一種飛機(jī)壁板臥式自動(dòng)鉆鉚機(jī)的工裝夾具坐標(biāo)系建站方法與流程

本發(fā)明屬于制造自動(dòng)化領(lǐng)域，具體涉及一種飛機(jī)壁板臥式自動(dòng)鉆鉚機(jī)的工裝夾具坐標(biāo)系建站方法。

背景技術(shù)：

飛機(jī)部件裝配的工作量約占飛機(jī)制造工作量的40％，是飛機(jī)生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié)，在很大程度上決定了飛機(jī)的最終質(zhì)量、制造成本和交貨周期。鉚接技術(shù)是飛機(jī)裝配中普遍使用的一項(xiàng)機(jī)械連接技術(shù)，鉚接的質(zhì)量和效率直接影響著飛機(jī)裝配、飛機(jī)制造的質(zhì)量和效率。傳統(tǒng)的鉚接產(chǎn)品質(zhì)量受工人個(gè)體因素的影響比較大，因此難以確保穩(wěn)定、高質(zhì)、高效的連接。

近年來(lái)，隨著裝配技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)鉆鉚機(jī)逐漸替代了傳統(tǒng)的人工鉚接，鉚接質(zhì)量和效率都有了大幅提升，因此發(fā)展自動(dòng)鉆鉚技術(shù)，使用自動(dòng)鉆鉚設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)化鉆鉚是一種必然的趨勢(shì)。

要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)鉆鉚機(jī)制孔鉚接，必須建立待加工工件和外部環(huán)境的數(shù)學(xué)模型，然而由于存在制造和裝配等方面的誤差，飛機(jī)壁板和其數(shù)學(xué)模型之間往往存在一定的偏差，如果僅僅按照數(shù)學(xué)模型來(lái)加工，則制孔精度得不到保證。為了實(shí)現(xiàn)自主定位和制孔的自動(dòng)化并保證制孔精度，研究視覺(jué)測(cè)量相關(guān)技術(shù)并將其應(yīng)用到自動(dòng)鉆鉚機(jī)制孔鉚接中去是相當(dāng)必要的。本發(fā)明中，產(chǎn)品安裝在工裝夾具上，而工裝夾具通過(guò)AGV車運(yùn)輸入位，其定位精度與AGV車精度有關(guān)，故需修正自動(dòng)鉆鉚機(jī)與工裝夾具間的相對(duì)關(guān)系。如果能夠不借助外界測(cè)量設(shè)備，僅僅通過(guò)自動(dòng)鉆鉚機(jī)的視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)來(lái)定位自動(dòng)鉆鉚機(jī)與工裝夾具之間的相對(duì)位置，則大大提高了自動(dòng)鉆鉚機(jī)現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)備工作效率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決借助外部測(cè)量設(shè)備定位自動(dòng)鉆鉚機(jī)與工裝夾具之間相對(duì)位置帶來(lái)的不便和效率低等問(wèn)題，本發(fā)明提供一種飛機(jī)壁板臥式自動(dòng)鉆鉚機(jī)的工裝夾具坐標(biāo)系建站方法，該方法將視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)和自動(dòng)鉆鉚機(jī)制孔系統(tǒng)結(jié)合成一體，適用于飛機(jī)裝配領(lǐng)域的自動(dòng)鉆鉚機(jī)工裝夾具建站環(huán)節(jié)，提高自動(dòng)鉆鉚機(jī)現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)備工作效率，滿足飛機(jī)壁板制孔中的應(yīng)用要求。

應(yīng)用該方法的系統(tǒng)中共存在3種主要坐標(biāo)系，分別為：自動(dòng)鉆鉚機(jī)設(shè)備坐標(biāo)系、工裝夾具坐標(biāo)系以及相機(jī)坐標(biāo)系；在進(jìn)行自動(dòng)鉆鉚機(jī)視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)建站之前，需要建立各個(gè)坐標(biāo)系，確定自動(dòng)鉆鉚機(jī)設(shè)備、工裝夾具以及工業(yè)相機(jī)之間的位置關(guān)系；其中，自動(dòng)鉆鉚機(jī)設(shè)備坐標(biāo)系和工裝夾具坐標(biāo)系是通過(guò)激光跟蹤儀獲得，相機(jī)坐標(biāo)系通過(guò)標(biāo)定方法獲得。

自動(dòng)鉆鉚機(jī)視覺(jué)測(cè)量建站的目的是快速建立自動(dòng)鉆鉚機(jī)與工裝夾具的關(guān)系，即得出工裝夾具當(dāng)前所處位置與自動(dòng)鉆鉚機(jī)設(shè)備之間的坐標(biāo)系關(guān)系，即工裝夾具坐標(biāo)系。

一種飛機(jī)壁板臥式自動(dòng)鉆鉚機(jī)的工裝夾具坐標(biāo)系建站方法，包括如下步驟：

(1)標(biāo)定相機(jī)與自動(dòng)鉆鉚機(jī)的相對(duì)位置，得到相機(jī)坐標(biāo)系；

(2)通過(guò)激光跟蹤儀獲得初次工裝夾具坐標(biāo)系和自動(dòng)鉆鉚機(jī)設(shè)備坐標(biāo)系的關(guān)系及工裝夾具上ERS點(diǎn)在工裝夾具坐標(biāo)系的坐標(biāo)；

(3)通過(guò)離線編程軟件系統(tǒng)將工裝夾具上ERS點(diǎn)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換至自動(dòng)鉆鉚機(jī)設(shè)備坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，并制成ERS點(diǎn)離線建站文件；

(4)采用AGV車將工裝夾具運(yùn)輸至指定加工位置，AGV車駛離該區(qū)域；

(5)將離線編程軟件系統(tǒng)輸出的ERS點(diǎn)離線建站文件導(dǎo)入自動(dòng)鉆鉚機(jī)視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)的建站模塊；

(6)根據(jù)ERS點(diǎn)離線建站文件，視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行ERS點(diǎn)探測(cè)，驅(qū)動(dòng)自動(dòng)鉆鉚機(jī)移動(dòng)，獲得所有ERS點(diǎn)在自動(dòng)鉆鉚機(jī)設(shè)備坐標(biāo)系下的當(dāng)前坐標(biāo)；

(7)測(cè)量系統(tǒng)軟件自動(dòng)對(duì)所測(cè)ERS點(diǎn)實(shí)測(cè)值與理論值進(jìn)行匹配擬合，采用最小二乘優(yōu)化算法，獲得準(zhǔn)確的工裝夾具坐標(biāo)系。

在步驟(3)中，得到的ERS點(diǎn)離線建站文件用以快速對(duì)工裝夾具進(jìn)行建站標(biāo)定。

在步驟(4)中，由于AGV車的定位具有一定偏差，所以工裝夾具每次與自動(dòng)鉆鉚機(jī)設(shè)備的相對(duì)關(guān)系都具有一定偏差，從而造成產(chǎn)品與設(shè)備的相對(duì)關(guān)系具有偏差，造成加工風(fēng)險(xiǎn)。

步驟(6)的具體步驟為：

(6-1)視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)選擇一個(gè)ERS點(diǎn)；

(6-2)相機(jī)對(duì)ERS點(diǎn)進(jìn)行自動(dòng)對(duì)焦和對(duì)中，直至拍攝ERS點(diǎn)誤差≤0.1mm為止；

(6-3)獲取該ERS點(diǎn)在相機(jī)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)；

(6-4)根據(jù)相機(jī)與自動(dòng)鉆鉚機(jī)設(shè)備的位置關(guān)系，將該ERS點(diǎn)在相機(jī)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為在自動(dòng)鉆鉚機(jī)設(shè)備坐標(biāo)系下的當(dāng)前坐標(biāo)；

(6-5)對(duì)剩余的ERS點(diǎn)分別執(zhí)行步驟(6-1)～步驟(6-4)；得到所有ERS點(diǎn)在自動(dòng)鉆鉚機(jī)設(shè)備坐標(biāo)系下的當(dāng)前坐標(biāo)。

在步驟(6-2)中，相機(jī)自動(dòng)對(duì)焦，能保證將相機(jī)的測(cè)量平面定位到工裝夾具ERS點(diǎn)的平面上；相機(jī)自動(dòng)對(duì)中，根據(jù)被測(cè)ERS點(diǎn)的位置，驅(qū)動(dòng)自動(dòng)鉆鉚機(jī)移動(dòng)，使被測(cè)ERS點(diǎn)位于圖像中心。

算法原理：假設(shè)工裝夾具上有m個(gè)ERS點(diǎn)，第i個(gè)ERS點(diǎn)在工裝夾具坐標(biāo)系下的坐標(biāo)記為在自動(dòng)鉆鉚機(jī)設(shè)備坐標(biāo)系下的坐標(biāo)記為設(shè)從工裝夾具坐標(biāo)系到自動(dòng)鉆鉚機(jī)設(shè)備坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣為R，平移分量為T，則存在以下關(guān)系：

由于不共線的三點(diǎn)可以確立一個(gè)剛體，因此至少需要三個(gè)上述方程才能求出旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移分量T，因此所使用的ERS點(diǎn)數(shù)量至少為3個(gè)。選取合適的ERS點(diǎn)數(shù)量，利用最小二乘擬合的方法求解工裝夾具坐標(biāo)系與自動(dòng)鉆鉚機(jī)設(shè)備坐標(biāo)系的關(guān)系，定義如下最優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)：

其中m是所使用的ERS點(diǎn)數(shù)量，當(dāng)F取極小值時(shí)，旋轉(zhuǎn)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(biāo)系相對(duì)于設(shè)備坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移分量。

本發(fā)明主要用于當(dāng)AGV車運(yùn)輸工裝夾具到自動(dòng)鉆鉚機(jī)加工區(qū)域時(shí)，快速準(zhǔn)確的標(biāo)定工裝夾具與自動(dòng)鉆鉚機(jī)的相對(duì)位置關(guān)系。

本發(fā)明飛機(jī)壁板臥式自動(dòng)鉆鉚機(jī)的工裝夾具坐標(biāo)系建站方法將視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)和自動(dòng)鉆鉚機(jī)制孔系統(tǒng)結(jié)合成一體，建立工裝夾具坐標(biāo)系時(shí)不需要激光跟蹤儀，操作簡(jiǎn)單快速；且既能使標(biāo)定精度滿足自動(dòng)鉆鉚機(jī)制孔的要求，又能大大提高自動(dòng)鉆鉚機(jī)現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)備工作效率。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明中鉆鉚機(jī)的工裝夾具坐標(biāo)系快速建站時(shí)各坐標(biāo)系關(guān)聯(lián)示意圖；

圖2是本發(fā)明工裝夾具上的ERS點(diǎn)示意圖；

圖3是本發(fā)明工裝夾具坐標(biāo)系建站方法的示意圖。

具體實(shí)施方式

為了更為具體地描述本發(fā)明，下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

如圖1所示，本發(fā)明所用的系統(tǒng)包括：鉆鉚機(jī)設(shè)備坐標(biāo)系1、工裝夾具坐標(biāo)系2、相機(jī)坐標(biāo)系3、壁板4、工裝夾具5；

如圖2所示，本發(fā)明方法所用的工裝夾具10上設(shè)有四個(gè)ERS點(diǎn)，分別為ERS點(diǎn)6、ERS點(diǎn)7、ERS點(diǎn)8、ERS點(diǎn)9，壁板11安裝于工裝夾具10上。

如圖3所示，本發(fā)明飛機(jī)壁板臥式自動(dòng)鉆鉚機(jī)的工裝夾具坐標(biāo)系建站方法包括如下步驟：

步驟1，標(biāo)定相機(jī)與自動(dòng)鉆鉚機(jī)的相對(duì)位置，得到相機(jī)坐標(biāo)系。

步驟2，通過(guò)激光跟蹤儀獲得初次工裝夾具坐標(biāo)系和自動(dòng)鉆鉚機(jī)設(shè)備坐標(biāo)系的關(guān)系及工裝夾具上ERS點(diǎn)在初次工裝夾具坐標(biāo)系的坐標(biāo)。

步驟3，通過(guò)離線編程軟件系統(tǒng)將工裝夾具上ERS點(diǎn)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換至自動(dòng)鉆鉚機(jī)設(shè)備坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，并制成ERS點(diǎn)離線建站文件。

步驟4，采用AGV車將工裝夾具運(yùn)輸至指定加工位置，AGV車駛離該區(qū)域；

由于AGV車的定位具有一定偏差，所以工裝夾具每次與自動(dòng)鉆鉚機(jī)設(shè)備的相對(duì)關(guān)系都具有一定偏差，從而造成產(chǎn)品與設(shè)備的相對(duì)關(guān)系具有偏差，造成加工風(fēng)險(xiǎn)，因此需要建立精確的工裝夾具與自動(dòng)鉆鉚機(jī)設(shè)備的相對(duì)關(guān)系。

步驟5，將離線編程軟件系統(tǒng)輸出的ERS點(diǎn)離線建站文件導(dǎo)入自動(dòng)鉆鉚機(jī)視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)的建站模塊。

步驟6，視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)選擇一個(gè)ERS點(diǎn)。

步驟7，相機(jī)對(duì)ERS點(diǎn)進(jìn)行自動(dòng)對(duì)焦和對(duì)中，直至拍攝ERS點(diǎn)誤差≤0.1mm為止；

相機(jī)自動(dòng)對(duì)焦，能保證將相機(jī)的測(cè)量平面定位到工裝夾具ERS點(diǎn)的平面上；相機(jī)自動(dòng)對(duì)中，根據(jù)被測(cè)ERS點(diǎn)的位置，驅(qū)動(dòng)自動(dòng)鉆鉚機(jī)移動(dòng)，使被測(cè)ERS點(diǎn)位于圖像中心。

步驟8，獲取該ERS點(diǎn)在相機(jī)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。

步驟9，根據(jù)相機(jī)與自動(dòng)鉆鉚機(jī)設(shè)備的位置關(guān)系，將該ERS點(diǎn)在相機(jī)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為在自動(dòng)鉆鉚機(jī)設(shè)備坐標(biāo)系下的當(dāng)前坐標(biāo)。

步驟10，對(duì)剩余的ERS點(diǎn)分別執(zhí)行步驟6～步驟9；得到所有ERS點(diǎn)在自動(dòng)鉆鉚機(jī)設(shè)備坐標(biāo)系下的當(dāng)前坐標(biāo)。

步驟11，測(cè)量系統(tǒng)軟件自動(dòng)對(duì)所測(cè)ERS點(diǎn)實(shí)測(cè)值與理論值進(jìn)行匹配擬合，采用最小二乘優(yōu)化算法，獲得準(zhǔn)確的工裝夾具坐標(biāo)系。

工裝夾具上設(shè)有m個(gè)ERS點(diǎn)，第i個(gè)ERS點(diǎn)在工裝夾具坐標(biāo)系下的坐標(biāo)記為在自動(dòng)鉆鉚機(jī)設(shè)備坐標(biāo)系下的坐標(biāo)記為設(shè)從工裝夾具坐標(biāo)系到自動(dòng)鉆鉚機(jī)設(shè)備坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣為R，平移分量為T，則存在以下關(guān)系：

利用最小二乘擬合的方法求解工裝夾具坐標(biāo)系與自動(dòng)鉆鉚機(jī)設(shè)備坐標(biāo)系的關(guān)系，定義如下最優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)：

其中m是所使用的ERS點(diǎn)數(shù)量，當(dāng)F取極小值時(shí)，求得旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移分量T；

利用以上方法建立工裝夾具坐標(biāo)系，采用4個(gè)ERS點(diǎn)，4個(gè)ERS點(diǎn)在工裝坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為：

4個(gè)ERS點(diǎn)在自動(dòng)鉆鉚機(jī)設(shè)備坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為：

利用最小二乘擬合的方法求得到旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移分量T分別為：

這樣即可得到準(zhǔn)確工裝夾具當(dāng)前所處位置與自動(dòng)鉆鉚機(jī)設(shè)備之間的坐標(biāo)系關(guān)系。

與傳統(tǒng)的工件坐標(biāo)系相比，采用本發(fā)明建立的工件坐標(biāo)系加工同樣的工件，加工時(shí)間縮短，加工精度符合要求。

該方法將視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)和自動(dòng)鉆鉚機(jī)制孔系統(tǒng)結(jié)合成一體，適用于飛機(jī)裝配領(lǐng)域的自動(dòng)鉆鉚機(jī)工裝夾具建站環(huán)節(jié)，提高自動(dòng)鉆鉚機(jī)現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)備工作效率，滿足飛機(jī)壁板制孔中的應(yīng)用要求。

以上所述的具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，應(yīng)理解的是以上所述僅為本發(fā)明的最優(yōu)選實(shí)施例，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的原則范圍內(nèi)所做的任何修改、補(bǔ)充和等同替換等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。