一种五轴数控制孔机床的制孔法向插补修正方法

摘要

本发明公开了一种五轴数控制孔机床的制孔法向插补修正方法，属于飞机数字化装配中的自动化制孔领域，该方法首先计算制孔区域内四个基准孔处法向修正前后机床两个旋转轴(A轴和B轴)的角度误差量，然后利用双线性插值法计算待加工孔处机床两个旋转轴的角度误差量，最后对该角度误差进行补偿以实现制孔法向的修正。采用本发明方法既可以保证制孔法向精度，又可以解决单孔法向修正效率低下以及当孔位分布较为密集时部分孔位法向难以修正的问题。

权利要求

1.一种五轴数控制孔机床的制孔法向插补修正方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)在制孔区域确定四个基准孔，计算各基准孔处机床两个旋转轴的角度误差量ΔAi、ΔBi(i＝1，2，3，4)；四个基准孔处机床两个旋转轴的角度误差量计算方法为：(1-1)记录机床依次运动至四个基准孔处时两个旋转轴的角度值A1、B1，A2、B2，A3、B3，A4、B4；

(1-2)分别在四个基准孔处对机床进行单孔法向修正，并记录法向修正后机床两个旋转轴的角度值A′1、B′1，A′2、B′2，A′3、B′3，A′4、B′4；

(1-3)计算各基准孔处机床两个旋转轴的角度误差量ΔAi、ΔBi，ΔAi＝A′i-Ai

ΔBi＝B′i-Bi

其中，i＝1，2，3，4；

(2)根据四个基准孔的位置、待加工孔的位置以及四个基准孔处机床两个旋转轴的角度误差量，利用双线性插值法计算待加工孔处机床两个旋转轴的角度误差量ΔA和ΔB；机床的两个旋转轴分别指A轴和B轴；

(3)利用待加工孔处机床两个旋转轴的角度误差量，对机床两个旋转轴的角度值进行补偿，实现制孔法向的修正。

2.根据权利要求1所述的制孔法向插补修正方法，其特征在于，步骤(2)中，待加工孔处机床两个旋转轴的角度误差量的计算步骤为：(2-1)利用四个基准孔构造一个四边形，计算待加工孔到该四边形四条边的距离d1，d2，d3，d4；

(2-2)计算双线性插值参数t和s：

(2-3)计算待加工孔处机床两个旋转轴的角度误差量ΔA和ΔB：ΔA＝(1-t)·(1-s)ΔA1+t·(1-s)ΔA2+s·(1-t)ΔA3+t·sΔA4ΔB＝(1-t)·(1-s)ΔB1+t·(1-s)ΔB2+s·(1-t)ΔB3+t·sΔB4

3.根据权利要求1所述的制孔法向插补修正方法，其特征在于，步骤(3)中，待加工孔处机床两个旋转轴的角度值的补偿方法为：A′＝A+ΔA

B′＝B+ΔB

其中，A、B为机床两个旋转轴在补偿前的角度值，A′、B′为机床两个旋转轴在补偿后的角度值。

4.根据权利要求1所述的制孔法向插补修正方法，其特征在于，步骤(1)中，四个基准孔的位置从待加工产品数模中获得。

5.根据权利要求1所述的制孔法向插补修正方法，其特征在于，步骤(2)中，待加工孔的位置从待加工产品数模中获得。

说明书

一种五轴数控制孔机床的制孔法向插补修正方法

技术领域

[0001] 本发明涉及飞机数字化装配中的自动化制孔领域，具体地说，涉及一种五轴数控制孔机床的制孔法向插补修正方法。

背景技术

[0002] 在飞机装配过程中，结构件之间的连接方式主要以机械连接为主，因此制孔作业是飞机装配中至关重要的环节。在传统的飞机装配中，主要以人工制孔为主，制孔质量严重依赖工人的经验、技术和工作状态，导致制孔质量难以满足飞机装配要求。

[0003] 随着自动化行业的发展，制孔逐步趋向自动化和数字化。国内外对于自动制孔技术均有大量的相关研究，国外如EI、GEMCOR、BROETJE等公司分别研制了各自的自动钻铆机以及自动化制孔设备，并成功应用到Boeing和空客等飞机的数字化装配中。近几年国内的自动化制孔技术也在飞速发展，如浙江大学、北京航空航天大学以及南京航空航天大学等在制孔技术方面均有较为成熟的研究成果，并且所研制的相关技术在西飞、成飞、陕飞等公司得到了实际应用。

[0004] 自动制孔过程中，制孔轴线与壁板表面的垂直度对制孔加工精度和连接疲劳强度有着重要的影响。由于飞机壁板存在制造误差以及定位误差，使得待加工孔处的实际法向与理论法向之间存在偏差。因此在制孔之前对当前孔位的法向进行修正是非常必要的。对于壁板法向修正技术，许多学者做了相关研究，如文献“飞机装配中基于3-PRS的并联机构法向调整算法，邹冀华，周万勇，韩先国.中国机械工程，2011，22(5)，557-560”及文献“航空制孔机器人末端垂直度智能调节方法，公茂震，袁培江，王田苗，等.北京航空航天大学，2012，38(10)，1400-1404”等。

[0005] 以上方法可以有效地降低制孔时的法向偏差，但均为单孔修正算法。采用这些方法，制孔时需要对飞机壁板上的每个待加工孔进行实时修正，不仅影响制孔综合效率，而且当孔位分布较为密集时激光光束可能射入已加工的孔内，造成法向测量不准无法修正的问题。

发明内容

[0006] 本发明的目的为提供一种五轴数控制孔机床的制孔法向插补修正方法，该方法既能保证制孔垂直度的精度，又能大幅提高制孔的综合效率。

[0007] 为了实现上述目的，本发明提供的五轴数控制孔机床的制孔法向插补修正方法包括以下步骤：

[0008] (1)在制孔区域确定四个基准孔，计算各基准孔处机床两个旋转轴的角度误差量ΔAi、ΔBi(i＝1，2，3，4)；

[0009] (2)根据四个基准孔的位置、待加工孔的位置以及四个基准孔处机床两个旋转轴的角度误差量，利用双线性插值法计算待加工孔处机床两个旋转轴的角度误差量ΔA和ΔB；

[0010] (3)利用待加工孔处机床两个旋转轴的角度误差量，对机床两个旋转轴的角度值进行补偿，实现制孔法向的修正。

[0011] 上述技术方案中，机床的两个旋转轴分别指A轴和B轴，本发明根据制孔区域内四个基准孔的法向信息来修正中间待加工孔的法向信息，首先计算四个基准孔处机床两个旋转轴的角度误差量，然后利用双线性插值法计算待加工孔处机床两个旋转轴的角度误差量，并进行补偿以实现制孔法向的修正，可有效满足飞机壁板制孔过程中对垂直度的要求。

[0012] 作为优选，步骤(1)中，四个基准孔处机床两个旋转轴的角度误差量计算方法为：

[0013] (1-1)记录机床依次运动至四个基准孔处时两个旋转轴的角度值A1、B1，A2、B2，A3、B3，A4、B4；

[0014] (1-2)分别在四个基准孔处对机床进行单孔法向修正，并记录法向修正后机床两个旋转轴的角度值A′1、B′1，A′2、B′2，A′3、B′3，A′4、B′4；

[0015] (1-3)计算各基准孔处机床两个旋转轴的角度误差量ΔAi、ΔBi，

[0016] ΔAi＝A′i-Ai

[0017] ΔBi＝B′i-Bi

[0018] 其中，i＝1，2，3，4；

[0019] 作为优选，步骤(2)中，待加工孔处机床两个旋转轴的角度误差量的计算步骤为：

[0020] (2-1)利用四个基准孔构造一个四边形，计算待加工孔到该四边形四条边的距离d1，d2，d3，d4；

[0021] (2-2)计算双线性插值参数t和s：

[0022]

[0023]

[0024] (2-3)计算待加工孔处机床两个旋转轴的角度误差量ΔA和ΔB：

[0025] ΔA＝(1-t)·(1-s)ΔA1+t·(1-s)ΔA2+s·(1-t)ΔA3+t·sΔA4

[0026] ΔB＝(1-t)·(1-s)ΔB1+t·(1-s)ΔB2+s·(1-t)ΔB3+t·sΔB4

[0027] 作为优选，步骤(3)中，待加工孔处机床两个旋转轴的角度值的补偿方法为：

[0028] A′＝A+ΔA

[0029] B′＝B+ΔB

[0030] 其中，A、B为机床两个旋转轴在补偿前的角度值，可根据待加工孔的位置信息由数控机床运动学反解计算得到，A′、B′为机床两个旋转轴在补偿后的角度值。

[0031] 作为优选，步骤(1)中，四个基准孔的位置可从待加工产品数模中获得。步骤(2)中，待加工孔的位置可从待加工产品数模中获得。

[0032] 与现有技术相比，本发明的有益效果为：

[0033] (1)本发明的五轴数控制孔机床的制孔法向插补修正方法，在一个制孔区域内，只需要对四个基准孔进行单孔法向修正，不需要对每个待加工孔进行法向实时修正，因此可以大幅提高制孔效率；

[0034] (2)本发明的五轴数控制孔机床的制孔法向插补修正方法可解决当待加工孔分布较为密集，激光光束投射到已加工孔内，造成法向测量不准无法修正的问题。

附图说明

[0035] 图1为本发明实施例的一个制孔区域示意图；

[0036] 图2为本发明实施例的制孔法向插补修正方法的流程图。

具体实施方式

[0037] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合实施例及其附图对本发明作进一步说明。

[0038] 实施例

[0039] 图1为飞机壁板一个制孔区域示意图，其中，P1、P2、P3、P4为四个基准孔，P为该区域中任意一个待加工孔。本实施例的五轴数控制孔机床的制孔法向插补修正方法的流程参见图2，其包括如下步骤：

[0040] S101，机床依次运动至P1、P2、P3、P4四个基准孔处，四个基准孔的位置从待加工产品数模中获得，并分别记录机床两个旋转轴(指A轴和B轴，下同)的角度值，即A1、B1，A2、B2，A3、B3，A4、B4；

[0041] S102，机床在P1、P2、P3、P4四个基准孔处分别进行单孔法向修正，并记录法向修正后机床两个旋转轴的角度值，即A′1、B′1，A′2、B′2，A′3、B′3，A′4、B′4；

[0042] S103，分别计算P1、P2、P3、P4四个基准孔处机床两个旋转轴的角度误差量：

[0043] ΔAi＝A′i-Ai

[0044] ΔBi＝B′i-Bi

[0045] 其中，i＝1，2，3，4；

[0046] S104，根据P1、P2、P3、P4四个基准孔的位置、待加工孔P的位置以及四个基准孔处机床两个旋转轴的角度误差量ΔAi、ΔBi(i＝1，2，3，4)，利用双线性插值的方法计算待加工孔P处机床两个旋转轴的角度误差量ΔA和ΔB；

[0047] 待加工孔的位置从待加工产品数模中获得，待加工孔P处机床两个旋转轴角度误差量的具体计算步骤为：

[0048] 首先，根据P1、P2、P3、P4四个基准孔构造四边形P1P2P3P4，计算待加工孔P到四边形四条边界的距离d1，d2，d3，d4。其中，d1为P到P1P2的距离，d2为P到P3P4的距离，d3为P到P1P4的距离，d4为P到P2P3的距离。

[0049] 然后，计算双线性插值参数t和S：

[0050]

[0051]

[0052] 最后，计算待加工孔P处机床两个旋转轴的角度误差量ΔA和ΔB：

[0053] ΔA＝(1-t)·(1-s)ΔA1+t·(1-s)ΔA2+s·(1-t)ΔA3+t·sΔA4

[0054] ΔB＝(1-t)·(1-s)ΔB1+t·(1-s)ΔB2+s·(1-t)ΔB3+t·sΔB4

[0055] S105，在待加工孔P处，对机床两个旋转轴的角度值进行补偿，实现制孔法向的修正。

[0056] 具体补偿方法如下：

[0057] A′＝A+ΔA

[0058] B′＝B+ΔB

[0059] 其中，A、B为机床两个旋转轴在补偿前的角度值，可根据待加工孔的位置信息由数控机床运动学反解计算得到，A′、B′为机床两个旋转轴在补偿后的角度值。