CN106584206A - 一种自动钻铆机的制孔法向修正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自动钻铆机制孔的法向修正方法，该方法首先基于四个激光位移传感器的读数，采用三点法或四点法计算飞机壁板表面待加工孔位处法向与刀具轴线之间的方向偏差，然后基于此偏差和钻铆机的当前姿态计算钻铆机的目标姿态，并通过钻铆机的运动实现其制孔法向的修正。采用本发明方法可以将自动钻铆机的制孔法向偏差修正到0.1°以内，且在保证制孔法向修正精度的同时简化了计算过程。

Description

一种自动钻铆机的制孔法向修正方法

技术领域

本发明属于飞机数字化装配自动化钻铆领域，涉及一种自动钻铆机的制孔法向修正方法。

背景技术

在飞机装配中，铆接仍然是主要的连接方法。传统的人工铆接劳动条件差，生产效率低，铆接质量严重依赖于工人的经验和技术，难以满足飞机装配的要求。铆接的机械化和自动化，是铆接技术发展的必然趋势。在自动钻铆方面，国外对相关技术的研究和应用已经较为成熟，如EI、GEMCOR、BROETJE等设备供应商分别研制了各自的自动钻铆机，并成功应用于多种型号飞机的数字化装配中；而国内的飞机制造厂商和科研院所近几年也开始自主研发自动钻铆机，以提高钻铆的质量和效率。

自动钻铆机在制孔过程中，由于飞机壁板装配制造误差以及自动钻铆机定位误差的影响，飞机壁板表面待加工孔位处法向与刀具轴线方向之间会产生一定的偏差。法向偏差过大，必将直接影响制孔加工精度和飞机装配质量，同时降低刀具的使用寿命，可见在钻铆过程中对法向偏差的检测和修正是非常重要的。当前已有学者提出多种方法来修正制孔时的法向偏差，如文献“飞机装配中基于3-PRS的并联机构法向调整算法，邹冀华,周万勇,韩先国.中国机械工程,2011,22(5),557-560”及文献“航空制孔机器人末端垂直度智能调节方法，公茂震,袁培江,王田苗,等.北京航空航天大学学报,2012,38(10),1400-1404”。这些方法可以有效地降低制孔时的法向偏差，但计算较为复杂，实现过程困难。

发明内容

为了满足飞机壁板制孔过程中对垂直精度的要求，本发明提出了一种自动钻铆机的制孔法向修正方法，该方法既能保证制孔加工精度又能简化计算过程。

该方法使用的主要设备为安装在钻铆机压脚上的四个激光位移传感器，钻铆机工具坐标系建立在压脚端面中心处，四个激光位移传感器均匀分布在以压脚轴线为中心轴的圆柱面上，并且相邻两个激光位移传感器的连线分别与工具坐标系X轴或Y轴平行。

一种自动钻铆机的制孔法向修正方法，具体包括如下步骤：

(1)钻铆机运动至待加工孔位处；

(2)读取四个激光位移传感器的读数；

(3)根据激光位移传感器的读数，计算自动钻铆机绕工具坐标系X轴旋转的偏角α和绕工具坐标系Y轴旋转的偏角β；

(4)根据偏角α和偏角β，计算自动钻铆机的制孔法向偏差θ角；

(5)判断θ角是否小于0.1°，若否，执行步骤(6)，若是，结束修正；

(6)根据自动钻铆机的当前制孔轴向、偏角α以及偏角β，计算自动钻铆机的目标制孔轴向，并通过自动钻铆机的运动调整制孔轴线的方向，然后跳转到步骤(2)。

在步骤(3)中，偏角α和偏角β的计算步骤为：

(3-1)判断四个激光位移传感器的读数是否有效，如果四个激光位移传感器的读数均有效，执行步骤(3-2)，如果三个激光位移传感器的读数有效，执行步骤(3-3)，如果少于三个激光位移传感器的读数有效，执行步骤(3-4)；

(3-2)根据四个激光位移传感器的有效读数，采用四点法计算得到偏角α和偏角β；

(3-3)根据三个激光位移传感器的有效读数，采用三点法计算得到偏角α和偏角β；

(3-4)做报错处理。

在步骤(3-1)中，当激光位移传感器的光斑打在待加工孔孔位附近表面，而没有打到已加工孔中或工件外面，则认为该激光位移传感器的读数有效，否则认为该激光位移传感器的读数无效。

在步骤(3-2)中，所述的四点法的计算步骤为：

(3-2-1)结合四个激光位移传感器的方向系数分别计算其到工件表面的垂直距离；

(3-2-2)计算工具坐标系X轴一侧两个激光位移传感器到工件表面垂直距离的第一平均值，并计算工具坐标系X轴另一侧两个激光位移传感器到工件表面垂直距离的第二平均值；

(3-2-3)根据第一平均值、第二平均值以及工具坐标系X轴两侧对称光斑的距离计算得到偏角α；

(3-2-4)计算工具坐标系Y轴一侧两个激光位移传感器到工件表面垂直距离的第三平均值，并计算Y轴另一侧两个激光位移传感器到工件表面垂直距离的第四平均值；

(3-2-5)根据第三平均值、第四平均值以及工具坐标系Y轴两侧对称光斑的距离计算得到偏角β。

在步骤(3-3)中，所述的三点法的计算步骤为：

(3-3-1)结合三个激光位移传感器的方向系数分别计算其到工件表面的垂直距离；

(3-3-2)根据工具坐标系X轴两侧对称的两个激光位移传感器到工件表面的垂直距离以及这两个激光位移传感器光斑的距离计算偏角α；

(3-3-3)根据工具坐标系Y轴两侧对称的两个激光位移传感器到工件表面的垂直距离以及这两个激光位移传感器光斑的距离计算偏角β。

四个激光位移传感器的方向系数的获得用到的标定装置为：

所述标定板上设有安装孔和工艺孔；

所述安装孔位于标定板中心；

所述工艺孔为多组呈方形布置的孔，每组包括四个孔，且每个孔位于方形的顶点，方形的中心位于标定板的中心，每组工艺孔组成方形的边长不同、中心重合且边长平行。

作为优选，所述的工艺孔为三组，工艺孔组成的三个方形的边长不同、中心重合且边长平行。

利用该标定装置获得四个激光位移传感器方向系数的方法具体包括如下步骤：

a、通过芯棒将标定板安装到主轴上，将标定板调整水平后锁紧主轴；

b、主轴沿进给方向运动，调整四个激光位移传感器的位置使其四个光斑分别对准标定板其中一组的四个工艺孔，固定四个激光位移传感器并记录四个工艺孔所组成方形的边长；

c、主轴沿进给方向继续运动，使标定板贴紧压脚端面，将四个激光位移传感器读数置零；

d、主轴沿进给方向运动至第一位置，分别记录四个激光位移传感器的读数l₁₁、l₂₁、l₃₁和l₄₁；

e、主轴继续运动至第二位置，分别记录四个激光位移传感器的读数l₁₂、l₂₂、l₃₂和l₄₂；

f、根据读数l₁₁、l₂₁、l₃₁、l₄₁、l₁₂、l₂₂、l₃₂以及l₄₂，计算四个激光位移传感器的方向系数：

其中，L为第一位置与第二位置之间的距离。

在步骤(4)中，所述的自动钻铆机制孔法向偏差θ角的计算方法为：

在步骤(6)中，所述的自动钻铆机目标姿态的计算步骤为：

(6-1)读取自动鉆铆机的当前制孔轴线方向N_c：

N_c＝[N_cx N_cy N_cz]^T

(6-2)根据偏角α和偏角β计算姿态偏差矩阵ΔR：

(6-3)根据下式计算自动鉆铆机的目标制孔轴线方向N_t：

N_t＝ΔR×N_c。

本发明自动钻铆机的制孔法向修正方法的优点：

(1)可以将自动钻铆机的制孔法向偏差修正到0.1°以内；

(2)在保证制孔法向修正精度的同时，简化了计算过程；

(3)在法向偏差的计算中，采用了激光位移传感器的方向系数，兼顾了传感器与刀具轴线平行安装以及成一定角度安装的情况；

(4)在法向偏差的计算中，采用了三点法和四点法两种方法，兼顾了三个和四个激光位移传感器读数有效的情况。

附图说明

图1是本发明中的激光位移传感器在钻铆机上的分布示意图；

图2是本发明制孔修正方法的流程示意图；

图3是自动钻铆机绕工具坐标系X轴旋转偏角α计算示意图；

图4是自动钻铆机绕工具坐标系Y轴旋转偏角β计算示意图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1所示，本发明方法使用的主要设备为安装在自动钻铆机压脚上的四个激光位移传感器，分别为激光位移传感器S1、激光位移传感器S2、激光位移传感器S3和激光位移传感器S4，自动钻铆机工具坐标系O_XYZ建立在压脚端面中心处，四个激光位移传感器均匀分布在以压脚轴线为中心轴的圆柱面上，并且相邻两个激光位移传感器的连线分别与工具坐标系X轴或Y轴平行。

如图2所示，本发明自动钻铆机的制孔法向修正方法包括如下步骤：

步骤1，钻铆机运动至待加工孔位处。

步骤2，读取四个激光位移传感器的读数l₁为18.383mm，l₂为17.652mm，l₃为17.408mm以及l₄为17.687mm。

步骤3，根据激光位移传感器的读数，计算自动钻铆机绕工具坐标系X轴旋转的偏角α和绕工具坐标系Y轴旋转的偏角β；

在这步骤中，当激光位移传感器的光斑打在待加工孔孔位附近表面，而没有打到已加工孔中或工件外面，则认为该激光位移传感器的读数有效，否则认为该激光位移传感器的读数无效。

如果四个激光位移传感器的读数均有效，则采用四点法计算偏角α和偏角β，具体方法如下：

如图3所示，首先，结合四个激光位移传感器的方向系数分别计算激光位移传感器到工件表面的垂直距离l′₁、l′₂、l′₃和l′₄；具体计算公式如下：

l′₁＝l₁×c₁＝18.383×0.8636＝15.876mm

l′₂＝l₂×c₂＝17.652×0.8637＝15.246mm

l′₃＝l₃×c₃＝17.408×0.8665＝15.084mm

l′₄＝l₄×c₄＝17.687×0.8576＝15.168mm

其中，c₁、c₂、c₃和c₄分别为四个激光位移传感器的方向系数；

四个激光位移传感器的方向系数的获得用到的标定装置为：

所述标定板上设有安装孔和工艺孔；

所述安装孔位于标定板中心；

所述工艺孔为三组呈方形布置的孔，每组包括四个孔，且每个孔位于方形的顶点，方形的中心位于标定板的中心，每组工艺孔组成方形的边长不同、中心重合且边长平行。

利用该标定装置获得四个激光位移传感器方向系数的方法具体包括如下步骤：

a、通过芯棒将标定板安装到主轴上，将标定板调整水平后锁紧主轴；

b、主轴沿进给方向运动，调整四个激光位移传感器的位置使其四个光斑分别对准标定板其中一组的四个工艺孔，固定四个激光位移传感器并记录四个工艺孔所组成方形的边长；

c、主轴沿进给方向继续运动，使标定板贴紧压脚端面，将四个激光位移传感器读数置零；

d、主轴沿进给方向运动至第一位置，分别记录四个激光位移传感器的读数l₁₁为20.661mm，l₂₁为22.192mm，l₃₁为21.537mm以及l₄₁为21.330mm；

e、主轴继续运动至第二位置，分别记录四个激光位移传感器的读数l₁₂为43.819mm，l₂₂为45.348mm，l₃₂为44.618mm以及l₄₂为44.651mm；

f、根据读数l₁₁、l₂₁、l₃₁、l₄₁、l₁₂、l₂₂、l₃₂以及l₄₂，计算四个激光位移传感器的方向系数：

其中，L为第一位置与第二位置之间的距离，本实施例L＝20mm。

然后，计算激光位移传感器S1和激光位移传感器S2到工件表面垂直距离的平均值l′₁₂，以及激光位移传感器S3和激光位移传感器S4到工件表面垂直距离的平均值l′₃₄，具体计算公式如下：

接下来，计算偏角α，具体计算公式如下：

其中，d_y为钻铆机压脚端面和工件表面平行时，激光位移传感器S1与激光位移传感器S4之间的光斑距离或激光位移传感器S2与激光位移传感器S3之间的光斑距离，本实施例中，d_y＝53mm；

如图4所示，计算激光位移传感器S1和激光位移传感器S4到工件表面垂直距离的平均值l′₁₄，以及激光位移传感器S2和激光位移传感器S3到工件表面垂直距离的平均值l′₂₃，具体计算公式如下：

最后，计算偏角β如下：

其中，d_x为钻铆机压脚端面和工件表面平行时，激光位移传感器S1与激光位移传感器S2之间的光斑距离或激光位移传感器S3与激光位移传感器S4之间的光斑距离，本实施例中，d_x＝53mm。

如果三个激光位移传感器的读数均有效，则采用三点法计算偏角α和偏角β，具体方法如下：

假设三个读数有效的激光位移传感器为激光位移传感器S1、激光位移传感器S2和激光位移传感器S3，首先，分别计算激光位移传感器到工件表面的垂直距离l′₁、l′₂和l′₃，具体计算公式如下：

l′₁＝l₁×c₁＝15.876mm

l₂′＝l₂×c₂＝15.246mm

l′₃＝l₃×c₃＝15.084mm

然后，计算偏角α，具体计算公式如下：

其中，d_y为钻铆机压脚端面和工件表面平行时，激光位移传感器S2与激光位移传感器S3之间的光斑距离，本实施例中，d_y＝53mm；

最后，计算偏角β，具体计算公式如下：

其中，d_x为钻铆机压脚端面和工件表面平行时，激光位移传感器S1与激光位移传感器S2之间的光斑距离，本实施例中，d_x＝53mm。

步骤4，根据偏角α和偏角β，计算自动钻铆机的制孔法向偏差θ角，以四点法为例：

步骤5，判断θ角是否小于0.1°，若是，结束修正，若否，执行步骤6。

步骤6，根据自动钻铆机的当前姿态、偏角α以及偏角β，计算自动钻铆机的目标姿态，并通过自动钻铆机的运动调整制孔轴线的方向，然后跳转到步骤2。

自动钻铆机目标姿态的计算步骤为：

首先，读取自动鉆铆机的当前制孔轴线方向N_c：

N_c＝[0.003245 0.052664 0.998607]^T

然后，根据偏角α和偏角β计算姿态偏差矩阵ΔR：

最后，根据下式计算自动鉆铆机的目标制孔轴线方向N_t：

N_t＝ΔR×N_c＝[-0.003121 0.060854 0.998140]^T。

通过以上方法进行制孔，既能够简化计算过程又能够保证加工精度。

以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种自动钻铆机的制孔法向修正方法，具体包括如下步骤：

(1)钻铆机运动至待加工孔位处；

(2)读取四个激光位移传感器的读数；

(3)根据激光位移传感器的读数，计算自动钻铆机绕工具坐标系X轴旋转的偏角α和绕工具坐标系Y轴旋转的偏角β；

(4)根据偏角α和偏角β，计算自动钻铆机的制孔法向偏差θ角；

(5)判断θ角是否小于0.1°，若否，执行步骤(6)，若是，结束修正；

(6)根据自动钻铆机的当前制孔轴向、偏角α以及偏角β，计算自动钻铆机的目标制孔轴向，并通过自动钻铆机的运动调整制孔轴线的方向，然后跳转到步骤(2)。

2.根据权利要求1所述自动钻铆机的制孔法向修正方法，其特征在于：在步骤(3)中，所述的偏角α和偏角β的计算步骤为：

(3-1)判断四个激光位移传感器的读数是否有效，如果四个激光位移传感器的读数均有效，执行步骤(3-2)，如果三个激光位移传感器的读数有效，执行步骤(3-3)，如果少于三个激光位移传感器的读数有效，执行步骤(3-4)；

(3-2)根据四个激光位移传感器的有效读数，采用四点法计算得到偏角α和偏角β；

(3-3)根据三个激光位移传感器的有效读数，采用三点法计算得到偏角α和偏角β；

(3-4)做报错处理。

3.根据权利要求2所述自动钻铆机的制孔法向修正方法，其特征在于：在步骤(3-2)中，所述的四点法的计算步骤为：

(3-2-1)结合四个激光位移传感器的方向系数分别计算其到工件表面的垂直距离；

(3-2-2)计算工具坐标系X轴一侧两个激光位移传感器到工件表面垂直距离的第一平均值，并计算工具坐标系X轴另一侧两个激光位移传感器到工件表面垂直距离的第二平均值；

(3-2-3)根据第一平均值、第二平均值以及工具坐标系X轴两侧对称光斑的距离计算得到偏角α；

(3-2-4)计算工具坐标系Y轴一侧两个激光位移传感器到工件表面垂直距离的第三平均值，并计算Y轴另一侧两个激光位移传感器到工件表面垂直距离的第四平均值；

(3-2-5)根据第三平均值、第四平均值以及工具坐标系Y轴两侧对称光斑的距离计算得到偏角β。

4.根据权利要求2所述自动钻铆机的制孔法向修正方法，其特征在于：在步骤(3-3)中，所述的三点法的计算步骤为：

(3-3-1)结合三个激光位移传感器的方向系数分别计算其到工件表面的垂直距离；

(3-3-2)根据工具坐标系X轴两侧对称的两个激光位移传感器到工件表面的垂直距离以及这两个激光位移传感器光斑的距离计算偏角α；

(3-3-3)根据工具坐标系Y轴两侧对称的两个激光位移传感器到工件表面的垂直距离以及这两个激光位移传感器光斑的距离计算偏角β。

5.根据权利要求1所述自动钻铆机的制孔法向修正方法，其特征在于：在步骤(4)中，所述的自动钻铆机制孔法向偏差θ角的计算方法为：

$\mathrm{\θ}=\sqrt{{\mathrm{\α}}^2+{\mathrm{\β}}^2}.$

6.根据权利要求1所述自动钻铆机的制孔法向修正方法，其特征在于：在步骤(6)中，所述的自动钻铆机目标姿态的计算步骤为：

(6-1)读取自动鉆铆机的当前制孔轴线方向N_c:

N_c＝[N_cx N_cy N_cz]^T

(6-2)根据偏角α和偏角β计算姿态偏差矩阵ΔR：

$\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}R=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\β}& 0& \sin \mathrm{\β}\\ 0& 1& 0\\ -\sin \mathrm{\β}& 0& \cos \mathrm{\β}\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos \mathrm{\α}& -\sin \mathrm{\α}\\ 0& \sin \mathrm{\α}& \cos \mathrm{\α}\end{array}\right]\\ =\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\β}& \sin \mathrm{\β}\sin \mathrm{\α}& \sin \mathrm{\β}\cos \mathrm{\α}\\ 0& \cos \mathrm{\α}& -\sin \mathrm{\α}\\ -\sin \mathrm{\β}& \cos \mathrm{\β}\sin \mathrm{\α}& \cos \mathrm{\β}\cos \mathrm{\α}\end{array}\right]\end{array}$

(6-3)根据下式计算自动鉆铆机的目标制孔轴线方向N_t：

N_t＝ΔR×N_c。

7.根据权利要求3或4所述自动钻铆机的制孔法向修正方法，其特征在于：四个激光位移传感器的方向系数的获得采用的标定装置为：

所述标定板上设有安装孔和工艺孔；

所述安装孔位于标定板中心；

所述工艺孔为多组呈方形布置的孔，每组包括四个孔，且每个孔位于方形的顶点，方形的中心位于标定板的中心，每组工艺孔组成方形的边长不同、中心重合且边长平行。

8.根据权利要求7所述自动钻铆机的制孔法向修正方法，其特征在于：所述的工艺孔为三组，工艺孔组成的三个方形的边长不同、中心重合且边长平行。

9.根据权利要求8所述自动钻铆机的制孔法向修正方法，其特征在于：利用该标定装置获得四个激光位移传感器方向系数的方法具体包括如下步骤：

a、通过芯棒将标定板安装到主轴上，将标定板调整水平后锁紧主轴；

b、主轴沿进给方向运动，调整四个激光位移传感器的位置使其四个光斑分别对准标定板其中一组的四个工艺孔，固定四个激光位移传感器并记录四个工艺孔所组成方形的边长；

c、主轴沿进给方向继续运动，使标定板贴紧压脚端面，将四个激光位移传感器读数置零；

d、主轴沿进给方向运动至第一位置，分别记录四个激光位移传感器的读数l₁₁、l₂₁、l₃₁和l₄₁；

e、主轴继续运动至第二位置，分别记录四个激光位移传感器的读数l₁₂、l₂₂、l₃₂和l₄₂；

f、根据读数l₁₁、l₂₁、l₃₁、l₄₁、l₁₂、l₂₂、l₃₂以及l₄₂，计算四个激光位移传感器的方向系数：

$\left\{\begin{array}{c}{c}_1=\frac{L}{\left|\right|l_{12}-l_{11}\left|\right|}\\ c_2=\frac{L}{\left|\right|l_{22}-l_{21}\left|\right|}\\ c_3=\frac{L}{\left|\right|l_{32}-l_{31}\left|\right|}\\ c_4=\frac{L}{\left|\right|l_{42}-l_{41}\left|\right|}\end{array}\right.$

其中，L为第一位置与第二位置之间的距离。