基于激光发射器的钻孔法矢对准方法及对准系统

摘要

一种基于激光发射器的钻孔法矢对准方法及对准系统，其特征是所述的方法包括以下步骤：首先，在车间内安装至少两个激光发射器，并使各激光发射器能绕相互垂直的轴旋转；其次，钻枪的顶部加工形成一个“十”字线；第三，根据所需钻孔的位置计算出钻孔时所需的法矢值；第四，根据计算所得的法矢值，调整两个发射器的旋转角度，使每个激光发射器发射的光线平面经过理论“十”字线的一条，两个激光发射器发出的光线平面在钻枪顶部投影相交形成与法矢垂直的理论“十”字线；第五，人工或自动调整钻枪的角度，使钻枪顶部的“十”字线与激光发射器所形成的理论“十”字线重合，即完成钻顶法矢的对准。最后，按调整后的法矢完成钻孔工作。本发明调整方便，算法简单。

权利要求

1.一种基于激光发射器的钻孔法矢对准方法，其特征是它包括以下步骤：首先，在车间内安装至少两个激光发射器，并使各激光发射器能绕相互垂直的轴旋转；

其次，钻枪的顶部加工形成一个“十”字线；

第三，根据所需钻孔的位置计算出钻孔时所需的法矢值；

第四，根据计算所得的法矢值，调整两个发射器的旋转角度，使每个激光发射器发射的光线平面经过理论“十”字线的一条，两个激光发射器发出的光线平面在钻枪顶部投影相交形成与法矢垂直的理论“十”字线；

第五，人工或自动调整钻枪的角度，使钻枪顶部的“十”字线与激光发射器所形成的理论“十”字线重合，即完成钻枪顶部法矢的对准；

最后，按调整后的法矢完成钻孔工作。

2.一种钻孔法矢对准系统，其特征是它包括安装在车间中的至少两个激光发射器（6），所述的每个激光发射器（6）均安装在对应的第二旋转轴（5）上，第二旋转轴（5）安装在支架（3）上，第二旋转轴（5）由安装在支架（3）上的第二电机（4）驱动旋转，所述的支架（3）安装在第一旋转轴（2）上，第一旋转轴（2）由第一电机（1）驱动旋转；调整两个激光发射器的第一旋转轴和第二旋转轴的转动角度就能使每个激光发射器发射的光线平面经过理论“十”字线的一条，为钻枪法矢人工或自动调整提供参照基准。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征是所述的第一电机和第二电机均为伺服电机。

4.根据权利要求2所述的系统，其特征是所述的支架（3）呈U形结构，第一旋转轴安装在U形结构的底部中心位置处，第二旋转轴穿装在U形结构的开口端上。

说明书

基于激光发射器的钻孔法矢对准方法及对准系统

技术领域

[0001] 本发明涉及一种曲面钻孔技术，尤其是一种飞机蒙皮表面的制孔技术，具体地说是一种基于激光发射器的钻孔法矢对准方法及对准系统。

背景技术

[0002] 在航空工业中，一架飞机的机体的失效形式主要是疲劳破坏，而疲劳破坏大多数则是产生在机体结构的链接部位上。如今的飞机制造业，主要的链接方式还是铆接和螺栓链接，所以对于连接孔的质量要求非常高，对于飞机寿命有着重要的影响。传统的飞机装配中的制孔一般采用人工钻孔为主，但是不同工人的熟练程度和体力不同，对于孔的垂直度把握往往都是根据经验，容易产生加工缺陷，从而使得制孔的精度无法得到保证与实时监测评价方案。

[0003] 在一架大型飞机上，大约有150～200万个连接件，连接孔的位置精度，表面质量对于孔的加工精度影响较大，其中垂直度是主要因素之一。垂直度直接影响了所钻孔的直径，还会对于飞机装配中的铆接质量产生很大影响。根据相关数据表明，当飞机紧固件沿外载荷作用方向倾斜角度大于2°时，飞机疲劳寿命会降低47％；当倾斜角度超过5°时，疲劳寿命会降低95％。

[0004] 在法向调整技术领域，已经取得一定的发展。可采用利用4个接触式位移传感器来调整法向。这种方法可以通过测量位移传感器的法向偏差来调整刀具进给方向，从而获得比较理想的法向精度，它可用于手动和自动钻孔，但是缺点就是在测量时需要压紧部件，这样会对加工件产生一定的变形，从而使得法向调整结果不精确。或者可以利用3个激光位移传感器测量钻孔点周围3个特征点的坐标，通过叉积原理计算出钻头中心轴线与钻孔点法向量的夹角，再利用二元角度调节法调整钻头方向，但是这种方法需要保证3个激光位移传感器的发射点均匀的分布在钻头同心圆的圆周上，并且激光发射方向需要跟钻头的方向相同，且安装在制孔执行器末端，对安装的精度要求较高，且不适合手动钻孔技术。

[0005] 在手动钻孔技术中，传统的钻套是目前应用比较广泛的，但是它在制孔时开敞性不够，不能观察到制孔质量，且对于外蒙皮向内侧制孔后内部桁条等的余边量不够而影响装配质量。此外，重要的在曲率变化大的军机等蒙皮制孔时，钻套的应用完全无法保证制孔法矢的精度。

[0006] 激光发射器目前已应用于多种测量组件中，但将其应用到制孔法矢的测量与检验中是一种突出的应用，尤其结合离线编程技术，利用A,B角度的变化而精确定位法矢参数，并对于大型飞机组装车间可以一次性固定多个，组成一种特有的测量检验系统，对于改善人工手动制孔的精度与省去或简化钻模等特有工具具有重要意义。

发明内容

[0007] 本发明的目的是针对现有的钻孔法矢对准难度大，结构复杂，精度低的总问题，发明一种算法简单，控制、调整方便的基于激光发射器的钻孔法矢对准方法及对准系统。

[0008] 本发明的技术方案之一是：

[0009] 一种基于激光发射器的钻孔法矢对准方法，其特征是它包括以下步骤：

[0010] 首先，在车间内安装至少两个激光发射器，并使各激光发射器能绕相互垂直的轴旋转；

[0011] 其次，钻枪的顶部加工形成一个“十”字线；

[0012] 第三，根据所需钻孔的位置计算出钻孔时所需的法矢值；

[0013] 第四，根据计算所得的法矢值，调整两个发射器的旋转角度，使每个激光发射器发射的光线平面经过理论“十”字线的一条，两个激光发射器发出的光线在钻枪顶部形成与法矢垂直的理论“十”字线；

[0014] 第五，人工或自动调整钻枪的角度，使钻枪顶部的“十”字线与激光发射器所形成的理论“十”字线重合，即完成钻顶法矢的对准；

[0015] 最后，按调整后的法矢完成钻枪顶部工作。

[0016] 本发明的技术方案之二是：

[0017] 一种钻孔法矢对准系统，其特征是它包括安装在车间中的至少两个激光发射器6，所述的每个激光发射器6均安装在对应的第二旋转轴5上，第二旋转轴5安装在支架3上，第二旋转轴5由安装在支架3上的第二电机4驱动旋转，所述的支架3安装在第一旋转轴2上，第一旋转轴2由第一电机1驱动旋转；调整两个激光发射器的第一旋转轴和第二旋转轴的转动角度就能使每个激光发射器发射的光线平面经过理论“十”字线的一条，两个激光发射器发出的光线平面在钻枪顶部投影相交形成与法矢垂直的理论“十”字线，为钻枪法矢人工或自动调整提供参照基准。

[0018] 所述的第一电机和第二电机均为伺服电机。

[0019] 所述的支架3呈U形结构，第一旋转轴安装在U形结构的底部中心位置处，第二旋转轴穿装在U形结构的开口端上。

[0020] 本发明的有益效果：

[0021] 本发明的钻孔法矢对准技术具有全方位，适用于整装配车间，适于柔性多机型生产线，算法简单，易于控制实现的优点。

[0022] 本发明所涉及的钻枪十字线改造，激光发射器的A,B角摆动调整投射平面来对准钻枪十字线，以此评价法矢对准的技术，便于工人操作，省去传统定制的钻模等特殊工装与工具。

[0023] 本发明根据钻孔蒙皮在工装中固定的位置，由离线编程技术，得出所钻孔点在蒙皮基坐标系下的点位信息和法矢信息，通过矩阵变化，得出各激光发射器在动坐标系下所需要的摆动角度的量α，β，此算法可用于控制系统实现激光发射器的角度旋转调整。

[0024] 本发明所涉及的整车间，多激光发射器下的整机型全方位法矢对准技术，利用具体工作钻孔区域，并结合工人操作方便的区域，优化选择两个具体方位的激光发射器进行投影对准技术，是一种新型的整车间法矢对准系统。

[0025] 本发明不仅适用于人工手动钻孔，而且适用于自动钻铆，尤其是在军机等表面曲率变化大的蒙皮手动制孔过程中的手动法向对准。

附图说明

[0026] 图1是本发明改进后的钻枪的结构示意图。

[0027] 图2是本发明的能进行两个方向角度调整的激光发射器单元的结构示意图。

[0028] 图3是本发明所涉及的多激光发射器组成的法矢对准示意图。

[0029] 图1中：A点是钻头端点，钻枪顶端具有定制的十字线，B点是十字中心，h为A点到B点的距离，法向矢量记为n，十字线两条直线记为BP,BQ。

[0030] 图2中：1为.第一旋转电机，2是第一.旋转轴，3是支架，4是第二旋转电机，5是第二旋转轴，6是激光发射器，α为第一旋转轴转动的角度，β为第二旋转轴转动的角度。

[0031] 图3中：O-XYZ为蒙皮基坐标系，Oi-XiYiZi为激光发射器坐标系。

具体实施方式

[0032] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

[0033] 实施例一。

[0034] 如图1-3所示。

[0035] 一种基于激光发射器的钻孔法矢对准方法，先将要制孔的飞机部件固定在型架上，对这一部件定义唯一的基准坐标系T0:O-XYZ；平面激光发射器布置于车间的四周若干个，当对某区域进行钻孔时，可以人为选择就近的不干扰的激光发射器进行本发明的应用，这样的应用基本能满足飞机所有区域的人为钻孔法矢对准操作，为以往的人为保证法矢的操作提供了一种评价与依赖机制。每个激光可以绕相互垂直的轴旋转(如图2)，旋转轴记为Xi轴，Yi轴，绕Xi轴的旋转角记为α，绕Yi轴的旋转角记为β角，且激光源发射的光源与Xi-Yi平面重合。车间的周围需要布置足够数量的激光群，使其能够覆盖整个车间，记每个激光的坐标系为Oi-XiYiZi。

[0036] 本发明的关键在于对手动钻枪进行区域的改造，在钻枪末端铣成一个与钻枪转轴垂直的平面，并在所铣平面上刻上一个相互垂直的“十”字标记。通过对刀仪等测量工具，测得此“十”字标记到钻孔钻头顶端的距离记为h，如图1所示。

[0037] 钻枪在飞机某固定工装区域进行制孔时，孔位点及该点的法矢可以通过离线编程得知，孔位点记为点A(xa,yb,zc)，该孔位点的法矢记为矢量n(xn,yn,zn)。

[0038] 制孔时的正确姿态是钻头与该孔位点的法矢重合。本发明中法矢找正通过调节激光群中某两个激光源的α、β角，使两个激光源发射的平面构成制孔时正确姿态的理论“十字”。工人制孔时只要调整钻枪的姿态，使其“十”字标记与激光平面形成的理论十字线在钻枪上的投影分别重合，即找到了正确的法矢方向。

[0039] 本发明需要计算出孔位点对应的钻枪理论“十”字标记所在的平面：

[0040] 孔位点A(xa,yb,zc)，孔位点法矢n(xn,yn,zn)，“十”字标记距孔位点距离h。对于该“十”字标记的位置记为B，则有

[0041]

[0042] 记OB＝(xb,yb,zb)，“十”字标记的理论平面就是过B点，且垂直 的平面，设平面上的点为P(x,y,z)，则有

[0043]

[0044] 用矩阵表达

[0045]

[0046] 一个平面上相互垂直的“十”字有任意个，在这里我们先固定下其中的两个坐标，然后通过(3)式求出第三个坐标。

[0047] 若法矢 的某个分量为0，那么该分量对应的坐标可以为任意值，因此这种情况下该坐标必须被固定下来。根据这个思路，将情况分为以下三种情况：

[0048] 1、zn≠0时，先固定x,y坐标，令x＝xb+l,y＝yb+m l≠m将其代入(3)式，可求得[0049] 记为

[0050]

[0051] BP可当作“十”字标记的第一条线，则第二条线BQ可以表示为

[0052]

[0053] 记为Q(xq,yq,zq)。

[0054] 2、zn＝0,yn＝0时，那么必须固定y,z坐标，令y＝yb+m,z＝xb+n m≠n将其代入(3)式，可求得

[0055] 记为

[0056]

[0057] BP可当作“十”字标记的第一条线，则第二条线BQ可以表示为

[0058] 记为Q(xq,yq,zq)。

[0059] 3、zn＝0,yn≠0时，那么先固定x,z坐标，令x＝xb+l,z＝zb+n l≠n将其代入(3)式，可求得

[0060] 记为

[0061]

[0062] BP可当作“十”字标记的第一条线，则第二条线BQ可以表示为

[0063] 记为Q(xq,yq,zq)。

[0064] 至此本发明得到了理论“十”字标记在基准坐标系的直线方程。

[0065] 要使两个激光源发射的平面构成制孔时正确姿态的理论“十”字，即激光的发射平面位于激光源与BP(或BQ)构成的平面。假设激光源1对应BP，激光源2对应BQ(图3)，即激光源1要调整到O1BP平面，激光源2要调整到O2BQ平面。以激光源1为例，根据上述规定，就是经过绕X轴旋转α角，绕Y轴旋转β角后，激光源1的Z轴应该指向O1BP的法向。

[0066] 记O1BP、O2BQ的法向分别为

[0067]

[0068]

[0069] 其中O1,O2为激光源1与激光源2在基准坐标系中的位置，即 都是在基准坐标系下表示的。

[0070] 激光源具有两个旋转自由度，首先绕X轴旋转α角，然后绕Y轴旋转β角，其变换后的姿态可以由以下齐次变换矩阵表示。

[0071]

[0072] 其中

[0073] 根据前述的定义，激光源经过旋转后，激光平面的法矢同样为旋转过后的Z轴，即变换矩阵第三列的前三行，但是，该法矢的参考坐标系是激光源的原始坐标系，并不是在基准坐标系表示的，因此需要将法矢转换到基准坐标系。定义该法矢为

[0074] NomNormal＝[sin(β)-sin(α)cos(β)cos(α)cos(β)1]T   (11)

[0075] 根据前述定义，每个激光源的位姿可以从基准坐标通过一定的坐标变换得到，定义第I个激光源在基准坐标系中的位置为[xi yi zi 1]T，那么该激光源的原始坐标每次可以通过将基准坐标系平移[xi yi zi 1]T之后，再分别绕X轴，Y轴，Z轴旋转αi,βi,γi角得到。定义基准坐标系到第I个激光源的变换矩阵为

[0076]

[0077] 其中

[0078]

[0079] 那么第I个激光源坐标系中NomNormal在基准坐标系中可以表示为：

[0080]

[0081] 以第I个激光源对于某一孔位点BP平面，有

[0082]

[0083] 其中：

[0084] OA为所要加工的孔位点, 为该孔位的法矢，它们可以由离线编程的代码得到[0085] h为铆枪钻头点到“十”字标记的高度，是铆枪的已知结构参数

[0086] OOi为第i个激光源在基准坐标中的位置，已知

[0087] 为从基准坐标系到第i个激光源的变换矩阵，已知

[0088] α，β为针对某一孔位点，激光源要旋转的角度，(13)式就剩P点是未知的，根据上述已计算的结果，可以得到:

[0089]其中：

[0090] l,m,n为初始的已知常数；xn，yn.zn为 的分量；Normalize表示对求得的矢量单位化，即使其模为1。

[0091] 同理第j个激光源对于某一孔位点BQ平面，有

[0092]其中：l,m,n为初始的已知常数；xn,yn.zn为 的分量；Normalize表示对求得的矢量单位化，即使其模为1。

[0093] 一个孔位点对应两个激光源，其旋转角α，β可由上式两式求得。

[0094] 实施例二。

[0095] 如图2、3所示。

[0096] 一种钻孔法矢对准系统，它包括安装在车间中的至少两个激光发射器6，如图3所示，所述的每个激光发射器6均安装在对应的第二旋转轴5上，第二旋转轴5安装在支架3上，第二旋转轴5由安装在支架3上的第二伺服电机4驱动旋转，所述的支架3安装在第一旋转轴2上，第一旋转轴2由第一伺电机1驱动旋转；调整两个激光发射器的第一旋转轴和第二旋转轴的转动角度就能使两个激光发射器发出的光线均垂直于所需钻孔处的法矢并形成钻孔所需的理论“十”字线，为钻枪法矢人工或自动调整提供参照基准。如图2所示，所述的支架3呈U形结构，第一旋转轴安装在U形结构的底部中心位置处，第二旋转轴穿装在U形结构的开口端上。

[0097] 本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。