基于并联机构的法向找正方法技术

本发明专利技术公开了一种基于并联机构的法向找正方法，属于法向精度控制领域。本发明专利技术使用的装置包括并联机构、十字滑台、四个激光位移传感器及末端执行器；并联机构包括通过连接杆相连的定平台和动平台，末端执行器安装在并联机构的动平台上，并联机构的定平台安装在十字滑台上，激光位移传感器安装在末端执行器上；该方法首先建立并联机构坐标系及工具坐标系，通过激光位移传感器检测出的距离值计算末端执行器应调整到的期望法向姿态；最后在保证虚拟刀尖点位置不变的情况下通过当前姿态到期望姿态的偏差逆解求出并联机构的调整量，从而实现法向找正。本发明专利技术使用的装置刚性好、承载力大，其逆解算法简单、精度高，能够快速实现末端执行器的法向找正。

【技术实现步骤摘要】
基于并联机构的法向找正方法
本专利技术涉及一种法向找正方法，具体讲是一种基于并联机构的法向找正方法，属于法向精度控制领域。
技术介绍
飞机部件的装配主要是通过铆接方式实现，铆接质量直接影响到飞机的性能和安全性，因此铆接是飞机制造过程中一项非常重要的工艺环节。而铆接前的制孔精度对铆接质量起到决定性作用，尤其是制孔时刀具的轴向与蒙皮待制孔位置的法向保持一致的程度。因此，制孔前必须调整产品或者刀具的姿态，以保证刀具轴线与制孔位置处的垂直精度。目前，自动化钻铆系统在进行制孔时的法向姿态调整方式有对产品姿态和刀具姿态进行调节两种方式。2007年11月，《航空学报》第06期，1455-1459页，公开了一篇作者为秦现生、汪文旦、尉藤的大型壁板数控钻铆的三点快速调平算法，其描述了一种通过数控托架调整产品姿态，使刀具轴线与加工位置处的法向一致的法向调姿方法，该方法采用安装在钻铆机动力头上的三个位移传感器检测法向偏差，以此为依据计算托架各个调整轴的调整量，从而实现法向找正的目的，其不足之处在于飞机部件体积一般比较庞大，结构复杂，调整起来比较困难，调整幅度有限，对数控托架的结构刚度和控制精度提出了较高的要求。2013年11月20日，中国专利技术专利CN102284956B公开了一种自动钻铆机器人的法向找正方法，其通过安装在末端执行器上的4个激光位移传感器检测计算出刀具轴线与制孔处法向的偏差，以此为依据计算机器人6个关节的调整量，从而调整刀具轴线与蒙皮法向的一致性，该调姿方式主要用于飞机机翼部件、垂尾等小部件装配制孔时的法向调姿，但是针对大飞机如C919机身对接对缝处的制孔来说，这种落地式的装配系统无法进行满足。2012年03月28日，中国专利技术专利CN101957175B公开了一种基于三点微平面式法向检测方法,该方法采用平面近似代替微曲面，并应用激光位移传感器技术及数据采集技术，通过一定的算法测得曲面上待测点的法向量的方法，该检测方法不足之处在于法向检测过程中需要利用传感器在拟定的球面上采集30个测量点从而对激光位移传感器姿态参数进行标定，这样就会使计算过程变得复杂，无法适用于自动化钻铆系统的末端执行器法向找正。2010年第7期《现代制造工程》中，公开了作者为谢友金、王仲奇、康永刚、应高明的球面逼近求解变形曲面法向矢量算法研究，其描述的球面逼近求解变形曲面法向矢量算法能解决实时求解曲面点法失向量的问题，但是该测量方法与传统的检测方法一样，存在着对检测设备要求高，数据采集量大，数据处理复杂、耗时长的不足。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于克服现有技术的缺陷，提供一种使用装置结构简单、步骤简便、找正精度高且能适用于大部件装配制孔的基于并联机构的法向找正方法。为了解决上述技术问题，本专利技术提供的基于并联机构的法向找正方法，该方法所使用的装置包括并联机构、十字滑台、四个激光位移传感器及末端执行器；所述并联机构包括通过连接杆相连的定平台和动平台；所述末端执行器安装在并联机构动平台上，所述并联机构定平台安装在十字滑台上，所述四个激光位移传感器安装在末端执行器上；该方法包括如下步骤：1)、建立坐标系：将末端执行器定位到预定的位置和姿态上，在并联机构定平台上建立并联机构坐标系，在末端执行器的刀具轴线方向上建立工具坐标系；2)、期望姿态计算：通过末端执行器上四个激光位移传感器检测出曲面上制孔位置处的期望法向姿态；3)、并联机构调整量计算：通过末端执行器当前法向姿态和期望法向姿态的偏差逆解分别求出并联机构可伸缩杆的长度、并联机构在十字滑台上的平移量及刀具的进给量；4)、根据步骤3)求得并联机构可伸缩杆的长度、并联机构在十字滑台上的平移量及刀具的进给量完成末端执行器法向找正。本专利技术中，所述步骤3)中并联机构调整量的计算步骤如下：31)、采用并联机构以定平台固定、动平台调整的方式将刀具轴线调整到与制孔位置处的期望法向姿态相同；计算此时虚拟刀尖点的坐标，并求出并联机构可伸缩杆的长度；32)、完成步骤31)之后将末端执行器沿着十字滑台X向、Y向平移，同时刀具沿着其轴线方向Z向进给，将虚拟刀尖点移动到制孔位置处，则步骤31)中求出的虚拟刀尖点的坐标与制孔位置处的坐标之间的偏差就是末端执行器的平移量及刀具的进给量。本专利技术中，所述连接杆包括2根伸缩杆和1根固定杆，所述可伸缩杆和固定杆均通过虎克铰与动平台连接，所述可伸缩杆通过球面副与定平台连接，固定杆与定平台固连。本专利技术的有益效果在于：(1)、本专利技术使用的装置继承了并联机构刚度重量比大、承载能力强、响应速度快的优点，其逆解算法简单、精度高，能够快速、准确地实现末端执行器法向找正；(2)、根据检测出的期望姿态可以直接计算出并联机构可伸缩杆的调整量及平移量，便于钻铆系统的姿态控制；(3)、本专利技术方法可应用于轻型自主爬行钻铆系统法向找正，从而满足大飞机机身对接对缝处的制孔精度要求。附图说明图1为本专利技术的法向检测几何模型示意图；图2为本专利技术的法向检测平面投影示意图；图3为本专利技术的法向调姿几何模型示意图；图1中，TP为虚拟刀尖点，TP-XYZ为法向找正前的工具坐标系，TP-X'Y'Z'为法向找正后的工具坐标系；图2中，B1P1、B2P2为并联机构可伸缩的杆，B3P3为固定杆，OB-xyz为并联机构坐标系，TP-xyz为法向找正前的工具坐标系，OPTP为当前刀具轴线方向，TP'-x'y'z'为保证刀具轴线与制孔处法向一致的工具坐标系，OP'TP'为对应刀具轴线方向，TP-XYZ为保证虚拟刀尖点一致的工具坐标系，OP″TP为期望的刀具轴线方向。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步详细说明。本专利技术基于并联机构的法向找正方法所使用的装置包括并联机构、十字滑台、四个激光位移传感器及末端执行器，整个装置由钻铆系统控制器控制调整。上述并联机构具有两个转动自由度，包括定平台和动平台，定平台和动平台之间通过2根可伸缩杆和1根固定杆相连，其中可伸缩杆和固定杆均通过虎克铰与动平台连接，可伸缩杆通过球面副与定平台连接，固定杆与定平台固定连接，其支链构成SPU结构。四个激光位移传感器安装在末端执行器上，末端执行器安装在并联机构动平台上并，并联机构定平台安装在十字滑台上，可实现X向、Y向移动，刀具主轴进给可实现Z向移动，因此，末端执行器可实现5自由度的法向调姿。本专利技术首先利用安装于末端执行器上的四个激光位移传感器检测出制孔位置处的期望法向姿态，然后根据末端执行器当前法向姿态与制孔位置处的期望法向姿态的偏差计算并联机构的调整量，从而实现法向找正的目的。如图3所示，为了保证调姿之后虚拟刀尖点位置不变，法向调姿实现过程如下：(1)、根据检测出的制孔位置的期望法向姿态，通过并联机构以定平台固定、动平台调整的方式将刀具轴线调整到与制孔位置法矢量相同,即刀具轴线由OPTP轴线变换到OP'TP'的过程；(2)、完成(1)后，将末端执行器沿着十字滑台X向、Y向平移(其方向与并联机构坐标系X向、Y向方向相同)，同时刀具沿着其轴线方向Z向进给，使虚拟刀尖点移动到制孔位置处，即刀具由OP'TP'变换到OP″TP的过程；最终保证虚拟刀尖点TP位置不改变。本专利技术的具体实施步骤如下:步骤1、建立坐标系：如图3所示，将末端执行器定位到预定的位置本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于并联机构的法向找正方法，其特征在于：该方法所使用的装置包括并联机构、十字滑台、四个激光位移传感器及末端执行器；所述并联机构包括通过连接杆相连的定平台和动平台；所述末端执行器安装在并联机构的动平台上，所述并联机构的定平台安装在十字滑台上，所述四个激光位移传感器安装在末端执行器上；该方法包括如下步骤：1)、建立坐标系：将末端执行器定位到预定的位置和姿态上，在并联机构定平台上建立并联机构坐标系，在末端执行器的刀具轴线方向上建立工具坐标系；2)、期望姿态计算：通过末端执行器上四个激光位移传感器检测出曲面上制孔位置处的期望法向姿态；3)、并联机构调整量计算：通过末端执行器当前法向姿态和制孔位置处的期望法向姿态的偏差逆解分别求出并联机构可伸缩杆的长度、并联机构在十字滑台上的平移量及刀具的进给量，并保证虚拟刀尖点位置不变；4)、根据步骤3)求得并联机构可伸缩杆的长度、并联机构在十字滑台上的平移量及刀具的进给量完成末端执行器法向找正。

【技术特征摘要】
1.一种基于并联机构的法向找正方法，其特征在于：该方法所使用的装置包括并联机构、十字滑台、四个激光位移传感器及末端执行器；所述并联机构包括通过连接杆相连的定平台和动平台；所述末端执行器安装在并联机构的动平台上，所述并联机构的定平台安装在十字滑台上，所述四个激光位移传感器安装在末端执行器上；该方法包括如下步骤：1)、建立坐标系：将末端执行器定位到预定的位置和姿态上，在并联机构定平台上建立并联机构坐标系，在末端执行器的刀具轴线方向上建立工具坐标系；2)、期望姿态计算：通过末端执行器上四个激光位移传感器检测出曲面上制孔位置处的期望法向姿态；3)、并联机构调整量计算：通过末端执行器当前法向姿态和制孔位置处的期望法向姿态的偏差逆解分别求出并联机构可伸缩杆的长度、并联机构在十字滑台上的平移量及刀具的进给量，并保证虚拟刀尖点位置不变；4)、根据步骤3)求得并联机构可伸...

【专利技术属性】
技术研发人员：田威，廖文和，韩锋，张旋，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32