一种基于混连式轨道制孔系统的加工点定位、法向检测和调整方法技术方案

一种基于混连式轨道制孔系统的加工点定位、法向检测和调整方法，其特征是：首先，在已知几何参数的基础上，通过目标加工点的位置和法向，一次性快速解算出各运动轴的目标位置；第二，通过法向检测算法快速检测出目标检测位置在末端坐标系下的法向；第三，通过法向调姿实现快速定位。本发明专利技术简便快捷，且算法核心公式与加工点定位算法相同，便于软件实现。

A method of machining point location, normal direction detection and adjustment based on hybrid track drilling system

【技术实现步骤摘要】
一种基于混连式轨道制孔系统的加工点定位、法向检测和调整方法
本专利技术涉及一种飞机装配技术，尤其是一种飞机蒙皮表面制孔技术，具体地说是一种基于混连式轨道制孔系统的加工点定位、法向检测和调整方法
技术介绍
飞机装配是飞机制造全流程中难度最大、工作量最多、工艺流程最为复杂的环节，装配质量的水平直接决定了飞机性能及使用寿命。因此，自动化装配系统的应用是一个主要发展趋势。飞机自动化装配系统的发展主要为两个方向。一种是成本较高的、适用于批量较大产品的大型专用自动化装配系统，如MPAC、VPAC等。另一种是成本较低的、适用于批量较小产品的轻型自动化装配系统，该种系统的发展方向为轻型化、柔性化、模块化，目前其典型代表有基于工业机器臂自动装配系统、柔性轨道自动化装配系统和自主移动制孔系统。其中，轨道式自动化装配系统是应用广泛的一种主流自动化装配系统。该类系统是以刚性或柔性轨道为平台，配上相应的末端执行器，完成自动化制孔等工作。典型的如:波音公司申请的中国专利技术专利CN200580025525.X所公开的柔性轨道多轴工具机及方法。该柔性轨道系统通过安装于导轨底部的真空吸盘，直接吸附在飞机等值段机身曲面上开展自动制孔作业，安装于导轨上的末端执行器可在一次轨道铺设内完成自动钻孔等任务。浙江大学设计了一种圆形轨道拼接在机身筒段环向、由三层装置组合而成的飞机机身弧形制孔装置，该设备将机身对接筒段划分为若干制孔区域，一次安装可完成整个覆盖区域内机身环形区域内的全部制孔任务。但该设备刚性轨道设备仅适合于圆形规则曲面的加工，需配合保持架和冗余配重使用，安装铺设工作占用工位时间较长。南京航空航天大学设计了一种刚柔结合的环形轨道制孔系统，该设备通过刚性定位辅助工装上带有的刚性定位节点将环形柔性轨道定位在机身蒙皮表面上，利用齿轮齿条传动制孔平台完成制孔任务。无论哪一种轨道制孔系统，都存在到达制孔区域之后，对目标加工点定位，然后进行法向检测，如检测发现刀具轴线未沿加工区域的法线方向则需要进行法向调整。
技术实现思路
本专利技术的目的是为刚柔结合的混连式轨道制孔系统提供一套加工点定位、法向检测和调整方法，它具有算法简单，易于控制实现的优点。本专利技术的技术方案是：一种基于混连式轨道制孔系统的加工点定位、法向检测和调整方法，其特征是：所述的加工点定位方法是：设：已知目标点在小车坐标系下的位置为Dc＝[xDt,yDt,zDt]T和法向Nc＝[l,m,n]T；压力脚距离目标点位置Lpd；末端坐标系OeXYZ的坐标原点Oe在压力脚压力环中心贴合蒙皮的位置上，Xe平行于压力脚安装座平面，初始平行位置时和Xc平行并指向驱动机构方向，Ze轴沿底座平面法向向上，Ye形成向外的右手系；小车坐标系OcXYZ的坐标原点Oc在固定腿足部铰链中心，Xc平行于底座指向驱动机构方向，Zc轴沿底座平面法向向上，Yc形成向外的右手系，环形轨道系统的制孔小车固定腿Z1、单向补偿腿Z2、Z3、Z4、X1、Y、压力脚P共7个运动轴决定位姿；则：从末端坐标系到小车坐标系的旋转矩阵Rec:其中SA、CA、SB、CB分别表示sinA,cosA,sinB,cosB；可知：其中：A、B分别为绕固定坐标系(小车坐标系)的x-y顺序的角度；l，m，n为法向Nc＝[l,m,n]T的三个分量；OcOe为目标位置下，小车坐标系原点Oc到末端坐标系原点Oe的距离，也就是Oe在小车坐标系下的位置，等于目标位置在目标点沿目标法向提高Lpd；即OcOe＝Dc+Lpd*Nc，所述法向是蒙皮的外法向；将公式(2)求得的A、B角值和式(3)求得的OcOe值代入从末端坐标系到小车坐标系的齐次变换矩阵Tec:式中d是从小车坐标系原点到末端坐标系原点的矢量，用公式(3)求解。上部框架上F1、F2、F3、F4点，在末端坐标系的位置为Fie，在小车坐标系下位置为Fic(i＝1,2,3,4)注意：F1e＝[-x1yp1]T(6)式中：x1为小车x方向的运动位置，y为小车y方向的运动位置，p为小车压力脚的运动位置(附图3所示)；设F1c＝[xF1cyF1czF1c1]T由于腿的目标位置就是目标法向Nc，所以各腿的点法式方程均是：球铰链位置Si就是该方程与所在平面方程Z＝Zi的交点。如S1就是该方程与Z＝0的交点，联立可得：注意S1c为原点Oc，所以：S1c＝[0001]T(9)由(8)和(9)可知：公式(11)中可求得x1、y、Zf1cy＝zF1c·m/(n·CA)+p·tanA-dy/CA(13)x1＝-y·SA/tanB+zF1c/SB-p·CA/tanB-dz/SB(14)代入公式(5)可求得所述的法向检测方法是：设四个传感器Si(即S1～S4)的位置和方向为：传感器Si检测到的距离为DSi；那么Si检测到蒙皮的实际位置为TSi：TSi＝Psi+DSi·NSi注意方向是有正负号的，垂直安装时NSi为[0,0,-1]T；任何3点TSi、TSj、TSk确定的蒙皮外法向Nijk:Nijk＝(TSk-YSj)×(TSi-TSj)Nijk再单位化即可获得单位化的法向向量；四个传感器Si(i＝1，2，3，4)确定末端坐标系下的法向Ne；N412、N123、N234、N341单位化后的法向为n412、n123、n234、n341，则：Ne＝(n412+n123+n234+n341)/4；所述的法向调姿的方法为：首先，将末端坐标系下的法向Ne转换为当前小车坐标系下目标法向Nc；将Dc＝[xDt,yDt,zDt]T和Nc’＝[l’,m’,n’]T值重新代入公式(2)～(16)可求解调整到检测法向状态下各轴的运动位置；然后设置各轴运行到新的绝对位置，或者与原有的位置比较后得到增量位置值，各轴运行增量值。在调姿过程重，制孔点始终没变，也就是TCP点就是制孔/K孔点Dc，在末端坐标系的[0；0；-Lpd]处。所述的压力脚距离目标点位置Lpd是通过默认测量获得。法向检测时，如果某一传感器Si数据有问题，则含有i的三组法向与离线差别大于阈值20％以上时报警，说明传感器Si数据有问题，则此时应使用不含Si数据的那个方向为法向。本专利技术的有益效果：本专利技术针对一种混连式轨道制孔系统，提供其用于控制实现法向检测和调整的运动算法。涉及主要用于飞机装配过程中混连式轨道制孔系统在局部加工区域实现目标点定位、法向检测、法向调姿算法。具有以下显著优点：首先，该算法简单快捷，在已知几何参数的基础上，只需要提供目标加工点的位置和法向，就可以一次快速解本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于混连式轨道制孔系统的加工点定位、法向检测和调整方法，其特征是：/n所述的加工点定位方法是：/n设：已知目标点在小车坐标系下的位置为Dc＝[xDt，yDt，zDt]

【技术特征摘要】
1.一种基于混连式轨道制孔系统的加工点定位、法向检测和调整方法，其特征是：
所述的加工点定位方法是：
设：已知目标点在小车坐标系下的位置为Dc＝[xDt，yDt，zDt]T和法向Nc＝[l，m，n]T；压力脚距离目标点位置Lpd；
末端坐标系OeXYZ的坐标原点Oe在压力脚压力环中心贴合蒙皮的位置上，Xe平行于压力脚安装座平面，初始平行位置时和Xc平行并指向驱动机构方向，Ze轴沿底座平面法向向上，Ye形成向外的右手系；小车坐标系OcXYZ的坐标原点Oc在固定腿足部铰链中心，Xc平行于底座指向驱动机构方向，Zc轴沿底座平面法向向上，Yc形成向外的右手系，环形轨道系统的制孔小车固定腿Z1、单向补偿腿Z2、Z3、Z4、X1、Y、压力脚P共7个运动轴决定位姿；
则：从末端坐标系到小车坐标系的旋转矩阵Rec：



其中SA、CA、SB、CB分别表示sinA，cosA，sinB，cosB；
可知：



其中：A、B分别为绕固定坐标系(小车坐标系)的x-y顺序的角度；l，m，n为法向Nc＝[l，m，n]T的三个分量；
OcOe为目标位置下，小车坐标系原点Oc到末端坐标系原点Oe的距离，也就是Oe在小车坐标系下的位置，等于目标位置在目标点沿目标法向提高Lpd；
即OcOe＝Dc+Lpd*Nc，所述法向是蒙皮的外法向；



将公式(2)求得的A、B角值和式(3)求得的OcOe值代入从末端坐标系到小车坐标系的齐次变换矩阵Tec：



式中d是从小车坐标系原点到末端坐标系原点的矢量，用公式(3)求解；
上部框架上F1、F2、F3、F4点，在末端坐标系的位置为Fie，在小车坐标系下位置为Fic(i＝1，2，3，4)



注意：
F1e＝[-x1yp1]T(6)
式中：
x1为小车x方向的运动位置，y为小车y方向的运动位置，p为小车压力脚的运动位置；
设F1c＝[xF1cYF1czF1c1]T
由于腿的目标位置就是目标法向Nc，所以各腿的点法式方程均是：



球铰链位置Si就是该方程与所在平面方程Z＝Zi的交点。
如S1就是该方程与Z＝0的交点，联立可得：

【专利技术属性】
技术研发人员：王珉，田威，李智豪，张浩伟，赵亮，孙新月，李奇，潘劲伟，陈樱利，陈文亮，廖文和，
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