飞机大尺寸自动化柔性测量技术研究进展

飞机大尺寸零部件具有结构复杂、外形尺寸大等特点。传统的单一测量手段如激光跟踪仪,因测量效率低等问题,越来越难以满足飞机智能制造的高精度、高效率的测量需求。大尺寸自动化柔性测量技术作为一种新兴的组合式测量方法,突破了单一测量设备测量效率低的难题,以其高精度、高效率测量的优势,在航空测量领域展现了极强的发展应用前景。针对飞机制造过程中大尺寸自动化柔性测量技术的研究,本文首先综述了飞机大尺寸测量场构建的相关进展。其次,介绍了自动化柔性扫描路径规划的研究进展。然后,列举了柔性化测量在飞机蒙皮间隙测量、整机水平测量和数字化预装配等方面的应用现状。最终总结得出,飞机自动化柔性大尺寸测量技术的研究对提高飞机制造过程中的质量控制具有重要的实际意义。     

飞机部件调姿测量点激光检测可视化定位程序设计

为了使用激光跟踪仪进行飞机机身段数字化自动高精度测量,必须将激光引向目标点,而传统的引光方法都存在各种不便和缺陷。本文将机器视觉技术运用于激光引光,利用CMOS工业摄像头,基于OpenCV开发了一套激光自动跟踪目标点的程序。首先利用专门的图像采集开发包采集图像;然后根据激光光斑的特征,提出了相应的光斑检测与分割方法,并提取出光斑的质心坐标;最后通过对每一帧图像的迭代操作,使激光不断向目标点靠近,完成对目标的实时跟踪。除此之外,为了实验的方便和节约成本,设计了一套模拟激光跟踪仪的激光发生实验台,用以在实验室内进行模拟操作。本文设计的程序实现了自动化引光,不仅解决了引光的不便,而且提高了整个飞机机身段数字化自动高精度测量系统的自动化程度和精度。     

特征自适应的飞机大型蒙皮曲面测量系统与测量规划

针对飞机蒙皮零件外形准确度要求高、制造尺寸大和外形复杂的特点,以及人工手动扫描测量工作量大、效率低的问题,搭建了基于移动机械臂的柔性测量系统,并提出一种特征自适应的多站位自动化扫描规划方法,以实现飞机大型蒙皮曲面的三维测量数据自动化采集。首先构建了柔性测量系统与待测对象坐标系变换模型,分析扫描规划与执行过程中数据的传递关系,并通过视觉定位实现系统相对位姿估计。然后通过特征敏感的扫描路径点生成、效率优化的扫描站位规划以及扫描轨迹规划,实现了基于扫描效率和扫描完整性约束的特征自适应扫描规划。最后,搭建了一个基于机械臂与移动平台的柔性测量系统,并以4个真实飞机零部件作为测量对象,从扫描效率与扫描完整性方面对所提出的自动化扫描方法与手动扫描方法进行对比,并设计试验进一步验证了系统测量精度,结果验证了所提方法替代手动扫描测量方法的可行性。     

机身自动调姿方法及误差分析

提出了机身自动调姿方法.该调姿方法利用研发的调姿控制平台将激光跟踪仪跟踪测量、托架式自动定位器、精确控制系统和调姿集成软件系统有机结合起来,完成位姿信息采集、位姿解算、轨迹规划、运动学逆解、定位器自动定位,实现机身自动精确调姿.调姿过程中,跟踪仪自动跟踪测量位姿基准点,获得机身实时位姿,从而对调姿轨迹进行及时修正.利用微变换齐次变换矩阵,研究了各误差源与机身调姿误差的关系,对多个定位器误差进行了融合,误差分析为保证调姿精度提供了理论依据.初步工程验证表明:该调姿方法能有效降低机身调姿误差,提高总装精度和效率.     

飞机调姿测量点的激光跟踪仪可视化定位

飞机部件装配过程中调姿测量点的可视化定位是实现飞机自动化装配的重要部分。可视化定位系统是由高清摄像头和激光跟踪仪两部分组成。本设计基于OpenCV软件对摄像头采集的视频流进行图像处理,在摄像头视野中自动搜寻目标靶点位置信息,对目标点进行交互式选定。再经过图像处理过程提取出激光光斑,得到光斑像素坐标,由激光跟踪仪进行激光的跟踪控制,采用逐次逼近算法将激光点跟踪到目标点。     

基于全向移动与多点柔性支撑的飞机大部件运输技术

为实现飞机大部件车间级运输机动灵活,基于全向移动技术,提出了一种飞机大部件全向移动运输平台,以满足大尺寸空间、重载条件的运输作业要求;为改变当前企业一车一用、专车专用现象,基于柔性的思想,提出了一种多点柔性支撑系统。结合某型飞机机翼大部件特点,实际研制了一辆全向移动柔性运输架车样车,在此基础上开发了相应控制与离线编程系统。研究结果表明:架车可以实现较高精度的全向移动,具有较大的灵活性,能够满足飞机部件柔性运输要求。     

C919转换站位装配工装安装工艺研究

基于对C919转换站位工艺流程的分析,深入研究了转换站位装配工装的安装工艺。综合利用水平仪和激光跟踪仪,建立可靠、稳定、高精度的工装坐标系统。通过有限元分析,模拟加载工装变形量,保证了内外保形架在转换站位的协调一致。该方法满足了产品由内型定位转外型定位的精度要求,缩短了生产准备周期。     

基于面积律自动判别的飞机机身外形修形方法

为提高超声速飞机方案修形效率,研究了依据飞机截面积分布曲线分析结果进行飞机截面精细化修形的方法。提出了基于面积律自动判别的截面积曲线分析法,能够依据面积律准则快速对可能增大激波阻力的站位进行自动判别和定位。在此基础上建立了飞机机身几何外形快速辅助修形方法,实现了对超声速飞机方案的待修形位置自动快速分析与定位,并根据截面位置部件分析和截面积曲线变化分析,提供针对截面积的量化调整建议。对一种超声速轰炸机方案进行机身几何外形修形的算例表明,本文提出的方法能够快速识别和定位截面积曲线上拐点、阶跃点、极值点及尖角点等增大激波阻力的位置,根据修形方法调整后的方案阻力系数下降了1.5%,验证了方法的有效性。     

基于抗差估计的工业机器人运动学参数标定

为了提高工业机器人标定过程中参数辨识的鲁棒性,提出了一种基于抗差估计的运动学参数标定方法。首先基于D-H模型建立了末端位姿误差模型,同时分析了等价权函数,然后利用激光跟踪仪测量机器人基坐标系和末端位姿,最后结合IGG3权因子函数利用抗差最小二乘法辨识了运动学参数。实验表明,机器人绝对定位的RMS误差由补偿前的0.87mm降低到补偿后的0.21mm,相较于传统的最小二乘辨识算法,此标定方法拟合精度更高且鲁棒性更强。     

具有输入约束的飞机姿态L1自适应控制

针对具有模型不确定性、控制舵面故障以及非线性干扰的飞机俯仰姿态控制问题,基于L1自适应方法设计增广控制器。设计合适带宽的低通滤波器,以满足控制器快速自适应要求,保证系统输入输出信号的一致性能有界。考虑伺服控制实际存在的幅值约束,推导出所设计的自适应控制系统的稳定性条件及其性能界,即忽略幅值约束时,选择足够大的自适应增益,闭环系统性能能够任意接近参考系统;考虑幅值约束时,闭环系统的性能可以通过增大自适应增益得以改善,但是不能任意接近参考系统。仿真验证了所设计的飞机姿态控制系统的有效性,结果表明控制器对有界不确定性和干扰具有鲁棒性,同时满足输入约束要求。     

移动机器人铣削制孔系统基准检测

结合航空大部件的数字化对接装配需求,设计了一套用于对接面铣削制孔的移动机器人加工系统,并提出具体的加工工艺流程。研究了基于激光轮廓扫描仪的大量散乱点云数据的预处理算法,提出基于栅格法和迭代拟合法的对接面特征提取算法。针对移动机器人加工系统在大场景下的高精度定位问题,提出基于扫描线法和最小二乘法原理的对接基准孔坐标找正算法。通过产品的加工实验验证,对接面铣削和制孔精度满足系统要求的各项技术指标,证明了本文提出的移动机器人铣削制孔系统的装配对接面加工方法能够精确地完成大部件数字化装配任务,对提高装配质量和效率具有重要意义。     

基于激光雷达的机载设备安装姿态校准

现代飞机对许多的机载设备安装提出更高的要求,而传统的飞机机载设备安装姿态的校准测量方法在测量校准精度和效率上已不能满足这些要求,需要采用基于先进数字化测量仪器和技术测量校准方法。通过对激光雷达系统测量原理的分析,本文提出了一种基于激光雷达的机载设备安装姿态校准新方法。与传统测量校准方法相比,这种基于激光雷达的校准方法在减少和简化测量校准工序、提高工作效率和校准精度等方面具有显著优点,能够满足现代飞机制造对机载设备安装姿态校准的更高要求。     

工业机器人的绝对定位误差模型及其补偿算法

工业机器人重复定位精度高而绝对定位精度低。为了提高工业机器人的绝对定位精度,提出一种绝对定位误差模型。基于该模型,利用激光跟踪仪和最小二乘法辨识出所需参数,并对误差进行补偿修正。最后,将这种方法应用在KUKA KR150-2机器人上进行测量和补偿。实验结果显示:平均绝对定位精度由补偿前的1.321mm变为补偿后的0.183mm,从而表明该方法的有效性。     

基于多传感融合的自动钻铆孔位在线测量方法

为了获得飞机壁板自动钻铆中孔位的实际位置和法向信息,提出了一种基于视觉和激光测距多传感器融合的孔位在线测量方法,该方法可以实时获得钻铆任务的孔位偏差修正量,从而保证壁板钻铆质量。首先,通过建立视觉和激光测距传感器与钻铆机参考坐标系间的映射关系,获得了钻铆孔位在线测量的多传感器融合模型,给出了孔位位置和法向的在线测量原理。然后,为了简化标定过程和提高标定精度,设计了一种同时适用于视觉和激光测传感器的标定板,给出了位置和法向测量的标定方法。最后,测量试验表明,多传感融合的在线测量方法孔位测量位置误差≤0.2 mm,法向误差≤0.3°,能够满足飞机钻铆孔位测量精度要求。     

A Laser Line Scanner Based Hole Position Correction Mechanism for Automatic Drilling and Riveting in Aircraft Assembly

The low-stiffness of aircraft skins may results in the differences between aircraft actual parts and their theoretical models,which will consequently affect the accuracy of automatic drilling and riveting in aircraft assembly.In this paper,a novel approach of hole position correction using laser line scanner(LLS)is proposed to assign a single row of holes on the parts' surfaces. First,we adopt a space circle fitting method and the random sample consensus(RANSAC)to obtain the precise coordinates of center of the datum holes' coordinates. Second,LLS is calibrated by the laser tracker,and the relations between the LLS coordinate system and the tool coordinate system(TCS)can be calculated. Third,the kinematics model of the automatic riveting machine is established based on a two-point referencing strategy proposed in this paper. Thus,the positions of the holes to be drilled can be adjusted.Finally,the experimental results show that in TCS the measurement error of LLS is less than 0.1 mm,and the correction error of the hole position is less than 0.5 mm,which demonstrates the reliability of our method.     

永磁直线电机微铣削系统的设计和性能研究

介绍了自行研制的小型超精密数控微铣削系统构成。针对该系统着重讲述采用永磁直线电机作为驱动源的精密滑台部分的结构及数控系统设计。经伺服环调节及性能实验验证,系统具有优良的动、静态控制性能,通过测定并利用统计方法计算确定系统水平进给工作台的定位精度达到亚微米级。通过微薄壁结构工件铣削试验结果表明,系统具备微细铣削加工能力,并可实现大深宽比三维微小零件的加工。最后分析了工件尺寸误差的成因。     

Optimization Algorithm of UWB Positioning for Aircraft Assembly Workshop

Due to the complexity of strong metal interference and multiple occlusions in aircraft assembly workshop,the random "drift"phenomenon often happens in the ultra wide band (UWB)based positioning system.To solve this,a fusion positioning optimization algorithm is proposed based on median filtering,hidden Markov model (HMM)a nd Kalman filtering.Firstly,based on the three-dimensional (3D) median filtering,aqueue optimization method with weights is introduced to smooth the measurement data and eliminate the abnormal value.Secondly,taking Singer model as a reference,a single-dimension acceleration distribution model is designed.In order to further consider the spatial motion characteristics of objects in workshop,the distribution is extended from 1D to 3D,and discretized into the state quantity of HMM.Subsequently,the data obtained by the two methods are fused by taking Kalman filter as an iterator,and then the optimized location solution is obtained based on dynamic weights.Finally,an experiment is conducted in an aircraft assembly workshop.Results show that 99.3% of dynamic positioning errors are less than 15 cm after using the proposed algorithm.Even in the situation with large signal-fluctuation,there are 71.6% of positioning data whose errors are reduced.The random "drift"is greatly decreased.     

某跨超声速风洞全挠性壁喷管控制系统设计与实现

为实现全电机直接驱动方式对某跨超声速风洞全挠性壁喷管型面的控制,针对其执行机构分布跨度大、运动控制电机多、同步精度要求高且弯折应力控制严等特点,采用西门子SIMOTION D+S120运动控制平台,提出一种基于虚拟轴+电子齿轮的同步控制策略,解决了全挠性喷管执行机构精确定位与多轴比例同步的难题,同时设计多重安全联锁控制,避免了挠性板过载和损坏的问题。通过调试试验测试,各电动缸可根据比例同步要求在0~1mm/s速度范围内匀速运行,跟踪误差≤±0.01mm/s,比例同步误差≤±0.02mm/s,喷管喉道前型面误差≤±0.2mm,喉道后误差≤±0.06mm。结果表明:该系统功能完备,同步控制精度及重复性精度均满足工程应用要求,取得了实际应用成果。     

8m×6m风洞特大迎角机构连续扫描试验技术研究与应用

基于CARDC 8m×6m风洞特大迎角机构,通过对速压、测控、实时迎角测量、试验流程等各系统的改进,开展了连续扫描试验技术的研究工作,实现了某型战斗机和运输机的连续扫描测力试验,试验精准度达到了常规步进试验方式的同等水平,而获取的试验信息量及试验效率大幅提升.