结合温度因素的飞机壁板卧式自动钻铆机空间相对位姿误差补偿方法技术

本发明专利技术公开了一种结合温度因素的飞机壁板卧式自动钻铆机空间相对位姿误差补偿方法，具体为：分析飞机壁板卧式自动钻铆机中两定位设备的协同工作空间，并进行合理的网格划分；在不同温度下，激光跟踪仪通过跟踪测量两定位设备的实际相对位姿误差，构建一定温度区间内的空间相对位姿误差网格，并通过线性插值法和形函数插值法计算目标温度下协同工作空间网格内任意点的误差值；依照两定位设备的主从关系，采用通过从动定位设备进行两协同设备空间相对位姿误差补偿的策略，实现误差补偿；该方法快速有效地提高了多设备协同工作精度，提高飞机装配中的孔加工质量，进而提升飞机部件整体的装配质量与装配效率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及飞机装配技术与装备领域，尤其涉及结合温度因素的飞机壁板卧式自动钻铆机空间相对位姿误差补偿方法。
技术介绍
飞机装配作为飞机制造中极其重要的一环，在很大程度上决定了飞机的最终质量、制造成本和交货周期，是整个飞机制造过程中的关键和核心技术。由于飞机装配过程中涉及到大量的制孔和紧固件连接过程，因此，制孔与紧固件连接的质量和效率，将成为影响飞机整体装配质量和效率的重要因素。该飞机壁板卧式自动钻铆机是飞机装配中重要的制孔与紧固件连接设备，能够自动完成飞机壁板中直径小于6mm的铆接孔的定位、制孔、锪窝、除尘、插钉、压铆等操作。它由制孔插钉侧机床和镦紧侧机床组成，两侧定位设备通过协同工作实现高质量自动化钻铆过程。结合飞机壁板铆接的质量要求可知，保证自动钻铆机中两定位设备末端的协调与相对位姿精度，是保证钻铆质量、提高整机装配质量所不可缺少的一部分。在飞机壁板卧式自动钻铆机的复杂系统中，影响设备整体的协调与工作精度的因素有很多。当单侧定位设备均满足精度要求时，由于几何误差、热误差和自重产生的变形等因素，两协同设备末端仍会存在相对位姿误差，导致制孔偏斜、插钉和铆接过程不协调等严重问题，严重影响设备的协调工作，使设备和壁板的受力状态恶化，甚至破坏铆钉或壁板。飞机壁板的钻铆质量对后续装配工序也会产生不良影响，严重的会降低整机装配质量和气动外形特性，最终缩短其使用寿命。在飞机装配过程中，通常借助外部测量系统对设备末端位姿进行标定。基于对两定位设备协同工作空间的合理网格划分，和不同温度下对空间网格节点处的相对位姿误差值的测量，可构建一定温度区间内的空间相对位姿误差网格，并通过插值计算目标温度下协同工作空间内任意点的误差值，从而进行误差补偿。在当前研究和应用中，多对单台机器人或机床的空间位置误差进行网格补偿，且多采用固定尺寸网格进行网格划分。但该过程中，没有考虑多设备间的相对位姿精度要求，仅能够满足对单台设备空间位置误差的补偿。该飞机壁板卧式自动钻铆机是双设备协同工作的复杂系统，亟需一种快速有效的方法对双设备相对位姿误差进行补偿，以保证双设备末端的相对位姿精度，从而实现高质量自动化钻铆，最终提升整机的装配质量。
技术实现思路
为克服现有技术的不足，本专利技术提供了一种结合温度因素的飞机壁板卧式自动钻铆机空间相对位姿误差补偿方法，可对不同温度下两协同定位设备的空间相对位姿误差进行补偿，以提高两协同设备末端的相对位姿精度，实现高质量自动化钻铆，提升整机装配质量。结合温度因素的飞机壁板卧式自动钻铆机空间相对位姿误差补偿方法，具体包括如下步骤：(1)在飞机壁板卧式自动钻铆机系统中，分别建立主动定位设备和从动定位设备的基坐标系、各运动轴子坐标系以及末端TCP坐标系，建立工件坐标系、装配坐标系，并绘制坐标系定义图；(2)对飞机壁板卧式自动钻铆机进行运动学分析，建立运动学模型，并分析主动定位设备与从动定位设备的协同工作空间，对协同工作空间进行网格划分；(3)在飞机壁板卧式自动钻铆机的两定位设备上，分别安装激光跟踪仪测量用反射镜；并将激光跟踪仪置于能够覆盖到两数控定位设备的运动范围的位置上；(4)在某一温度下，控制飞机壁板卧式自动钻铆机中的两定位设备运动到网格节点处的指定空间位姿，通过激光跟踪仪的跟踪测量，获取两定位设备上反射镜的一系列位置坐标，并计算两定位设备实际末端位姿；计算协同工作空间各网格节点处两定位设备的实际相对位姿与理论相对位姿之差，形成该温度下的空间相对位姿误差网格；(5)在一定温度范围内，改变环境温度，测量计算两协同定位设备的实际末端位姿；计算协同工作空间各网格节点处两定位设备的实际相对位姿与理论相对位姿之差，形成不同温度下的空间相对位姿误差网格；(6)利用两次插值法计算目标温度下协同工作空间网格单元内任意点的误差值；(7)根据飞机壁板卧式自动钻铆机中两定位设备的主从关系，采用调整从动定位设备关节量的方法，进行两定位设备空间相对位姿误差补偿。所述的步骤(1)的具体步骤如下：(1-1)定义飞机壁板卧式自动钻铆机中的各坐标系：定位设备的基坐标系Oj，各运动轴子坐标系Xj、Zj、Yj、Aj、Bj，末端TCP坐标系tj，工件坐标系Ow，以及装配坐标系R；绘制飞机壁板卧式自动钻铆机的坐标系定义图，使各运动轴子坐标系的坐标轴方向与定位设备基坐标系的坐标轴方向一致；其中，下标j取值为1或2，1表示为主动定位设备，2表示为从动定位设备；(1-2)将飞机壁板卧式自动钻铆机系统中定位设备的基坐标系原点表示为oj，定位设备末端位姿以向量pvj＝[pxj,pyj,pzj,wxj,wyj,wzj]表示；其中，[pxj,pyj,pzj]表示定位设备末端TCP坐标系tj的原点在其基坐标系Oj下的位置坐标，[wxj,wyj,wzj]表示定位设备末端TCP坐标系tj的Z轴姿态向量。所述的步骤(2)的具体步骤如下：(2-1)对飞机壁板卧式自动钻铆机进行运动学分析，并建立主动定位设备和从动定位设备的运动学模型：其中，是从坐标系M到坐标系N的齐次变换矩阵，T1是主动定位设备从基坐标系O1到末端TCP坐标系t1的齐次变换矩阵；T2是从动定位设备从基坐标系O2到末端TCP坐标系t2的齐次变换矩阵；(2-2)依据定位设备的运动学模型Tj、基坐标系Oj与装配坐标系R的转换关系，将装配坐标系R下两定位设备的末端位姿描述为：其中，RT1是从装配坐标系R到主动定位设备的末端TCP坐标系t1的齐次变换矩阵；RT2是从装配坐标系R到从动定位设备的末端TCP坐标系t2的齐次变换矩阵；(2-3)基于运动学模型和两定位设备的末端位姿，分析飞机壁板卧式自动钻铆机中两定位设备的协同工作空间Q，并根据有限元对协同工作空间内的自重变形分析结果对协同工作空间Q进行自适应网格划分，采用立方体网格，网格数目为n。在步骤(2-3)中，根据对飞机壁板卧式自动钻铆机的自重变形分析结果，对两定位设备的协同工作空间进行自适应网格划分就是在自重变形剧烈处，网格划得小一点，在自重变形平缓处，网格划得大一点，这样能够有效提高空间误差插值精度，从而保证误差补偿的有效性。所述的步骤(4)的具体步骤如下：(4-1)在某一温度下，控制主动定位设备运动到网格节点处，其目标位姿为pv1，从动定位设备也运动到相应位姿pv2，理论上满足位姿约束：pv1＝pv2；(4-2)激光跟踪仪进行跟踪测量，在两定位设备的主轴进给一定距离后，获取主动定位设备反射镜的一组位置坐标P11和P12，从动定位设备反射镜的一组位置坐标P21和P22，并计算两定位设备末端实际姿态向量N1和N2：其中，P11和P12分别是主动定位设备主轴进给前后的实际末端位置，P21和P22分别是从动定位设备主轴进给前后的实际末端位置；N1是主动定位设备实际的末端姿态向量，N2是从动定位设备实际的末端姿态向量；(4-3)计算两定位设备末端实际位姿向量pv1'和pv2'：pv1'＝[P11N1]pv2'＝[P21N2]其中，pv1'是主动定位设备的实际末端位姿向量，pv2'是从动定位设备的实际末端姿态向量；(4-4)设定两定位设备协同工作空间Q内的n个网格中每个立方体网格8个节点，共有i个空间网格节点；(4-5)在空间网格节点i处，计算两定位设备的理论相对位姿和实际本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种结合温度因素的飞机壁板卧式自动钻铆机空间相对位姿误差补偿方法，具体包括如下步骤：(1)在飞机壁板卧式自动钻铆机系统中，分别建立主动定位设备和从动定位设备的基坐标系、各运动轴子坐标系以及末端TCP坐标系，建立工件坐标系、装配坐标系，并绘制坐标系定义图；(2)对飞机壁板卧式自动钻铆机进行运动学分析，建立运动学模型，并分析主动定位设备与从动定位设备的协同工作空间，对协同工作空间进行网格划分；(3)在飞机壁板卧式自动钻铆机的两定位设备上，分别安装激光跟踪仪测量用反射镜；并将激光跟踪仪置于能够覆盖到两数控定位设备的运动范围的位置上；(4)在某一温度下，控制飞机壁板卧式自动钻铆机中的两定位设备运动到网格节点处的指定空间位姿，通过激光跟踪仪的跟踪测量，获取两定位设备上反射镜的一系列位置坐标，并计算两定位设备实际末端位姿；计算协同工作空间各网格节点处两定位设备的实际相对位姿与理论相对位姿之差，形成该温度下的空间相对位姿误差网格；(5)在一定温度范围内，改变环境温度，测量计算两协同定位设备的实际末端位姿；计算协同工作空间各网格节点处两定位设备的实际相对位姿与理论相对位姿之差，形成不同温度下的空间相对位姿误差网格；(6)利用两次插值法计算目标温度下协同工作空间网格单元内任意点的误差值；(7)根据飞机壁板卧式自动钻铆机中两定位设备的主从关系，采用调整从动定位设备关节量的方法，进行两定位设备空间相对位姿误差补偿。...

【技术特征摘要】
1.一种结合温度因素的飞机壁板卧式自动钻铆机空间相对位姿误差补偿方法，具体包括如下步骤：(1)在飞机壁板卧式自动钻铆机系统中，分别建立主动定位设备和从动定位设备的基坐标系、各运动轴子坐标系以及末端TCP坐标系，建立工件坐标系、装配坐标系，并绘制坐标系定义图；(2)对飞机壁板卧式自动钻铆机进行运动学分析，建立运动学模型，并分析主动定位设备与从动定位设备的协同工作空间，对协同工作空间进行网格划分；(3)在飞机壁板卧式自动钻铆机的两定位设备上，分别安装激光跟踪仪测量用反射镜；并将激光跟踪仪置于能够覆盖到两数控定位设备的运动范围的位置上；(4)在某一温度下，控制飞机壁板卧式自动钻铆机中的两定位设备运动到网格节点处的指定空间位姿，通过激光跟踪仪的跟踪测量，获取两定位设备上反射镜的一系列位置坐标，并计算两定位设备实际末端位姿；计算协同工作空间各网格节点处两定位设备的实际相对位姿与理论相对位姿之差，形成该温度下的空间相对位姿误差网格；(5)在一定温度范围内，改变环境温度，测量计算两协同定位设备的实际末端位姿；计算协同工作空间各网格节点处两定位设备的实际相对位姿与理论相对位姿之差，形成不同温度下的空间相对位姿误差网格；(6)利用两次插值法计算目标温度下协同工作空间网格单元内任意点的误差值；(7)根据飞机壁板卧式自动钻铆机中两定位设备的主从关系，采用调整从动定位设备关节量的方法，进行两定位设备空间相对位姿误差补偿。2.根据权利要求1所述结合温度因素的飞机壁板卧式自动钻铆机空间相对位姿误差补偿方法，其特征在于：所述的步骤(1)的具体步骤如下：(1-1)定义飞机壁板卧式自动钻铆机中的各坐标系：定位设备的基坐标系Oj，各运动轴子坐标系Xj、Zj、Yj、Aj、Bj，末端TCP坐标系tj，工件坐标系Ow，以及装配坐标系R；绘制飞机壁板卧式自动钻铆机的坐标系定义图，使各运动轴子坐标系的坐标轴方向与定位设备基坐标系的坐标轴方向一致；其中，下标j取值为1或2，1表示为主动定位设备，2表示为从动定位设备；(1-2)将飞机壁板卧式自动钻铆机系统中定位设备的基坐标系原点表示为oj，定位设备末端位姿以向量pvj＝[pxj,pyj,pzj,wxj,wyj,wzj]表示；其中，[pxj,pyj,pzj]表示定位设备末端TCP坐标系tj的原点在其基坐标系Oj下的位置坐标，[wxj,wyj,wzj]表示定位设备末端TCP坐标系tj的Z轴姿态向量。3.根据权利要求1所述结合温度因素的飞机壁板卧式自动钻铆机空间相对位姿误差补偿方法，其特征在于：所述的步骤(2)的具体步骤如下：(2-1)对飞机壁板卧式自动钻铆机进行运动学分析，并建立主动定位设备和从动定位设备的运动学模型：其中，是从坐标系M到坐标系N的齐次变换矩阵，T1是主动定位设备从基坐标系O1到末端TCP坐标系t1的齐次变换矩阵；T2是从动定位设备从基坐标系O2到末端TCP坐标系t2的齐次变换矩阵；(2-2)依据定位设备的运动学模型Tj、基坐标系Oj与装配坐标系R的转换关系，将装配坐标系R下两定位设备的末端位姿描述为：其中，RT1是从装配坐标系R到主动定位设备的末端TCP坐标系t1的齐次变换矩阵；RT2是从装配坐标系R到从动定位设备的末端TCP坐标系t2的齐次变换矩阵；(2-3)基于运动学模型和两定位设备的末端位姿约束关系，分析飞机壁板卧式自动钻铆机中两定位设备的协同工作空间Q，并根据有限元对协同工作空间内的自重变形分析结果对协同工作空间Q进行自适应网格划分，采用立方体网格，网格数目为n。4.根据权利要求1所述结合温度因素的飞机壁板卧式自动钻铆机空间相对位姿误差补偿方法，其特征在于：所述的步骤(4)的具体步骤如下：(4-1)在某一温度下，控制主动定位设备运动到网格节点处，其目标位姿为pv1，从动定位设备也运动到相应位姿pv2，理论上满足位姿约束：pv1＝pv2；(4-2)激光跟踪仪进行跟踪测量，在两定位设备的主轴进给一定距离后，获取主动定位设备反射镜的一组位置坐标P11和P12，从动定位设备反射镜的一组位置坐标P21和P22，并计算两定位设备末端实际姿态向量N1和N2：N1=P11-P12||P11-P12||]]>N2=P21-P22||P21-P22||]]>其中，P11和P12分别是主动定位设备主轴进给前后的实际末端位置，P21和P22分别是从动定位设备主轴进给前后的实际末端位置；N1是主动定位设备实际的末端姿态向量，N2是从动定位设备实际的末端姿态向量；(4-3)计算两定位设备末端实际位姿向量pv1'和pv2'：pv1'＝[P11N1]pv2'＝[P21N2]其中，pv1'是主动定位设备的实际末端位姿向量，pv2'是从动定位设备的实际末端姿态向量；(4-4)设定两定位设备协同工作空间Q内的n个网格中每个立方体网格8个节点，共有i个空间网格节点；(4-5)在空间网格节点i处，计算两...

【专利技术属性】
技术研发人员：毕运波，柯映林，俞慈君，曲巍崴，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33