專利名稱：飛機(jī)部件柔性裝配中待裝配零件的混合測(cè)量定位方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種飛機(jī)部件柔性裝配中待裝配零件的混合測(cè)量定位方法，屬于先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域現(xiàn)代制造技術(shù)的研究?jī)?nèi)容。
背景技術(shù)：
飛機(jī)柔性裝配技術(shù)是充分考慮作為裝配對(duì)象的航空產(chǎn)品的特征，通過(guò)柔性裝配設(shè)計(jì)、柔性裝配工裝設(shè)計(jì)、柔性裝配工藝優(yōu)化、柔性裝配信息管理、激光定位與控制、自動(dòng)制孔等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)零部件快速精確定位和裝配，減少裝配工裝種類和數(shù)量的，光、機(jī)、電、控以及信息技術(shù)綜合集成的，具有較高自動(dòng)化程度的先進(jìn)飛機(jī)裝配技術(shù)。目前，在飛機(jī)部件柔性裝配過(guò)程中，通常采用自動(dòng)制孔設(shè)備以工裝位置作為基準(zhǔn)對(duì)飛機(jī)部件進(jìn)行制孔。但待裝配零件通常不被工裝直接定位，多次定位誤差累積較多，需再次對(duì)其測(cè)量定位。在航空制造領(lǐng)域，盡管大量采用激光跟蹤儀、照相測(cè)量設(shè)備、激光雷達(dá)、 IGPS等數(shù)字化測(cè)量技術(shù)與手段，在工裝制造，總裝部件定位等方面得到了廣泛的實(shí)施與運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)了飛機(jī)柔性裝配過(guò)程中的測(cè)量輔助裝配。但這些測(cè)量手段的運(yùn)用，多數(shù)針對(duì)某個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)，采用單一的數(shù)字化測(cè)量手段進(jìn)行測(cè)量，較少涉及需對(duì)工裝、零件實(shí)現(xiàn)二次定位的過(guò)程，且在測(cè)量手段的運(yùn)用方面，尚未根據(jù)各種測(cè)量手段的優(yōu)勢(shì)適用范圍，采用混合定位的方式實(shí)現(xiàn)裝配過(guò)程的定位。

發(fā)明內(nèi)容
為解決飛機(jī)柔性裝配過(guò)程中待裝配件的定位問題，提出了一種基于激光跟蹤儀與照相測(cè)量系統(tǒng)混合適用的定位方法。該方法由混合定位方法整體策略與實(shí)施流程、制孔設(shè)備粗略定位法與待裝配零件精確定法等三部分內(nèi)容組成。在該方法的支持下，能夠?qū)崿F(xiàn)柔性裝配過(guò)程中，針對(duì)待裝配零件的準(zhǔn)確定位。該方法混合使用激光跟蹤儀與照相測(cè)量設(shè)備，采用激光跟蹤儀進(jìn)行粗略定位，照相測(cè)量設(shè)備進(jìn)行精確定位的策略，將飛機(jī)部件柔性裝配中待裝配件的定位分為制孔設(shè)備粗略定位與待裝配零件精確定位兩步驟。在制孔設(shè)備粗略定位中，利用激光跟蹤儀通過(guò)對(duì)靶球位置的測(cè)量，完成設(shè)備中零件零點(diǎn)的設(shè)定，建立機(jī)床零件坐標(biāo)系、數(shù)模中飛機(jī)部件坐標(biāo)系與飛機(jī)部件實(shí)際位置之間的相對(duì)關(guān)系，為自動(dòng)化制孔設(shè)備準(zhǔn)確的工裝位置。在待裝配零件精確定位過(guò)程中，利用照相測(cè)量設(shè)備通過(guò)對(duì)待裝配工裝基準(zhǔn)孔位置的測(cè)量，完成待裝配零件與工裝相對(duì)誤差的計(jì)算，并通過(guò)零點(diǎn)偏置的方式，完成誤差的補(bǔ)償，為自動(dòng)化制孔設(shè)備提供準(zhǔn)確的待裝配零件位置。本發(fā)明為飛機(jī)部件柔性裝配過(guò)程的待裝配零件定位提供了一種精確的定位方法， 充分發(fā)揮各種測(cè)量設(shè)備的優(yōu)勢(shì)，為實(shí)現(xiàn)飛機(jī)部件柔性裝配的實(shí)現(xiàn)提供了一種有效的技術(shù)手段。


圖1飛機(jī)部件柔性裝配中待裝配零件混合測(cè)量定位的流程圖2各坐標(biāo)系間的聯(lián)系3工件坐標(biāo)系與機(jī)床坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換流程4刀尖位置與靶球圓心關(guān)系圖
具體實(shí)施例方式一、混合定位方法整體策略與實(shí)施流程激光測(cè)量?jī)x有著精度高，測(cè)量速度快的優(yōu)點(diǎn)，在測(cè)量大型產(chǎn)品中有著較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。 故采用激光跟蹤儀作為混合測(cè)量定位中的工裝與自動(dòng)化制孔設(shè)備的測(cè)量手段。照相測(cè)量設(shè)備體積小，操作簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)處理容易，在測(cè)量單個(gè)零件時(shí)有著較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。故采用照相測(cè)量設(shè)備作為混合測(cè)量定位中待裝配零件位置的測(cè)量手段。飛機(jī)部件柔性裝配中待裝配零件的混合測(cè)量定位過(guò)程分為兩步驟。首先，通過(guò)激光跟蹤儀建立自動(dòng)化制孔設(shè)備與工裝的相對(duì)位置關(guān)系，實(shí)現(xiàn)制孔設(shè)備的粗略定位。其次，通過(guò)照相測(cè)量設(shè)備補(bǔ)償工裝對(duì)待裝配件的定位誤差，實(shí)現(xiàn)待裝配件的精確定位。制孔設(shè)備的粗略定位通過(guò)激光跟蹤儀建立自動(dòng)化制孔設(shè)備的工件坐標(biāo)系統(tǒng)，以確定裝配工裝與數(shù)控機(jī)床的相對(duì)位置，為第二次定位提供準(zhǔn)確的工裝位置。待裝配零件混合測(cè)量定位的第二次定位為精確定位，由照相測(cè)量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，用于進(jìn)一步確定待裝配零件與自動(dòng)化鉆鉚設(shè)備的精確相對(duì)位置。柔性制孔過(guò)程的二次定位流程圖如圖1所示二、制孔設(shè)備的粗略定位的實(shí)現(xiàn)制孔設(shè)備的粗略定位完成制孔設(shè)備中工件零點(diǎn)的設(shè)定，建立機(jī)床工件坐標(biāo)系、數(shù)模中飛機(jī)部件坐標(biāo)系與飛機(jī)部件實(shí)際位置的相對(duì)關(guān)系，為制孔設(shè)備的數(shù)控程序提供了準(zhǔn)確的飛機(jī)部件位置。(一 )柔性裝配單元的空間坐標(biāo)系在柔性裝配單元中，通常首先依靠離線編程與仿真系統(tǒng)在CATIA中對(duì)飛機(jī)部件的數(shù)字化模型進(jìn)行操作，生成用于數(shù)控加工的數(shù)控程序，后由數(shù)控程序驅(qū)動(dòng)機(jī)床，對(duì)由柔性工裝固定的飛機(jī)部件進(jìn)行制孔。根據(jù)該流程，坐標(biāo)系之間的關(guān)系如圖2所示。各坐標(biāo)系所在的空間，可分為數(shù)模中坐標(biāo)系、數(shù)控系統(tǒng)中坐標(biāo)系與實(shí)際空間位置(測(cè)量坐標(biāo)系)。(1)數(shù)模中坐標(biāo)系數(shù)模中坐標(biāo)系包括全機(jī)坐標(biāo)系與工件坐標(biāo)系。全件坐標(biāo)系在建立飛機(jī)部件數(shù)字化模型時(shí)，需要有一個(gè)零點(diǎn)作為創(chuàng)建模型的基準(zhǔn)。由此零點(diǎn)建立的坐標(biāo)系為全機(jī)坐標(biāo)系，在飛機(jī)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過(guò)程中，為保證數(shù)據(jù)基準(zhǔn)的統(tǒng)一性，飛機(jī)中的各個(gè)部件、組件、零件，均在統(tǒng)一坐標(biāo)系下建立，故稱作全機(jī)坐標(biāo)系，該坐標(biāo)原點(diǎn)距部件實(shí)際位置通常較遠(yuǎn)。工件坐標(biāo)系在對(duì)數(shù)模進(jìn)行數(shù)控編程時(shí)，由編程人員所選擇的程序坐標(biāo)原點(diǎn)。該坐標(biāo)系應(yīng)與數(shù)控系統(tǒng)中工件坐標(biāo)系一致。該坐標(biāo)系的選擇并無(wú)絕對(duì)的要求，但通常，為提高數(shù)控程序的可讀性，將該坐標(biāo)系的X，Y，Z軸與數(shù)控機(jī)床統(tǒng)一，并選擇距待裝配零件較近的位置作為坐標(biāo)零點(diǎn)。(2)機(jī)床中坐標(biāo)系機(jī)床中坐標(biāo)系包括機(jī)床零點(diǎn)與工件零點(diǎn)。
機(jī)床零點(diǎn)機(jī)床零點(diǎn)M是指機(jī)床坐標(biāo)系的零點(diǎn)，即X = 0，Y = 0，Z = 0，由制造商定義，用戶不能改變。機(jī)床零點(diǎn)是機(jī)床的最基本點(diǎn)，是其它坐標(biāo)系如工件坐標(biāo)系、編程坐標(biāo)系及機(jī)床參考點(diǎn)的基準(zhǔn)點(diǎn)。工件零點(diǎn)工件零點(diǎn)W又稱為編程零點(diǎn)，是工件坐標(biāo)系統(tǒng)的原點(diǎn)。與數(shù)模中的工件坐標(biāo)系相同，工件零點(diǎn)可以自由地選擇，為方便編程和減少坐標(biāo)值計(jì)算，工作零點(diǎn)最好設(shè)置在便于編程的位置。(3)實(shí)際空間位置實(shí)際空間位置可分為工裝實(shí)際位置與飛機(jī)部件實(shí)際位置。工裝實(shí)際位置即測(cè)量坐標(biāo)系，在柔性工裝安裝過(guò)程中，需使用激光跟蹤儀對(duì)工裝各定位交點(diǎn)進(jìn)行定位安裝，在定位過(guò)程中，由按數(shù)模中的位置要求通過(guò)坐標(biāo)基準(zhǔn)點(diǎn)所建立的標(biāo)準(zhǔn)溫度下的測(cè)量坐標(biāo)系。工裝在該坐標(biāo)系下的坐標(biāo)與數(shù)模相同。飛機(jī)部件實(shí)際位置由于激光跟蹤儀并不直接對(duì)部件進(jìn)行定位，故飛機(jī)部件在工裝測(cè)量坐標(biāo)系中的位置與數(shù)模中的位置存在一定的偏差，該偏差為工裝的定位誤差，會(huì)對(duì)柔性裝配制孔的準(zhǔn)確度造成一定影響。(二)自動(dòng)化制孔設(shè)備的工件坐標(biāo)系建立自動(dòng)化制孔設(shè)備的工件坐標(biāo)系建立方法是將數(shù)模中工件坐標(biāo)系與數(shù)控機(jī)床中工件坐標(biāo)系統(tǒng)一的過(guò)程。在一般的數(shù)控加工過(guò)程中，加工的刀具位置均與夾具配套，有著明確的工件零點(diǎn)，只需要通過(guò)對(duì)刀來(lái)實(shí)現(xiàn)刀具的補(bǔ)償。而在柔性自動(dòng)化制孔單元中，工裝與設(shè)備尺寸較大，且獨(dú)立制造，需在裝配現(xiàn)場(chǎng)安裝后，使用激光跟蹤儀，測(cè)量定位機(jī)床與工裝的相互位置關(guān)系。其具體實(shí)現(xiàn)方法是，通過(guò)激光跟蹤儀，找到機(jī)床零點(diǎn)在飛機(jī)坐標(biāo)系中的位置，并分別在數(shù)模中與機(jī)床中建立統(tǒng)一的工件零點(diǎn)，建立一致的工件坐標(biāo)系的過(guò)程。具體需經(jīng)過(guò)如下幾個(gè)步驟的轉(zhuǎn)換(圖3)。步驟一使用激光跟蹤儀，測(cè)量工裝的基準(zhǔn)框架，根據(jù)數(shù)模中的靶球位置與實(shí)際測(cè)量中的靶球位置讀數(shù)，將工裝的實(shí)際位置與數(shù)模的實(shí)際位置統(tǒng)一。由于工裝定位精度較高， 故可以認(rèn)為，該過(guò)程完成了待加工工件(平尾)的實(shí)際位置與數(shù)模位置的統(tǒng)一。步驟二 將機(jī)床運(yùn)動(dòng)到某易于測(cè)量的位置，使用激光跟蹤儀對(duì)機(jī)床刀尖位置進(jìn)行測(cè)量，其測(cè)量位置與刀尖實(shí)際位置間的關(guān)系如圖4所示。利用三角函數(shù)經(jīng)簡(jiǎn)單計(jì)算，可得， 實(shí)際位置與測(cè)量位置間，在機(jī)床坐標(biāo)系下Z軸的負(fù)向增加值。步驟三在CATIA系統(tǒng)中建立坐標(biāo)值為測(cè)量值的各個(gè)點(diǎn)，將測(cè)量數(shù)據(jù)導(dǎo)入CATIA系統(tǒng)中。步驟四按照一般數(shù)控加工方法，選擇合適位置，作為工件零點(diǎn)，并將各坐標(biāo)軸方向與機(jī)床軸方向統(tǒng)一，以此在CATIA中建立工件坐標(biāo)系。步驟五操作機(jī)床，讀取機(jī)床在測(cè)量時(shí)X，Y，Z的坐標(biāo)值(X1, Y1, Z1)。步驟六利用CATIA中測(cè)量功能，測(cè)量在第三步中所建立的機(jī)床刀尖位置點(diǎn)在所設(shè)置的工件坐標(biāo)中位置(x2，Y2, Z2)，由此，計(jì)算所需進(jìn)行的框架偏轉(zhuǎn)為Yg=Y2-Y1
、Zg = Z2 -Z1
式中，XpY^tS所需的偏轉(zhuǎn)。步驟七在機(jī)床中設(shè)置零偏，編程階段首先調(diào)用該零偏即可完成機(jī)床坐標(biāo)系與工件坐標(biāo)系的統(tǒng)一。三待裝配零件精確定法通過(guò)激光跟蹤測(cè)量設(shè)備，完成了自動(dòng)化制孔設(shè)備與裝配工裝之間的位置關(guān)系的統(tǒng)一。但待裝配零件與裝配工裝之間不一定存在直接定位關(guān)系，多次定位后定位誤差累積過(guò)大，需要利用照相測(cè)量設(shè)備對(duì)進(jìn)行進(jìn)一步定位。在待裝配零件兩端，各預(yù)鉆制兩個(gè)位置準(zhǔn)確的孔作為基準(zhǔn)定位孔。在制孔過(guò)程中， 照相測(cè)量系統(tǒng)通過(guò)實(shí)時(shí)測(cè)量待裝配零件上基準(zhǔn)定位孔的實(shí)際位置與理論位置的偏差，從而計(jì)算得到待裝配零件的準(zhǔn)確位置，并提供給數(shù)控機(jī)床。完成該定位過(guò)程后機(jī)床對(duì)待裝配零件直接定位，在待裝配零件局部坐標(biāo)系下進(jìn)行加工，故減少了誤差累積環(huán)節(jié)，提高了定位精度。將工件坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為待裝配零件局部坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)化算法如下設(shè)所制兩基準(zhǔn)孔的圓心位置為A[xi; Y1, Z1]，B[x2，y2, Z2]。在A點(diǎn)處所測(cè)量的誤差為ΔΑ = [Δχ' Ay' ^Oj0在B點(diǎn)處所測(cè)量的誤差為ΔΒ= [Δ χ" 2，Δγ" 2，0]。以A為原心的坐標(biāo)系在機(jī)床坐標(biāo)系中，各坐標(biāo)軸的方向余弦(即，Χ，Υ，Ζ軸在機(jī)床坐標(biāo)系中的單位向量)記作
權(quán)利要求
1.一種針對(duì)飛機(jī)部件柔性裝配過(guò)程中待裝配零件定位的混合測(cè)量方法，所述方法包括混合定位方法整體策略與實(shí)施流程、制孔設(shè)備粗略定位法與待裝配零件精確定位法等三部分內(nèi)容，其特征在于1)該方法混合使用激光跟蹤儀與照相測(cè)量設(shè)備，采用激光跟蹤儀進(jìn)行粗略定位，照相測(cè)量設(shè)備進(jìn)行精確定位的策略，將飛機(jī)部件柔性裝配中待裝配件的定位分為制孔設(shè)備粗略定位與待裝配零件精確定位兩步驟；2)制孔設(shè)備的粗略定位完成制孔設(shè)備中工件零點(diǎn)的設(shè)定，建立機(jī)床工件坐標(biāo)系、數(shù)模中飛機(jī)部件坐標(biāo)系與飛機(jī)部件實(shí)際位置的相對(duì)關(guān)系，為制孔設(shè)備的數(shù)控程序提供了準(zhǔn)確的飛機(jī)部件位置；3)待裝配零件精確定位通過(guò)在待裝配零件兩端，各預(yù)鉆制兩個(gè)位置準(zhǔn)確的孔作為基準(zhǔn)定位孔；在制孔過(guò)程中，照相測(cè)量系統(tǒng)通過(guò)實(shí)時(shí)測(cè)量待裝配零件上基準(zhǔn)定位孔的實(shí)際位置與理論位置的偏差，從而計(jì)算得到待裝配零件的準(zhǔn)確位置，并提供給數(shù)控機(jī)床，完成待裝配零件的精確定位過(guò)程。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的飛機(jī)部件柔性裝配中待裝配零件的混合測(cè)量定位方法，其特征在于具體包括如下步驟步驟一使用激光跟蹤儀，測(cè)量工裝的基準(zhǔn)框架，根據(jù)數(shù)模中的靶球位置與實(shí)際測(cè)量中的靶球位置讀數(shù)，將工裝的實(shí)際位置與數(shù)模的實(shí)際位置統(tǒng)一；步驟二 將機(jī)床運(yùn)動(dòng)到某易于測(cè)量的位置，使用激光跟蹤儀對(duì)機(jī)床刀尖位置進(jìn)行測(cè)量；步驟三在CATIA系統(tǒng)中建立坐標(biāo)值為測(cè)量值的各個(gè)點(diǎn)，將測(cè)量數(shù)據(jù)導(dǎo)入CATIA系統(tǒng)中；步驟四按照一般數(shù)控加工方法，選擇合適位置，作為工件零點(diǎn)，并將各坐標(biāo)軸方向與機(jī)床軸方向統(tǒng)一，以此在CATIA中建立工件坐標(biāo)系； 步驟五操作機(jī)床，讀取機(jī)床在測(cè)量值；步驟六利用CATIA中測(cè)量功能，測(cè)量在第三步中所建立的機(jī)床刀尖位置點(diǎn)在所設(shè)置的工件坐標(biāo)中位置；步驟七在機(jī)床中設(shè)置零偏，編程階段首先調(diào)用該零偏即可完成機(jī)床坐標(biāo)系與工件坐標(biāo)系的統(tǒng)一；步驟八在待裝配零件兩端，各預(yù)鉆制兩個(gè)位置準(zhǔn)確的孔作為基準(zhǔn)定位孔，作為待裝配零件精確定位的基準(zhǔn)；步驟九采用照相測(cè)量設(shè)備測(cè)量基準(zhǔn)定位孔的位置；步驟十根據(jù)照相測(cè)量設(shè)備的測(cè)量結(jié)果計(jì)算待裝配零件實(shí)際位置與理論位置的偏差； 步驟十一通過(guò)框架偏轉(zhuǎn)功能實(shí)現(xiàn)偏差的修正。
全文摘要
一種針對(duì)飛機(jī)部件柔性裝配過(guò)程中待裝配零件定位的混合測(cè)量方法，屬于先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域現(xiàn)代制造技術(shù)的研究?jī)?nèi)容。本方法為飛機(jī)部件柔性裝配過(guò)程中，建立自動(dòng)化制孔設(shè)備與待裝配零件間的相對(duì)位置關(guān)系提供了一種測(cè)量定位方法。該方法采用激光測(cè)量?jī)x作為制孔設(shè)備粗略定位的手段，采用照相測(cè)量設(shè)備作為待裝配零件精確定位的手段，分兩步實(shí)現(xiàn)待裝配零件的準(zhǔn)確定位。本發(fā)明在一定程度上解決了飛機(jī)部件柔性裝配過(guò)程中，由于裝配過(guò)程誤差累積過(guò)多而造成的自動(dòng)化制孔設(shè)備與待裝配工件不協(xié)調(diào)的問題，并為自動(dòng)化設(shè)備在飛機(jī)部件柔性裝配中的使用提供了一條有效的途徑。
文檔編號(hào)B23Q17/22GK102416581SQ20111025364
公開日2012年4月18日 申請(qǐng)日期2011年8月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月30日
發(fā)明者劉繼紅, 鄒成 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)