CN110849267B - 一种基于局部基准孔的移动式自动化***在产品上定位和坐标系转换的方法 - Google Patents

一种基于局部基准孔的移动式自动化***在产品上定位和坐标系转换的方法 Download PDF

Info

Publication number
CN110849267B
CN110849267B CN201911210951.0A CN201911210951A CN110849267B CN 110849267 B CN110849267 B CN 110849267B CN 201911210951 A CN201911210951 A CN 201911210951A CN 110849267 B CN110849267 B CN 110849267B
Authority
CN
China
Prior art keywords
coordinate system
product
equipment
hole
transformation matrix
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201911210951.0A
Other languages
English (en)
Other versions
CN110849267A (zh
Inventor
王珉
陶克梅
陈文亮
张浩伟
赵亮
潘劲伟
陈樱利
王威
惠昊翀
金霞
鲍益东
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Original Assignee
Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nanjing University of Aeronautics and Astronautics filed Critical Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority to CN201911210951.0A priority Critical patent/CN110849267B/zh
Publication of CN110849267A publication Critical patent/CN110849267A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110849267B publication Critical patent/CN110849267B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/002—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring two or more coordinates
    • G01B11/005—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring two or more coordinates coordinate measuring machines

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Numerical Control (AREA)
  • Manipulator (AREA)

Abstract

一种基于局部基准孔的移动式自动化***在产品上定位和坐标系转换方法，其特征是首先通过移动或安装移动式自动化***到局部制孔区域，通过设备上的孔位检测装置，对基准孔进行检测，从而确定基准孔在设备坐标系下的空间位置；其次，通过对比基准孔在产品坐标系下的空间位置，可以求解当前设备坐标系和产品坐标系的坐标系齐次变换矩阵，从而确定（定位）了设备坐标系在产品坐标系下的位置；最后，将加工点在产品坐标系下的位置，通过这个坐标系齐次变换矩阵转换到设备坐标系下，从而可以在设备坐标系下对基准孔所确定的局部区域的加工点进行加工。本发明方法简单易行，加工精度高。

Description

一种基于局部基准孔的移动式自动化***在产品上定位和坐 标系转换的方法
技术领域
本发明涉及一种机械加工技术，尤其是一种机械加以中移动加工装备的定位技术，具体地说是一种基于局部基准孔的移动式自动化***在产品上定位和坐标系转换方法，用于轻型移动式自动化***(例如柔性轨道制孔***、自主移动式自动化制孔***、工业机器臂制孔***)在产品部件表面的定位，并实现产品坐标系和设备坐标系之间的坐标系转换。通过这种定位方法和坐标转换方法，可以定位设备在产品坐标系下的位置，并且把产品坐标系下的加工点转换到设备坐标系下，为设备的部署和使用提供基础算法。
背景技术
在飞机、船舶等大尺寸产品装配的应用领域，尤其是在飞机装配过程中，由于装配工作手工操作多，机械化程度较低，因而飞机装配工作的劳动量很大，约占飞机制造总劳动量一半左右，装配工作的周期也占全机生产周期的50％～75％。进入批量生产阶段后，对于飞机装配自动化的需求日益急迫。对于飞机大部件对接的自动化装配技术，现存在如下几种解决方式。其一是基于工业机器人的自动化制孔***，其二是自主移动式自动化制孔***，其三是基于柔性轨道的自动化制孔***。
无论哪种自动化***都面临同样的技术问题，大尺寸产品有着不可避免的零件安装误差，且基准孔和加工点位置往往在产品坐标系下通过离线编程软件定义。这样就产生两个问题，一是如何确定设备在产品坐标系下的位置；二是如何将加工点的位置转换到设备坐标系下。
目前常见的方式是通过在工装上测量工具点，然后把产品坐标系转到绝对坐标系(车间或工装坐标系)下，然后再通过测量移动式设备在绝对坐标系的位置，来把产品坐标系和设备坐标系关联起来。但是这种做法除了方法复杂工作量大之外，还有一个重要的缺陷是，局部加工点往往不追求在整体空间的绝对精度，而是希望在局部区域的相对精度准确。因为每一个大尺寸产品局部区域都有安装误差，如果只考虑绝对精度的，反而可能造成局部区域超差，比如飞机蒙皮和长桁连接制孔的短边距问题。
发明内容
本发明的目的是针对现有产品坐标系与移动式自动化***坐标系确定转换工作量大，易造成局部区域超差的问题，发明一种基于局部基准孔的移动式自动化***在产品上定位和坐标系转换的方法。
本发明的技术方案是：
一种基于局部基准孔的移动式自动化***在产品上定位和坐标系转换方法，其特征是它包括以下步骤：
首先，在每一个局部区域都布置至少2个基准孔；
其次，通过移动或安装移动式自动化***到局部加工区域；
第三，通过所述移动式自动化***上的孔位检测装置对基准孔进行检测，确定每个基准孔在设备坐标系下的空间位置；
第四，通过对比基准孔在产品坐标系下的空间位置，求解当前移动式自动化***坐标系和产品坐标系的坐标系齐次变换矩阵，从而确定设备坐标系在产品坐标系下的位置；
最后，将加工点在产品坐标系下的位置，通过所述的坐标系齐次变换矩阵转换到设备坐标系下，从而可以在设备坐标系下对基准孔所确定的局部区域的加工点进行加工。
该区域加工完成后，设备可根据离线程序指令，按照当前坐标变换后的下一区域基准孔位置，自主运动并初定位到下一加工区域，检测基准孔并求解新的加工区域的坐标系齐次变换矩阵，进行精确定位并完成新区域的加工。
所述的孔位检测装置包括相机和激光线扫描。
所述的二个基准孔时移动式自动化***坐标系和产品坐标系的坐标系齐次变换矩阵的求解包括以下步骤：
设第i个基准孔在产品坐标系OpXpYpZp下的位置(xip,yip,zip)通过离线程序获得，通过检测***检测出该基准孔在设备坐标系下的位置(xic,yic,zic)；
因两个坐标系的姿态可通过绕任何两个坐标轴旋转到达，将设备坐标系先绕Z轴旋转C角，再绕X轴旋转A角达到产品坐标系的位置，那么两个坐标系之间的空间位置关系可用如下公式表达：
Figure BDA0002298093890000031
其中SA、CA、SC、CC分别表示sinA，cosA，sinC，cosC；
对于两点i和j，代入公式(1)展开的第1行可得：
(xip-xjp)＝(xic-xjc)·CC-(yic-yjc)·SC(2)
可求得：
Figure BDA0002298093890000032
从而求得C角；
同样代入公式(1)展开的第2行可得：
(yip-yjp)＝[(xic-xjc)·SC+(yic-yjc)·CC]·CA-(zic-zjc)·SA(4)从而求得A角；
将A、C角代入公式(1)可求
Figure BDA0002298093890000033
tx＝xip-xic·CC+yic·SC(5)
ty＝yip-(xicCA·SC+yic·CA·CC-zic·SA)(6)
tz＝zip-(xicSA·SC+yic·SA·CC+zic·CA)(7)
最终获得从移动式自动化***坐标系到产品坐标系下的齐次变换矩阵：
Figure BDA0002298093890000034
从产品坐标系到设备坐标系下的齐次变换矩阵为：
Figure BDA0002298093890000035
至此获得移动式自动化***坐标系在产品坐标系下的定位位置，即为移动式自动化***坐标系和产品坐标系下空间位置的坐标转换矩阵；
加工点Pi在设备坐标系下的位置Pic和由离线程序中的产品坐标系下位置Pip和齐次变换矩阵求解得到：
Figure BDA0002298093890000041
所述基准孔为2个时，采用最小二乘法进行优化求得坐标变换矩阵的拟合结果度。
所述的移动式自动化为基于工业机器人的自动化制孔***、自主移动式自动化制孔***或基于柔性轨道的自动化制孔***。
本发明的有益效果是：
本发明设计了一种基于局部基准孔的移动式自动化***在产品上定位和坐标系转换方法，具有以下显著优点：首先，利用设备自身的检测装置实现设备在产品坐标系下的定位，不需要额外的激光跟踪仪等检测***，操作简单，成本低；第二，根据每个局部区域的基准孔进行坐标系转换，由于局部区域定位后基准孔和加工点之间的位置精度较高，所以可以避免因零件安装误差引起的加工超差问题；第三，局部基准孔的定位精度只影响局部区域，不会造成因某一个基准孔的准确性而影响整个产品的加工点位置精度。
附图说明
图1是本发明的基准孔(K孔)布置示意图。
具体实施方式
下面结全附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如图1所示。
一种基于局部基准孔的移动式自动化***在产品上定位和坐标系转换方法，在每一个局部区域都布置至少2个基准孔(K孔)，首先通过移动或安装移动式自动化***到局部制孔区域，通过设备上的孔位检测装置(可采用相机、激光线扫描等多种类型的检测装置)，对基准孔进行检测，从而确定基准孔在设备坐标系下的空间位置；其次，通过对比基准孔在产品坐标系下的空间位置，可以求解当前设备坐标系和产品坐标系的坐标系齐次变换矩阵，从而确定(定位)了设备坐标系在产品坐标系下的位置；最后，将加工点在产品坐标系下的位置，通过这个坐标系齐次变换矩阵转换到设备坐标系下，从而可以在设备坐标系下对基准孔所确定的局部区域的加工点进行加工。
下面以局部2个基准孔为例，详述基于局部基准孔的移动式自动化***在产品上定位和坐标系转换方法：
第i个基准孔在产品坐标系OpXpYpZp下的位置(xip，yip，zip)通过离线程序获得，可通过检测***检测出该基准孔在设备坐标系下的位置(xic，yic，zic)。
因两个坐标系的姿态可通过绕任何两个坐标轴旋转到达，设我们用将设备坐标系先绕Z轴旋转C角，再绕X轴旋转A角达到产品坐标系的位置，那么两个坐标系之间的空间位置关系可用如下公式表达：
Figure BDA0002298093890000051
其中SA、CA、SC、CC分别表示sinA，cosA，sinC，cosC。
对于两点i和j，带入公式(1)展开的第1行可得：
(xip-xjp)＝(xic-xjc)·CC-(yic-yjc)·SC(2)
可求得
Figure BDA0002298093890000052
从而求得C角。
同样带入带入公式(1)展开的第2行可得：
(yip-yjp)＝[(xic-xjc)·SC+(yic-yjc)·CC]·CA-(zic-zjc)·SA(4)从而求得A角。
具体实施时，在求解C和A角可能需要用到工程常识所确定初始位置或设备实际约束来去除多解的情况。
将A、C角带入公式(1)可求
Figure BDA0002298093890000053
tx＝xip-xic·CC+yic·SC(5)
ty＝yip-(xicCA·SC+yic·CA·CC-zic·SA)(6)
tz＝zip-(xicSA·SC+yic·SA·CC+zic·CA)(7)
最终获得从设备坐标系到产品坐标系下的齐次变换矩阵
Figure BDA0002298093890000061
从产品坐标系到设备坐标系下的齐次变换矩阵为
Figure BDA0002298093890000062
至此获得移动式自动化***(即设备坐标系)在产品坐标系下的定位位置，以即设备坐标系和产品坐标系下空间位置的坐标转换矩阵。
加工点Pi在设备坐标系下的位置Pic和由离线程序中的产品坐标系下位置Pip和齐次变换矩阵求解
Figure BDA0002298093890000063
当多于2个基准孔时，可以采用最小二乘法等优化方法，求得坐标变换矩阵的最佳拟合结果，以便得到更好的精度。
本发明未涉及部分(如产品位置数据的读取等、位置检测及转换)与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (3)

1.一种基于局部基准孔的移动式自动化***在产品上定位和坐标系转换的方法，其特征是它包括以下步骤：
首先，在每一个局部区域都布置2个基准孔；
其次，通过移动或安装移动式自动化***到局部制孔区域；
第三，通过所述移动式自动化***上的孔位检测装置对基准孔进行检测，确定每个基准孔在设备坐标系下的空间位置；
第四，通过对比基准孔在产品坐标系下的空间位置，求解当前移动式自动化***坐标系和产品坐标系的坐标系齐次变换矩阵，从而确定设备坐标系在产品坐标系下的位置；最后，将加工点在产品坐标系下的位置，通过所述的坐标系齐次变换矩阵转换到设备坐标系下，从而可以在设备坐标系下对基准孔所确定的局部区域的加工点进行加工；
所述的二个基准孔时移动式自动化***坐标系和产品坐标系的坐标系齐次变换矩阵的求解包括以下步骤：
设第i个基准孔在产品坐标系OpXpYpZp下的位置(xip，yip，zip)通过离线程序获得，通过检测***检测出该基准孔在设备坐标系下的位置(xic，yic，zic)；
因两个坐标系的姿态可通过绕任何两个坐标轴旋转到达，将设备坐标系先绕Z轴旋转C角，再绕X轴旋转A角达到产品坐标系的位置，那么两个坐标系之间的空间位置关系可用如下公式表达：
Figure FDA0002812791270000011
其中SA、CA、SC、CC分别表示sinA，cosA，sinC，cosC；
对于两点i和j，代入公式(1)展开的第1行可得：
(xip-xjp)＝(xic-xjc)·CC-(yic-yjc)·SC (2)
可求得：
Figure FDA0002812791270000012
从而求得C角；
同样代入公式(1)展开的第2行可得：
(yip-yjp)＝[(xic-xjc)·SC+(yic-yjc)·CC]·CA-(zic-zjc)·SA (4)
从而求得A角；
将A、C角代入公式(1)可求
Figure FDA0002812791270000021
tx＝xip-xic·CC+yic·SC (5)
ty＝yip-(xic·CA·SC+yic·CA·CC-zic·SA) (6)
tz＝zip-(xic·SA·SC+yic·SA·CC+zic·CA) (7)
最终获得从移动式自动化***坐标系到产品坐标系下的齐次变换矩阵：
Figure FDA0002812791270000022
从产品坐标系到设备坐标系下的齐次变换矩阵为：
Figure FDA0002812791270000023
至此获得移动式自动化***坐标系在产品坐标系下的定位位置，即为移动式自动化***坐标系和产品坐标系下空间位置的坐标转换矩阵；
加工点Pi在设备坐标系下的位置Pic和由离线程序中的产品坐标系下位置Pip和齐次变换矩阵求解得到：
Figure FDA0002812791270000024
采用最小二乘法进行优化求得坐标变换矩阵的拟合结果度。
2.根据权利要求1所述的基于局部基准孔的移动式自动化***在产品上定位和坐标系转换的方法，其特征是所述的孔位检测装置包括相机和激光线扫描。
3.根据权利要求1所述的基于局部基准孔的移动式自动化***在产品上定位和坐标系转换的方法，其特征是所述的移动式自动化***为基于工业机器人的自动化制孔***、自主移动式自动化制孔***或基于柔性轨道的自动化制孔***。
CN201911210951.0A 2019-12-02 2019-12-02 一种基于局部基准孔的移动式自动化***在产品上定位和坐标系转换的方法 Active CN110849267B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201911210951.0A CN110849267B (zh) 2019-12-02 2019-12-02 一种基于局部基准孔的移动式自动化***在产品上定位和坐标系转换的方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201911210951.0A CN110849267B (zh) 2019-12-02 2019-12-02 一种基于局部基准孔的移动式自动化***在产品上定位和坐标系转换的方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110849267A CN110849267A (zh) 2020-02-28
CN110849267B true CN110849267B (zh) 2021-02-26

Family

ID=69607210

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201911210951.0A Active CN110849267B (zh) 2019-12-02 2019-12-02 一种基于局部基准孔的移动式自动化***在产品上定位和坐标系转换的方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110849267B (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114799383B (zh) * 2021-01-19 2024-01-02 中国航发商用航空发动机有限责任公司 单晶涡轮叶片铸件缘板修整方法和装置、单晶涡轮叶片
CN114018190B (zh) * 2021-11-08 2022-07-29 南京航空航天大学 一种面向局部基准孔定位制孔的位置误差等分方法

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2001007866A1 (en) * 1999-07-13 2001-02-01 Metronor Asa System for scanning of the geometry of large objects
JP2002336282A (ja) * 2001-05-15 2002-11-26 Univ Nihon 剛体運動測定方法、剛体運動測定装置、剛体運動測定プログラム、顎運動測定方法、顎運動測定装置および顎運動測定プログラム
CN102519441A (zh) * 2011-12-06 2012-06-27 南京航空航天大学 基于激光跟踪仪的飞机部件对接过程中定位点的测量方法
CN103196371A (zh) * 2013-03-29 2013-07-10 南京工业大学 一种主动实时三维测量大型车厢的方法及***
CN103587719A (zh) * 2013-11-11 2014-02-19 中航沈飞民用飞机有限责任公司 平板件的全自动钻铆定位方法
CN104708322A (zh) * 2015-02-15 2015-06-17 南京航空航天大学 一种多功能钻铆执行器及其工作方法
CN108445765A (zh) * 2018-04-20 2018-08-24 南京航空航天大学 一种飞机自动钻铆并联调姿托架的标定方法

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2001007866A1 (en) * 1999-07-13 2001-02-01 Metronor Asa System for scanning of the geometry of large objects
JP2002336282A (ja) * 2001-05-15 2002-11-26 Univ Nihon 剛体運動測定方法、剛体運動測定装置、剛体運動測定プログラム、顎運動測定方法、顎運動測定装置および顎運動測定プログラム
CN102519441A (zh) * 2011-12-06 2012-06-27 南京航空航天大学 基于激光跟踪仪的飞机部件对接过程中定位点的测量方法
CN103196371A (zh) * 2013-03-29 2013-07-10 南京工业大学 一种主动实时三维测量大型车厢的方法及***
CN103587719A (zh) * 2013-11-11 2014-02-19 中航沈飞民用飞机有限责任公司 平板件的全自动钻铆定位方法
CN104708322A (zh) * 2015-02-15 2015-06-17 南京航空航天大学 一种多功能钻铆执行器及其工作方法
CN108445765A (zh) * 2018-04-20 2018-08-24 南京航空航天大学 一种飞机自动钻铆并联调姿托架的标定方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
轻型自主爬行钻铆***加工任务自适应控制策略研究;张旋;《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技Ⅱ辑》;20170315;摘要，第9-31页 *
轻型自主移动制孔机器人基准检测技术研究;周敏 等;《机械制造与自动化》;20190228(第1期);第145-149页 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN110849267A (zh) 2020-02-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN106247932B (zh) 一种基于摄影***的机器人在线误差补偿装置及方法
Tian et al. Auto-normalization algorithm for robotic precision drilling system in aircraft component assembly
EP1719030B1 (en) Methods and systems for large-scale airframe assembly
CN110849267B (zh) 一种基于局部基准孔的移动式自动化***在产品上定位和坐标系转换的方法
Wang et al. Real-time error compensation of a three-axis machine tool using a laser tracker
US10386813B2 (en) Combined system having machine tool and robot
CN104690551A (zh) 一种机器人自动化装配***
US20060224268A1 (en) Methods and systems for position sensing
Jayaweera et al. Automated assembly of fuselage skin panels
CN105678023B (zh) 一种飞机壁板卧式自动钻铆机的运动参数辨识方法
CN105538015A (zh) 一种叶片类复杂薄壁型面零件自适应定位方法
CN109591019A (zh) 一种无确定性定位特征物体的空间精确定位方法
CN117506918A (zh) 一种工业机器人末端位姿校准方法
CN114505865B (zh) 一种基于位姿跟踪的机械臂路径生成方法及***
Fan et al. An automated reconfigurable flexible fixture for aerospace pipeline assembly before welding
CN114367993A (zh) 复杂曲面空间坐标与扫描坐标转换装置、***及其方法
CN110091325B (zh) 复制机器手臂作业点位的方法
CN116330287A (zh) 在役精度智能诊断校准的工业机器人***及诊断校准方法
Mun et al. Sub-assembly welding robot system at shipyards
US20230191611A1 (en) Robot system
CN209840976U (zh) 一种用于工业机器人热形变误差补偿的测量装置
CN114018190B (zh) 一种面向局部基准孔定位制孔的位置误差等分方法
CN114812459A (zh) 一种大型零部件对接位姿检测方法
Brillinger et al. Mobile laser trackers for aircraft manufacturing: Increasing accuracy and productivity of robotic applications for large parts
EP3224004A1 (en) Robotic system comprising a telemetric device with a laser measuring device and a passive video camera

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant