CN102416581A - 飞机部件柔性装配中待装配零件的混合测量定位方法 - Google Patents

Abstract

一种针对飞机部件柔性装配过程中待装配零件定位的混合测量方法，属于先进制造技术领域现代制造技术的研究内容。本方法为飞机部件柔性装配过程中，建立自动化制孔设备与待装配零件间的相对位置关系提供了一种测量定位方法。该方法采用激光测量仪作为制孔设备粗略定位的手段，采用照相测量设备作为待装配零件精确定位的手段，分两步实现待装配零件的准确定位。本发明在一定程度上解决了飞机部件柔性装配过程中，由于装配过程误差累积过多而造成的自动化制孔设备与待装配工件不协调的问题，并为自动化设备在飞机部件柔性装配中的使用提供了一条有效的途径。

Description

飞机部件柔性装配中待装配零件的混合测量定位方法

技术领域

本发明涉及一种飞机部件柔性装配中待装配零件的混合测量定位方法，属于先进制造技术领域现代制造技术的研究内容。

背景技术

飞机柔性装配技术是充分考虑作为装配对象的航空产品的特征，通过柔性装配设计、柔性装配工装设计、柔性装配工艺优化、柔性装配信息管理、激光定位与控制、自动制孔等技术，实现飞机零部件快速精确定位和装配，减少装配工装种类和数量的，光、机、电、控以及信息技术综合集成的，具有较高自动化程度的先进飞机装配技术。

目前，在飞机部件柔性装配过程中，通常采用自动制孔设备以工装位置作为基准对飞机部件进行制孔。但待装配零件通常不被工装直接定位，多次定位误差累积较多，需再次对其测量定位。在航空制造领域，尽管大量采用激光跟踪仪、照相测量设备、激光雷达、IGPS等数字化测量技术与手段，在工装制造，总装部件定位等方面得到了广泛的实施与运用，实现了飞机柔性装配过程中的测量辅助装配。但这些测量手段的运用，多数针对某个生产环节，采用单一的数字化测量手段进行测量，较少涉及需对工装、零件实现二次定位的过程，且在测量手段的运用方面，尚未根据各种测量手段的优势适用范围，采用混合定位的方式实现装配过程的定位。

发明内容

为解决飞机柔性装配过程中待装配件的定位问题，提出了一种基于激光跟踪仪与照相测量***混合适用的定位方法。该方法由混合定位方法整体策略与实施流程、制孔设备粗略定位法与待装配零件精确定法等三部分内容组成。在该方法的支持下，能够实现柔性装配过程中，针对待装配零件的准确定位。

该方法混合使用激光跟踪仪与照相测量设备，采用激光跟踪仪进行粗略定位，照相测量设备进行精确定位的策略，将飞机部件柔性装配中待装配件的定位分为制孔设备粗略定位与待装配零件精确定位两步骤。在制孔设备粗略定位中，利用激光跟踪仪通过对靶球位置的测量，完成设备中零件零点的设定，建立机床零件坐标系、数模中飞机部件坐标系与飞机部件实际位置之间的相对关系，为自动化制孔设备准确的工装位置。在待装配零件精确定位过程中，利用照相测量设备通过对待装配工装基准孔位置的测量，完成待装配零件与工装相对误差的计算，并通过零点偏置的方式，完成误差的补偿，为自动化制孔设备提供准确的待装配零件位置。

本发明为飞机部件柔性装配过程的待装配零件定位提供了一种精确的定位方法，充分发挥各种测量设备的优势，为实现飞机部件柔性装配的实现提供了一种有效的技术手段。

附图说明

图1飞机部件柔性装配中待装配零件混合测量定位的流程

图2各坐标系间的联系图

图3工件坐标系与机床坐标系的转换流程图

图4刀尖位置与靶球圆心关系图

具体实施方式

一、混合定位方法整体策略与实施流程

激光测量仪有着精度高，测量速度快的优点，在测量大型产品中有着较强的优势。故采用激光跟踪仪作为混合测量定位中的工装与自动化制孔设备的测量手段。照相测量设备体积小，操作简单，数据处理容易，在测量单个零件时有着较强的优势。故采用照相测量设备作为混合测量定位中待装配零件位置的测量手段。

飞机部件柔性装配中待装配零件的混合测量定位过程分为两步骤。首先，通过激光跟踪仪建立自动化制孔设备与工装的相对位置关系，实现制孔设备的粗略定位。其次，通过照相测量设备补偿工装对待装配件的定位误差，实现待装配件的精确定位。

制孔设备的粗略定位通过激光跟踪仪建立自动化制孔设备的工件坐标***，以确定装配工装与数控机床的相对位置，为第二次定位提供准确的工装位置。待装配零件混合测量定位的第二次定位为精确定位，由照相测量***实现，用于进一步确定待装配零件与自动化钻铆设备的精确相对位置。柔性制孔过程的二次定位流程图如图1所示：

二、制孔设备的粗略定位的实现

制孔设备的粗略定位完成制孔设备中工件零点的设定，建立机床工件坐标系、数模中飞机部件坐标系与飞机部件实际位置的相对关系，为制孔设备的数控程序提供了准确的飞机部件位置。

(一)柔性装配单元的空间坐标系

在柔性装配单元中，通常首先依靠离线编程与仿真***在CATIA中对飞机部件的数字化模型进行操作，生成用于数控加工的数控程序，后由数控程序驱动机床，对由柔性工装固定的飞机部件进行制孔。根据该流程，坐标系之间的关系如图2所示。各坐标系所在的空间，可分为数模中坐标系、数控***中坐标系与实际空间位置(测量坐标系)。

(1)数模中坐标系

数模中坐标系包括全机坐标系与工件坐标系。

全件坐标系：在建立飞机部件数字化模型时，需要有一个零点作为创建模型的基准。由此零点建立的坐标系为全机坐标系，在飞机产品的设计过程中，为保证数据基准的统一性，飞机中的各个部件、组件、零件，均在统一坐标系下建立，故称作全机坐标系，该坐标原点距部件实际位置通常较远。

工件坐标系：在对数模进行数控编程时，由编程人员所选择的程序坐标原点。该坐标系应与数控***中工件坐标系一致。该坐标系的选择并无绝对的要求，但通常，为提高数控程序的可读性，将该坐标系的X，Y，Z轴与数控机床统一，并选择距待装配零件较近的位置作为坐标零点。

(2)机床中坐标系

机床中坐标系包括机床零点与工件零点。

机床零点：机床零点M是指机床坐标系的零点，即X＝0，Y＝0，Z＝0，由制造商定义，用户不能改变。机床零点是机床的最基本点，是其它坐标系如工件坐标系、编程坐标系及机床参考点的基准点。

工件零点：工件零点W又称为编程零点，是工件坐标***的原点。与数模中的工件坐标系相同，工件零点可以自由地选择，为方便编程和减少坐标值计算，工作零点最好设置在便于编程的位置。

(3)实际空间位置

实际空间位置可分为工装实际位置与飞机部件实际位置。

工装实际位置：即测量坐标系，在柔性工装安装过程中，需使用激光跟踪仪对工装各定位交点进行定位安装，在定位过程中，由按数模中的位置要求通过坐标基准点所建立的标准温度下的测量坐标系。工装在该坐标系下的坐标与数模相同。

飞机部件实际位置：由于激光跟踪仪并不直接对部件进行定位，故飞机部件在工装测量坐标系中的位置与数模中的位置存在一定的偏差，该偏差为工装的定位误差，会对柔性装配制孔的准确度造成一定影响。

(二)自动化制孔设备的工件坐标系建立

自动化制孔设备的工件坐标系建立方法是将数模中工件坐标系与数控机床中工件坐标***一的过程。在一般的数控加工过程中，加工的刀具位置均与夹具配套，有着明确的工件零点，只需要通过对刀来实现刀具的补偿。而在柔性自动化制孔单元中，工装与设备尺寸较大，且独立制造，需在装配现场安装后，使用激光跟踪仪，测量定位机床与工装的相互位置关系。

其具体实现方法是，通过激光跟踪仪，找到机床零点在飞机坐标系中的位置，并分别在数模中与机床中建立统一的工件零点，建立一致的工件坐标系的过程。具体需经过如下几个步骤的转换(图3)。

步骤一：使用激光跟踪仪，测量工装的基准框架，根据数模中的靶球位置与实际测量中的靶球位置读数，将工装的实际位置与数模的实际位置统一。由于工装定位精度较高，故可以认为，该过程完成了待加工工件(平尾)的实际位置与数模位置的统一。

步骤二：将机床运动到某易于测量的位置，使用激光跟踪仪对机床刀尖位置进行测量，其测量位置与刀尖实际位置间的关系如图4所示。利用三角函数经简单计算，可得，实际位置与测量位置间，在机床坐标系下Z轴的负向增加值。

步骤三：在CATIA***中建立坐标值为测量值的各个点，将测量数据导入CATIA***中。

步骤四：按照一般数控加工方法，选择合适位置，作为工件零点，并将各坐标轴方向与机床轴方向统一，以此在CATIA中建立工件坐标系。

步骤五：操作机床，读取机床在测量时X，Y，Z的坐标值(X₁，Y₁，Z₁)。

步骤六：利用CATIA中测量功能，测量在第三步中所建立的机床刀尖位置点在所设置的工件坐标中位置(X₂，Y₂，Z₂)，由此，计算所需进行的框架偏转为：

$\left\{\begin{array}{c}{X}_G=X_2-X_1\\ Y_G=Y_2-Y_1\\ Z_G=Z_2-Z_1\end{array}\right.$

式中，X_G，Y_G，Z_G为所需的偏转。

步骤七：在机床中设置零偏，编程阶段首先调用该零偏即可完成机床坐标系与工件坐标系的统一。

三待装配零件精确定法

通过激光跟踪测量设备，完成了自动化制孔设备与装配工装之间的位置关系的统一。但待装配零件与装配工装之间不一定存在直接定位关系，多次定位后定位误差累积过大，需要利用照相测量设备对进行进一步定位。

在待装配零件两端，各预钻制两个位置准确的孔作为基准定位孔。在制孔过程中，照相测量***通过实时测量待装配零件上基准定位孔的实际位置与理论位置的偏差，从而计算得到待装配零件的准确位置，并提供给数控机床。完成该定位过程后机床对待装配零件直接定位，在待装配零件局部坐标系下进行加工，故减少了误差累积环节，提高了定位精度。将工件坐标系转换为待装配零件局部坐标系的转化算法如下：

设所制两基准孔的圆心位置为A[x₁，y₁，z₁]，B[x₂，y₂，z₂]。

在A点处所测量的误差为：ΔA＝[Δx′₁，Δy′₁，0]。

在B点处所测量的误差为：ΔB＝[Δx″₂，Δy″₂，0]。

以A为原心的坐标系在机床坐标系中，各坐标轴的方向余弦(即，X，Y，Z轴在机床坐标系中的单位向量)记作：

$r=\left[\begin{array}{cccc}{X}_1:& r_{11},& r_{21},& r_{31}\\ Y_1:& r_{12},& r_{22},& r_{32}\\ Z_1:& r_{13},& r_{23},& r_{33}\end{array}\right]$

以B为原心的坐标系在机床坐标系中，各坐标轴的方向余弦记作：

$R=\left[\begin{array}{cccc}{X}_2:& R_{11},& R_{21},& R_{31}\\ Y_2:& R_{12},& R_{22},& R_{32}\\ Z_2:& R_{13},& R_{23},& R_{33}\end{array}\right]$

记，A，B两点在机坐标系下的实际坐标位置为：

$A^{*}=[x_1^{*},y_1^{*},z_1^{*}]$ $B^{*}=[x_2^{*},y_2^{*},z_2^{*}]$

则根据空间坐标转换定理可知：

$\left[\begin{array}{c}{x}_1^{*}\\ y_1^{*}\\ z_1^{*}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{x}_1\\ y_1\\ z_1\end{array}\right]+\left[\begin{array}{ccc}{r}_{11}& r_{21}& r_{31}\\ r_{12}& r_{22}& r_{32}\\ r_{13}& r_{23}& r_{33}\end{array}\right]\×\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{x}_1^{\′}\\ \mathrm{\Δ}{y}_1^{\′}\\ 0\end{array}\right]$

$\left[\begin{array}{c}{x}_2^{*}\\ y_2^{*}\\ z_2^{*}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{x}_2\\ y_2\\ z_2\end{array}\right]+\left[\begin{array}{ccc}{R}_{11}& R_{21}& R_{31}\\ R_{12}& R_{22}& R_{32}\\ R_{13}& R_{23}& R_{33}\end{array}\right]\×\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{x}_2^{\′}\\ \mathrm{\Δ}{y}_2^{\′}\\ 0\end{array}\right]$

根据空间偏移理论可知，修正方法如下。

方法一：计算三维空间中的偏移量。

记，整体的偏移量为：

Δ＝[Δx，Δy，Δz]

旋转角为[α，β，γ]

则根据旋转矩阵有：

$\left[\begin{array}{c}{x}_1^{*}\\ y_1^{*}\\ z_1^{*}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}x\\ \mathrm{\Δ}y\\ \mathrm{\ΔZ}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{ccc}1& \mathrm{\γ}& -\mathrm{\β}\\ -\mathrm{\γ}& 1& \mathrm{\α}\\ \mathrm{\β}& -\mathrm{\α}& 1\end{array}\right]\×\left[\begin{array}{c}{x}_1\\ y_1\\ z_1\end{array}\right]$

和

$\left[\begin{array}{c}{x}_2^{*}\\ y_2^{*}\\ z_2^{*}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}x\\ \mathrm{\Δ}y\\ \mathrm{\ΔZ}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{ccc}1& \mathrm{\γ}& -\mathrm{\β}\\ -\mathrm{\γ}& 1& \mathrm{\α}\\ \mathrm{\β}& -\mathrm{\α}& 1\end{array}\right]\×\left[\begin{array}{c}{x}_2\\ y_2\\ z_2\end{array}\right]$

其中，由于旋转误差较小，故近似的有cosα＝1，sina＝a。

由于测量数据有限(如测量点数目为三则可将各个数据全部计算)而α，β的偏差可由末段执行器修正。故，将其记作0。解之，可得：

$\mathrm{\γ}=1/2\·[\frac{(y_1^{*}-y_1)-(y_2^{*}-y_2)}{x_2-x_1}+\frac{(x_1^{*}-x_1)-(x_2^{*}-x_2)}{y_1-x_2}]$

$\mathrm{\Δx}=x_1^{*}-x_1-y_1\×\mathrm{\γ}$

$\mathrm{\Δy}=y_1^{*}-y_1+x_1\×r$

$\mathrm{\Δz}=\frac{(z_1^{*}-z_1)+(z_2^{*}-z_2)}{2}$

方法二：只计算在XOY平面上的误差。

记，整体的偏移量为：

Δ＝[Δx，Δy]

旋转角为α

则根据旋转矩阵有：

$\left[\begin{array}{c}{x}_1^{*}\\ y_1^{*}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δx}\\ \mathrm{\Δy}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{cc}1& \mathrm{\α}\\ -\mathrm{\α}& 1\end{array}\right]\×\left[\begin{array}{c}{x}_1\\ y_1\end{array}\right]$

和

$\left[\begin{array}{c}{x}_2^{*}\\ y_2^{*}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δx}\\ \mathrm{\Δy}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{cc}1& \mathrm{\α}\\ -\mathrm{\α}& 1\end{array}\right]\×\left[\begin{array}{c}{x}_2\\ y_2\end{array}\right]$

其中，由于旋转误差较小，故近似的有cosα＝1，sina＝a。

综合解之可得：

$\mathrm{\α}=1/2\×[\frac{(x_1^{*}-x_2^{*})-(x_1-x_2)}{y_1-y_2}+\frac{(y_1^{*}-y_2^{*})-(y_1-y_2)}{x_1-x_2}]$

$\mathrm{\Δx}=x_1^{*}-x_1-y_1\×a$

$\mathrm{\Δy}=y_1^{*}-y_1+x_1\×a$

将计算所得的偏移量输入零偏框架，并在对待装配零件制孔前调用即可实现工装与待装配零件误差的修正与补偿。

Claims (2)

1.一种针对飞机部件柔性装配过程中待装配零件定位的混合测量方法，所述方法包括混合定位方法整体策略与实施流程、制孔设备粗略定位法与待装配零件精确定位法等三部分内容，其特征在于：

1)该方法混合使用激光跟踪仪与照相测量设备，采用激光跟踪仪进行粗略定位，照相测量设备进行精确定位的策略，将飞机部件柔性装配中待装配件的定位分为制孔设备粗略定位与待装配零件精确定位两步骤；

2)制孔设备的粗略定位完成制孔设备中工件零点的设定，建立机床工件坐标系、数模中飞机部件坐标系与飞机部件实际位置的相对关系，为制孔设备的数控程序提供了准确的飞机部件位置；

3)待装配零件精确定位通过在待装配零件两端，各预钻制两个位置准确的孔作为基准定位孔；在制孔过程中，照相测量***通过实时测量待装配零件上基准定位孔的实际位置与理论位置的偏差，从而计算得到待装配零件的准确位置，并提供给数控机床，完成待装配零件的精确定位过程。

2.根据权利要求1所述的飞机部件柔性装配中待装配零件的混合测量定位方法，其特征在于具体包括如下步骤：

步骤一：使用激光跟踪仪，测量工装的基准框架，根据数模中的靶球位置与实际测量中的靶球位置读数，将工装的实际位置与数模的实际位置统一；

步骤二：将机床运动到某易于测量的位置，使用激光跟踪仪对机床刀尖位置进行测量；

步骤三：在CATIA***中建立坐标值为测量值的各个点，将测量数据导入CATIA***中；

步骤四：按照一般数控加工方法，选择合适位置，作为工件零点，并将各坐标轴方向与机床轴方向统一，以此在CATIA中建立工件坐标系；

步骤五：操作机床，读取机床在测量值；

步骤六：利用CATIA中测量功能，测量在第三步中所建立的机床刀尖位置点在所设置的工件坐标中位置；

步骤七：在机床中设置零偏，编程阶段首先调用该零偏即可完成机床坐标系与工件坐标系的统一；

步骤八：在待装配零件两端，各预钻制两个位置准确的孔作为基准定位孔，作为待装配零件精确定位的基准；

步骤九：采用照相测量设备测量基准定位孔的位置；

步骤十：根据照相测量设备的测量结果计算待装配零件实际位置与理论位置的偏差；

步骤十一：通过框架偏转功能实现偏差的修正。

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