专利名称：复杂结构件装配系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及航空产品制造领域，尤其涉及一种复杂结构件装配系统。
背景技术：
在航空产品制造中，需要装配的零件多为复杂结构件。飞机装配就是典型的复杂 结构件装配，在飞机制造过程中，装配工作占有极其重要的地位，其劳动量占整个飞机制造 总劳动量的50%到60%。因此，提高复杂结构件装配的技术水平，对缩短航空产品的制造 周期，提高航空产品的质量有非常重要的作用，在航空产品研制和生产过程中具有重大的
眉、ο目前，我国在航空制造领域对于大型复杂结构件装配，多采用基于模拟量传递方 式为主的模线_样板-标准工装的工作方法。这种工作方法，针对不同装配件配置了大量复 杂的、硬性的、专用的实物标准工装和装配工装，在对接装配的协调问题上采用模拟量传递 模式，为了保证对接装配顺利可靠，常常在对接部位设计制造相应的巨大标准工装用于协 调。在进行复杂部件对接装配时，大量采用手工定位或半自动定位，甚至采用人工的手扶肩 扛操作，将各个部件被分别放在托架或拖车平台上，在相邻两部段间的对接环面上设置一 圈连接孔和连接销，靠几个工人推动部件缓慢靠近另一部件，观察调整连接孔与销的位置， 对准后进行手动装配。通过对现有装配技术的研究，发明人发现航空产品的部件，特别是大型飞机的复 杂结构件十分笨重，人工定位和对接困难，装配效率低，同时由于手工操作时，对接面上孔 销配合精度不高，常造成强行挤压装配，易产生应力，对疲劳强度影响大，造成装配质量不
尚ο
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种复杂结构件装配系统，使在进 行航空产品的复杂结构件装配时，无需人工手动的操作部件的定位和对接，提高复杂结构 件装配的精度，提高装配质量。为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案—种复杂结构件装配系统，包括数控装配平台子系统、数据采集与定位子系统和 装配监控子系统；所述数控装配平台子系统包括机械装配平台、柔性定位机构和运动控制器，所述 柔性定位机构设置在机械装配平台上，支撑和夹持复杂结构件，所述运动控制器设置在机 械装配平台上，根据装配指令，驱动柔性定位机构调整复杂结构件的位置和姿态；所述数据采集与定位子系统，包括设置在机械装配平台周围的定位仪，所述定位 仪获取复杂结构件的位置信息，并发送到装配监控子系统；所述装配监控子系统根据复杂结构件的位置信息、三维数字模型和设计装配参 数，生成装配指令，并将装配指令发送到数控装配平台子系统的运动控制器。
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优选的，所述定位仪为激光跟踪仪，所述激光跟踪仪，通过测量复杂结构件上的光 学目标点位置，获取复杂结构件的位置信息。优选的，所述复杂结构件装配系统还包括实时检测与数据反馈子系统和装配仿 真子系统；所述实时检测与数据反馈子系统，包括设置在机械装配平台周围的激光扫描仪， 所述激光扫描仪对复杂结构件进行三维扫描和数字化复制，并将获取的信息发送到装配仿 真子系统；所述装配仿真子系统，接收激光扫描仪反馈的数据，根据反馈数据生成并显示装 配工作信息和装配过程的三维动态仿真。优选的，所述实时检测与数据反馈子系统还包括辅助机器人，所述辅助机器人设 置在机械装配平台周围，夹持激光扫描仪，根据运动控制指令调整位置，控制激光扫描仪的 扫描范围。优选的，所述复杂结构件装配系统还包括数据管理子系统，用于存储复杂结构件的三维数字模型、设计装配参数和装配工 作fe息。应用本发明实施例所提供的技术方案，设置的运动控制器根据控制指令，驱动柔 性定位机构调整复杂结构件的姿态和位置，根据预设的装配参数，和实时检测到的复杂结 构件的位置信息生成控制指令，执行装配的动作，直至将复杂结构件运送到目标位置的公 差允许范围内，实现了复杂结构件的自动的装配，无需人工手动的操作部件的定位和对接， 提高了复杂结构件装配的精度，提高了装配质量。
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现 有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本 发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以 根据这些附图获得其他的附图。图1为本发明实施例提供的复杂结构件装配系统结构示意图；图2为本发明实施例提供的复杂结构件装配系统的具体结构示意图；图3为本发明实施例提供的复杂结构件装配系统的装配流程示意图。
具体实施例方式下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完 整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于 本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他 实施例，都属于本发明保护的范围。实施例一参见图1所示，为本发明实施例提供的一种复杂结构件装配系统结构示意图，包 括数控装配平台子系统101、数据采集与定位子系统102和装配监控子系统103 ；所述数控装配平台子系统101包括机械装配平台、柔性定位机构、运动控制器。其中，所述柔性定位机构设置在机械装配平台上，用于支撑和夹持复杂结构件，所述柔性定 位机构可以为多姿态柔性定位机构，一个机械装配平台上可以设置有多个柔性定位机构， 通过调整所述柔性定位机构的姿态和位置，可以调整其所夹持的复杂结构件的姿态和位置。所述运动控制器设置在机械装配平台上，根据装配指令，驱动柔性定位机构调整 复杂结构件的位置和姿态；所述运动控制器可以为开放式运动控制器，其通过内部的控制 算法和装配监控子系统发送的装配指令，来驱动柔性定位机构调整复杂结构件的姿态和位 置，直到将复杂结构件运送到公差允许的准确目标上，实现复杂结构件的精确对接定位。所述数据采集与定位子系统102，包括设置在机械装配平台周围的定位仪，所述定 位仪获取复杂结构件的位置信息，并发送到装配监控子系统。在装配的准备阶段，装配部件和装配工装系统的位置测量的准确性直接影响装 配的成败。激光跟踪测量系统是解决这一难题的最好手段。激光跟踪仪是近十几年才发 展起来的新型测量仪，它集激光干涉测距技术、光电检测技术、精密机械技术、计算机及控 制技术、现代数值计算理论于一体，可对空间运动目标进行跟踪并实时测量其空间三维坐 标，具有安装快捷、操作简便、实时扫描测量、测量精度及效率高等优点，被誉为“便携式 CMM(ComputerMeasuring Machines) ”。通过在复杂结构件的定位基准点上设置光学目标 点，安装光学目标反射器，由激光跟踪仪实时跟踪测量的光学目标点位置，以获得定位基准 点的位置信息，通过这些定位基准点的位置信息，可以获知复杂结构件的位置信息。所述装配监控子系统103根据复杂结构件的位置信息、三维数字模型和设计装配 参数，生成装配指令，并将装配指令发送到数控装配平台子系统的运动控制器。其中，复杂结构件的三维数字模型预先存储在相应的数据库中，供装配监控子系 统调用，设计装配参数包括该复杂结构件的最终需要到达的目标位置，柔性工装模型、装配 工艺参数和装配特征树等数据。通过对当前复杂结构件的当前位置、目标位置和三维数字 模型数据的运算，可以获知该复杂结构件的运动需求，根据这些需求生成装配指令，并发送 到运控控制器，进而控制复杂运动件移动到合适位置。为了在装配过程中实时的显示装配的进度，复杂结构件的状态等装配工作信息， 该装配系统还可以包括实时检测与数据反馈子系统104和装配仿真子系统105 ；所述实时检测与数据反馈子系统104，包括设置在机械装配平台周围的激光扫描 仪，所述激光扫描仪对复杂结构件进行三维扫描和数字化复制，并将获取的信息发送到装 配仿真子系统。实时检测与数据反馈子系统104，采用三维激光扫描仪，对工件原型进行三维扫描 和高精度数字化复制，进而分析装配精度的误差状况。通过对特定区域和特征点的测量，可 以建立工件的数学模型，实现逆向工程、质量检测和机器人视觉及其它行业领域的应用。该 子系统可以由辅助机器人末端夹持激光扫描仪，并在机器人底部增加外部轴以扩大机器人 所能到达的范围，所述辅助机器人可以根据运动控制指令调整位置，控制激光扫描仪的扫 描范围。所述装配仿真子系统105，接收激光扫描仪反馈的数据，根据反馈数据生成并显示 装配工作信息和装配过程的三维动态仿真。仿真子系统实时接受激光扫描仪反馈的数据， 生成装配全过程的三维动态仿真，并显示装配工装系统的生成时间、复杂结构件的装配时间以及装配操作性、安全性的检查评估报告等装配工作信息。所述装配仿真子系统105可 以在CATIA基础上实现。此外，所述复杂结构件装配系统还可以包括数据管理子系统106，用于存储复杂结构件的三维数字模型、设计装配参数和装配 工作fn息。所述数据管理子系统，可以基于oracle数据库，利用多线程技术实现数据采集、 数据存储与在线监控的并行处理，将产品数据集、装配工作数据、测量数据、检测数据等关 键数据进行实时保存，并提供一个友好的界面供用户操作管理。参见图2所示，本发明实施例提供的复杂结构件装配系统具体可以包括机械装配平台201、辅助机器人202、激光扫描仪203、机器人控制器204、开放式 运动控制器205、激光跟踪仪206、装配监控服务器207、实时仿真单元208和数据存储单元 209 ；其中，机械装配平台201上设置有夹持复杂结构件的柔性定位机构和控制柔性定 位机构的运动控制器；辅助机器人202所夹持的激光扫描仪203对复杂结构件进行扫描并 将所获取的数据通过网络发送到装配监控服务器207、实时仿真单元208和数据存储单元 209 ；开放式运动控制器205根据控制指令调整辅助机器人的位置；机器人控制器204根据 控制指令调整激光扫描仪203的扫描位置；激光跟踪仪206跟踪并获取复杂结构件的位置 信息；装配监控服务器207根据获取到的数据信息生成控制指令；实时仿真单元208根据 激光扫描仪203反馈的数据对装配过程进行实时在线仿真；数据存储单元209存储产品数 据集、装配工作数据、测量数据、检测数据等关键数据。下面以飞机部件装配为例，说明该装配系统的工作方法在进行飞机部件装配时，由多姿态柔性定位机构来支撑和夹持飞机部件，多个多 姿态柔性定位机构组成全自动柔性装配工作站。在飞机部件的定位基准点上设置光学目标 点，安装光学目标反射器，由激光跟踪仪跟踪测量飞机部件上的光学目标点位置，以获得定 位基准点的位置信息，该位置信息与由飞机部件数据集中获取到的当前部件的三维数字模 型信息，以及设计装配参数经由装配监控子系统进行比对处理后，生成对数控装配平台的 控制指令并发送到运动控制器，由运动控制去驱动全自动化柔性装配工作站的多姿态柔性 定位机构，调整飞机部件的位置和姿态，直到定位基准点到达准确目标位置的公差范围内， 实现飞机部件的精确对接定位。此外，工业辅助机器人夹持着激光扫描仪对装配的飞机部件进行扫描，获得飞机 部件的形面数据，然后传递给装配仿真子系统，实现对整个装配过程实时地在线仿真，获取 并显示装配工装系统的生成时间、复杂结构件的装配时间以及装配操作性、安全性的检查 评估报告等装配工作信息，将这些装配工作信息存储在相应的数据库中，供用户调用分析。参见图3所示，为装配过程的一种流程示意图，包括以下步骤S301，读取理论模型；包括获取复杂结构件的三维数学模型、柔性工装模型、装配 工艺参数和装配特征树等数据产品的设计模型。S302，初始化装配系统。S303，对复杂结构件进行跟踪测量。激光跟踪仪测量当前复杂结构件目前所处的 位置信息。
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S304，数据处理。根据当前复杂结构件当前所处的位置信息以及读取的理论模型 数据信息得到当前部件需要调整的位移、方向等数据。S305，判断所述复杂结构件是否到位；如果否，执行步骤S306，否则，执行步骤 S309。S306，运动控制。通过装配监控子系统生成的控制指令控制复杂结构件调整所处 位置和姿态。S307，数据采集。采集复杂结构件的装配时间以及装配操作性、安全性的检查评估 报告等装配工作信息。S308，数据保存。将上述所采集的信息保存在对应的数据库中，并返回执行步骤 S303。S309,辅助机器人运动。装配完成后，辅助机器人运动，控制三维激光扫描仪运动 到合适位置。S310,扫描测量。三维激光扫描仪复杂结构件进行三维扫描和数字化复制。S311，动态仿真。装配仿真子系统，根据三维激光扫描仪反馈的数据进行实时在线 的仿真。数据起始点是基于CATIA模型的三维产品数据集，包括当前部件的三维数字模型 信息和理论上部件最终要到达的目标位置信息。激光跟踪仪测量得到的是实际数据，这个 实际数据表示当前复杂结构件目前所处的位置信息。这两部分数据经过计算机软件平台的 分析和计算，得到当前部件需要调整的位移、方向等数据，逐层分解后，变成多姿态柔性装 配平台上各个滑台在每个方向上的移动量，传递给到平台运动控制器，动作完成后由实时 激光跟踪测量，将得到的反馈信息传送到计算机软件平台，即装配监控子系统，再次进行计 算，如果判断复杂结构件的当前位置信息与目标位置信息的误差在允许的范围内，退出当 前工作状态，如果未达到，则继续发出控制指令，进行在校正。装配工序完成后，由CATIA模型的三维产品数据集给出实时检测与数据反馈子系 统中的辅助机器人要到达的位置，经数据处理后，生成机器人的运动程序，及机器人外部轴 的移动量，分别传递给由辅助机器人控制器和机器人所在的平台的运动控制单元，完成机 器人的运动，从而控制三维激光扫描仪完成装配关键特征的扫描，对扫描数据进行处理，得 出检测报告，同时进行实时在线仿真。应用本发明实施例所提供的技术方案，设置的运动控制器根据控制指令，驱动柔 性定位机构调整复杂结构件的姿态和位置，根据预设的装配参数，和实时检测到的复杂结 构件的位置信息生成控制指令，执行装配的动作，直至将复杂结构件运送到目标位置的公 差允许范围内，实现了复杂结构件的自动的装配，无需人工手动的操作部件的定位和对接， 提高了复杂结构件装配的精度，提高了装配质量。本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他 实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对所公开的实施例的上 述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领 域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的 精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些 实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
权利要求
一种复杂结构件装配系统，其特征在于，包括数控装配平台子系统、数据采集与定位子系统和装配监控子系统；所述数控装配平台子系统包括机械装配平台、柔性定位机构和运动控制器，所述柔性定位机构设置在机械装配平台上，支撑和夹持复杂结构件，所述运动控制器设置在机械装配平台上，根据装配指令，驱动柔性定位机构调整复杂结构件的位置和姿态；所述数据采集与定位子系统，包括设置在机械装配平台周围的定位仪，所述定位仪获取复杂结构件的位置信息，并将所述位置信息发送到装配监控子系统；所述装配监控子系统根据复杂结构件的位置信息、三维数字模型和设计装配参数，生成装配指令，并将装配指令发送到数控装配平台子系统的运动控制器。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述定位仪为激光跟踪仪，所述激光跟踪 仪，通过测量复杂结构件上的光学目标点位置，获取复杂结构件的位置信息。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括实时检测与数据反馈子系统和装配 仿真子系统；所述实时检测与数据反馈子系统，包括设置在机械装配平台周围的激光扫描仪，所述 激光扫描仪对复杂结构件进行三维扫描和数字化复制，并将获取的信息发送到装配仿真子 系统；所述装配仿真子系统，接收激光扫描仪反馈的数据，根据所述反馈数据生成并显示装 配工作信息和装配过程的三维动态仿真。
4.如权利要求3所述的系统，其特征在于所述实时检测与数据反馈子系统还包括辅助机器人，所述辅助机器人设置在机械装 配平台周围，夹持激光扫描仪，根据运动控制指令调整位置，控制激光扫描仪的扫描范围。
5.如权利要求3或4所述的系统，其特征在于，还包括数据管理子系统，用于存储复杂结构件的三维数字模型、设计装配参数和装配工作信
全文摘要
本发明实施例公开了一种复杂结构件装配系统。该系统包括数控装配平台子系统、数据采集与定位子系统和装配监控子系统；数控装配平台子系统中的柔性定位机构支撑并夹持复杂结构件，数控装配平台子系统中的运动控制器根据控制指令，驱动柔性定位机构调整所述复杂结构件的姿态和位置，所述装配监控子系统根据预设的装配参数，和数据采集与定位子系统实时检测到的复杂结构件的位置信息生成控制指令，驱动所述运动控制器执行相应装配的动作，直至将所述复杂结构件运送到目标位置的公差允许范围内，实现了复杂结构件的自动的装配，无需人工手动的操作部件的定位和对接，提高了复杂结构件装配的精度，提高了装配质量。
文档编号B23P21/00GK101890638SQ20101020901
公开日2010年11月24日 申请日期2010年6月17日 优先权日2010年6月17日
发明者张俐, 怀其武, 杨原, 汪苏, 沈忠睿, 苗新刚, 郭倩, 韩凌攀 申请人:北京航空航天大学