專利名稱：一種自動(dòng)鉆鉚機(jī)器人的法向找正方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種機(jī)器人控制方法，尤其涉及一種自動(dòng)鉆鉚機(jī)器人的法向找正控制方法，屬于機(jī)器人法向精度控制領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在航空航天制造領(lǐng)域，飛機(jī)柔性裝配技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)成為國內(nèi)外飛機(jī)制造業(yè)數(shù)字化制造的主流發(fā)展趨勢。由于目前飛機(jī)結(jié)構(gòu)件裝配過程中以機(jī)械連接為主，機(jī)械連接帶來了大量制孔問題，為了滿足飛機(jī)長壽命要求就必須解決精密制孔技術(shù)難題，因此機(jī)器人精密制孔技術(shù)成為飛機(jī)柔性裝配技術(shù)的一個(gè)重要應(yīng)用和研究方向。國外關(guān)于機(jī)器人自動(dòng)制孔技術(shù)的研究和應(yīng)用已相當(dāng)成熟美國Electroimpact 公司與英國空客公司聯(lián)合設(shè)計(jì)了一套機(jī)器人自動(dòng)鉆削系統(tǒng)(O.N. C. E)，主要用于波音F/ A-18E/F的機(jī)翼后緣襟翼的鉆孔和锪孔；美國EOA公司與波音公司聯(lián)合研制了一種機(jī)器人多功能鉆削系統(tǒng)(EOA)，可完成對鈦合金、鋁合金、復(fù)合材料以及疊層等飛機(jī)蒙皮的鉆孔、锪孔和鉸孔工作；瑞典Novator公司根據(jù)Orbital鉆頭專利技術(shù)開發(fā)了一套機(jī)器人多功能鉆削系統(tǒng)(Orbital E-D100)；洛克希德·馬丁公司F-35飛機(jī)碳纖維環(huán)氧復(fù)合材料機(jī)翼上壁板制孔用的大型龍門式鉆孔系統(tǒng)(JGADQ代表了機(jī)器人制孔技術(shù)最前沿應(yīng)用的方向。國內(nèi)飛機(jī)裝配領(lǐng)域與航空技術(shù)先進(jìn)國家相比尚存在較大差距，對機(jī)器人精密制孔的研究處于起步階段，因此需要大力發(fā)展以滿足新一代飛機(jī)的研制與生產(chǎn)需求。在機(jī)器人自動(dòng)制孔過程中，由于機(jī)器人本身的定位誤差、型架制造與安裝誤差、產(chǎn)品加工裝配誤差以及機(jī)翼空間姿態(tài)動(dòng)態(tài)變化等因素的影響，導(dǎo)致蒙皮表面待加工點(diǎn)外法矢量方向與刀具軸線方向存在一定夾角。若此夾角過大，必將直接影響工件加工精度和裝配可靠性，同時(shí)降低刀具的使用壽命，因此在飛機(jī)部件裝配鉆孔(鉚接孔)加工前，提高鉆鉚的垂直精度就顯得尤為重要。文獻(xiàn)“大型壁板數(shù)控鉆鉚的三點(diǎn)快速調(diào)平算法(秦現(xiàn)生，汪文旦，樓阿莉，尉藤.航空學(xué)報(bào)，2007，28 (6)，1455-1460)，，提出了基于機(jī)翼壁板有限曲面加工區(qū)域的三點(diǎn)快速調(diào)平算法。文章針對基于鉆鉚機(jī)和托架的數(shù)控鉆鉚系統(tǒng)，采用以機(jī)翼表面待鉆鉚點(diǎn)附近三點(diǎn)坐標(biāo)表征鉚接區(qū)域空間姿態(tài)的方法，通過鉆鉚系統(tǒng)的幾何結(jié)構(gòu)模型所確定的坐標(biāo)變化矩陣，逆解出調(diào)平所需的各運(yùn)動(dòng)副位移增量。該方法有效地降低了機(jī)翼表面待鉆鉚區(qū)域的外法矢量與鉆鉚機(jī)加工軸線之間的偏差，基本實(shí)現(xiàn)鉆鉚垂直精度在0. 5°的范圍內(nèi)，但由于該方法是通過調(diào)整工件姿態(tài)來適應(yīng)鉆鉚機(jī)的加工軸線方向，對于大型機(jī)翼壁板操作困難，實(shí)現(xiàn)過程較復(fù)雜。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為滿足自動(dòng)鉆鉚過程中對垂直精度的要求，針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，而提出一種基于激光位移傳感器的自動(dòng)鉆鉚機(jī)器人法向找正方法。該方法所使用的裝置包括四個(gè)激光位移傳感器、模擬量輸入模塊以及計(jì)算機(jī)，四個(gè)激光位移傳感器安裝在機(jī)器人的末端執(zhí)行器上，機(jī)器人的目標(biāo)點(diǎn)位于四個(gè)激光位移傳感器射出的四束激光的光點(diǎn)在目標(biāo)表面上所形成的四邊形內(nèi)部，四個(gè)激光位移傳感器通過模擬量輸入模塊連接計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)連接機(jī)器人控制器；該方法包括如下步驟步驟1 將機(jī)器人定位到預(yù)定的姿態(tài)和位置上，在機(jī)器人的末端執(zhí)行器上建立工具坐標(biāo)系，獲取TCP在機(jī)器人坐標(biāo)系中的位置以及機(jī)器人的空間姿態(tài)，TCP即工具坐標(biāo)系中心占·
I—t ^ \\\ 步驟2 測量四個(gè)激光位移傳感器與目標(biāo)表面的距離，將測得的四個(gè)距離信息通過模擬量輸入模塊傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中；步驟3 計(jì)算機(jī)器人由當(dāng)前姿態(tài)變換到目標(biāo)姿態(tài)時(shí)工具坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣；步驟4 在機(jī)器人坐標(biāo)系中計(jì)算出機(jī)器人的目標(biāo)姿態(tài)；步驟5 將該目標(biāo)姿態(tài)值傳輸給機(jī)器人控制器，控制機(jī)器人完成法向找正。本發(fā)明具有如下技術(shù)效果(1)滿足機(jī)器人自動(dòng)鉆鉚技術(shù)中加工垂直精度在0.5°范圍內(nèi)的要求；(2)應(yīng)用于機(jī)器人自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)中對工裝的柔性度要求較低；(3)所需原始信息少且易于獲取，能夠快速、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)機(jī)器人姿態(tài)找正；(4)可直接輸出機(jī)器人應(yīng)調(diào)整到的目標(biāo)姿態(tài)，便于機(jī)器人的姿態(tài)調(diào)整控制。


圖1為本發(fā)明的法向找正幾何模型示意圖，圖中i為機(jī)器人坐標(biāo)系；ii為工具坐標(biāo)系；iii為待鉆鉚目標(biāo)表面。圖2為本發(fā)明中機(jī)器人法向檢測平面投影示意圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明方法所使用的裝置由四個(gè)非接觸式激光位移傳感器、模擬量輸入模塊以及計(jì)算機(jī)構(gòu)成。機(jī)器人坐標(biāo)系為0-ΧΥΖ，工具坐標(biāo)系T-XH建立在機(jī)器人的末端執(zhí)行器上。如圖1所示，設(shè)工具坐標(biāo)系中心點(diǎn)(TCP)為T點(diǎn)，四個(gè)激光位移傳感器在工具坐標(biāo)系XTY平面
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內(nèi)的安裝點(diǎn)分別為Pi、P2、P3、P4，安裝尺寸應(yīng)滿足P1P2 =P3P4 =/ (1即安裝尺寸)且P1P2、P3P4 分別為工具坐標(biāo)系X軸和Y軸正方向，四個(gè)激光傳感器等分安裝在機(jī)器人末端執(zhí)行器上以刀具軸線為中心軸的圓柱面上，且均與刀具軸線成45°夾角，這樣可使得打到目標(biāo)表面的四條激光束在不交叉的前提下又能夠足夠靠攏，即四束激光在目標(biāo)表面形成的區(qū)域盡可能小，以提高法向找正的精度。機(jī)器人的目標(biāo)點(diǎn)(待鉆鉚點(diǎn))位于四束激光在目標(biāo)表面上的光點(diǎn)所形成的四邊形內(nèi)部，將四個(gè)激光位移傳感器與目標(biāo)表面的距離作為確定待鉆鉚點(diǎn)實(shí)際法向姿態(tài)的輸入信息，并將該信息通過倍福模擬量輸入模塊傳輸給計(jì)算機(jī)。下面對本發(fā)明方法的步驟作進(jìn)一步詳細(xì)說明。本發(fā)明方法的具體實(shí)施步驟如下步驟1 控制機(jī)器人按已編制好的數(shù)控程序定位到合適的姿態(tài)和位置上，在機(jī)器人末端執(zhí)行器上建立工具坐標(biāo)系T-XYZ，待機(jī)器人到達(dá)TCP后獲取機(jī)器人當(dāng)前的位姿(X，y， z，a，b，c)，采用歐拉角變換序列表示運(yùn)動(dòng)姿態(tài)(a、b、c為歐拉角)Euler = ROT(z, c )ROT(y, b )ROT(x, a)
權(quán)利要求
1.一種自動(dòng)鉆鉚機(jī)器人的法向找正方法，其特征在于該方法所使用的裝置包括四個(gè)激光位移傳感器、模擬量輸入模塊以及計(jì)算機(jī)，四個(gè)激光位移傳感器安裝在機(jī)器人的末端執(zhí)行器上，機(jī)器人的目標(biāo)點(diǎn)位于四個(gè)激光位移傳感器射出的四束激光的光點(diǎn)在目標(biāo)表面上所形成的四邊形內(nèi)部，四個(gè)激光位移傳感器通過模擬量輸入模塊連接計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)連接機(jī)器人控制器； 該方法包括如下步驟步驟1 將機(jī)器人定位到預(yù)定的姿態(tài)和位置上，在機(jī)器人的末端執(zhí)行器上建立工具坐標(biāo)系，獲取TCP在機(jī)器人坐標(biāo)系中的位置以及機(jī)器人的空間姿態(tài)，TCP即工具坐標(biāo)系中心 點(diǎn)步驟2:測量四個(gè)激光位移傳感器與目標(biāo)表面的距離，將測得的四個(gè)距離信息通過模擬量輸入模塊傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中；步驟3 計(jì)算機(jī)器人由當(dāng)前姿態(tài)變換到目標(biāo)姿態(tài)時(shí)工具坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣；步驟4 在機(jī)器人坐標(biāo)系中計(jì)算出機(jī)器人的目標(biāo)姿態(tài)；步驟5 將該目標(biāo)姿態(tài)值傳輸給機(jī)器人控制器，控制機(jī)器人完成法向找正。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自動(dòng)鉆鉚機(jī)器人的法向找正方法，其特征在于所述四個(gè)激光位移傳感器等分安裝在機(jī)器人末端執(zhí)行器上以刀具軸線為中心軸的圓柱面上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自動(dòng)鉆鉚機(jī)器人的法向找正方法，其特征在于 所述步驟4中機(jī)器人的目標(biāo)姿態(tài)的計(jì)算步驟為1)根據(jù)四個(gè)激光位移傳感器測得的四個(gè)距離信息，在工具坐標(biāo)系中計(jì)算刀具軸線與目標(biāo)區(qū)域的理論法矢在坐標(biāo)平面XTZ和YTZ內(nèi)的夾角，其中T為工具坐標(biāo)系中心點(diǎn)；2)計(jì)算在工具坐標(biāo)系內(nèi)機(jī)器人的當(dāng)前姿態(tài)刀具軸線方向與目標(biāo)姿態(tài)刀具軸線方向的夾角；3)根據(jù)步驟1)和2)計(jì)算所得的夾角，機(jī)器人經(jīng)過兩次旋轉(zhuǎn)變換調(diào)整得到機(jī)器人的目標(biāo)姿態(tài)。出
全文摘要
本發(fā)明公開了一種自動(dòng)鉆鉚機(jī)器人的法向找正方法，屬于機(jī)器人法向精度控制領(lǐng)域。該方法所使用的裝置包括四個(gè)激光位移傳感器、模擬量輸入模塊以及計(jì)算機(jī)，四個(gè)激光位移傳感器安裝在機(jī)器人的末端執(zhí)行器上，并通過輸入模塊連接計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)連接機(jī)器人控制器。該方法首先建立機(jī)器人坐標(biāo)系，并在機(jī)器人末端執(zhí)行器上建立工具坐標(biāo)系，獲取機(jī)器人到達(dá)TCP時(shí)的坐標(biāo)，然后測量傳感器與目標(biāo)表面之間的距離，計(jì)算出機(jī)器人目標(biāo)姿態(tài)相對于當(dāng)前姿態(tài)的偏差角，最后計(jì)算出機(jī)器人應(yīng)調(diào)整到的目標(biāo)姿態(tài)，將該姿態(tài)傳輸給機(jī)器人控制器完成法向找正。本發(fā)明方法所需的原始信息少且易于獲取，能夠快速、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)機(jī)器人姿態(tài)找正。
文檔編號(hào)B25J13/00GK102284956SQ201110113060
公開日2011年12月21日 申請日期2011年5月4日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月4日
發(fā)明者劉勇, 劉長明, 周衛(wèi)雪, 孫海龍, 廖文和, 楊國川, 沈建新, 田威, 黃躍 申請人:南京航空航天大學(xué), 成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司