飞机大部件数字化装配过程中自动求解装配位姿的方法
【专利摘要】一种针对飞机大部件数字化装配过程中自动求解对接位姿的方法，属于先进制造【技术领域】现代制造技术的研究内容。本方法为飞机大部件数字化装配中的正确求解大部件装配姿态提供一种有效的解决办法，为后续的自动调整提供准确的调整矩阵。该方法采用关键特性定位大部件装配位置的方法，首先选取大部件的关键特性并对其进行分析，然后将关键特性匹配至装配位置，对协调尺寸设计了归一化的评价函数，并采用优化算法对关键尺寸进行协调。最终获得了大部件装配的准确姿态，并输出调整矩阵。本发明在一定程度上解决了飞机部件柔性装配过程中，由于装配过程误差累积过多而造成的难以使用数据模型对大部件空间位置进行计算并实现准确装配的问题，为自动化设备在飞机大部件数字化装配中的使用提供了一条有效的途径。
【专利说明】飞机大部件数字化装配过程中自动求解装配位姿的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及飞机大部件数字化装配过程中自动求解装配位姿的方法，属于先进制 造【技术领域】现代制造技术的研究内容。
【背景技术】
[0002] 飞机大部件数字化装配是飞机的数字化柔性装配技术中的重要组成部分，应用了 飞机数字化柔性装配技术中的测量技术、协同运动规划及控制技术、装配信息集成管理技 术、运动仿真技术等关键技术。它采用数字化手段协调大部件装配中的复杂关系，实现了满 足严格气动要求的飞机大部件数字装配。其中，如何使大部件产品从空间中任意位置和姿 态准确地调整至正确的装配姿态，是实现飞机大部件数字化装配的关键，因此对大部件装 配姿态的求解并获得其调整矩阵，驱动自动化设备完成自动装配，一直是大部件数字化装 配的研究重点。
[0003] 由于制造存在误差，人们一直致力于研究如何利用产品数据模型及测量反馈数 据，准确地获得装配位姿的方法。现在已经逐步发展出：1)仅能满足精确制造产品的三点 位姿计算法，2)能吸收部分误差的奇异矩阵分解法（SVD)，3)达到误差平方和最小的最小二 乘法，4)解决各点允许误差不一致的加权最小二乘法。然而，这些算法都没有能完全解决位 姿求解问题。在具有高精度要求的装配中，尤其是多个高精度装配特征结合的装配中，难以 求解正确装配位置。
【发明内容】
[0004] 本文针对传统的位姿求解方案难以获得大部件准确的装配位置的问题，采用基于 关键特性的位姿求解技术准确获得了大部件装配姿态。
[0005] 为了解决飞机大部件数字化装配过程中大部件装配位姿确定的问题，提供调整矩 阵实现自动化装配，本文提出了一种基于关键特性的大部件装配姿态求解方法。该方法由 关键特性自由度分析，独立自由度匹配，协调尺寸统一评价，协调尺寸优化等四部分内容组 成。在该方法支持下，能够实现在大部件数字化装配过程中，大部件空间位姿的准确定位， 并输出调整矩阵。
[0006] 该方法首先通过对飞机工艺及装配工艺分离面零件的分析，获得大部件装配的关 键特性，并分析装配特性所约束的自由度。通过田口质量损失函数构造了归一化的装配质 量评价函数，并将该函数应用于遗传函数适应度评价函数设计中，采用SVD法初步计算大 部件装配姿态所需的调整角度及沿坐标轴方向调整值，将其作为依据初始化遗传算法初始 种群，采用轮盘赌方法设计的实数型遗传函数求解具有协调尺寸的自由度，最终输出装配 姿态及调整矩阵。
[0007] 本发明为飞机大部件数字化装配过程中自动求解装配位姿提供了一种精确的位 姿确定方法，为实现飞机大部件数字化装配提供了一种有效的技术手段。
【专利附图】
【附图说明】
[0008] 图1直线调整不意图
[0009] 图2总体质量损失
【具体实施方式】
[0010] 一、飞机大部件装配关键特性选取及自由度分析
[0011] 大部件装配关键特性是指在装配过程中对装配质量影响最大的几何结构、尺寸特 性，包括了飞机设计基准，大部件的形位特性，关键尺寸特性等。飞机设计基准是飞机设计 中的主要基准，在装配中通过该基准确定零件在产品中所处的位置。设计基准往往包括了 一些重要的平面，如飞机对称面等。大部件的形位特性包括了大部件内部的重要轴线及平 面，如平尾的翼弦平面，大部件通过其确定机翼的下反角，是安装平尾时需要关注的关键特 性。关键尺寸特性是指在大部件装配中，具有较高装配要求的工艺分离面的尺寸要求及形 位要求的特性。
[0012] 关键特性选取的根本目的是通过对关键特性的测量对大部件产品的空间位置完 全定位。由于单一的关键特性不能完全限定大部件装配完成后的自由度(如轴线特征，在轴 向方向上的移动及绕轴线旋转的自由度仍然需要其他关键特性点进行约束)，大部件装配 姿态求解需要获得满足大部件完全定位的关键特性集合。所以对大部件关键特性自由度的 分析目的是：一、分析每个关键特性对大部件自由度的影响情况；二、分析通过关键特性的 选择是否对大部件完全约束。其具体实施步骤如下：
[0013] 步骤1 :各关键特性限定自由度分析及标注
[0014] 大部件关键特性可分为点、线、面特性。选择关键特性的先后顺序，各个关键特性 对大部件自由度（D0F)的影响不一致，构建起的刚体坐标系也存在着差异。三维关键特性 (点，线，面）对大部件三维约束关系如下：
【权利要求】
1. 一种针对飞机大部件数字化装配过程中自动求解装配位姿的方法，所述方法包括关 键特性自由度分析，独立自由度匹配，协调尺寸统一评价，协调尺寸优化等四部分内容，其 特征在于： 1) 该方法首先对大部件关键特性自由度进行了分析。通过分析飞机的设计基准，关键 尺寸，大部件形位特征等，获得大部件关键特性。然后，并通过选取的关键特性判断大部件 是否完全定位，获得每个关键特性确定大部件的空间自由度。 2) 根据关键特性自由度分析，进一步区分关键特性的主次关系、协调关系，对主要的关 键特性采用完全自主的自由度匹配方法，次要关键特性采用有约束的自由度匹配方法。对 于具有协调关系的关键特性进行标识，为协调尺寸误差分配提供依据。 3) 获得协调尺寸的特性，并根据权利要求1内协调尺寸评价方法内容，利用协调尺寸 的公称尺寸、上下偏差值规定协调尺寸的最优评价值、满足尺寸要求评价值范围、不满足尺 寸要求评价值范围，并将归一后的评价值累加，构造总体的评价函数。 4) 利用SVD法初步获得大部件最终姿态所需的调整矩阵，将矩阵中与协调尺寸相关的 角度或坐标方向尺寸作为遗传函数初始种群的生成依据，利用3)中内容构造的总体评价函 数作为适应度函数，通过使其最优化获得大部件的最终装配姿态。
2. 根据权利要求1所述的飞机大部件数字化装配过程中自动求解装配位姿的方法，其 特征在于具体包括如下步骤： 步骤一：利用飞机数据模型及工艺文件，提取出大部件关键特性。 步骤二：对大部件关键特性确定大部件自由度进行分析，判断其是否对大部件完全定 位，并获得每个关键特性控制大部件空间自由度情况。 步骤三：对关键特性进行分类，获得主要关键特性，次要关键特性，具有协调关系的关 键特性。 步骤四：采用无约束的关键特性匹配法，匹配主要关键特性空间位置。 步骤五：采用有约束的关键特性匹配法，匹配次要关键特性空间位置。 步骤六：分析协调尺寸的公称尺寸、上下偏差，并将其进行归一化评价。 步骤七：利用归一化的评价函数，构造遗传函数的适应度函数。 步骤八：选择大部件上四个不在同一直线上的关键特性点，利用SVD法获得调整矩阵。 步骤九：根据所需要匹配的角度或坐标轴方向，选取调整矩阵中的相关数值作为遗传 函数初始化种群依据，生成初始化种群。 步骤十：采用轮盘赌设计的实数型遗传函数对协调尺寸进行优化计算。 步骤十一：根据该最终姿态，选择关键特性点，并与大部件实际测量获得的关键特性点 相比较，采用SVD法获得调整矩阵。
【文档编号】G06F19/00GK104143032SQ201310165796
【公开日】2014年11月12日 申请日期:2013年5月8日 优先权日:2013年5月8日
【发明者】刘继红, 余杰, 庞英仲, 王铁华 申请人:北京航空航天大学, 沈阳飞机工业（集团）有限公司