CN102730197A - 一种机身定位调姿装置和方法 - Google Patents

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方伟
陈磊
邢宏文
翁进良
王莉
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Abstract

本发明提供了一种机身自动定位调姿装置，包括：第一***、第二***和中央控制装置，其中所述第一***和所述第二***带有柔性托板并且用于在调整过程支撑机身，而所述中央控制装置在调姿过程中驱动并引导所述第一***和所述第二***的移动。本发明还提供了机身自动定位调姿的方法。本发明的装置和方法可以减小结构变形，可自动实现机身空间位姿六自由度调整。

Description

一种机身定位调姿装置和方法
技术领域
本发明涉及飞机总装领域。具体说，本发明涉及一种机身筒段的定位***，涉及一种机身筒段在对接过程的位置和姿态的调整方法及流程。
背景技术
飞机大部件对接装配是指机身筒段和外翼/机身(含中央翼)的对接，质量好坏直接影响飞机的气动和飞行安全。自九十年代开始，空客波音的生产线普遍采用了基于自动测量定位的柔性对接***。美国AIT、西班牙M.Torres、德国宝捷公司等都开发出了各自的产品，成为了业内的主流供应商。采用柔性对接设备，大大加快了对接进度，提高了对接质量。纵观各家产品，普遍采用了全动式结构，即每个电机的运动轴都由电机驱动，通过计算机算法以主-从式方式协调各轴运动，目的是为追求最小的装配应力。此外，支持方式都为接头式，导致力集中在支撑接头附近，造成较大应力集中及由此造成的变形。上述方式存在如下缺点：1.***结构复杂；2.电机增多，控制***性能要求提高，各轴运动的测量和同步性要求提高，都无疑增加了***成本；3.可靠性低，受控自由度越多，需要运动解耦的过程就越多，不仅增加了调平算法的复杂性，也增加了因算法不稳定或是硬件故障导致的过约束从而毁坏***的问题；4.对制造安装、测量和地基要求高。
目前国内飞机大部件对接，仍然大量沿袭了传统的装配工艺，采用了大量的工装定位，周期长，工人劳动强度大，装配质量低且不稳定。
发明内容
本发明针对目前工程所用机身/翼身对接***的一种改进，提供一种减小结构变形，可自动实现机身空间位姿六自由度调整的装置和方法。
本发明的目的是通过下述的技术方案实现的：
一种机身定位调姿装置，包括：第一***、第二***和中央控制装置，其中所述第一***和所述第二***用于支撑机身，所述第一***包括底座、第一水平支撑板、第二水平支撑板、竖直杆、Y向驱动装置、Z向驱动装置，所述第一水平支撑板可X向调节地滑动支撑在所述底座上，所述Y向驱动装置设置在所述第一水平支撑板和所述第二水平支撑板之间以使所述第二水平支撑板可Y向调节地滑动支撑在所述第一水平支撑板上，所述竖直杆通过所述Z向驱动装置可Z向调节地支撑在所述第二支撑板上；所述第二***包括底座、第一水平支撑板、第二水平支撑板、竖直杆、X向驱动装置、Y向驱动装置、Z向驱动装置，所述X向驱动装置设置在所述底座和所述第一水平支撑板之间以使所述第一水平支撑板可X向调节地滑动支撑在所述底座上，所述Y向驱动装置设置在所述第一水平支撑板和所述第二水平支撑板之间以使所述第二水平支撑板可Y向调节地滑动支撑在所述第一水平支撑板上，所述竖直杆通过所述Z向驱动装置可Z向调节地支撑在所述第二支撑板上；
所述中央控制装置用于控制并驱动所述第一***的Y向驱动装置和Z向驱动装置以及所述第二***的X向驱动装置、Y向驱动装和Z向驱动装置的移动。
较优地，所述第一***的Y向驱动装置和/或Z向驱动装置包括伺服电机。
较优地，所述第二***的X向驱动装置和/或Y向驱动装置和/或Z向驱动装置包括伺服电机。
较优地，机身定位调姿装置还包括弧形托板，所述弧形托板的一端固定到所述第一***的竖直杆的顶端，另一端固定到所述第二***的竖直杆的顶端。
更优地，所述弧形托板和所述第一***的竖直杆的顶端之间设置有力传感器。
更优地，所述弧形托板和所述第二***的竖直杆的顶端之间设置有力传感器。
一种用于所述的机身定位调姿装置的机身定位调姿***，其包括：
中央控制单元，其包括激光测量设备、中央控制器、电机驱动器、通信连接装置；其中，
所述激光测量设备用于测量所述机身上的预定测量点并生成测量数据；
所述电机驱动器用于控制驱动所述第一***的Y向驱动装置和Z向驱动装置以及所述第二***的X向驱动装置、Y向驱动装置和Z向驱动装置；
所述通信连接装置用于所述激光测量设备、中央控制器和电机驱动器之间的通信；
所述中央控制器用于根据所述激光测量设备的测量数据与预存基准数据进行比较生成所述第一***的Y向驱动装置和Z向驱动装置以及所述第二***的X向驱动装置、Y向驱动装置和Z向驱动装置的运动轨迹并对所述电机驱动器发出运动控制指令。
具体地，所述激光测量设备包括激光跟踪仪。
一种机身定位调姿方法，其包括：横滚调姿、俯仰调姿、航向调姿和平行调姿的至少其中之一者；
其中，所述横滚调姿用于所述机身绕自身坐标系水平面横向(Y)轴的姿态调整；
所述俯仰调姿用于所述机身绕自身坐标系水平面纵向(X)轴的姿态调整；
所述航向调姿用于所述机身绕自身坐标系竖直面(Z)轴的姿态调整；
所述平行调姿用于所述机身平行移动到预定位置处的姿态调整；
其中，转换相应的横滚角、俯仰角、航向角为各调姿基准点的偏差量，以得到的偏差量作为机身的所述第一***和所述第二***的驱动量，控制所述第一***和所述第二***的各驱动装置的运动。
具体地，该方法包括如下步骤：
(1)由激光测量设备测量机身上至少四个预定测量点的位置，得到所述机身的实际位姿，通过与预存在中央控制器中的理论位姿的比较，计算出所述理论位姿与所述实际位姿的偏差；
(2)根据步骤(1)中计算出的所述理论位姿与所述实际位姿的偏差，生成各***的各驱动装置的运动轨迹，并由电机驱动器驱动各***的各驱动装置运动，调整所述机身与所述理论位姿平行；
(3)重复步骤(1)的操作，如所述偏差在容差范围之内，则停止，否则重复步骤(2)的操作，直到满足容差要求；
平移所述机身，直到所述至少四个预定测量点均满足容差要求。
与现有技术相比，本发明的优势在于：(1)可以实现机身全自由度无冗余的方式进行空间位姿调整；(2)直接力测量，精度高，***可靠性高；(3)托板支撑使机身受力均匀，减小了变形；(4)联动算法简单，对于外部参数的依赖性较小，安全可靠；(5)对接过程分自动和手动模式，可以灵活切换。
附图说明
图1示出了机身布置在第一***和第二***的托板上的示意图；
图2示出了第一***的示意图；
图3示出了第二***的示意图。
具体实施方式
下面本文将参照附图详细地提供本发明的优选实施方案的描述。
如图1所示，机身筒段100以第一***200、第二***300支撑，机身对接定位基准即机身地板两侧滑轨102各放置光学靶标400两个。由自动测量软件控制激光跟踪仪按照预定的顺序测量靶标点的实际位置，将获取到的位置信息与产品工程数据集基准点坐标比对后得到位置的修正值，由集成控制软件的轨迹规划模块生成各个***的协调运动轨迹，由驱动控制***驱动多个***同步运动，然后再测量比对，如此反复迭代，直到部件的位置精度达到公差要求。然后进行制孔连接操作。
具体地，参见图1-图3，该机身自动定位调姿装置，包括：第一***200、第二***300、弧形托板500和中央控制单元，其中第一***200和第二***300用于在调整过程支撑机身筒段100，而调姿过程中第一***200和第二***300的移动由中央控制单元进行控制。
第一***200包括底座202、第一支撑板204、第二支撑板206、支撑缸体208、伸缩柱210和工艺接头212。底座202安装在基础平台上，底座202的左右两侧分别固定有X向滑轨216，第一支撑板204的下表面的左右两侧上分别固定有X向滑块218，该X向滑块218对应于前述X向滑轨216而设置，当将第一支撑板204组装在底座202上时，该X向滑块218可滑动地安装在X向滑轨216上。第一支撑板204的上表面的前后两侧(与前述的左右方向垂直)固定有Y向滑块220。第二支撑板206的下表面对应地固定有Y向滑轨222，其侧面还固定有Y向驱动装置224，该Y向驱动装置224为伺服***，该伺服***典型地包括伺服电机、驱动器、减速器、滚珠丝杠等，其中，伺服电机固定于该第二支撑板的侧面上，固定在第一支撑板204上的支撑座固定该丝杠上的螺母，藉此，通过伺服电机的动作使第二支撑板206相对第一支撑板204在Y向上产生相对移动。第二支撑板206的上表面的左右两侧分别具有伺服电机、驱动器以及箱体，其中，伺服电机沿Y向布置，箱体内包括涡轮蜗杆机构，当伺服电机被驱动时，通过涡轮蜗杆的变向和减速，会把伺服电机在Y向的位移转化为支撑缸体208上的伸缩柱210在Z向的位移。这里，该第二支撑板206上的伺服电机、驱动器以及箱体内的涡轮和蜗杆构成了Z向驱动装置226。伸缩柱210的顶端连接有工艺接头212，弧形托板500被支撑在两侧的工艺接头212上。
第二***300的结构基本上和上述的第一***200的结构相同，其不同之处在于，在第二***300中，在底座302和第一支撑板304之间设置有X向驱动装置，该X向驱动装置的组成部分和Y向驱动装置基本相同，具有诸如伺服电机、驱动器、减速器、滚珠丝杠等，故在此不再赘述，本领域技术人员完全可以理解，经由该X向驱动装置，第一支撑板304可以通过X向滑块318在X向滑轨316上滑动。
本领域技术人员容易理解，只在第二***300中设置有X向驱动装置即可，这是因为当将待对接的机身放置到柔性的弧形托板500上时，机身筒段100与弧形托板500之间产生的摩擦力就足以使一个***的X向驱动装置对于另一个***的第一支撑件产生同样的驱动作用。
本领域技术人员还可以理解，所谓第一***200和第二***300是相对的和可替换的，例如，完全可以设计一种具有X向驱动装置的第一***，同时第二***中没有相应的X向驱动装置。也可以理解，上面所详细说明的X向驱动装置、Y向驱动装置以及Z向驱动装置的具体组成只是示例性的，现有技术中还有许多的元件的组合可以实现这样的运动方式，在此并不加以赘述。
优选地，在工艺接头212处可以设置力传感器，该力传感器可以为六自由度传感器，藉此，操作者可以直接测量作用在接头上力的大小和方向，进而计算作用在机体上的弯、扭力矩，设置超限报警，防止调姿过程中出现意外情况使大部件受力过载而损坏。此外，在由电机驱动的轴向分别设有限位开关和机械限位。
调姿过程由中央控制单元引导，该中央控制单元包括：激光测量设备、中央控制器、电机驱动器、通信连接装置。激光测量设备可以用于实现对空间靶标点的搜索和测量，其例如可以包括激光跟踪仪。中央控制器设有专用接口，通过通信连接装置同电机驱动器和激光测量设备通信，实现各部分的数据交互。电机驱动器可以用于执行对伺服电机的控制驱动功能。其中，中央控制器上存储的控制程序可以根据激光测量设备测量的数据生成各***的各运动轴的运动轨迹并对电机驱动器发出指令以控制各电机的运动，并且该中央控制器还可以存储定位、调姿过程数据。本领域技术人员可以理解，该中央控制单元还包括其他的***设备以实现信息的收发，例如，包括输入设备和显示设备等。输入设备可以用于将控制信息输入至中央控制器，显示设备可以向用户提供操作界面以及提供控制器反馈的信息等。
下面说明基于本发明的机身对接流程，其中机身横滚调姿、俯仰调姿、航向调姿的过程类似，现以横滚调姿为例，其过程可分为以下几个步骤：
(1)调姿基准点测量，控制激光跟踪仪，测量机身上4个调姿基准点的空间坐标；
(2)机身位姿解算：依据步骤(1)中获得的测量值，解算得到机身当前的位姿；
(3)运动学反解：与机身目标位姿比对得到机身的位姿差值，并反解出各***的各电机的位移量；
(4)驱动各***的各电机：根据步骤(3)得到的各***的各电机的位移量，通过中央控制器控制电机驱动器进而向各电机发出指令，从而驱动各***运动；
(5)机身横滚调姿：通过各***的各电机的运动实现机身横滚姿态调整；
(6)调姿基准点测量：各***的各电机运动结束后，再次测量4个调姿基准点的空间坐标；
(7)机身横滚角计算：根据步骤(6)得到的测量值，计算机身的横滚角，横滚角为机身当前姿态与理论姿态在水平面横向X轴方向的差值；
(8)误差判断：判断步骤(7)得到的横滚角是否在允许的误差范围内，机身横滚调姿的目标是将机身的横滚角控制到一个接近于零的误差内，如果超出了误差范围则重复以上步骤，直到计算出的横滚角小于允许的误差，此时可以进行下一步机身俯仰姿态的调整。
机身姿态调整完成后，机身处于水平姿态，只需对机身在水平面横向X、水平面纵向Y、竖直面Z向进行位置调整(平移)，即可将机身移动到理论位置。平移量由位姿解算得到，实际平移过程中要保证各***在同一坐标方向上的位移量相等，避免平移过程中机身姿态发生变化。位置调整完成后锁死机身，进行其他对合操作。

Claims (10)

1.一种机身定位调姿装置，包括：第一***、第二***和中央控制装置，其中所述第一***和所述第二***用于支撑机身，所述第一***包括底座、第一水平支撑板、第二水平支撑板、竖直杆、Y向驱动装置、Z向驱动装置，所述第一水平支撑板可X向调节地滑动支撑在所述底座上，所述Y向驱动装置设置在所述第一水平支撑板和所述第二水平支撑板之间以使所述第二水平支撑板可Y向调节地滑动支撑在所述第一水平支撑板上，所述竖直杆通过所述Z向驱动装置可Z向调节地支撑在所述第二支撑板上；所述第二***包括底座、第一水平支撑板、第二水平支撑板、竖直杆、X向驱动装置、Y向驱动装置、Z向驱动装置，所述X向驱动装置设置在所述底座和所述第一水平支撑板之间以使所述第一水平支撑板可X向调节地滑动支撑在所述底座上，所述Y向驱动装置设置在所述第一水平支撑板和所述第二水平支撑板之间以使所述第二水平支撑板可Y向调节地滑动支撑在所述第一水平支撑板上，所述竖直杆通过所述Z向驱动装置可Z向调节地支撑在所述第二支撑板上；
所述中央控制装置用于控制并驱动所述第一***的Y向驱动装置和Z向驱动装置以及所述第二***的X向驱动装置、Y向驱动装和Z向驱动装置的移动。
2.根据权利要求1所述的机身定位调姿装置，其特征在于，所述第一***的Y向驱动装置和/或Z向驱动装置包括伺服电机。
3.根据权利要求1所述的机身定位调姿装置，其特征在于，所述第二***的X向驱动装置和/或Y向驱动装置和/或Z向驱动装置包括伺服电机。
4.根据权利要求1所述的机身定位调姿装置，其特征在于，机身定位调姿装置还包括弧形托板，所述弧形托板的一端固定到所述第一***的竖直杆的顶端，另一端固定到所述第二***的竖直杆的顶端。
5.根据权利要求4所述的机身定位调姿装置，其特征在于，所述弧形托板和所述第一***的竖直杆的顶端之间设置有力传感器。
6.根据权利要求4所述的机身定位调姿装置，其特征在于，所述弧形托板和所述第二***的竖直杆的顶端之间设置有力传感器。
7.一种用于权利要求1-6所述的机身定位调姿装置的机身定位调姿***，其包括：
中央控制单元，其包括激光测量设备、中央控制器、电机驱动器、通信连接装置；其中，
所述激光测量设备用于测量所述机身上的预定测量点并生成测量数据；
所述电机驱动器用于控制驱动所述第一***的Y向驱动装置和Z向驱动装置以及所述第二***的X向驱动装置、Y向驱动装置和Z向驱动装置；
所述通信连接装置用于所述激光测量设备、中央控制器和电机驱动器之间的通信；
所述中央控制器用于根据所述激光测量设备的测量数据与预存基准数据进行比较生成所述第一***的Y向驱动装置和Z向驱动装置以及所述第二***的X向驱动装置、Y向驱动装置和Z向驱动装置的运动轨迹并对所述电机驱动器发出运动控制指令。
8.根据权利要求7所述的机身定位调姿***，其特征在于，所述激光测量设备包括激光跟踪仪。
9.一种根据权利要求7所述的机身定位调姿***的机身定位调姿方法，其包括：横滚调姿、俯仰调姿、航向调姿和平行调姿的至少其中之一者；
其中，所述横滚调姿用于所述机身绕自身坐标系水平面横向(Y)轴的姿态调整；
所述俯仰调姿用于所述机身绕自身坐标系水平面纵向(X)轴的姿态调整；
所述航向调姿用于所述机身绕自身坐标系竖直面(Z)轴的姿态调整；
所述平行调姿用于所述机身平行移动到预定位置处的姿态调整；
其中，转换相应的横滚角、俯仰角、航向角为各调姿基准点的偏差量，以得到的偏差量作为机身的所述第一***和所述第二***的驱动量，控制所述第一***和所述第二***的各驱动装置的运动。
10.根据权利要求9所述的机身定位调姿方法，其特征在于，其包括如下步骤：
(1)由激光测量设备测量机身上至少四个预定测量点的位置，得到所述机身的实际位姿，通过与预存在中央控制器中的理论位姿的比较，计算出所述理论位姿与所述实际位姿的偏差；
(2)根据步骤(1)中计算出的所述理论位姿与所述实际位姿的偏差，生成各***的各驱动装置的运动轨迹，并由电机驱动器驱动各***的各驱动装置运动，调整所述机身与所述理论位姿平行；
(3)重复步骤(1)的操作，如所述偏差在容差范围之内，则停止，否则重复步骤(2)的操作，直到满足容差要求；
(4)平移所述机身，直到所述至少四个预定测量点均满足容差要求。
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