基于并联机构的法向找正方法
【专利摘要】本发明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。
【专利说明】基于并联机构的法向找正方法
【技术领域】
[0001] 本发明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。
【背景技术】
[0002] 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。
[0003] 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。
[0004] 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。
[0005] 2013年11月20日，中国发明专利CN 102284956 B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。
[0006] 2012年03月28日，中国发明专利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。
[0007] 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。
【发明内容】
[0008] 本发明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。
[0009] 为了解决上述技术问题，本发明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：
[0010] 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；
[0011] 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；
[0012] 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；
[0013] 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。
[0014] 本发明中，所述步骤3)中并联机构调整量的计算步骤如下：
[0015] 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；
[0016] 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。
[0017] 本发明中，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。
[0018] 本发明的有益效果在于：（1)、本发明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)、本发明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。
【专利附图】
【附图说明】
[0019] 图1为本发明的法向检测几何模型示意图；
[0020] 图2为本发明的法向检测平面投影示意图；
[0021] 图3为本发明的法向调姿几何模型示意图；
[0022] 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，B1P1A2P 2为并联机构可伸缩的杆，B3P3为固定杆，0B- Xyz为并 联机构坐标系，Tp-Xyz为法向找正前的工具坐标系，OpT p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，Ο/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】
[0023] 下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
[0024] 本发明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。
[0025] 本发明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O pTp轴线变换到Ο/ 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，即刀具由〇Ρ' Τρ'变换到Op" Tp的过程；最终保证 虚拟刀尖点Tp位置不改变。
[0026] 本发明的具体实施步骤如下：
[0027] 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和姿态上，利用 激光跟踪仪建立并联机构的坐标系〇 B_xyz，其坐标系圆心为并联机构定平台中心，X轴沿着 ObB1方向，y轴与B1B2平行，z轴垂直于定平台坚直向上；同理，建立刀具坐标系Tp-XYZ，其 坐标系圆心为预先设定的虚拟刀尖点，X、y轴方向与调姿前并联机构坐标系X、y轴方向相 同，z轴沿着刀具轴线方向。两坐标系之间的转换参数可从激光跟踪仪中获取。
[0028] 步骤2、法向检测，得出曲面上制孔位置处的期望法向姿态：如图1所示，四个位 移传感器十字形均布安装在末端执行器上，等分布局在以刀具轴线为中心轴的圆柱面上， 且均与刀具轴线成α夹角安装，α夹角为45度，以使得打到蒙皮表面的四个激光束在不 交叉的前提下又能够足够靠拢，激光位移传感器的安装点分别为Sp S2、S3、S4，安装时要求 四个安装点共面，安装尺寸应满足M=M=/，且；^与g分别为工具坐标系X轴和Y 轴正方向，四束激光在蒙皮表面上的投影点分别为Qp Q2、Q3、Q4, P?与分别为^在 平面YTpZ和平面XTpZ中的投影。令^ = Ai、％ = Zz2、@ @ = /;4, θ 1为Z轴 到的角，Θ 2为Z轴到的角，&为到的角。由几何关系得到：
[0029] h = arctan (cos Θ 2 X tan Θ 丄)
[0030] 如图2所示，Θ i在工具坐标系XTpZ平面内的投影关系，根据以上几何关系，
[0031] 可求得：
【权利要求】
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。
2. 根据权利要求1所述的基于并联机构的法向找正方法，其特征在于：所述步骤3)中 具体过程为如下： 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。
3. 根据权利要求1或2所述的基于并联机构的法向找正方法，其特征在于：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。
【文档编号】B23Q15/26GK104385053SQ201410416197
【公开日】2015年3月4日 申请日期:2014年8月21日 优先权日:2014年8月21日
【发明者】田威, 廖文和, 韩锋, 张旋 申请人:南京航空航天大学