側(cè)數(shù)控定位設(shè)備2和制孔插釘執(zhí)行器3組成，鐓緊側(cè) 機床5是由鐓緊側(cè)數(shù)控定位設(shè)備4和鐓緊頭6組成;飛機壁板8由壁板工裝7固定。
[0059]如圖4所示，飛機壁板臥式自動鉆鉚機中每臺數(shù)控定位設(shè)備都有X、Y、Z、A、B五個運 動軸，以子坐標(biāo)系形式顯示了鉆鉚機系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成，并表明了鉆鉚過程中兩數(shù)控定位設(shè) 備的協(xié)同工作狀態(tài)。
[0060] 如圖5所示，通過外部測量系統(tǒng)對飛機壁板臥式自動鉆鉚機進行測量，示意簡圖表 明了主要坐標(biāo)系之間的關(guān)系。
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