飞机大部件装配界面精加工坐标测量控制网闭环建立方法
【专利说明】飞机大部件装配界面精加工坐标测量控制网闭环建立方法 【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种飞机大部件装配界面精加工中的坐标测量控制网闭环建立方法， 在使用三轴机床加工2. 5轴特征飞机大部件装配界面时建立基准参考坐标系，属于飞机数 字化制造领域。 【【背景技术】】
[0002] 在飞机制造过程中保证机身、机翼等大部件具有良好的互换性和协调性能够有效 减少装配工时，降低生产成本；但由于制造水平和成本的制约，一味通过提高制造精度来满 足装配准确度是不经济的甚至是不可实现的。为解决此问题，在实际生产中通常在飞机相 邻单元部件之间的对接处即装配界面预留一定的加工余量，并在对接总装时通过对装配界 面的精加工使之满足装配互换性和协调性的要求。
[0003] 飞机大部件装配界面精加工中涉及到的坐标系如附图1所示，飞机大部件装配界 面精加工是为了使大部件满足全机总体装配协调性的要求，因此精加工时需要在全机坐标 系下对大部件进行定位从而保证加工的可靠性。当前常用的方法是通过定位销以及检验卡 板等来确定机床和大部件的相对位姿关系，数字化和自动化水平较低，在精度和效率上都 存在明显的缺陷，不符合未来飞机数字化和智能化制造的长远发展要求。因此，研究一种飞 机大部件装配界面精加工中坐标测量控制网的闭环建立方法，便于对大部件进行数字化和 自动化定位，对飞机大部件装配界面精加工具有重要的意义。 【
【发明内容】
】
[0004] 本发明的目的是提供一种飞机大部件装配界面精加工中的坐标测量控制网闭环 建立方法，以机床坐标系为基准，利用机床坐标系与全机坐标系的理论位姿关系，按照"机 床一工装TB点一地面ERS点一机床"的闭环流程（如附图2所示）建立坐标测量控制网， 为实现多坐标系统一和数据融合、机床对加工区域的高精度自动定位奠定基础。
[0005] 本发明所提出的飞机大部件装配界面精加工坐标测量控制网闭环建立方法，包括 以下步骤（附图3):
[0006] 步骤一：机床在工装型架上加工至少三个不共线的TB孔；
[0007] 步骤二：利用在机测头测量TB孔的坐标，设为if (i为TB点编号，i彡3);
[0008] 步骤三：根据机床坐标系与全机坐标系的理论关系（设为?/f )，用坐标变换矩阵 形式表示为：
[0010] 其中R为3X3的旋转矩阵，T为3X1的平移矩阵。通过机床坐标系和全机坐标 系的关系可以得到TB点在全机坐标系下的理论坐标_为：野
[0011] 步骤四：激光跟踪仪测量所有的TB孔建立全机坐标系；
[0012] 步骤五：激光跟踪仪测量地面ERS点并赋值，从而建立了初步的坐标测量控制网；
[0013] 步骤六：将激光跟踪仪转移到合适的站位下，测量地面ERS点，建立全机坐标系；
[0014] 步骤七：通过机床主轴上安装的靶球座在机床运动空间内测量若干点，建立机床 坐标系与全机坐标系的转换关系为：
[0015] 其中P尸和?产分别为机床主轴上的靶标点在机床坐标系和全机坐标系下的值， 和_!分别为机床坐标系向全机坐标系转换的旋转和平移变换矩阵。
[0016] 步骤八：将和胡分别与步骤三中的R和T进行对比，平移矩阵的偏差可以在加 工时设置偏置进行补偿，对加工的影响可以消除，而旋转矩阵R的偏差对加工误差影响较 大，如不符合要求则否重复步骤4) 一一步骤7)，如满足要求，则坐标测量控制网建立完毕。 【【附图说明】】
[0017] 附图1所示为飞机大部件装配界面精加工中涉及到的坐标系示意图
[0018] 附图2所示为坐标系传递关系示意图
[0019] 附图3所示为飞机大部件装配界面精加工闭环坐标测量控制网建立流程
[0020] 附图4所示为实施案例中工装型架上设计的待加工TB孔的位置
[0021] 附图5所示为实施案例中全机坐标系与定位器坐标系的理论转换关系
[0022] 附图6所示为实施案例中在机床运动空间内设计的待测点位置 【【具体实施方式】】
[0023] 下面结合附图和实施案例对本发明做进一步的说明。
[0024] 步骤一：机床在工装型架上加工4个TB孔，其在机床坐标系下的位置关系如附图 4所示，TB孔位置的设计需要考虑以下两点：
[0025] (1)TB孔不能呈直线排列，否则不能建立坐标系；
[0026] (2) TB孔在机床的行程范围内分布距离尽量大，以减少误差。
[0027] 步骤二：利用在机测头测量TB孔的坐标，如表1所示；
[0028] 表1TB孔中心在机床坐标系下的坐标值
[0029] 所描述的TB孔中心坐标指的是TB孔中心轴线与靶球座安装平面交点向靶球方向 偏移靶球座高度加靶球半径距离后的坐标。
[0030] 步骤三：根据机床坐标系与全机坐标系的理论关系（如附图5所示），用坐标变换 矩阵形式表示为：
[0032] 其中旋转矩阵
[0033] 平移矩阵T=[-34735 -3660 妃为。
[0034] 通过机床坐标系和全机坐标系的理论关系可以得到ΤΒ点在全机坐标系下的理论 坐标为如表2所示；
[0035] 表2ΤΒ孔中心在全机坐标系下的理论坐标值
[0036] 步骤四：激光跟踪仪测量所有的ΤΒ孔，建立全机坐标系；
[0037] 注意激光跟踪仪的站位选择要一次能测到所有的ΤΒ孔，同时尽可能多地测到ERS 点。
[0038] 步骤五：激光跟踪仪测量地面ERS点并赋值，如表3所示，从而建立了初步的坐标 测量控制网；
[0039] 表3ERS点在全机坐标系下的实测值
[0040] 激光跟踪仪在一个站位下不能测到所有的ERS点，转站时多布设临时转站测量 点，降低转站误差。
[0041] 步骤六：将激光跟踪仪转移到合适的站位下，测量地面ERS点，建立全机坐标系。
[0042] 注意激光跟踪仪的站位选择要能测到机床运动空间内的全部点，同时能测到尽量 多的ERS点。
[0043] 步骤七：在机床的运动空间内设计附图6的一系列测量点，在机床坐标系下的坐 标如表4所示。
[0044] 表4测量点在机床坐标系下的坐标
[0045] 将靶球座安装在机床主轴上，通过数控程序驱动机床运动到所有待测点的位置， 同时用激光跟踪仪测量所有的待测点，测量结果如表5所示。
[0046] 表5测量点在全机坐标系下的坐标
[0047] 根据表4和表5的数据计算出机床坐标系与所建立的全机坐标系的实际转换关系 为：
[0049] 其中旋转矩阵
[0050] 平移矩阵 1^=〖-M735.00S -3659.951 435.05X]7;
[0051] 步骤八：将步骤七中求解的< 和TAM与步骤三种的R和T进行对比，得到机床/全 机坐标系的理论变换关系和实际变换关系的偏差为：
[0054] 平移偏差可在加工时设置偏置进行补偿，其影响可以忽略，而旋转矩阵的偏差非 常小，在符合精度要求的范围内，因此所建立的坐标测量控制网符合要求。
【主权项】
1. 一种针对飞机大部件装配界面精加工中的坐标测量控制网闭环建立方法，应用在三 轴机床加工2. 5轴特征飞机大部件装配界面时，其特征在于以机床坐标系为基准，利用机 床坐标系与全机坐标系的理论位姿关系，按照"机床一工装TB点一地面ERS点一机床"的 闭环流程建立坐标测量控制网。2. 根据权利要求1所述的坐标测量控制网闭环建立方法，其特征在于利用机床在工装 型架上加工不少于3个不共线的TB孔，将机床坐标系与工装联系起来，为后续建立坐标测 量控制网提供参考的基准点。3. 根据权利要求1所述的坐标测量控制网闭环建立方法，其特征在于利用激光跟踪仪 测量地面ERS点建立全机坐标系，并在同一个站位下测量机床运动空间内若干测量点建立 机床坐标系，通过实测的机床坐标系对所建立的坐标测量控制网进行闭环标定，从而提高 坐标测量控制网的建立精度。
【专利摘要】本发明提供一种飞机大部件装配界面精加工中的坐标测量控制网闭环建立方法，在使用三轴机床加工2.5轴特征飞机大部件装配界面时建立基准参考坐标系。该方法以机床坐标系为基准，利用机床坐标系与全机坐标系的理论位姿关系，按照“机床→工装TB点→地面ERS点→机床”的闭环流程建立坐标测量控制网，为实现多坐标系统一和数据融合、机床对加工区域的高精度自动定位奠定基础。
【IPC分类】G06F17/50
【公开号】CN105354360
【申请号】CN201510641527
【发明人】雷沛, 郑联语, 张宏博, 曹逸凡
【申请人】北京航空航天大学
【公开日】2016年2月24日
【申请日】2015年9月30日