一种飞机侧壁部件装配调姿轨迹规划方法
【专利摘要】一种飞机侧壁部件装配调姿轨迹规划方法，步骤为：一、在工装底座上安装固定靶镜，利用激光跟踪仪测量靶镜坐标，建立固定坐标系{A}；二、在飞机侧壁部件上安装靶镜，在飞机侧壁部件上建立随动坐标系{B}；三、在每台定位器上安装靶镜并建立驱动坐标系{Mi}；四、计算出随动坐标系{B}在固定坐标系{A}中的位姿，即为飞机侧壁部件的初始位姿；五、在四个夹持点处安装靶镜，利用激光跟踪仪测量靶镜坐标，得到夹持点在固定坐标系{A}中的初始坐标；反解驱动坐标系{M}下的位矢；六、旋转运动轨迹规划；七、平移运动轨迹规划。本发明有效降低了调姿机构多轴协调驱动的控制难度，解决了装配过程中飞机侧壁部件始末位姿已知而运动路径不确定的位姿调整轨迹规划问题。
【专利说明】一种飞机侧壁部件装配调姿轨迹规划方法
(—)【技术领域】
[0001]本发明提供一种飞机侧壁部件装配调姿轨迹规划方法，它是基于六自由度并联机构飞机侧壁部件装配调姿轨迹规划方法，属于飞机部件装配【技术领域】。
(二)技术背景
[0002]近一二十年来，以波音公司和空客公司为代表的航空制造企业大力发展数字化装配技术，普遍采用数字化柔性装配工装。这样大量的通用性强的数字化工装可以重复使用，不仅可以缩短生产周期、改进装配过程、大大提高装配质量及其工作效率，而且由于其通用性和灵活性可以适用于集中不同飞机产品或零部件的装配，大幅度地减少了工装数量。目前，我国的飞机装配技术与发达国家相比还很落后。各主机厂基本上还是沿袭着过去几十年来以手工作坊模式为主的飞机装配技术，采用大量的标准工装和专用装配工装。
[0003]飞机部件在调姿装配过程中大多采用多个定位器进行支撑，通过自动化控制，实现部件的位姿调姿和对接。基于多点支撑的柔性装配工装作为并联机构的一种典型应用有刚度重量比大、承载能力强、响应速度快等优点，但是基于定位器的调姿装配系统，一般都需要多轴冗余驱动，对控制方法提出了更高的要求。
[0004]轨迹规划是许多运动控制系统设计过程中必须要考虑的一个关键问题，其规划的合理与否将直接关系到机构是否能按要求完成工作任务。一个好的轨迹规划甚至能使机构的某些性能指标得到优化，比如时间、能量消耗、驱动力(力矩)等，这些都是并联机构常见的轨迹规划目标。对多轴运动控制系统进行合理的轨迹规划，降低控制难度很有必要。
(三)
【发明内容】
[0005]1、目的:
[0006]本发明的目的是提出一种飞机侧壁部件装配调姿轨迹规划方法，它是结合自主设计的面向飞机侧壁部件柔性装配调姿机构，提出一种基于侧壁部件始末位姿已知而运动路径完全不确定的位姿调整轨迹规划方法，以降低调姿机构多轴协调驱动的控制难度。
[0007]2、技术方案:
[0008](I)先介绍柔性装配调姿机构:见图1所示，该六自由度并联机构飞机侧壁部件柔性装配调姿机构，主要由四台呈前后两排、高低搭配布局的精密三坐标定位器组成。见图2，将飞机侧壁部件视为动平台，与四台定位器共同组成4-PPPS并联机构，能够实现对飞机侧壁部件空间6自由度位姿调整。它们之间的连接关系是:每个PPPS支链末端与飞机侧壁部件通过球铰连接组成球铰副，然后依次通过三个互相正交的移动副与静平台相连。前排两台定位器用于支撑飞机侧壁部件底部部位；后排两台定位器用于支撑侧壁部件顶部部位。每台三坐标定位器包括4部分:x向移动组件、y向移动组件、z向移动组件以及工艺接头。飞机侧壁部件与定位器之间通过工艺接头连接，该工艺接头可视为球关节。定位器X、Y、z向的移动由伺服电机进行精密驱动。
[0009]所述PPPS支链是由球铰、支撑臂、十字托快、立柱、导轨、底座组成。支撑臂末端通过球铰与飞机侧壁部件相连，支撑臂与十字托快、十字托快与立柱、立柱与底座依次通过导轨滑块相连组成移动副。
[0010]所述静平台是指与地面固定的调整水平的装配型架底座、
[0011]本发明中的移动副采用滚珠丝杠和螺母结构来实现单自由度传递运动，螺母与被驱动组件固定，各移动组件均沿滚动直线导轨移动。
[0012]本发明中同一方向的导轨互相平行，不同方向的导轨互相正交。
[0013](2)本发明一种飞机侧壁部件装配调姿轨迹规划方法，该方法步骤如下:
[0014]步骤一:在飞机部件装配现场的工装底座上安装固定靶镜，利用激光跟踪仪测量靶镜坐标，在工装底座上建立一个固定坐标系o-xyz，记为{A}；
[0015]步骤二:在飞机侧壁部件上安装靶镜，利用激光跟踪仪测量靶镜在固定坐标系{A}中坐标，在飞机侧壁部件上建立一个随动坐标系o’ -X, y’ z’，记为{B};其坐标原点在{A}中的位矢pA= (px Py ρζ)τ，在{A}中的姿态矩阵Rab;
[0016]步骤三:在每台定位器上安装靶镜，利用激光跟踪仪测量靶镜在固定坐标系{A}中坐标Oi，在每台定位器上建立一个驱动坐标系O1-XiyiZi,记为{MJ (i = 1、2、3、4)，坐标原点在{Α}中的位置矢量为VS
[0017]步骤四:计算出随动坐标系{B}在固定坐标系{Α}中的位姿，即为飞机侧壁部件的初始位姿，记为Utl;
[0018]步骤五:在四个夹持点处安装靶镜，利用激光跟踪仪测量靶镜坐标，得到夹持点在固定坐标系{Α}中的初始坐标，记为qiA，(i=l、2、3、4);反解驱动坐标系{M}下的位矢qiM;
[0019]步骤六:旋转运动轨迹规划；先设定该轨迹规划的边界条件，即设定调姿时间T，给定飞机侧壁部件目标位姿Ut以及调姿过程运动学边界条件，记为:
[0020]I)位姿边界条件:U (O) =U0，U (T) =Ut ；
[0021]2)速度边界条件:v (0)=v。，V (T) =ντ ；
[0022]3)加速度边界条件:a(0)=a。，a (T) =aT ；
[0023]计算各定位器驱动量；
[0024]步骤七:平移运动轨迹规划；先设定该轨迹规划的边界条件，即设定调姿时间T，给定飞机侧壁部件目标位姿Ut以及调姿过程运动学边界条件，记为:
[0025]I)位姿边界条件:U (O) =U0，U (T) =Ut ；
[0026]2)速度边界条件:v(0)=vQ, V (T) =ντ ；
[0027]3)加速度边界条件:a(0)=aQ, a(T)=aT。
[0028]计算各定位器驱动量。
[0029]其中，在步骤一中所述的“在工装底座上建立一个固定坐标系o-xyz，记为{A} ”，其建立方法为:
[0030]在底座上先安装一个靶镜&，其位置约在底座中部即可，作为固定坐标系{A}的原点O ;在O点竖直方向和与X向导平行方向上分别安装一靶镜fz、fx。以向量G作为X轴，以向量方向作为Z轴方向，根据右手定则确定y轴方向，如图1所示。
[0031]其中，在步骤二中所述的“在飞机侧壁部件上建立随动坐标系{B}”，其建立方法为；
[0032]在飞机侧壁部件大致中心处安装一靶镜f。，作为动坐标系{B}的原点O'，在飞机侧壁部件上大致与靶镜f。,竖直和水平方向上安装靶镜fz,，fx,。以向量;作为x'轴， 以向量/y/y方向作为z'轴方向，根据右手定则确定y'轴方向。
[0033]其中，在步骤三中所述的“在每台定位器上建立一个驱动坐标系oi-xVzi，记为 {MJ ”，其建立的方法为；
[0034]在立柱底部安装一靶镜f。1作为驱动坐标系{MJ的原点oS x\ y\ z'轴方向均与 固定坐标系{A}的x、y、z轴方向对应一致。
[0035]其中，在步骤四中所述的“计算出随动坐标系{B}在固定坐标系{A}中的位姿，即 为飞机侧壁部件的初始位姿，记为％”，其计算的方法为：
[0036]利用激光跟踪仪测量飞机侧壁部件上靶镜f。，在固定坐标系{A}中的位置，作为 飞机侧壁部件在固定坐标系{A}中的初始位矢pA=(px py pz)T。设初始状态下，随动坐标系 {B}相对于固定坐标系{A}z、x、z转动顺序的欧拉角为a (0)、3 (0)、y (0)。则随动坐标 系{B}相对于固定坐标系{A}的姿态转换矩阵为：
【权利要求】
1.一种飞机侧壁部件装配调姿轨迹规划方法，其特征在于:该方法步骤如下: 步骤一:在飞机部件装配现场的工装底座上安装固定靶镜，利用激光跟踪仪测量靶镜坐标，在工装底座上建立一个固定坐标系o-Xyz，记为{A}； 步骤二:在飞机侧壁部件上安装靶镜，利用激光跟踪仪测量靶镜在固定坐标系{A}中坐标，在飞机侧壁部件上建立一个随动坐标系V -X, z'，记为{B};其坐标原点在{A}中的位矢pA= (px Py Pz)τ，在{A}中的姿态矩阵Rab ; 步骤三:在每台定位器上安装靶镜，利用激光跟踪仪测量靶镜在固定坐标系{A}中坐标Oi,在每台定位器上建立一个驱动坐标系O1-XiyiZi,记为{MJ，i=l、2、3、4，坐标原点在{A}中的位置矢量为HiiiS 步骤四:计算出随动坐标系{B}在固定坐标系{A}中的位姿，即为飞机侧壁部件的初始位姿，记为Utl; 步骤五:在四个夹持点处安装靶镜，利用激光跟踪仪测量靶镜坐标，得到夹持点在固定坐标系{A}中的初始坐标，记为qiA，i=l、2、3、4 ;反解驱动坐标系{M}下的位矢qiM; 步骤六:旋转运动轨迹规划；先设定该轨迹规划的边界条件，即设定调姿时间T，给定飞机侧壁部件目标位姿Ut以及调姿过程运动学边界条件，记为: .1)位姿边界条件:U(0)=UQ，U(T)=Ut ； .2)速度边界条件:v(0)=vQ,V (T) =ντ ； .3)加速度边界条件:a(0)=a0 ,a (T) =aT ； 计算各定位器驱动量； 步骤七:平移运动轨迹规划；先设定该轨迹规划的边界条件，即设定调姿时间T，给定飞机侧壁部件目标位姿Ut以及调姿过程运动学边界条件，记为: .1)位姿边界条件:U(0)=UQ，U(T)=Ut ； .2)速度边界条件:v(0)=vQ,V (T) =ντ ； .3)加速度边界条件:a(0)=a0,a (T) =aT ； 计算各定位器驱动量。
2.根据权利要求1所述的一种飞机侧壁部件装配调姿轨迹规划方法，其特征在于: 在步骤一中所述的“在工装底座上建立一个固定坐标系o-xyz，记为{A}”，其建立方法为:在底座上先安装一个靶镜fo，其位置在底座中部即可，作为固定坐标系{A}的原点ο ;在.O点竖直方向和与X向导平行方向上分别安装一靶镜fz、fx，以向量作为X轴，以向量/ f方向作为Z轴方向,根据右手定则确定y轴方向。
3.根据权利要求1所述的一种飞机侧壁部件装配调姿轨迹规划方法，其特征在于: 在步骤二中所述的“在飞机侧壁部件上建立随动坐标系{B}”，其建立方法为:在飞机侧壁部件中心处安装一靶镜f。，作为动坐标系{B}的原点o'，在飞机侧壁部件上与靶镜f。,竖直和水平方向上安装靶镜fz,，fx,，以向量M作为Xr轴，以向量；方向作为Y轴方向，根据右手定则确定y'轴方向。
4.根据权利要求1所述的一种飞机侧壁部件装配调姿轨迹规划方法，其特征在于: 在步骤三中所述的“在每台定位器上建立一个驱动坐标系O1-XiyiZi，记为{MJ”，其建立的方法为:在立柱底部安装一靶镜f。1作为驱动坐标系{MJ的原点Oi, X^yiJ轴方向均与固定坐标系{A}的X、y、z轴方向对应一致。
5.根据权利要求1所述的一种飞机侧壁部件装配调姿轨迹规划方法，其特征在于: 在步骤四中所述的“计算出随动坐标系{B}在固定坐标系{A}中的位姿，即为飞机侧壁部件的初始位姿，记为Utl”，其计算的方法为: 利用激光跟踪仪测量飞机侧壁部件上靶镜f。，在固定坐标系{A}中的位置，作为飞机侧壁部件在固定坐标系{A}中的初始位矢pA=(px py pz)τ ;设初始状态下,随动坐标系{B}相对于固定坐标系{A} ζ、χ、ζ转动顺序的欧拉角为a(0)、β (O)、Y (O)，则随动坐标系{B}相对于固定坐标系{Α}的姿态转换矩阵为:
6.根据权利要求1所述的一种飞机侧壁部件装配调姿轨迹规划方法，其特征在于: 在步骤五中所述的“反解驱动坐标系{MJ下的位矢
7.根据权利要求1所述的一种飞机侧壁部件装配调姿轨迹规划方法，其特征在于: 在步骤六中所述的“旋转运动轨迹规划”，该轨迹规划的方法为: 采用五次多项式对旋转运动轨迹进行拟合，以欧拉角α为例，侧壁部件从初始位姿到目标位姿过程的旋转运动轨迹方程表示为:
8.根据权利要求1所述的一种飞机侧壁部件装配调姿轨迹规划方法，其特征在于: 在步骤六中所述的“计算各定位器驱动量”，其计算方法为:将式(9)中求得办?Μ分别向{MJ坐标轴方向投影即得到对应驱动的驱动量。
9.根据权利要求1所述的一种飞机侧壁部件装配调姿轨迹规划方法，其特征在于: 在步骤七中所述的“平移运动轨迹规划”，该轨迹规划的方法为: 侧壁部件完成姿态调整后，将处于目标姿态[a (Te) β (Te) Y (Τκ)]τ，只需分别沿x、y、z三个方向进行平移运动即完成位姿调整；针对侧壁部件的平移运动采用“加速-匀速-减速”速度模式，以分段三次多项式进行轨迹规划；在平移运动轨迹规划中，使加速过程和减速过程对称，平移运动的轨迹UP(t)为:
UP(t) = [px(t) Py (t) Pz (t) a (Te) β (Te) Y (Te) ]τ (10) 式中Tp为侧壁部件平移运动时间；将式(10)代入式(3)、(4)即求得侧壁部件平移运动过程中定位器各关节的运动轨迹；
10.根据权利要求1所述的一种飞机侧壁部件装配调姿轨迹规划方法，其特征在于:在步骤七中所述的“计算各定位器驱动量”，其计算方法为:将式(11)中求得的見Mi分别向{MJ坐标轴方向投影即得到对应驱动的驱动量。
【文档编号】B64F5/00GK103496449SQ201310384485
【公开日】2014年1月8日 申请日期:2013年8月29日 优先权日:2013年8月29日
【发明者】李卫东, 王洪雨, 万敏, 涂晓君, 龚会民 申请人:北京航空航天大学, 成都飞机工业（集团）有限责任公司