专利名称：翼身对接自动制孔系统及方法
技术领域：
本发明涉及一种翼身对接自动制孔系统及方法，属于作业运输技术领域。
背景技术：
对接制孔是翼身对合装配的关键环节，制孔效率直接制约飞机总装周期，而制孔 质量也将直接影响连接结构件的抗疲劳性能。尤其伴随航空结构件向着薄壁化、整体化和 复杂化方向发展，整机结构长寿命、高质量、高效率 等方面的要求，加以复合材料、钛合金等 难加工材料的用量大幅度增加，使装配制孔比以往要求更高、更精。翼身对接制孔由于受到加工部位不易定位与装夹、作业环境狭小、倒立制孔不便 等因素的影响，目前它的制孔方式多采用传统的手工钻削。同时，由于制孔过程中难以准确 实现盲孔对接，该操作需要通过一系列“预制底孔一扩孔一铰孔”的复杂工序流程，加之孔 位法矢检测受人控误差较大等因素的困扰，使制孔质量稳定性较差，作业效率也较低。因 此，迫切需要研制翼身对接制孔自动化装备。在飞机装配自动制孔方面，目前基于机器人制孔技术的应用较为成熟。如美国 Electroimpact公司成功开发了一种柔性轨道制孔系统，即柔性轨道机器人+制孔末端执 行器+监测及标定系统，工作时载有制孔末端执行器与检测标定系统的柔性轨道机器人是 通过柔性轨道的真空杯吸附在工件上。再有西班牙Fatronic Tecnalia公司也研发了一种 基于爬行机器人的自动制孔系统，即采用自主爬行机器人+制孔末端执行器+监测及标定 系统，它是通过带有真空吸盘的自主爬行机器人在监控及标定系统的协助下将制孔末端执 行器送至指定位置。两种自动制孔系统因采用了真空吸附技术，要求工件表面相对平整且 曲率变化较小，因而主要用于大飞机的大型工件或部件的加工。此外，中国申请(专利)号 200810121353. 1公布了一种应用于飞机辅助装配的工业机器人切削加工系统及方法，该系 统是由工业机械臂+制孔末端执行器+监测及标定系统组成。由于机械臂可具有多自由 度，此类自动制孔系统能适合于工件表面复杂、制孔位置精度较高的加工，但需提供机械臂 足够的工作空间。对翼身对接制孔而言，上述的三种机器人型自动制孔系统显然不能满足 作业环境要求，而且三种自动制孔系统均未涉及翼身对接装配中盲孔定位问题。在盲孔对接制孔定位上，美国Grand Pacific公司提供了一种蒙皮盲孔定位系统， 主要包括一套传感器、钻孔定位器、真空吸盘系统、定位显示屏、磁铁及供电电源。操作时， 首先由操作者手持钻孔定位器，并将其放置工件表面；然后根据工件背面盲孔中磁铁的场 强分布在定位显示屏上的移动指向进行粗定位；当手持钻孔定位器与磁铁基本能实现对中 时，接着利用真空吸盘系统吸附在工件上再进行精确定位。因此，该装置在定位过程中具有 很大随机性。同时，该系统在定位过程中需要较大的作业空间，而翼身对接只是一个宽度为 50 80毫米的窄带，显然精定位时存在吸盘安装问题。
发明内容
本发明的目的是克服现有自动制孔系统、盲孔定位装置的技术不足，提出了一种盲孔定位效率高、自动化程度高、操作方便的翼身对接自动制孔系统及方法，尤其适合于翼 身对接件为难加工材料的高精度孔系的自动制孔系统与方法。 —种翼身对接自动制孔系统，其特征在于该系统包括用于盲孔定位的孔定位单 元，便于搬运的可移车体，安装于可移车体上顶面的法矢调姿机构，还包括安装在法矢调姿 机构动平台上的法矢检测单元和制孔单元，以及一个用于整个系统集中控制的中央控制单 元，其中(1)上述孔定位单元，包括吸盘、安装于吸盘上的罩壳、通过一组周向与径向运动 机构安装于罩壳上的磁传感器，还包括一个与周向与径向运动机构相连的运动控制指令分 析生成模块、一个与磁传感器相连的磁场检查数据分析处理模块，以及一个固定在磁传感 器上的打标装置；(2)上述法矢调姿机构包括可实现X、Y方向移动的工作台与安装于工作台上可实 现Χ、γ两向转动、Z向移动的三杆并联平台。(3)上述法矢检测单元包括一个图像对中传感器、以及位于同一圆上三等分处的 三个光学位移传感器；(4)上述制孔单元为传统钻孔装置或螺旋铣孔装置。一种基于上述翼身对接自动制孔系统的制孔方法，其特征在于包括以下步骤步骤1、利用孔定位单元采用磁定位原理确定盲孔在翼身外表面的投影位置，并作 标志点，具体过程如下(1)、在盲孔中放置磁体粗略估计磁体的位置，将孔定位单元安放在翼身对接的外 表面，并确保孔定位单元中的磁传感器能检测到磁场信号；(2)、使磁传感器在翼身对接表面上先绕固定点以固定半径做圆周方向扫描，到达 圆周方向上强度最大位置；再以沿径向直线方向扫描，再次到达径向上强度最大位置，即为 盲孔在外表面的投影位置；在外表面作下标志点；步骤2、通过光学检测方法确定标记点在制孔装置坐标系下位姿，具体过程如下(1)、利用法矢检测单元中的图像对中传感器采集的孔标记点图像信息，自动算出 孔标记点与图像中心的偏差，不断进行标记点与图像对中传感器的对中调整直至完成对中 过程，然后通过中央控制单元记录下该标志点在自动制孔装置坐标系下坐标；(2)、利用法矢检测单元中的三个光学位移传感器在标志点附近进行光束投影， 在标志点附近形成三个投影点，再利用光学位移传感器确定其投影点相对自身的距离，将 三个距离数据送至中央控制单元，由中央控制单元解算出三个投影点构成的平面的法矢方 位，由于三个投影点与标记点非常接近且翼面曲率较小，因此三个投影点构成的平面的法 矢方位即为标记点法矢方位。步骤3、最终并根据标记点位姿生成相应的运动控制指令控制制孔单元进行孔的加工。其中，所述磁传感器进行圆周方向扫描或径向直线方向扫描时，所述磁场强度最 大位置即对应于磁场强度由弱增强，再由强减弱的突变时刻。进行圆周方向扫描时，若磁传 感器受到结构限制每次仅能进行圆周上的一段圆弧的扫描，且磁场强度最大位置位于圆弧 两端，则使定位装置绕固定点沿该圆弧上磁场强度增大方向旋转过一定角度重新检测。进 行径向直线方向扫描时，若磁传感器受到结构限制每次仅能进行径向直线方向上一直线段的扫描，且磁场强度最大位置位于直线段两端，则使定位装置沿着直线段磁场强度增大方 向将孔定位单元移过一定距离重新检测。另外，所述图像对中传感器在法矢调姿时，通过电动伸缩缸被送到工作孔轴线上， 法矢调姿结束时再通过电动伸缩缸缩回原来位置，便于下方制孔单元刀具沿工作孔的轴向 进给完成孔的加工。
图1.为根据本发明的翼身对接自动制孔装置一较佳实施案例的结构示意图；图2.为本发明的孔定位单元一较佳实施案例的结构示意图；图3.为本发明的磁传感器在盲孔检测时运行路线示意图；图4.为图1的法矢检测单元对图像中传感器安装示意图；图5.为图4的俯视图，且三个光学位移传感器安装于图示位置；图6.为图1的法矢调姿机构一较佳实施案例的结构示意图；图7.为图1的可移车体一较佳实施案例的结构示意图；图8.为本发明的翼身对接自动制孔装置系统组成框图；图9.为本发明的翼身对接自动制孔方法的一个实施流程图；图10.为本发明的盲孔自动定位的一个较佳实施流程图；图11.为本发明的盲孔法矢检测的一个较佳实施流程图。图1中标号名称1000、制孔单元，2000、法矢检测单元，3000、法向调姿机构， 30001-1、工作台，3000-2、三杆并联平台，4000、可移机体，5000、中央控制台。图2中标号名称7000、孔定位单元，7001、手柄，7002、罩壳，7003、吸盘，7004、 磁传感器支架，7005、磁传感器，7006、手持控制器，7006-1、磁场检查数据分析处理模块， 7006-2、周向与径向运动控制指令分析生成模块，7007、打标装置，7008、动滑轮。图3中标号名称1、第一检测方向(圆周方向)初始位置，II、第一检测方向结束 位置，III、第一检测方向磁场强度最大处/第二检测方向(直径方向)初始位置，IV、第二 检测方向结束位置，V、第二检测方向磁场强度最大处，708、圆柱型磁铁。图4、图5中标号名称2001、壳体，2002、挡块，2003、安装座，2004、图像对中传感 器，2005、电动伸缩缸，2006、固定支架，2007、三光学位移传感器，2008、工作孔。图6中标号名称3000_1、工作平台，3001、定平台，3002、动平台，3003、电动伸缩 杆，3004、制孔单元安装孔，3005、虎克铰/球铰，3006、滑轨。图7中标号名称4001、工作平台安装面，4002、升降支撑装置，4003、组合车架， 4004、控制柜。图8、图9、图10、图11中标号名称1-6、1-305、方法实施步骤。
具体实施例方式本发明的翼身对接自动制孔方法及系统，主要是利用磁定位原理首先确定盲孔在 翼身外表面的投影位置并作标志点，通过光学检测技术主动获取该标志点在自动制孔装置 坐标系下的位姿，最后根据标记点位姿控制制孔单元完成孔的加工。以下结合附图详细介 绍本发明涉及方法与装置的具体实施方案。
图1、图2、图3、图4、图5、图6、和图7，为本发明的翼身对接自动制孔系统一个具 体实施案例，它包括孔定位单元7000、制孔单元1000、法矢检测单元2000、法矢调姿机构 3000、可移机体4000及一中央控制单元5000，其特征在于孔定位单元7000，该装置是由一磁传感器7005、一组周向与径向的运动机构7004、一个打标装置7007及一个用以控制运动机构7004与磁传感器7005的手持控制器 7006组成。所述的磁传感器7005被固定在周向与径向的运动机构7004动力输出元件上， 同时该磁传感器7005上还装有一个打标装置7007。周向与径向的运动机构7004包括两 个驱动电机一是周向旋转驱动电机，另一是径向伸缩驱动电机，均位于孔定位单元壳体 (7002)内。该周向旋转驱动电机是通过一齿轮齿条传动与一固定于扇形齿条上的悬臂支 架相连，而径向伸缩驱动电机是经过布置在悬臂支架上的一条柔索和一个动滑轮7008与 磁传感器7005相连。所述手持控制器7006的数据处理单元包括磁场检查数据分析处理模 块7006-1、周向与径向运动控制指令分析生成模块7006-2，与周向、径向运动机构的驱动 装置、磁传感器均进行电性连接。通过手持控制器70006来调控磁传感器7005的周向或径 向运动，达到一定区域内孔点自动搜索、定位的目的。法向调姿机构3000，该机构安装在可移车体4000上顶面，同时其上装有法矢检测 单元2000和制孔单元1000。在制孔单元1000法矢调节起步阶段，法矢检测单元的图像对 中传感器2004通过电动伸缩缸2005调至图4所示位置(工作状体)，与此同时法矢调节机 构的工作台3000-1通过手动/自动控制方式使工作台3000-1沿X、Y轴向盲孔的标记点靠 近。当标记点进入图像对中传感器2004工作范围内，工作台3000-1自动转入由图像对中 传感器2004检测信息控制阶段，直至完成法矢检测单元2000与标记点的对中调整。确定 标记点法矢时，法矢检测单元2000的三个光学位移传感器2007通过检测距自身在标记点 附件投影点的距离，送至中央控制器5000解算出标记点在自动制孔装置坐标系下机翼表 面的法矢方位。接着，结合对中结束时坐标点的X、Y两向坐标，由中央控制器5000规划出 法矢调姿机构3000各自由度的运动增量，控制法矢调姿机构3000带动制孔单元2000行至 标记点的法矢状态，即制孔时刀具位姿。此时，法矢检测单元2000的图像对中传感器2004 缩回初始位置，制孔单元1000便可进入制孔操作。为了便于装置搬运，上述法矢检测2000、法矢检测机构3000、控制柜2004等部件 均置于一个可移车体4000上。进入翼身对接制孔工位时，通过可移车体的升降支撑装置 4002撑起整个制孔装置并与地面进行固连，以防制孔时车体发生侧滑。图8、图9和图10、图11，为本发明的翼身对接自动制孔方法的一个较佳实施案例 的四个工作流程图。图8中，本发明的翼身对接自动制孔方法包括如下步骤步骤1 在翼身对接部位的多个盲孔中依次摆放一磁体7008，且保证相邻两磁体 间无明显相互磁场干扰。步骤2 将孔定位单元7000粗略地摆放在每个磁体所对应的翼身外表面处，通过 手持控制器7006控制磁传感器7005沿着图2中设定方向运行，磁传感器7005最终行至磁 场强度最大处(V)，即盲孔在翼身外表面的投影位置，并作下标志点。通过反复地执行本操 作，完成所有标记点的确定。步骤3 将图1所示的自动制孔装置移至翼身对接下方，通过支撑装置4002撑起可移车体4000，并与地面进行固连以防止整个装置因受到切削载荷而发生侧滑。利用法矢检测单元2000求解上述标志点在自动制孔装置坐标系下位姿。步骤4 根据标记点在自动制孔装置坐标系下位姿，由中央控制平台5000规划出法向调姿机构3000的运动指令，带动制孔单元1000行至标志点的法向位姿。步骤5 制孔单元1000在安装至法向调姿机构3000前根据孔的尺寸将刀具1303 已调至所需的偏置状态。根据翼身连接件的材料、厚度设置合适的切削用量，完成制孔操 作。步骤6 法向调姿机构3000带动制孔单元1000返回初始状态，或转至步骤3执行 其后部分操作，继续进行下一连接孔的加工。图3、图7中，本发明的盲孔自动定位方法包括如下步骤步骤201 根据各盲孔对接的加工厚度及其孔径大小，在孔内依次选放一组圆柱 型磁体7008。步骤202 粗略估计待定磁体位置，将孔定位单元7000摆放在翼身对接的外表面， 若无磁场检测信号可通过调整孔定位单元的位置，有磁场信号即可。步骤203 如图3所示，利用孔定位单元7000首先进行第一检测方向(圆周方向) 磁场检测磁传感器7005围绕孔定位单元的壳体7001周向旋转，并使其沿着磁场强度增 强的方向(I — II)，若执行一段时间后出现磁场强度递减现象，此时通过手持控制器7006 根据检测数据控制磁传感器7005返回本阶段磁场强度最大处。若检测过程中磁场强度最 大值位于圆弧两端，则将孔定位单元7000沿着场强在圆弧增大方向转过一定角度，重新检 测。步骤204:利用孔定位单元7000进行第二检测方向(径向直线段方向)磁场检 测控制磁传感器7005沿着孔定位单元7000的壳体7001径向运动，并使其运动沿着磁场 强度增大方向(III — IV)，若执行一段时间后出现磁场强度递减现象，此时通过手持控制 器7006根据检测数据控制磁传感器7005返回本阶段磁场强度最大处。若检测过程中磁场 强度最大值位于径向直线段两端，则将孔定位单元7000沿着场强在直线段增大方向移过 一定距离，重新检测。步骤205 此时磁传感器7005到达位置是磁钢在翼身表面的磁场强度最大处V，即 盲孔在外表面的投影位置，作下标志点。若继续进行下一盲孔定位，则返回步骤202执行。图13中，为本发明的翼身对接自动制孔方法的孔点法矢检测与调节的一个实施 案例的操作步骤步骤301 在中央平台5000控制下，载有制孔单元1000的法矢调姿机构3000以
自动/手动控制方式向标志点运行。步骤302 当标记点进入法矢检测单元2000的工作范围，由安装在制孔单元1000 前端的图像对中传感器2004采集的图像信息自动算出孔标记点与图像中心的像素偏差， 不断进行标记点与图像对中传感器两者位置的对中调整直至完成对中过程。然后通过中央 控制单元50000记录下该标志点在自动制孔装置坐标系下坐标。步骤303 利用法矢检测单元2000中安装在同一平面上的三个光学位移传感器 2007进行标记点的法矢确定。即确定刀具进给方向。为了提高检测精度，三个光学位移传感 器均被旋转过一定角度安装，并且处于同一个圆上三等分处。通过三个光学位移传感器在标志点附近进行光束投影，在标志点附近形成三个投影点。再利用每个光学位移传感器确 定其投影点相对自身的距离。将三个距离数据并送至中央控制器5000，由中央控制器5000 解算出三个投影点构成的平面的法矢方位。由于三个投影点与标记点非常接近，因此三个 投影点构成的平面的法矢方位即为标记点法矢方位。步骤304 根据步骤302、303获得的标志点在自动制孔装置坐标系下位置与法矢，结合法矢调姿机构3000的结构模型，由中央控制平台5000规划出法矢调姿机构3000各自 由度的运动增量，控制法矢调姿机构3000带动制孔单元1000运行至标志点法矢位姿。步骤305 至此制孔单元1000相对标志点法矢位姿的调姿完成，制孔单元1000便 可执行制孔操作。若需进行下一孔的加工，则返回步骤302。以上所述仅为本发明涉及的翼 身对接自动制孔系统及方法的一个较佳实施方式，但本发明的实施范围并不局限于此例。
权利要求
一种翼身对接自动制孔系统，其特征在于该系统包括用于盲孔定位的孔定位单元(7000)，便于搬运的可移车体(4000)，安装于可移车体(4000)上顶面的法矢调姿机构(3000)，还包括安装在法矢调姿机构(3000)动平台上的法矢检测单元(2000)和制孔单元(1000)，以及一个用于整个系统集中控制的中央控制单元(5000)，其中上述孔定位单元(7000)，包括吸盘(7003)、安装于吸盘上的罩壳(7002)、通过一组周向与径向运动机构安装于罩壳上的磁传感器(7005)，还包括一个与周向与径向运动机构相连的运动控制指令分析生成模块(7006-1)、一个与磁传感器(7005)相连的磁场检查数据分析处理模块(7006-2)，以及一个固定在磁传感器(7005)上的打标装置(7007)；上述法矢调姿机构(3000)包括可实现X、Y方向移动的工作台(3000-1)与安装于工作台(3000-1)上可实现X、Y两向转动、Z向移动的三杆并联平台(3000-2)。上述法矢检测单元(2000)包括一个图像对中传感器(2004)、以及位于同一圆上三等分处的三个光学位移传感器(2007)；
2.根据权利要求1所述的翼身对接自动制孔系统，其特征在于所述孔定位单元(7000)的周向与径向的运动机构具体结构如下包括一个周向旋转 驱动电机和一个径向伸缩驱动电机，周向旋转驱动电机是通过输出轴上的齿轮与一带有悬 臂支架(7004)的扇形齿条相连，所述磁传感器(7005)安装于悬臂支架(7004)的动滑轮上 并经过布置在悬臂支架上的一条柔索与径向伸缩驱动电机相连。
3.根据权利要求1所述的翼身对接自动制孔系统，其特征在于上述三杆并联平台(3000-2)包括安装于工作台(3000-1)上的定平台(3001)，通过三 根电动伸缩丝杠(3003)安装于定平台(3001)上的动平台(3002)，在电动伸缩丝杠与定平 台或动平台的连接处采用球铰或虎克铰(3005)。
4.根据权利要求1所述的翼身对接自动制孔系统，其特征在于上述法矢检测单元具体结构如下包括设有工作孔(2008)的壳体(2001)，还包括安装 于壳体(2001)内壁上电动伸缩缸(2005)；所述图像对中传感器(2004)安装于电动伸缩缸伸出杆(2003)上；所述三个光学位移传感器(2007)安装于以壳体(2001)工作孔(2008)为圆心的端面 圆上。
5.根据权利要求1或所述的翼身对接自动制孔系统，其特征在于所述制孔单元(1000)为传统钻孔装置或螺旋铣孔装置。
6.一种利用权利要求1所述翼身对接自动制孔系统的制孔方法，其特征在于包括以下 步骤步骤1、利用孔定位单元(7000)采用磁定位原理确定盲孔在翼身外表面的投影位置， 并作标志点，具体过程如下(1)、在盲孔中放置磁体(7008)；粗略估计磁体(7008)的位置，将孔定位单元(7000) 安放在翼身对接的外表面，并确保孔定位单元(7000)中的磁传感器(7005)能检测到磁场信号；(2)、使磁传感器(7005)在翼身对接表面上先绕固定点以固定半径做圆周方向扫描， 到达圆周方向上强度最大位置；再以沿径向直线方向扫描，再次到达径向上强度最大位置， 即为盲孔在外表面的投影位置；在外表面作下标志点；步骤2、通过光学检测方法确定标记点在制孔装置坐标系下位姿，具体过程如下(1)、利用法矢检测单元(2000)中的图像对中传感器(2004)采集的孔标记点图像信 息，自动算出孔标记点与图像中心的偏差，不断进行标记点与图像对中传感器的对中调整 直至完成对中过程，然后通过中央控制单元(50000)记录下该标志点在自动制孔装置坐标 系下坐标；(2)、利用法矢检测单元(2000)中的三个光学位移传感器(2007)在标志点附近进行光 束投影，在标志点附近形成三个投影点，再利用光学位移传感器确定其投影点相对自身的 距离，将三个距离数据送至中央控制单元(5000)，由中央控制单元(5000)解算出三个投影 点构成的平面的法矢方位，由于三个投影点与标记点非常接近且翼面曲率较小，因此三个 投影点构成的平面的法矢方位即为标记点法矢方位。步骤3、最终并根据标记点位姿生成相应的运动控制指令控制制孔单元(1000)进行孔 的加工。
7.根据权利要求6所述的翼身对接自动制孔方法，其特征在于所述磁传感器(7005)进行圆周方向扫描或径向直线方向扫描时，所述磁场强度最大 位置即对应于磁场强度由弱增强，再由强减弱的突变时刻。
8.根据权利要求6所述的翼身对接自动制孔方法，其特征在于所述磁传感器(7005) 进行圆周方向扫描时，若磁传感器(7005)受到结构限制每次仅能进行圆周上的一段圆弧 的扫描，且磁场强度最大位置位于圆弧两端，则使定位装置绕固定点沿该圆弧上磁场强度 增大方向旋转过一定角度重新检测。
9.根据权利要求6所述的翼身对接自动制孔方法，其特征在于所述磁传感器(7005) 进行径向直线方向扫描时，若磁传感器受到结构限制每次仅能进行径向直线方向上一直线 段的扫描，且磁场强度最大位置位于直线段两端，则使定位装置沿着直线段磁场强度增大 方向将孔定位单元移过一定距离重新检测。
10.根据权利要求6所述的翼身对接自动制孔方法，其特征在于所述图像对中传感 器(2004)在法矢调姿时，通过电动伸缩缸(2005)被送到工作孔(2008)轴线上，法矢调姿 结束时再通过电动伸缩缸(2005)缩回原来位置，便于下方制孔单元(1000)刀具沿工作孔 (2008)的轴向进给完成孔的加工。
全文摘要
本发明涉及一种翼身对接自动制孔系统及方法，属于作业运输技术领域。该方法主要是利用磁定位原理首先确定盲孔在翼身外表面的投影位置并作标志点，其次通过图像处理技术确定该标记点在制孔装置坐标系中的位姿，最后根据标记点位姿生成相应的运动控制指令控制制孔单元完成孔的加工。其系统主要由孔定位单元(7000)、制孔单元(1000)、法矢检测单元(2000)、法矢调姿机构(3000)、可移车体(4000)、中央控制单元(5000)六部分组成。本发明涉及的方法及系统能很好解决翼身对接连接孔的加工问题。
文档编号B23B35/00GK101804470SQ20101013845
公开日2010年8月18日 申请日期2010年3月31日 优先权日2010年3月31日
发明者何宁, 单以才, 卞荣, 李亮, 杨吟飞, 秦晓杰, 赵威, 陈建立 申请人:南京航空航天大学;南京信息职业技术学院