CN105698678B - 一种飞机壁板卧式自动钻铆机的基坐标系标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种飞机壁板卧式自动钻铆机的基坐标系标定方法，包括如下步骤：1)设定飞机壁板卧式自动钻铆机中镦紧侧机床和制孔插钉侧机床的零点位置，并绘制坐标系定义图；2)在飞机壁板卧式自动钻铆机的两侧机床上，分别安装激光跟踪仪测量用反射镜，并适当摆放激光跟踪仪；3)控制自动钻铆机中两数控定位设备的平动轴依次运动到指定位置，通过激光跟踪仪的跟踪测量，获取两设备上反射镜的位置坐标，并进行直线拟合，表示为数控定位设备基坐标系各坐标轴方向，建立两数控定位设备基坐标系的实际位姿模型；4)计算两数控定位设备基坐标系到测量坐标系的旋转矩阵和平移矩阵，从而求得两数控定位设备基坐标系之间的相对位姿变换矩阵R和T。

Description

一种飞机壁板卧式自动钻铆机的基坐标系标定方法

技术领域

本发明涉及飞机装配技术与装备领域，尤其涉及一种飞机壁板卧式自动钻铆机的基坐标系标定方法。

背景技术

飞机装配作为飞机制造中极其重要的一环，在很大程度上决定了飞机的最终质量、制造成本和交货周期，是整个飞机制造过程中的关键和核心技术。由于飞机装配过程中涉及到大量的制孔和紧固件连接过程，因此，制孔与紧固件连接的质量和效率，将成为影响飞机整体装配质量和效率的重要因素。

飞机壁板卧式自动钻铆机是飞机装配中重要的制孔与紧固件连接设备，能够自动完成飞机壁板中铆接孔的定位、制孔、锪窝、除尘、插钉、压铆等操作。它由制孔插钉侧机床和镦紧侧机床组成，两侧设备通过协同工作实现高质量自动化钻铆。结合飞机壁板铆接的质量要求可知，保证自动钻铆机中两侧设备末端的协调与相对位姿精度，是保证钻铆质量、提高整机装配质量所不可缺少的一部分。

在飞机壁板卧式自动钻铆机的复杂系统中，影响设备整体的协调与工作精度的因素有很多。当单侧设备精度均满足要求时，双侧设备基坐标系间的标定误差，仍会导致设备末端之间的相对位姿误差，导致制孔偏斜、插钉和铆接过程不协调等严重问题，严重影响设备的协调工作，使设备和壁板的受力状态恶化，甚至破坏铆钉或壁板。飞机壁板的钻铆质量对后续装配工序也会产生不良影响，严重的会降低整机装配质量和气动外形特性，最终缩短其使用寿命。

在飞机装配过程中，通常借助外部测量系统对设备的基坐标系进行标定。通过基坐标系标定，可以确定设备基坐标系与装配坐标系之间的变换矩阵，以此得到设备末端TCP坐标系在装配坐标系中的位姿。在现有的基坐标系标定方法中，多通过设备基坐标系→设备末端TCP坐标系→标定板坐标系→装配坐标系的坐标系传递路径，确定设备基坐标系与装配坐标系间的变换关系，实现对设备基坐标系的标定。但该标定过程需已知由设备基坐标系到设备TCP坐标系的变换关系，且标定中的坐标系传递路径复杂，增加了误差引入的可能性。

现有的飞机壁板卧式自动钻铆机亟需一种合适的标定方法，实现对双数控定位设备基坐标系进行标定，确定双设备基坐标系间的相对位姿关系，以保证双设备末端的相对位姿精度，从而实现高质量自动化钻铆，最终提升整机的装配质量。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明提出一种飞机壁板卧式自动钻铆机的基坐标系标定方法，可确定两数控定位设备基坐标系之间的空间相对位姿关系，保证两设备末端相对位姿精度，实现高质量自动化钻铆，提升整机装配质量。

本发明的具体技术方案如下：

一种飞机壁板卧式自动钻铆机的基坐标系标定方法，包括如下步骤：

(1)设定飞机壁板卧式自动钻铆机中镦紧侧机床和制孔插钉侧机床的零点位置，并绘制坐标系定义图，使两侧机床各子坐标系与其基坐标系的坐标轴方向一致；

(2)在飞机壁板卧式自动钻铆机的两侧机床上，分别安装激光跟踪仪测量用反射镜；并将激光跟踪仪摆放在适当位置；

(3)控制飞机壁板卧式自动钻铆机中两数控定位设备的平动轴依次运动到指定位置，通过激光跟踪仪的跟踪测量，获取两设备上反射镜的一系列位置坐标，并进行直线拟合，以此代表数控定位设备基坐标系各坐标轴方向，建立两数控定位设备基坐标系的实际位姿模型；

(4)激光跟踪仪通过步骤(3)中测量得到两数控定位设备基坐标系在测量坐标系下的位姿状态，计算两设备基坐标系到测量坐标系的旋转矩阵Ri(i＝1,2)和平移矩阵Ti(i＝1,2)，从而求得两设备基坐标系之间的相对位姿变换矩阵R和T。

所述的飞机壁板卧式自动钻铆机的基坐标系标定方法，每台数控定位设备有X、Y、Z、A、B五个运动轴，激光跟踪仪通过跟踪测量各平动轴，在测量坐标系O_m下建立数控定位设备基坐标系O₁和O₂，并确定两基坐标系间的相对位姿。两基坐标系在装配坐标系与测量坐标系下的相对位姿相同。

所述的步骤(1)的具体步骤如下：

(1.1)将飞机壁板卧式自动钻铆机中两数控定位设备的零点分别记为O₁和O₂，两设备基坐标系以位姿六元组v＝[α,β,γ,p_x,p_y,p_z]表示。其中，[α,β,γ]表示设备基坐标系的X-Y-Z欧拉角(RPY角)，[p_x,p_y,p_z]表示设备坐标系原点在测量坐标系O_m下的位置坐标；

(1.2)绘制飞机壁板卧式自动钻铆机的坐标系定义图，各子坐标系的坐标轴方向与设备基坐标系的坐标轴方向一致。

所述的步骤(2)的具体步骤如下：

(2.1)在飞机壁板卧式自动钻铆机的镦紧侧机床和制孔插钉侧机床上，分别安装激光跟踪仪测量用反射镜；

(2.2)将激光跟踪仪摆放在适当位置，使其测量范围能够覆盖到两台五轴联动数控定位设备的运动范围。

所述的步骤(3)的具体步骤如下：

(3.1)控制系统使两台数控定位设备的各运动轴回归至设备零点；

(3.2)在制孔插钉侧数控定位设备(数控定位设备Ⅰ)的X轴方向均匀地分布n₁个位置，使数控定位设备Ⅰ依次运动到各位置，并使激光跟踪仪跟踪测量数控定位设备上的反射镜位置，记录下n₁个点的坐标；在数控定位设备Ⅰ的Y轴方向均匀地分布n₂个位置，使数控定位设备Ⅰ依次运动到各位置，并使激光跟踪仪测量数控定位设备上的反射镜位置，记录下n₂个点的坐标；当数控定位设备沿某一方向运动时，其他运动轴均处于零位置，其光栅读数为零；

(3.3)利用最小二乘法对各轴方向的测量点进行直线拟合，建立数控定位设备Ⅰ基坐标系的X、Y轴方向，并计算各轴的单位方向向量：

N₃＝N₂×N₁

其中，P₁是数控定位设备Ⅰ的X轴拟合直线上正方向上的一点，其在测量坐标系O_m中的坐标为(x_p1,y_p1,z_p1)，P₂位于数控定位设备Ⅰ的设备零点处，其在测量坐标系O_m中的坐标为(x_p2，y_p2,z_p2)，P₃是数控定位设备Ⅰ的Y轴拟合直线上正方向上的一点，其在测量坐标系O_m中的坐标为(x_p3,y_p3,z_p3)；N₁表示数控定位设备Ⅰ的X轴方向的单位向量，N₂表示数控定位设备Ⅰ的Y轴方向的单位向量，N₃表示数控定位设备Ⅰ的Z轴方向的单位向量；由此，建立了数控定位设备Ⅰ的基坐标系O₁；

(3.4)按照步骤(3.2)和(3.3)中同样的方法，计算出镦紧侧数控定位设备(数控定位设备Ⅱ)各坐标轴的单位方向向量，建立数控定位设备Ⅱ的基坐标系。

所述的步骤(4)的具体步骤如下：

(4.1)计算数控定位设备Ⅰ的基坐标系O₁与激光跟踪仪测量坐标系O_m的相对位姿关系，即求出两坐标系之间的旋转矩阵R₁和平移矩阵T₁：

α＝-a tan 2(N₃₂,N₃₃)

γ＝-a tan 2(N₂₁,N₁₁)

R₁＝R_x(α)R_y(β)R_z(γ)

T₁＝[x_p2,y_p2,z_p2]^T

或者，

T₁＝[x_p2,y_p2,z_p2]^T

式中，N₁₁、N₁₂、N₁₃分别表示基坐标系坐标轴单位向量N₁在测量坐标系O_m的X、Y、Z方向上的分量；以此类推。

(4.2)按照步骤(4.1)中同样的方法，计算数控定位设备Ⅱ的基坐标系O₂与激光跟踪仪测量坐标系O_m的相对位姿关系，即求出两坐标系之间的旋转矩阵R₂和平移矩阵T₂；

(4.3)计算数控定位设备Ⅰ的基坐标系O₁与数控定位设备Ⅱ的基坐标系O₂之间的相对位姿关系，即求出两坐标系之间的旋转矩阵R和平移矩阵T。基坐标系O₂到基坐标系O₁的转换关系为：

R＝R₁*R₂ ^-1

T＝T₁-T₂

所述的激光跟踪仪通过步骤(3)和步骤(4)计算出在测量坐标系O_m下数控定位设备Ⅰ基坐标系O₁与数控定位设备Ⅱ基坐标系O₂之间的旋转矩阵R和平移矩阵T，该变换矩阵与装配坐标系下数控定位设备Ⅰ基坐标系O₁与数控定位设备Ⅱ基坐标系O₂之间的变换矩阵相同，且激光跟踪仪的测量位置对计算结果无影响；借助激光跟踪仪测量坐标系O_m，可更加方便地计算出两数控定位设备基坐标系的相对位姿关系。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)实现了在装配坐标系下，飞机壁板卧式自动钻铆机中两数控定位设备基坐标系间相对位姿关系的建立，提高了双设备的协同工作精度；

(2)通过激光跟踪仪测量坐标系O_m将两数控定位设备基坐标系联系在一起，将装配坐标系下的基坐标系标定问题转化到测量坐标系中，缩短了基坐标标定中坐标系间的传递路径，简化基坐标系标定的过程；

(3)标定过程中激光跟踪仪的位置固定，其测量位置不影响标定结果，只需保证其跟踪测量范围覆盖到两数控定位设备各运动轴的运动范围即可，大大方便了标定中测量设备的布置，节省了标定时间；

(4)为多设备基坐标系间的位姿关系的确定提供了一种思路，可准确有效地提取各设备间的位姿关系变换矩阵，提高了多设备协同工作的精度，提高了飞机装配中的孔加工质量，提升了飞机部件整体的装配质量与装配效率。

附图说明

图1飞机壁板卧式自动钻铆机的轴测图；

图2飞机壁板卧式自动钻铆机的正视图；

图3飞机壁板卧式自动钻铆机的俯视图；

图4飞机壁板卧式自动钻铆机的坐标系定义图；

图5飞机壁板卧式自动钻铆机的坐标系简化示意图；

图6飞机壁板卧式自动钻铆机双设备基坐标系标定的测量原理图。

图中：制孔插钉侧机床1，制孔插钉侧数控定位设备2，制孔插钉执行器3，镦紧侧数控定位设备4，镦紧侧机床5，镦紧头6，壁板工装7，飞机壁板8。

具体实施方式

如图1-图3所示，飞机壁板卧式自动钻铆机是由制孔插钉侧机床1、镦紧侧机床5组成，其中制孔插钉侧机床1是由制孔插钉侧数控定位设备2和制孔插钉执行器3组成，镦紧侧机床5是由镦紧侧数控定位设备4和镦紧头6组成；飞机壁板8由壁板工装7固定。

如图4所示，飞机壁板卧式自动钻铆机中每台数控定位设备都有X、Y、Z、A、B五个运动轴，以子坐标系形式显示了钻铆机系统的结构组成，并表明了钻铆过程中两数控定位设备的协同工作状态。

如图5所示，通过外部测量系统对飞机壁板卧式自动钻铆机进行测量，示意简图表明了主要坐标系之间的关系。

如图6所示，飞机壁板卧式自动钻铆机的基坐标系标定中，采用激光跟踪仪测量，建立两数控定位设备基坐标系的各坐标轴方向。

本发明的飞机壁板卧式自动钻铆机基坐标系标定方法的步骤如下：

(1)设定飞机壁板卧式自动钻铆机中镦紧侧机床和制孔插钉侧机床的零点位置，并绘制坐标系定义图，使两侧机床各子坐标系与其基坐标系的坐标轴方向一致。具体分为以下两步：

1.1：将飞机壁板卧式自动钻铆机中两数控定位设备的零点分别记为O₁和O₂，两设备基坐标系以位姿六元组v＝[α,β,γ,p_x,p_y,p_z]表示。其中，[α,β,γ]表示设备基坐标系的X-Y-Z欧拉角(RPY角)，[p_x,p_y,p_z]表示设备坐标系原点在测量坐标系O_m下的位置坐标；

1.2：绘制飞机壁板卧式自动钻铆机的坐标系定义图，各子坐标系的坐标轴方向与设备基坐标系的坐标轴方向一致。

(2)在飞机壁板卧式自动钻铆机的两侧机床上，分别安装激光跟踪仪测量用反射镜；并将激光跟踪仪摆放在适当位置。具体分为以下两步：

2.1：在飞机壁板卧式自动钻铆机的镦紧侧机床和制孔插钉侧机床上，分别安装激光跟踪仪测量用反射镜；

2.2：将激光跟踪仪摆放在适当位置，使其测量范围能够覆盖到两台五轴联动数控定位设备的运动范围。

(3)控制飞机壁板卧式自动钻铆机中两数控定位设备的平动轴依次运动到指定位置，通过激光跟踪仪的跟踪测量，获取两设备上反射镜的一系列位置坐标，并进行直线拟合，以此代表数控定位设备基坐标系各坐标轴方向，建立两数控定位设备基坐标系的实际位姿模型。具体实施步骤如下：

3.1：控制系统使两台数控定位设备的各运动轴回归至设备零点；

3.2：在制孔插钉侧数控定位设备(数控定位设备Ⅰ)的X轴方向均匀地分布n₁个位置，使数控定位设备Ⅰ依次运动到各位置，并使激光跟踪仪跟踪测量数控定位设备Ⅰ上的反射镜位置，记录下n₁个点的坐标；在数控定位设备Ⅰ的Y轴方向均匀地分布n₂个位置，使数控定位设备Ⅰ依次运动到各位置，并使激光跟踪仪测量数控定位设备Ⅰ上的反射镜位置，记录下n₂个点的坐标；当数控定位设备Ⅰ沿某一方向运动时，其他运动轴均处于零位置，其光栅读数为零；

3.3：利用最小二乘法对各轴方向的测量点进行直线拟合，建立数控定位设备Ⅰ基坐标系的X、Y轴方向，并计算各轴的单位方向向量：

N₃＝N₂×N₁

其中，P₁是数控定位设备Ⅰ的X轴拟合直线上正方向上的一点，其在测量坐标系O_m中的坐标为(x_p1,y_p1,z_p1)，P₂位于数控定位设备Ⅰ的设备零点处，其在测量坐标系O_m中的坐标为(x_p2,y_p2,z_p2)，P₃是数控定位设备Ⅰ的Y轴拟合直线上正方向上的一点，其在测量坐标系O_m中的坐标为(x_p3,y_p3,z_p3)；N₁表示数控定位设备Ⅰ的X轴方向的单位向量，N₂表示数控定位设备Ⅰ的Y轴方向的单位向量，N₃表示数控定位设备Ⅰ的Z轴方向的单位向量；由此，建立了数控定位设备Ⅰ的基坐标系O₁；

3.4：按照步骤(3.2)和(3.3)中同样的方法，计算出镦紧侧数控定位设备(数控定位设备Ⅱ)的各坐标轴方向的单位向量，建立数控定位设备Ⅱ的基坐标系。

(4)激光跟踪仪通过步骤(3)中测量得到两数控定位设备基坐标系在测量坐标系下的位姿状态，计算两设备基坐标系到测量坐标系的旋转矩阵R_i(i＝1,2)和平移矩阵T_i(i＝1,2)，从而求得两设备基坐标系之间的相对位姿变换矩阵R和T。具体实施步骤如下：

4.1：计算数控定位设备Ⅰ的基坐标系O₁与激光跟踪仪测量坐标系O_m的相对位姿关系，即求出两坐标系之间的旋转矩阵R₁和平移矩阵T₁：

α＝-a tan 2(N₃₂,N₃₃)

γ＝-a tan 2(N₂₁,N₁₁)

R₁＝R_x(α)R_y(β)R_z(γ)

T₁＝[x_p2,y_p2,z_p2]^T

或者，

T₁＝[x_p2,y_p2,z_p2]^T

式中，N₁₁、N₁₂、N₁₃分别表示基坐标系坐标轴单位向量N₁在测量坐标系O_m的X、Y、Z方向上的分量；以此类推。

4.2：按照步骤(4.1)中同样的方法，计算数控定位设备Ⅱ的基坐标系O₂与激光跟踪仪测量坐标系O_m的相对位姿关系，即求出两坐标系之间的旋转矩阵R₂和平移矩阵T₂；

4.3：计算数控定位设备Ⅰ的基坐标系O₁与数控定位设备Ⅱ的基坐标系O₂之间的相对位姿关系，即求出两坐标系之间的旋转矩阵R和平移矩阵T。基坐标系O₂到基坐标系O₁的转换关系为：

R＝R₁*R₂ ^-1

T＝T₁-T₂

以上所述仅为本发明的较佳实施举例，并不用于限制本发明，凡在本发明精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种飞机壁板卧式自动钻铆机的基坐标系标定方法，其特征在于，包括步骤：

1)设定飞机壁板卧式自动钻铆机中镦紧侧机床和制孔插钉侧机床的零点位置，并绘制坐标系定义图，使两侧机床各子坐标系与其基坐标系的坐标轴方向一致；

2)在飞机壁板卧式自动钻铆机的两侧机床上，分别安装激光跟踪仪测量用反射镜，并适当摆放激光跟踪仪；

3)控制自动钻铆机中两数控定位设备的平动轴依次运动，通过激光跟踪仪的跟踪测量，获取两侧机床上反射镜的一系列位置坐标，并进行直线拟合，以此代表数控定位设备基坐标系各坐标轴方向，建立两数控定位设备基坐标系的实际位姿模型；

4)计算两数控定位设备基坐标系到测量坐标系O_m的旋转矩阵R_i i＝1,2和平移矩阵T_ii＝1,2，从而求得两数控定位设备基坐标系之间的相对位姿变换矩阵R和T。

2.如权利要求1所述的飞机壁板卧式自动钻铆机的基坐标系标定方法，其特征在于，每台数控定位设备有X、Y、Z、A、B五个运动轴，激光跟踪仪通过跟踪测量各平动轴，在测量坐标系O_m下建立数控定位设备基坐标系O₁和O₂，并确定两基坐标系间的相对位姿。

3.如权利要求1或2所述的飞机壁板卧式自动钻铆机的基坐标系标定方法，其特征在于，在所述的步骤1)包括：

1.1)：将飞机壁板卧式自动钻铆机中两数控定位设备的零点分别记为O₁和O₂，两设备基坐标系以位姿六元组v＝[α,β,γ,p_x,p_y,p_z]表示；其中，[α,β,γ]表示设备基坐标系的X-Y-Z欧拉角，[p_x,p_y,p_z]表示设备坐标系原点在测量坐标系O_m下的位置坐标；

1.2)：绘制飞机壁板卧式自动钻铆机的坐标系定义图，各子坐标系的坐标轴方向与设备基坐标系的坐标轴方向一致。

4.如权利要求1或2所述的飞机壁板卧式自动钻铆机的基坐标系标定方法，其特征在于，在所述的步骤2)包括：

2.1)：在飞机壁板卧式自动钻铆机的镦紧侧机床和制孔插钉侧机床上，分别安装激光跟踪仪测量用反射镜；

2.2)：将激光跟踪仪摆放在适当位置，使其测量范围能够覆盖到两台五轴联动数控定位设备的运动范围。

5.如权利要求1或2所述的飞机壁板卧式自动钻铆机的基坐标系标定方法，其特征在于，所述的步骤3)包括：

3.1)：控制系统使两台数控定位设备的各运动轴回归至设备零点；

3.2)：在制孔插钉侧数控定位设备的X轴方向均匀地分布n₁个位置，使制孔插钉侧数控定位设备依次运动到各位置，并使激光跟踪仪跟踪测量数控定位设备上的反射镜位置，记录下n₁个点的坐标；在制孔插钉侧数控定位设备的Y轴方向均匀地分布n₂个位置，使制孔插钉侧数控定位设备依次运动到各位置，并使激光跟踪仪测量数控定位设备上的反射镜位置，记录下n₂个点的坐标；当数控定位设备沿某一方向运动时，其他运动轴均处于零位置，其光栅读数为零；

3.3)：利用最小二乘法对各轴方向的测量位置点进行直线拟合，建立制孔插钉侧数控定位设备基坐标系的X、Y轴方向，并计算各轴的单位方向向量：

N₃＝N₂×N₁

其中，P₁是制孔插钉侧数控定位设备的X轴拟合直线上正方向上的一点，其在测量坐标系O_m中的坐标为(x_p1,y_p1,z_p1)，P₂位于制孔插钉侧数控定位设备的设备零点处，其在测量坐标系O_m中的坐标为(x_p2,y_p2,z_p2)，P₃是制孔插钉侧数控定位设备的Y轴拟合直线上正方向上的一点，其在测量坐标系O_m中的坐标为(x_p3,y_p3,z_p3)；N₁表示制孔插钉侧数控定位设备的X轴方向的单位向量，N₂表示制孔插钉侧数控定位设备的Y轴方向的单位向量，N₃表示制孔插钉侧数控定位设备的Z轴方向的单位向量；由此，建立了制孔插钉侧数控定位设备的基坐标系O₁；

3.4)：按照步骤3.2)和步骤3.3)中同样的方法，计算出镦紧侧数控定位设备各坐标轴的单位方向向量，建立镦紧侧数控定位设备的基坐标系。

6.如权利要求5所述的飞机壁板卧式自动钻铆机的基坐标系标定方法，其特征在于，所述的步骤4)包括：

4.1)：计算制孔插钉侧数控定位设备的基坐标系O₁与激光跟踪仪测量坐标系O_m的相对位姿关系，即求出两坐标系之间的旋转矩阵R₁和平移矩阵T₁：

α＝-atan2(N₃₂,N₃₃)

γ＝-atan2(N₂₁,N₁₁)

R₁＝R_x(α)R_y(β)R_z(γ)

T₁＝[x_p2,y_p2,z_p2]^T

或者，

T₁＝[x_p2,y_p2,z_p2]^T

式中，N₁₁、N₁₂、N₁₃分别表示基坐标系坐标轴单位向量N₁在测量坐标系O_m的X、Y、Z方向上的分量；以此类推；

4.2)：按照步骤4.1)中同样的方法，计算镦紧侧数控定位设备的基坐标系O₂与激光跟踪仪测量坐标系O_m的相对位姿关系，即求出两坐标系之间的旋转矩阵R₂和平移矩阵T₂；

4.3)：计算制孔插钉侧数控定位设备的基坐标系O₁与镦紧侧数控定位设备的基坐标系O₂之间的相对位姿关系，即求出两坐标系之间的旋转矩阵R和平移矩阵T；基坐标系O₂到基坐标系O₁的转换关系为：

R＝R₁*R₂ ^-1

T＝T₁-T₂。