一種飛機壁板臥式自動鑽鉚機的工裝夾具坐標系建站方法與流程

2023-05-11 09:31:42

本發明屬於製造自動化領域，具體涉及一種飛機壁板臥式自動鑽鉚機的工裝夾具坐標系建站方法。

背景技術：

飛機部件裝配的工作量約佔飛機製造工作量的40％，是飛機生產中的重要環節，在很大程度上決定了飛機的最終質量、製造成本和交貨周期。鉚接技術是飛機裝配中普遍使用的一項機械連接技術，鉚接的質量和效率直接影響著飛機裝配、飛機製造的質量和效率。傳統的鉚接產品質量受工人個體因素的影響比較大，因此難以確保穩定、高質、高效的連接。

近年來，隨著裝配技術的發展，自動鑽鉚機逐漸替代了傳統的人工鉚接，鉚接質量和效率都有了大幅提升，因此發展自動鑽鉚技術，使用自動鑽鉚設備進行自動化鑽鉚是一種必然的趨勢。

要實現自動鑽鉚機制孔鉚接，必須建立待加工工件和外部環境的數學模型，然而由於存在製造和裝配等方面的誤差，飛機壁板和其數學模型之間往往存在一定的偏差，如果僅僅按照數學模型來加工，則制孔精度得不到保證。為了實現自主定位和制孔的自動化並保證制孔精度，研究視覺測量相關技術並將其應用到自動鑽鉚機制孔鉚接中去是相當必要的。本發明中，產品安裝在工裝夾具上，而工裝夾具通過AGV車運輸入位，其定位精度與AGV車精度有關，故需修正自動鑽鉚機與工裝夾具間的相對關係。如果能夠不藉助外界測量設備，僅僅通過自動鑽鉚機的視覺測量系統來定位自動鑽鉚機與工裝夾具之間的相對位置，則大大提高了自動鑽鉚機現場準備工作效率。

技術實現要素：

為了解決藉助外部測量設備定位自動鑽鉚機與工裝夾具之間相對位置帶來的不便和效率低等問題，本發明提供一種飛機壁板臥式自動鑽鉚機的工裝夾具坐標系建站方法，該方法將視覺測量系統和自動鑽鉚機制孔系統結合成一體，適用於飛機裝配領域的自動鑽鉚機工裝夾具建站環節，提高自動鑽鉚機現場準備工作效率，滿足飛機壁板制孔中的應用要求。

應用該方法的系統中共存在3種主要坐標系，分別為：自動鑽鉚機設備坐標系、工裝夾具坐標系以及相機坐標系；在進行自動鑽鉚機視覺測量系統建站之前，需要建立各個坐標系，確定自動鑽鉚機設備、工裝夾具以及工業相機之間的位置關係；其中，自動鑽鉚機設備坐標系和工裝夾具坐標系是通過雷射跟蹤儀獲得，相機坐標系通過標定方法獲得。

自動鑽鉚機視覺測量建站的目的是快速建立自動鑽鉚機與工裝夾具的關係，即得出工裝夾具當前所處位置與自動鑽鉚機設備之間的坐標系關係，即工裝夾具坐標系。

一種飛機壁板臥式自動鑽鉚機的工裝夾具坐標系建站方法，包括如下步驟：

(1)標定相機與自動鑽鉚機的相對位置，得到相機坐標系；

(2)通過雷射跟蹤儀獲得初次工裝夾具坐標系和自動鑽鉚機設備坐標系的關係及工裝夾具上ERS點在工裝夾具坐標系的坐標；

(3)通過離線編程軟體系統將工裝夾具上ERS點的坐標轉換至自動鑽鉚機設備坐標系下的坐標，並製成ERS點離線建站文件；

(4)採用AGV車將工裝夾具運輸至指定加工位置，AGV車駛離該區域；

(5)將離線編程軟體系統輸出的ERS點離線建站文件導入自動鑽鉚機視覺測量系統的建站模塊；

(6)根據ERS點離線建站文件，視覺測量系統進行ERS點探測，驅動自動鑽鉚機移動，獲得所有ERS點在自動鑽鉚機設備坐標系下的當前坐標；

(7)測量系統軟體自動對所測ERS點實測值與理論值進行匹配擬合，採用最小二乘優化算法，獲得準確的工裝夾具坐標系。

在步驟(3)中，得到的ERS點離線建站文件用以快速對工裝夾具進行建站標定。

在步驟(4)中，由於AGV車的定位具有一定偏差，所以工裝夾具每次與自動鑽鉚機設備的相對關係都具有一定偏差，從而造成產品與設備的相對關係具有偏差，造成加工風險。

步驟(6)的具體步驟為：

(6-1)視覺測量系統選擇一個ERS點；

(6-2)相機對ERS點進行自動對焦和對中，直至拍攝ERS點誤差≤0.1mm為止；

(6-3)獲取該ERS點在相機坐標系下的坐標；

(6-4)根據相機與自動鑽鉚機設備的位置關係，將該ERS點在相機坐標系下的坐標轉換為在自動鑽鉚機設備坐標系下的當前坐標；

(6-5)對剩餘的ERS點分別執行步驟(6-1)～步驟(6-4)；得到所有ERS點在自動鑽鉚機設備坐標系下的當前坐標。

在步驟(6-2)中，相機自動對焦，能保證將相機的測量平面定位到工裝夾具ERS點的平面上；相機自動對中，根據被測ERS點的位置，驅動自動鑽鉚機移動，使被測ERS點位於圖像中心。

算法原理：假設工裝夾具上有m個ERS點，第i個ERS點在工裝夾具坐標系下的坐標記為在自動鑽鉚機設備坐標系下的坐標記為設從工裝夾具坐標繫到自動鑽鉚機設備坐標系的旋轉矩陣為R，平移分量為T，則存在以下關係：

由於不共線的三點可以確立一個剛體，因此至少需要三個上述方程才能求出旋轉矩陣R和平移分量T，因此所使用的ERS點數量至少為3個。選取合適的ERS點數量，利用最小二乘擬合的方法求解工裝夾具坐標系與自動鑽鉚機設備坐標系的關係，定義如下最優化目標函數：

其中m是所使用的ERS點數量，當F取極小值時，旋轉矩陣R和平移分量T的取值就是所要求解的工裝夾具坐標系相對於設備坐標系的旋轉矩陣和平移分量。

本發明主要用於當AGV車運輸工裝夾具到自動鑽鉚機加工區域時，快速準確的標定工裝夾具與自動鑽鉚機的相對位置關係。

本發明飛機壁板臥式自動鑽鉚機的工裝夾具坐標系建站方法將視覺測量系統和自動鑽鉚機制孔系統結合成一體，建立工裝夾具坐標系時不需要雷射跟蹤儀，操作簡單快速；且既能使標定精度滿足自動鑽鉚機制孔的要求，又能大大提高自動鑽鉚機現場準備工作效率。

附圖說明

圖1是本發明中鑽鉚機的工裝夾具坐標系快速建站時各坐標系關聯示意圖；

圖2是本發明工裝夾具上的ERS點示意圖；

圖3是本發明工裝夾具坐標系建站方法的示意圖。

具體實施方式

為了更為具體地描述本發明，下面結合附圖及具體實施方式對本發明的技術方案進行詳細說明。

如圖1所示，本發明所用的系統包括：鑽鉚機設備坐標系1、工裝夾具坐標系2、相機坐標系3、壁板4、工裝夾具5；

如圖2所示，本發明方法所用的工裝夾具10上設有四個ERS點，分別為ERS點6、ERS點7、ERS點8、ERS點9，壁板11安裝於工裝夾具10上。

如圖3所示，本發明飛機壁板臥式自動鑽鉚機的工裝夾具坐標系建站方法包括如下步驟：

步驟1，標定相機與自動鑽鉚機的相對位置，得到相機坐標系。

步驟2，通過雷射跟蹤儀獲得初次工裝夾具坐標系和自動鑽鉚機設備坐標系的關係及工裝夾具上ERS點在初次工裝夾具坐標系的坐標。

步驟3，通過離線編程軟體系統將工裝夾具上ERS點的坐標轉換至自動鑽鉚機設備坐標系下的坐標，並製成ERS點離線建站文件。

步驟4，採用AGV車將工裝夾具運輸至指定加工位置，AGV車駛離該區域；

由於AGV車的定位具有一定偏差，所以工裝夾具每次與自動鑽鉚機設備的相對關係都具有一定偏差，從而造成產品與設備的相對關係具有偏差，造成加工風險，因此需要建立精確的工裝夾具與自動鑽鉚機設備的相對關係。

步驟5，將離線編程軟體系統輸出的ERS點離線建站文件導入自動鑽鉚機視覺測量系統的建站模塊。

步驟6，視覺測量系統選擇一個ERS點。

步驟7，相機對ERS點進行自動對焦和對中，直至拍攝ERS點誤差≤0.1mm為止；

相機自動對焦，能保證將相機的測量平面定位到工裝夾具ERS點的平面上；相機自動對中，根據被測ERS點的位置，驅動自動鑽鉚機移動，使被測ERS點位於圖像中心。

步驟8，獲取該ERS點在相機坐標系下的坐標。

步驟9，根據相機與自動鑽鉚機設備的位置關係，將該ERS點在相機坐標系下的坐標轉換為在自動鑽鉚機設備坐標系下的當前坐標。

步驟10，對剩餘的ERS點分別執行步驟6～步驟9；得到所有ERS點在自動鑽鉚機設備坐標系下的當前坐標。

步驟11，測量系統軟體自動對所測ERS點實測值與理論值進行匹配擬合，採用最小二乘優化算法，獲得準確的工裝夾具坐標系。

工裝夾具上設有m個ERS點，第i個ERS點在工裝夾具坐標系下的坐標記為在自動鑽鉚機設備坐標系下的坐標記為設從工裝夾具坐標繫到自動鑽鉚機設備坐標系的旋轉矩陣為R，平移分量為T，則存在以下關係：

利用最小二乘擬合的方法求解工裝夾具坐標系與自動鑽鉚機設備坐標系的關係，定義如下最優化目標函數：

其中m是所使用的ERS點數量，當F取極小值時，求得旋轉矩陣R和平移分量T；

利用以上方法建立工裝夾具坐標系，採用4個ERS點，4個ERS點在工裝坐標系下的坐標為：

4個ERS點在自動鑽鉚機設備坐標系下的坐標為：

利用最小二乘擬合的方法求得到旋轉矩陣R和平移分量T分別為：

這樣即可得到準確工裝夾具當前所處位置與自動鑽鉚機設備之間的坐標系關係。

與傳統的工件坐標系相比，採用本發明建立的工件坐標系加工同樣的工件，加工時間縮短，加工精度符合要求。

該方法將視覺測量系統和自動鑽鉚機制孔系統結合成一體，適用於飛機裝配領域的自動鑽鉚機工裝夾具建站環節，提高自動鑽鉚機現場準備工作效率，滿足飛機壁板制孔中的應用要求。

以上所述的具體實施方式對本發明的技術方案和有益效果進行了詳細說明，應理解的是以上所述僅為本發明的最優選實施例，並不用於限制本發明，凡在本發明的原則範圍內所做的任何修改、補充和等同替換等，均應包含在本發明的保護範圍之內。