基于位姿在線反饋調(diào)整的大型法蘭對裝-第1篇

1、 基于位姿在線反饋調(diào)整的大型法蘭對裝 侯增選+楊修偉+黃磊+徐軍摘 要：為解決工業(yè)結(jié)構(gòu)中大型法蘭對接裝配存在的低精度、低效率等問題，提出一種基于姿態(tài)矢量及LD-PSD在線反饋的對裝方法.首先，以關(guān)節(jié)臂測量機獲取標定塊測量點的實際坐標值，與理論坐標值對比形成擬合誤差矩陣，以該矩陣2范數(shù)最小為優(yōu)化目標，利用奇異值分解法（SVD）建立全局坐標系與測量坐標系映射關(guān)系，并獲取全局坐標系下待裝配件若干點空間坐標，結(jié)合最小二乘法及隨機霍夫變換（RHT）建立待裝配體當前位姿數(shù)學(xué)模型.設(shè)計六自由度位姿調(diào)整裝置，以靜法蘭為目標位姿，依據(jù)關(guān)鍵姿態(tài)矢量信息解算動法蘭位姿調(diào)整參量，實現(xiàn)位姿預(yù)調(diào)整. LD-PSD在線反饋

2、系統(tǒng)檢測并反饋裝配質(zhì)量評價指標，規(guī)劃微轉(zhuǎn)動及微平動路徑，對靜法蘭位姿多次糾偏以滿足對接裝配精度.試驗結(jié)果表明：裝配過程高效，裝配精度高，能夠?qū)崿F(xiàn)法蘭連接結(jié)構(gòu)的精確對裝.設(shè)計的LD-PSD在線反饋系統(tǒng)可實現(xiàn)位姿的調(diào)整、檢測、反饋再調(diào)整的閉環(huán)裝配操作.Key：關(guān)節(jié)臂測量機；關(guān)鍵姿態(tài)矢量；LD-PSD；奇異值分解法；最小二乘法；隨機霍夫變換：TP23 文獻標志碼：AAssemblage of Large Flange Based on Attitued Vector and Position Online FeedbackHOU Zengxuan ，YANG Xiuwei， HUANG Lei ，X

3、U Jun（School of Mechanical Engineering， Dalian University of Technology，Dalian 116024，China）Abstract：In order to solve the problems of low precision and low efficiency in the assemblage of large flange， a new method was considered on the basis of the key attitude vector and LD-PSD online feedback fo

4、r the assemblage of large flange. Firstly， joint arm measuring machine was used to measure the actual coordinates of calibration block， which was compared with the theoretical values to build fitting error matrix. Taking the least 2-norm of the error matrix as optimization objective， a mapping relat

5、ion between the global coordinate system and measuring coordinate system with SVD was then established. Secondly， the space coordinates of several points in the parts to be assembled under global coordinate system， and the mathematical model of the current position of the parts by the combination of

6、 the least square and RHT the key attitude vector information for the position and attitude adjustment parameters of tail nozzle were calculated. Lastly， the LD-PSD online correction system detected and feedbacked the quality evaluation index of the assembly to plan the micro motion and rotation pat

7、h and adjust nozzle position in order to satisfy the assembly accuracy. According to the results of experiment， the assemble process through the proposed method is stable and efficient， the assemble precision is high， and the precise assemble of nozzle and combustion chamber is realized. LD-PSD syst

8、em can realize a closed-loop operation of tail nozzle， such as adjustment， detection， feedback， and readjustment.Key words：joint arm measuring machine； key attitude vector； LD-PSD； singular value decomposition method； least square method； random Hough transform法蘭對接結(jié)構(gòu)具有構(gòu)造簡單、可操作性好等特點，因此在工業(yè)結(jié)構(gòu)中應(yīng)用廣泛.典型應(yīng)用

9、如航天器間的對接、航天運載結(jié)構(gòu)級間分離面的對接、火箭發(fā)動機燃燒室與尾噴管的裝配、石油化工設(shè)備中密閉管道的連接、風(fēng)力發(fā)電機主軸結(jié)構(gòu)、飛機導(dǎo)管的螺栓法蘭連接以及核反應(yīng)堆冷卻泵轉(zhuǎn)子組件的軸向連接等等.以航天結(jié)構(gòu)為例，美國航空噴氣公司的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，20世紀60年代，與對接結(jié)構(gòu)相關(guān)的故障占14.9%，國內(nèi)1969至1984年7種型號固體火箭發(fā)動機的50次實驗中，有18%的故障由對接結(jié)構(gòu)及密封問題引起，由此可知，法蘭對接結(jié)構(gòu)是很多工業(yè)結(jié)構(gòu)失效的主要原因之一.因此，提高工業(yè)結(jié)構(gòu)的法蘭對接裝配質(zhì)量及效率，以提高工業(yè)結(jié)構(gòu)的安全性能是值得研究的關(guān)鍵問題. 針對大型法蘭等大部件的自動對裝問題，國內(nèi)外已做了很多研究

10、，且取得很大進展.先后基于光學(xué)原理發(fā)展了多種大部件位姿測量方法，如激光跟蹤儀，柔性關(guān)節(jié)臂測量機、激光雷達、室內(nèi)GPS1等，為大部件對接裝配提供了關(guān)鍵測量手段.目前，位姿計算主要采用的方法有三點法、四元數(shù)法、最小二乘法、ICP算法、奇異值分解法、正交迭代算法2等.李欽杰提出一種基于激光視覺傳感的飛機導(dǎo)管自動裝配方法，搭建自動化裝配平臺，利用激光條紋特征計算偏差，并規(guī)劃位姿調(diào)整路徑實現(xiàn)導(dǎo)管間法蘭的對接3；馬政偉等設(shè)計了一種柔性工裝機構(gòu)，該機構(gòu)基于精密三坐標定位器對側(cè)壁部件進行裝配調(diào)姿，實現(xiàn)了大型飛機側(cè)壁部件的數(shù)字化裝配4；西安航天化學(xué)動力廠針對薄壁開口燃燒室部件間的對接裝配問題，提出變形識別與安全

11、校正的方法解決了薄壁件因變形導(dǎo)致對裝誤差大的問題 5.此外，針對其它大部件的對接裝配，美國波音飛機制造公司構(gòu)建了一套基于 IGPS 的輔助裝配系統(tǒng)，提高了飛機、航天器、輪船等典型大部件的裝配/對接精度及效率6；宋彰桓等針對IGPS在飛機對接中的多點實時測量問題，提出了一套基于測量關(guān)鍵特性的IGPS測量點選取方法，改變了依賴經(jīng)驗選取的傳統(tǒng)方法，提高了部件對接質(zhì)量7；朱永國等針對飛機中機身的自動對接裝配問題，設(shè)計一種新型的冗余驅(qū)動中機身自動調(diào)姿機構(gòu)，同時提出基于理想驅(qū)動力的中機身多項式軌跡規(guī)劃方法8；羅芳等針對飛機大部件自動對接裝配問題，對裝配運動路徑進行規(guī)劃，并分析裝配誤差，提出相應(yīng)補償方法，有

12、效提高對接精度9；易旺民等提出了一種基于6-SPS并聯(lián)機構(gòu)的自動化大型艙段對接裝配技術(shù)，將位姿控制與力隨動控制技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)了大型艙段的精確對裝并兼顧小變形要求10 ；Williams等研制了基于激光跟蹤儀、定位器和控制系統(tǒng)相組合的大部件位姿調(diào)整系統(tǒng)，替代了傳統(tǒng)人工對接平臺11；德國Brtje公司研制了一套自動化裝配系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包括數(shù)控定位器、激光跟蹤儀、控制系統(tǒng)等，用于精確調(diào)整和定位飛機機身以實現(xiàn)最佳質(zhì)量的對接和裝配12，以上國內(nèi)外大部件對接裝配方法為本文方法提供了有效參考.現(xiàn)階段，針對大型法蘭對接裝配的研究中，所用的裝配方法都是基于一次測量即計算位姿調(diào)整量，不能剔除位姿計算誤差及位姿

13、調(diào)整傳動誤差影響，不能形成位姿調(diào)整閉環(huán)控制，從而限制了裝配精度提高.基于關(guān)鍵姿態(tài)矢量信息及LD-PSD在線反饋的法蘭對接裝配方法，能夠?qū)Ψㄌm位姿實時檢測并反饋，形成位姿調(diào)整閉環(huán)控制，消除位姿計算誤差及位姿調(diào)整傳動誤差影響，有效提高法蘭對接精度及效率.1 裝配系統(tǒng)組成1.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計裝配系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示.位姿調(diào)整機構(gòu)是位姿調(diào)整的執(zhí)行端，分為位置與姿態(tài)調(diào)整兩部分.位置調(diào)整部分包括X，Y，Z方向直線運動單元，姿態(tài)調(diào)整部分包括俯仰部分、繞動軸轉(zhuǎn)動部分及動法蘭U型基座的自轉(zhuǎn)部分.調(diào)整姿態(tài)時，俯仰機構(gòu)搭載動軸旋轉(zhuǎn)機構(gòu)及動法蘭U型基座一起繞固定軸實現(xiàn)俯仰旋轉(zhuǎn)；動軸旋轉(zhuǎn)機構(gòu)搭載U型基座實現(xiàn)繞動軸旋轉(zhuǎn)

14、；最后，U型基座可搭載法蘭實現(xiàn)繞法蘭自身軸線的旋轉(zhuǎn).為實現(xiàn)位姿調(diào)整閉環(huán)控制，設(shè)計LD-PSD在線反饋系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由激光二極管LD、枕形高靈敏度光電位置傳感器PSD、加裝凸透鏡的PSD和ARM單片機等組成.通過LD直接照射或凸透鏡聚焦在PSD光敏面形成光斑，處理電路自動輸出光斑在PSD接收板的坐標（X，Y） 13，進一步處理便得到光斑與PSD板中心點的距離.設(shè)計LD-PSD的安裝基座以保證LD的激光發(fā)射線和 PSD中心線分別和所在螺栓孔軸線重合，安裝基座直徑與對應(yīng)螺栓孔直徑滿足緊密配合關(guān)系，以模擬螺栓與螺栓孔配合情況.通過卡槽定位，螺栓鎖緊，實現(xiàn)LD與PSD在安裝基座的固定，并分別從非裝配面

15、裝入待裝配法蘭螺栓孔內(nèi).得到光斑坐標后，實時反饋回PC機供程序處理， LD-PSD在線檢測系統(tǒng)測量原理如圖2所示.為實現(xiàn)各部件的協(xié)調(diào)有序工作，構(gòu)建測量與運動控制通信系統(tǒng)，如圖3所示.運動控制卡用于協(xié)調(diào)各伺服電機運動，控制伺服電機的位置和運動方向?qū)崿F(xiàn)姿態(tài)調(diào)整及位置移動；ARM單片機，控制光電位置傳感器采集信息并控制測量過程；PC機實現(xiàn)數(shù)據(jù)的分析處理、顯示、信息存儲等功能，包括關(guān)節(jié)臂測量機獲取的點坐標的存儲與顯示.1.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計軟件系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計手段，利用 VC+ 在上位機開發(fā)數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)，主要包括參數(shù)設(shè)置模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)分析處理模塊、裝配系統(tǒng)仿真模塊、數(shù)據(jù)實時顯示模塊等.參

16、數(shù)設(shè)置界面包括測量點數(shù)設(shè)置，調(diào)整精度設(shè)定等基本參數(shù)；數(shù)據(jù)采集模塊，主要是對關(guān)節(jié)臂測量機的點測數(shù)據(jù)和光電位置傳感器獲得的距離數(shù)據(jù)進行采集并存儲；數(shù)據(jù)分析處理模塊，求解位姿矢量信息，解算位姿調(diào)整參量.數(shù)據(jù)顯示模塊主要用作測點坐標及對接誤差的實時顯示，軟件系統(tǒng)界面如圖4所示.2 動法蘭位姿預(yù)調(diào)整關(guān)節(jié)臂測量機的測量坐標系為w：O-Xw，Yw，Zw，全局坐標系為m：O-Xm，Ym，Zm，且坐標系m坐標軸與位置調(diào)整機構(gòu)的直線導(dǎo)軌方向平行.坐標系m與w之間以RPY（，）旋轉(zhuǎn)矩陣m wR與位置矩陣Tm w表示映射關(guān)系，若wpi與mpi表示同一點分別在坐標系w和m的不同表示，則wpi=mwR.mpi +Tmw.

17、建立表征待裝件姿態(tài)的二維坐標系Si：Oi-lini，i=1，2，及姿態(tài)調(diào)整機構(gòu)隨動坐標系f：O-Xf，Yf，Zf，坐標系f各坐標軸初始方向與坐標系m相同.姿態(tài)調(diào)整機構(gòu)搭載部件依次繞俯仰軸、轉(zhuǎn)動軸、自轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動的過程，可等同于隨動坐標系f依次繞Xf， Zf ，Yf軸的歐拉角轉(zhuǎn)動.法蘭對接裝配過程如下所示：在坐標系w下測量方形標定塊的三條棱線多點坐標，建立坐標系m，同時建立歐拉姿態(tài)調(diào)整機構(gòu)隨動坐標系f； 關(guān)節(jié)臂測量機分別測量動法蘭與靜法蘭端面，柱面及對應(yīng)螺栓孔內(nèi)壁多點坐標，求解待裝配件關(guān)鍵矢量信息，建立位姿數(shù)學(xué)模型及局部坐標系S1：O1-l1n1S2：O2-l2n2；解算位姿調(diào)整機構(gòu)旋轉(zhuǎn)及平動調(diào)整參

18、量，并由伺服控制系統(tǒng)驅(qū)動位姿調(diào)整機構(gòu)實現(xiàn)動法蘭位姿預(yù)調(diào)整；啟動LD-PSD在線反饋系統(tǒng)， LD發(fā)射光線經(jīng)透鏡聚焦在PSD接收板形成投影光斑，解算對接端面平面夾角誤差，姿態(tài)調(diào)整機構(gòu)對動法蘭端面實時調(diào)整并反饋，直至消除端面平行誤差；LD發(fā)射光線直接在PSD接收板投影形成光斑，檢測動法蘭3個對應(yīng)螺栓孔偏心距di，i=1，2，3，并做微轉(zhuǎn)動調(diào)整，直至d1=d2=d3，消除對應(yīng)螺栓孔相對扭轉(zhuǎn)誤差；對動法蘭位置微平動調(diào)整，并實時測量偏心距di，直至di=0，最后沿靜法蘭法線方向做空間直線插補實現(xiàn)位置終調(diào)，實現(xiàn)精確對接.2.1 建立坐標系w與m的映射關(guān)系將坐標系m建立于高精度方形標定塊表面，并在X，Y，Z軸

19、所在棱邊共取n點，如圖5所示，記該坐標系下 n點實際測量值Pi（Xi，Yi，Zi），i=1，2，3，4，n.對應(yīng)坐標系w下實際測量值Pi（Xi，Yi，Zi），且Pi為點i對應(yīng)的實際測量值與理論轉(zhuǎn)換值誤差，即2.2 待裝配件當前位姿數(shù)學(xué)模型建立實現(xiàn)法蘭的對接裝配，要求兩法蘭端面平行，圓心重合，且法蘭周邊螺栓孔按一定位置對準.分別以動法蘭圓心為原點O1，圓心連線向量l1，法矢向量 n1，建立表征位姿的坐標系S1：O1-l1n1，同理建立表征靜法蘭位姿的坐標系S2：O2-l2n2，法蘭表面取點如圖6所示.為減小測量設(shè)備系統(tǒng)誤差及待裝件幾何誤差對位姿特征向量精度造成的影響，將最小二乘法與RHT法14相

20、結(jié)合求解關(guān)鍵位姿矢量信息，抵消部分點測量誤差及孤立點對位姿計算的影響，基本過程如下：建立所有測量點集合E，并隨機抽取k個測量點（4kn-1）組成集合ci（i=1，2，3，）即ciE；建立參數(shù)空間P，利用抽取的k個點使用最小二乘法求解各項未知參數(shù)，參數(shù)集合記為P1，再次不重樣抽取k個點使用最小二乘法求解未知參數(shù)，記為集合P2，假設(shè)抽取次數(shù)為6得到參數(shù)結(jié)果P=P1，P2，P3，P4，P5，P6；設(shè)定樣本點到擬合方程的距離閾值x，遍歷所有樣本點，求解樣本點到擬合方程距離i，對ix的樣本點進行計數(shù)，依次對所有方程樣本點投票，得到符合條件的點個數(shù)分別為比較P1，P2，P3，P4，P5，P6，選擇投票數(shù)最

21、多所對應(yīng)的一組參數(shù)作為最終擬合方程的參數(shù)值.2.3 動法蘭姿態(tài)預(yù)調(diào)整本研究將位姿調(diào)整分為姿態(tài)調(diào)整與位置調(diào)整兩部分，姿態(tài)調(diào)整的目的為使兩法蘭端面法矢向量n1與n2相同，螺栓孔圓心與端面圓心連線矢量l1與l2相同.在姿態(tài)調(diào)整中，動法蘭的轉(zhuǎn)動調(diào)整參量為依次繞俯仰軸、旋轉(zhuǎn)軸、自轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，.若同一向量在坐標系f和坐標系m中分別為Pf，Pm，且f與m方向相同，則Pf=Pm.若兩坐標系發(fā)生相對轉(zhuǎn)動，則Pm =RmfPf，Rmf為兩坐標系姿態(tài)變換矩陣.隨動坐標系f隨動法蘭依次繞俯仰軸、旋轉(zhuǎn)軸、自轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，即坐標系f依次繞Xf，Yf，Zf軸轉(zhuǎn)動歐拉角，.矢量n1與n2，l1與l2在坐標系f下的方向如圖7所示.2

22、.4 動法蘭位置預(yù)調(diào)整圖8中，坐標系f原點Of（Xf，Yf，Zf），旋轉(zhuǎn)動軸為AB， 基點A（XA，YA，ZA），回轉(zhuǎn)基座自轉(zhuǎn)軸線CD，且圓心O1處于自轉(zhuǎn)軸線上.根據(jù)坐標系S1旋轉(zhuǎn)角度，圓心O1依次繞俯仰軸轉(zhuǎn)，繞轉(zhuǎn)動軸旋轉(zhuǎn)，繞自轉(zhuǎn)軸CD旋轉(zhuǎn)，圓心的最終位置為O1.在坐標系f中，由于坐標系的歐拉矩陣變換與RPY矩陣變換具有可逆互等性，即圓心O1以Xf-AB-CD順序轉(zhuǎn)動Euler（-）的結(jié)果與按照CD-AB-Xf的順序轉(zhuǎn)動RPY（-）的結(jié)果相同.經(jīng)位置預(yù)調(diào)整，使動法蘭到達預(yù)設(shè)的在線糾偏系統(tǒng)作用位置.為避免移動過程中動法蘭與靜法蘭發(fā)生干涉，位置調(diào)整路徑為：動法蘭端面圓心位置O1直線插補到S點，S點

23、直線插補到預(yù)先設(shè)定位置F點，如圖9所示.其中，S1為O1在靜法蘭法線投影點，S點為動法蘭端面圓心實際到達點.3.1 動法蘭微轉(zhuǎn)動調(diào)整3.1.1 消除對接端面夾角誤差LD與透鏡PSD組合測量對接端面夾角誤差，測量原理如圖11所示.當光線偏離PSD面法線，光斑偏離PSD板中心O點，偏心距離OP與光線偏離法線的角度成一定幾何關(guān)系，光束與焦平面軸線夾角f為凸透鏡焦距；XP為P點在PSD板的橫向坐標；YP為 P點在PSD板的縱向坐標值.4 實例驗證4.1 試驗數(shù)據(jù)采集為驗證本文算法的有效性，在實驗室條件下模擬靜法蘭與動法蘭的位姿測算與對接裝配.法蘭外徑900 mm，內(nèi)徑550 mm，螺栓孔D=40 mm

24、，測量系統(tǒng)采用海克斯康關(guān)節(jié)臂測量機及S2044 二維位置傳感器.試驗之前，應(yīng)首先標定全局坐標系m，并在坐標系m下測量靜法蘭與動法蘭的端面、柱面和螺栓孔內(nèi)壁的5點坐標.端面、柱面和螺栓孔內(nèi)壁的5點坐標，如表1表2所示.4.2 試驗數(shù)據(jù)處理點坐標采集完畢，利用文中所述算法將數(shù)據(jù)處理后，得法蘭的位姿，端面圓心O1（-850.002，1 410.091，1 450.336） mm，O2（-693.246 7，2 432.800，1 281.400） mm；法矢向量n1=（0，1，0），n2=（-0.375 9，0.238 1，0.895 6）；螺栓與圓心連線矢量l1=（0.004，-0.000 1，-

25、1），l2=（0.013 5，0.961 2，-0.275 6）.動法蘭相對靜法蘭的預(yù)調(diào)整歐拉轉(zhuǎn)角=75.1，=-1.3，=22.1，Xm方向插補位移-236.4 mm，Ym方向插補位移1 116.5 mm，Zm方向插補位移-440.1 mm. 4.3 裝配精度為驗證該位姿算法及位姿調(diào)整系統(tǒng)的有效性，對無PSD在線糾偏系統(tǒng)和有PSD在線糾偏系統(tǒng)的裝配質(zhì)量指標分別測算.用塞尺對法蘭對接面周邊檢測， 換算成兩對接端面夾角1=0.012 1與1=0.009 1；用標準圓柱檢測兩對接法蘭端面通孔中心的位置偏差2=0.037 1 mm與2=0.028 7 mm，用標準圓柱檢測螺栓孔中心的位置偏差，換算成

26、螺栓孔相對扭轉(zhuǎn)角3=0.013 2與3=0.009 3.由對比結(jié)果可以看出， LD-PSD在線檢測系統(tǒng)可有效提高裝配精度，滿足裝配精度要求：兩平面夾角小于0.01，連接孔偏心度小于0.03 mm，對應(yīng)螺栓孔相對扭轉(zhuǎn)角小于0.01.同時，為進一步說明LD-PSD在線檢測系統(tǒng)的優(yōu)越性，于動靜法蘭端面、柱面、螺栓孔內(nèi)壁進行等量取點，取點總個數(shù)在1575之間時，其精度1與1，2與2，3與3對比如圖14圖16所示.由試驗結(jié)果可知，在LD-PSD在線檢測系統(tǒng)參與下，對接端平面夾角誤差、螺栓孔相對扭轉(zhuǎn)誤差、對應(yīng)螺栓孔偏心度均優(yōu)于無LD-PSD在線檢測系統(tǒng)參與的情況，且基本不受測點個數(shù)影響，充分說明本方法的有

27、效性及LD-PSD在線檢測系統(tǒng)的優(yōu)越性.取點個數(shù)5 結(jié) 論提出的基于關(guān)鍵姿態(tài)矢量信息與LD-PSD在線反饋的法蘭對接裝配方法，以靜法蘭為目標位姿實現(xiàn)了動法蘭位姿的預(yù)調(diào)整，通過 LD-PSD在線反饋系統(tǒng)實時檢測裝配質(zhì)量指標，并實時調(diào)整動法蘭位姿，直至滿足要求精度，實現(xiàn)了裝配精度的閉環(huán)控制.試驗結(jié)果顯示，最終對接端面夾角誤差、對應(yīng)螺栓孔相對扭轉(zhuǎn)角度誤差、連接孔的圓心位置誤差均符合裝配要求，驗證了該位姿調(diào)整理論方法的正確性、實用性.此外，實現(xiàn)無人值守的高效、高精度智能裝配是大部件裝配的研究方向，也是本課題的努力方向.Reference1 趙樂樂.飛機大部件裝配數(shù)字化測量場構(gòu)建技術(shù)研究D. 南京：南京

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