一种飞机壁板卧式自动钻铆机的工装夹具坐标系建站方法与流程

本发明属于制造自动化领域，具体涉及一种飞机壁板卧式自动钻铆机的工装夹具坐标系建站方法。

背景技术：

飞机部件装配的工作量约占飞机制造工作量的40％，是飞机生产中的重要环节，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。铆接技术是飞机装配中普遍使用的一项机械连接技术，铆接的质量和效率直接影响着飞机装配、飞机制造的质量和效率。传统的铆接产品质量受工人个体因素的影响比较大，因此难以确保稳定、高质、高效的连接。

近年来，随着装配技术的发展，自动钻铆机逐渐替代了传统的人工铆接，铆接质量和效率都有了大幅提升，因此发展自动钻铆技术，使用自动钻铆设备进行自动化钻铆是一种必然的趋势。

要实现自动钻铆机制孔铆接，必须建立待加工工件和外部环境的数学模型，然而由于存在制造和装配等方面的误差，飞机壁板和其数学模型之间往往存在一定的偏差，如果仅仅按照数学模型来加工，则制孔精度得不到保证。为了实现自主定位和制孔的自动化并保证制孔精度，研究视觉测量相关技术并将其应用到自动钻铆机制孔铆接中去是相当必要的。本发明中，产品安装在工装夹具上，而工装夹具通过AGV车运输入位，其定位精度与AGV车精度有关，故需修正自动钻铆机与工装夹具间的相对关系。如果能够不借助外界测量设备，仅仅通过自动钻铆机的视觉测量系统来定位自动钻铆机与工装夹具之间的相对位置，则大大提高了自动钻铆机现场准备工作效率。

技术实现要素：

为了解决借助外部测量设备定位自动钻铆机与工装夹具之间相对位置带来的不便和效率低等问题，本发明提供一种飞机壁板卧式自动钻铆机的工装夹具坐标系建站方法，该方法将视觉测量系统和自动钻铆机制孔系统结合成一体，适用于飞机装配领域的自动钻铆机工装夹具建站环节，提高自动钻铆机现场准备工作效率，满足飞机壁板制孔中的应用要求。

应用该方法的系统中共存在3种主要坐标系，分别为：自动钻铆机设备坐标系、工装夹具坐标系以及相机坐标系；在进行自动钻铆机视觉测量系统建站之前，需要建立各个坐标系，确定自动钻铆机设备、工装夹具以及工业相机之间的位置关系；其中，自动钻铆机设备坐标系和工装夹具坐标系是通过激光跟踪仪获得，相机坐标系通过标定方法获得。

自动钻铆机视觉测量建站的目的是快速建立自动钻铆机与工装夹具的关系，即得出工装夹具当前所处位置与自动钻铆机设备之间的坐标系关系，即工装夹具坐标系。

一种飞机壁板卧式自动钻铆机的工装夹具坐标系建站方法，包括如下步骤：

(1)标定相机与自动钻铆机的相对位置，得到相机坐标系；

(2)通过激光跟踪仪获得初次工装夹具坐标系和自动钻铆机设备坐标系的关系及工装夹具上ERS点在工装夹具坐标系的坐标；

(3)通过离线编程软件系统将工装夹具上ERS点的坐标转换至自动钻铆机设备坐标系下的坐标，并制成ERS点离线建站文件；

(4)采用AGV车将工装夹具运输至指定加工位置，AGV车驶离该区域；

(5)将离线编程软件系统输出的ERS点离线建站文件导入自动钻铆机视觉测量系统的建站模块；

(6)根据ERS点离线建站文件，视觉测量系统进行ERS点探测，驱动自动钻铆机移动，获得所有ERS点在自动钻铆机设备坐标系下的当前坐标；

(7)测量系统软件自动对所测ERS点实测值与理论值进行匹配拟合，采用最小二乘优化算法，获得准确的工装夹具坐标系。

在步骤(3)中，得到的ERS点离线建站文件用以快速对工装夹具进行建站标定。

在步骤(4)中，由于AGV车的定位具有一定偏差，所以工装夹具每次与自动钻铆机设备的相对关系都具有一定偏差，从而造成产品与设备的相对关系具有偏差，造成加工风险。

步骤(6)的具体步骤为：

(6-1)视觉测量系统选择一个ERS点；

(6-2)相机对ERS点进行自动对焦和对中，直至拍摄ERS点误差≤0.1mm为止；

(6-3)获取该ERS点在相机坐标系下的坐标；

(6-4)根据相机与自动钻铆机设备的位置关系，将该ERS点在相机坐标系下的坐标转换为在自动钻铆机设备坐标系下的当前坐标；

(6-5)对剩余的ERS点分别执行步骤(6-1)～步骤(6-4)；得到所有ERS点在自动钻铆机设备坐标系下的当前坐标。

在步骤(6-2)中，相机自动对焦，能保证将相机的测量平面定位到工装夹具ERS点的平面上；相机自动对中，根据被测ERS点的位置，驱动自动钻铆机移动，使被测ERS点位于图像中心。

算法原理：假设工装夹具上有m个ERS点，第i个ERS点在工装夹具坐标系下的坐标记为在自动钻铆机设备坐标系下的坐标记为设从工装夹具坐标系到自动钻铆机设备坐标系的旋转矩阵为R，平移分量为T，则存在以下关系：

由于不共线的三点可以确立一个刚体，因此至少需要三个上述方程才能求出旋转矩阵R和平移分量T，因此所使用的ERS点数量至少为3个。选取合适的ERS点数量，利用最小二乘拟合的方法求解工装夹具坐标系与自动钻铆机设备坐标系的关系，定义如下最优化目标函数：

其中m是所使用的ERS点数量，当F取极小值时，旋转矩阵R和平移分量T的取值就是所要求解的工装夹具坐标系相对于设备坐标系的旋转矩阵和平移分量。

本发明主要用于当AGV车运输工装夹具到自动钻铆机加工区域时，快速准确的标定工装夹具与自动钻铆机的相对位置关系。

本发明飞机壁板卧式自动钻铆机的工装夹具坐标系建站方法将视觉测量系统和自动钻铆机制孔系统结合成一体，建立工装夹具坐标系时不需要激光跟踪仪，操作简单快速；且既能使标定精度满足自动钻铆机制孔的要求，又能大大提高自动钻铆机现场准备工作效率。

附图说明

图1是本发明中钻铆机的工装夹具坐标系快速建站时各坐标系关联示意图；

图2是本发明工装夹具上的ERS点示意图；

图3是本发明工装夹具坐标系建站方法的示意图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1所示，本发明所用的系统包括：钻铆机设备坐标系1、工装夹具坐标系2、相机坐标系3、壁板4、工装夹具5；

如图2所示，本发明方法所用的工装夹具10上设有四个ERS点，分别为ERS点6、ERS点7、ERS点8、ERS点9，壁板11安装于工装夹具10上。

如图3所示，本发明飞机壁板卧式自动钻铆机的工装夹具坐标系建站方法包括如下步骤：

步骤1，标定相机与自动钻铆机的相对位置，得到相机坐标系。

步骤2，通过激光跟踪仪获得初次工装夹具坐标系和自动钻铆机设备坐标系的关系及工装夹具上ERS点在初次工装夹具坐标系的坐标。

步骤3，通过离线编程软件系统将工装夹具上ERS点的坐标转换至自动钻铆机设备坐标系下的坐标，并制成ERS点离线建站文件。

步骤4，采用AGV车将工装夹具运输至指定加工位置，AGV车驶离该区域；

由于AGV车的定位具有一定偏差，所以工装夹具每次与自动钻铆机设备的相对关系都具有一定偏差，从而造成产品与设备的相对关系具有偏差，造成加工风险，因此需要建立精确的工装夹具与自动钻铆机设备的相对关系。

步骤5，将离线编程软件系统输出的ERS点离线建站文件导入自动钻铆机视觉测量系统的建站模块。

步骤6，视觉测量系统选择一个ERS点。

步骤7，相机对ERS点进行自动对焦和对中，直至拍摄ERS点误差≤0.1mm为止；

相机自动对焦，能保证将相机的测量平面定位到工装夹具ERS点的平面上；相机自动对中，根据被测ERS点的位置，驱动自动钻铆机移动，使被测ERS点位于图像中心。

步骤8，获取该ERS点在相机坐标系下的坐标。

步骤9，根据相机与自动钻铆机设备的位置关系，将该ERS点在相机坐标系下的坐标转换为在自动钻铆机设备坐标系下的当前坐标。

步骤10，对剩余的ERS点分别执行步骤6～步骤9；得到所有ERS点在自动钻铆机设备坐标系下的当前坐标。

步骤11，测量系统软件自动对所测ERS点实测值与理论值进行匹配拟合，采用最小二乘优化算法，获得准确的工装夹具坐标系。

工装夹具上设有m个ERS点，第i个ERS点在工装夹具坐标系下的坐标记为在自动钻铆机设备坐标系下的坐标记为设从工装夹具坐标系到自动钻铆机设备坐标系的旋转矩阵为R，平移分量为T，则存在以下关系：

利用最小二乘拟合的方法求解工装夹具坐标系与自动钻铆机设备坐标系的关系，定义如下最优化目标函数：

其中m是所使用的ERS点数量，当F取极小值时，求得旋转矩阵R和平移分量T；

利用以上方法建立工装夹具坐标系，采用4个ERS点，4个ERS点在工装坐标系下的坐标为：

4个ERS点在自动钻铆机设备坐标系下的坐标为：

利用最小二乘拟合的方法求得到旋转矩阵R和平移分量T分别为：

这样即可得到准确工装夹具当前所处位置与自动钻铆机设备之间的坐标系关系。

与传统的工件坐标系相比，采用本发明建立的工件坐标系加工同样的工件，加工时间缩短，加工精度符合要求。

该方法将视觉测量系统和自动钻铆机制孔系统结合成一体，适用于飞机装配领域的自动钻铆机工装夹具建站环节，提高自动钻铆机现场准备工作效率，满足飞机壁板制孔中的应用要求。

以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。