智能快捷調(diào)姿定位系統(tǒng)位姿標(biāo)定算法

巴曉甫，趙安安，張 程，侶勝武，薛紅前

（1.西北工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院，西安 710072；2.航空工業(yè)西安飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司制造工程部，西安 710089）

結(jié)構(gòu)件在空間上有6 個(gè)自由度，包含3 個(gè)位置自由度XYZ和3 個(gè)姿態(tài)自由度α、β、γ，位置自由度的調(diào)整稱(chēng)之為定位，姿態(tài)自由度的調(diào)整稱(chēng)之為調(diào)姿，總稱(chēng)為結(jié)構(gòu)件的調(diào)姿定位。飛機(jī)部件是結(jié)構(gòu)件的一種，飛機(jī)的裝配過(guò)程（不含連接），就是結(jié)構(gòu)件的調(diào)姿定位過(guò)程。

近年來(lái)，以波音、洛馬和空客為代表的國(guó)際先進(jìn)飛機(jī)制造企業(yè)大力推廣應(yīng)用數(shù)字化柔性裝配系統(tǒng)[1–4]，其中，波音公司成功實(shí)現(xiàn)了柔性移動(dòng)生產(chǎn)線的應(yīng)用[5–6]，洛馬公司實(shí)施應(yīng)用了U 型裝配生產(chǎn)線，提高了飛機(jī)裝配效率[7]，空客公司研制并應(yīng)用了可重置裝配系統(tǒng)，進(jìn)一步發(fā)展了柔性裝配的理念[8]。國(guó)內(nèi)航空工業(yè)西飛也研制了模塊化柔性裝配生產(chǎn)線[9]、集約化可重構(gòu)裝配生產(chǎn)線[10]和調(diào)姿定位系統(tǒng)智能控制系統(tǒng)[11]，取得了顯著的成效。盡管如此，飛機(jī)裝配的核心技術(shù)指標(biāo)仍然是裝配精度和裝配效率，其關(guān)鍵要素是調(diào)姿定位的精度和效率，這在很大程度又取決于位姿標(biāo)定的精度和效率?，F(xiàn)有的調(diào)姿定位系統(tǒng)是專(zhuān)用型的，標(biāo)定方式也大多是機(jī)械式的標(biāo)定，使得位姿標(biāo)定的精度隨時(shí)間而逐步減低，標(biāo)定周期長(zhǎng)、效率低，為此，開(kāi)展智能型快捷式調(diào)姿定位系統(tǒng)位姿標(biāo)定算法的設(shè)計(jì)研究。

調(diào)姿定位系統(tǒng)組成

調(diào)姿定位系統(tǒng)由并聯(lián)式調(diào)姿器、控制系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)、集成軟件和數(shù)據(jù)庫(kù)等組成，如圖1所示。

調(diào)姿器與飛機(jī)部件上的工藝轉(zhuǎn)接件連接，AGV 車(chē)帶動(dòng)調(diào)姿器升降和移動(dòng)，通過(guò)調(diào)姿器及AGV 車(chē)的運(yùn)動(dòng)，對(duì)飛機(jī)部件進(jìn)行調(diào)姿定位，如圖2所示。

圖1 調(diào)姿定位系統(tǒng)組成Fig.1 Composition of alignment and positioning system

圖2 調(diào)姿定位系統(tǒng)的快捷重組Fig.2 Quick reconfiguration of alignment and positioning system

快捷調(diào)姿定位系統(tǒng)

調(diào)姿定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，是由多臺(tái)并聯(lián)的調(diào)姿器組成的。調(diào)姿器包含運(yùn)動(dòng)模塊、接口式底座和夾持器，夾持器通過(guò)螺栓連接在運(yùn)動(dòng)模塊的末端，運(yùn)動(dòng)模塊通過(guò)螺栓連接在接口式底座上。

1 運(yùn)動(dòng)模塊

運(yùn)動(dòng)模塊是一種由X、Y、Z3 個(gè)運(yùn)動(dòng)軸串聯(lián)而成運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，是精度高、性能可靠的模塊化支撐運(yùn)動(dòng)單元，運(yùn)動(dòng)模塊的X軸、Y軸、Z軸可以互相垂直，也可以不垂直。

X、Y、Z3 軸分別含有導(dǎo)向機(jī)構(gòu)（導(dǎo)軌滑塊）、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)（滾珠絲杠）、動(dòng)力器件（伺服電機(jī)）、安全裝置（防撞塊和限位開(kāi)關(guān)）、反饋測(cè)量裝置（光柵尺）、線纜模塊（拖鏈）等。

2 夾持器

夾持器由球窩結(jié)構(gòu)、開(kāi)合機(jī)構(gòu)組成，開(kāi)合機(jī)構(gòu)置于球窩結(jié)構(gòu)的端面，具有張開(kāi)、收縮、夾緊3 個(gè)工作狀態(tài)。球窩結(jié)構(gòu)可以為圓柱體狀也可以為長(zhǎng)方體狀，內(nèi)含球窩?？刹捎每ūP(pán)作為開(kāi)合機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)張開(kāi)、收縮和夾緊等功能。

3 接口式底座

接口式底座是實(shí)現(xiàn)快捷重組的關(guān)鍵部件，設(shè)計(jì)有兩種形式：內(nèi)部接口式、外部接口式。

（1）內(nèi)部接口式底座：底座含有內(nèi)部接口，內(nèi)部接口為板凳狀，兩端設(shè)置支臂，中間設(shè)置槽口，與之相對(duì)應(yīng)的AGV 車(chē)為“I”型車(chē)，如圖3所示。

（2）外部接口式底座：底座含有外部接口，與之相對(duì)應(yīng)的AGV 車(chē)為“U”型車(chē)，如圖4所示。

在接口式底座的底平面上設(shè)置有主支撐件和輔助支撐件。主支撐件數(shù)量為3 個(gè)，其中兩個(gè)主支撐件分布在一側(cè)，另一個(gè)主支撐件分布在另一側(cè)，3 個(gè)主支撐件呈等腰三角形分布，接口式底座的重心落在3 個(gè)主支撐件所構(gòu)成的三角形的形心附近；輔助支撐件為含有伸縮機(jī)構(gòu)的活動(dòng)結(jié)構(gòu)，數(shù)量根據(jù)調(diào)姿器的穩(wěn)定性需求確定，分布在調(diào)姿器較可能發(fā)生側(cè)翻的位置和需要加強(qiáng)的位置。

4 快捷調(diào)姿定位系統(tǒng)對(duì)剛度、穩(wěn)定性和支撐面的要求

（1）剛度要求，在運(yùn)動(dòng)和移動(dòng)過(guò)程中，調(diào)姿器的變形量不大于0.05mm，高精度的調(diào)姿定位系統(tǒng)對(duì)剛度要求更為嚴(yán)格。

2011年4月，國(guó)務(wù)院常務(wù)會(huì)議研究討論通過(guò)了《全國(guó)中小河流治理和病險(xiǎn)水庫(kù)除險(xiǎn)加固、山洪地質(zhì)災(zāi)害防御和綜合治理總體規(guī)劃》（以下簡(jiǎn)稱(chēng)《總體規(guī)劃》）?！犊傮w規(guī)劃》提出按先重點(diǎn)后一般的原則，安排各省（自治區(qū)、直轄市）在近期完成1 650條重點(diǎn)山洪溝的治理任務(wù)。在《總體規(guī)劃》出臺(tái)之前，2006年國(guó)務(wù)院批復(fù)的 《全國(guó)山洪災(zāi)害防治規(guī)劃》、2010年國(guó)務(wù)院印發(fā)的《關(guān)于切實(shí)加強(qiáng)中小河流治理和山洪地質(zhì)災(zāi)害防治的若干意見(jiàn)》（國(guó)發(fā)〔2010〕31 號(hào)）、2011 年中央 1 號(hào)文件都提出要加快實(shí)施重點(diǎn)山洪溝治理工程。

（2）穩(wěn)定性要求，X軸、Y軸、Z軸在行程范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，重心變化導(dǎo)致調(diào)姿器的最大位移量不大于0.01 mm。

（3）支撐面要求，在承載調(diào)姿器、激光跟蹤儀和操作者的前后，地面或者平臺(tái)的變形量不大于0.01mm。

5 快捷重組流程

（1）調(diào)整調(diào)姿器中X軸、Y軸、Z軸的位置，確保調(diào)姿器重心在3 個(gè)主支撐件所構(gòu)成的三角形的形心附近。

（2）收起輔助支撐件，僅讓3 個(gè)主支撐件支撐接口式底座。

（3）AGV 車(chē)從接口式底座接口進(jìn)入并與接口式底座連接，抬起調(diào)姿器，將調(diào)姿器移動(dòng)到指定位置后，AGV 車(chē)降低調(diào)姿器直至3 個(gè)主支撐件與地面接觸，AGV 車(chē)從接口式底座內(nèi)移出。

（4）伸出所有輔助支撐件，確保每個(gè)輔助支撐件與地面均接觸并有一定的接觸力。

智能位姿標(biāo)定算法

要實(shí)現(xiàn)快捷調(diào)姿定位系統(tǒng)的精確調(diào)姿和定位，需要實(shí)時(shí)標(biāo)定快捷調(diào)姿器在飛機(jī)坐標(biāo)系下的位姿。通常的標(biāo)定方法是：在X運(yùn)動(dòng)模塊、Y運(yùn)動(dòng)模塊和Z運(yùn)動(dòng)模塊上分別設(shè)置2 個(gè)OTP 點(diǎn)，在夾持器上設(shè)置3 個(gè)不共線的OTP 點(diǎn)，如圖5所示。通過(guò)精密加工方式，建立OTP 點(diǎn)與各個(gè)運(yùn)動(dòng)模塊的導(dǎo)軌間的精確尺寸關(guān)系，通過(guò)激光跟蹤儀測(cè)量每個(gè)運(yùn)動(dòng)模塊上的2 個(gè)OTP 點(diǎn)來(lái)擬合該運(yùn)動(dòng)模塊導(dǎo)軌的方向，進(jìn)而標(biāo)定由各個(gè)導(dǎo)軌構(gòu)成的調(diào)姿器的坐標(biāo)系相對(duì)于飛機(jī)坐標(biāo)系的位姿，該標(biāo)定方法包含如下工序：

圖3 含內(nèi)部接口式底座的調(diào)姿器和 I型AGV車(chē)Fig.3 Adjuster with internal interface base and I-AGV

圖4 含外部接口式底座的調(diào)姿器和U型AGV車(chē)Fig.4 Adjuster with external interface base and U-AGV

（2）采用激光跟蹤儀測(cè)量OTP點(diǎn)的次數(shù)為9 次。

（3）通過(guò)運(yùn)動(dòng)模塊上6 個(gè)OTP點(diǎn)值擬合坐標(biāo)軸線，通過(guò)夾持器上3個(gè)OTP 點(diǎn)值擬合坐標(biāo)原點(diǎn)。

對(duì)固定型、專(zhuān)用型調(diào)姿定位系統(tǒng)而言，上述方法工序雖多，但是畢竟定檢的間隔時(shí)間長(zhǎng)。但是對(duì)于快捷調(diào)姿定位系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，需要進(jìn)行經(jīng)常的位姿標(biāo)定，上述方法存在位姿標(biāo)定成本高、時(shí)間長(zhǎng)、存在累計(jì)誤差等問(wèn)題。為提高調(diào)姿定位系統(tǒng)的位姿標(biāo)定精度、效率，快速識(shí)別和精確標(biāo)定快捷調(diào)姿器的位姿，開(kāi)發(fā)了一種智能位姿標(biāo)定算法，算法的具體流程和表達(dá)式如下所述：

（1）將快捷調(diào)姿器置于地面或者平臺(tái)上，并且相對(duì)于地面或者平臺(tái)固定不動(dòng)。

（2）建立快捷調(diào)姿器坐標(biāo)系P坐標(biāo)系。X軸、Y軸、Z軸回零后，快捷調(diào)姿器內(nèi)X向、Y向、Z向光柵尺的實(shí)際位置均設(shè)定為0；將快捷調(diào)姿器末端上靶標(biāo)點(diǎn)設(shè)置為P坐標(biāo)系的原點(diǎn)，快捷調(diào)姿器的X向設(shè)置為P坐標(biāo)系的X軸，Y向設(shè)置為P坐標(biāo)系的Y軸，Z向設(shè)置為P坐標(biāo)系的Z軸，靶標(biāo)點(diǎn)在P坐標(biāo)系的坐標(biāo)為[0 0 0]{P}。

（3）建立飛機(jī)坐標(biāo)系A(chǔ)坐標(biāo)系。在地面或平臺(tái)上設(shè)置用于建立A坐標(biāo)系的ERS 點(diǎn)集；用激光跟蹤儀依次測(cè)量ERS 點(diǎn)集，得到ERS 點(diǎn)集在激光跟蹤儀坐標(biāo)系L坐標(biāo)系下各點(diǎn)坐標(biāo)值；調(diào)取ERS 點(diǎn)集在A坐標(biāo)系的理論坐標(biāo)值；根據(jù)ERS 點(diǎn)集的L坐標(biāo)系坐標(biāo)值和A坐標(biāo)系坐標(biāo)值，建立ERS 點(diǎn)集的L坐標(biāo)系坐標(biāo)值映射到A坐標(biāo)系坐標(biāo)值的變換關(guān)系，從而建立飛機(jī)坐標(biāo)系A(chǔ)坐標(biāo)系。

圖5 基于多個(gè)OTP點(diǎn)的位姿標(biāo)定Fig.5 Pose calibration based on multiple OTP points

圖6 調(diào)姿器處于“0”位的示意圖Fig.6 Diagram of the adjuster in the “0”position

（4）使用光柵尺和激光跟蹤儀分別測(cè)量快捷調(diào)姿器運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的靶標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)，標(biāo)定出調(diào)姿器坐標(biāo)系P坐標(biāo)系相對(duì)于飛機(jī)坐標(biāo)系A(chǔ)坐標(biāo)系的位姿。在快捷調(diào)姿器處于0 位時(shí)，所述0 位是指X軸、Y軸、Z軸均處于各自行程范圍內(nèi)的起始端附近，如圖6所示，靶標(biāo)點(diǎn)相對(duì)于P坐標(biāo)系的坐標(biāo)值為[0 0 0]{P}；用激光跟蹤儀測(cè)量靶標(biāo)點(diǎn)，得到0 位時(shí)靶標(biāo)點(diǎn)在A坐標(biāo)系的坐標(biāo)值[x0y0z0]{A}；將快捷調(diào)姿器的X軸沿P坐標(biāo)系的X方向移動(dòng)一個(gè)X值后，盡量使X軸處于X行程范圍內(nèi)的終止端附近固定不動(dòng)，將當(dāng)前位置記為“1”位，如圖7所示，通過(guò)光柵尺讀取當(dāng)前位置數(shù)值，得到“1”位時(shí)靶標(biāo)點(diǎn)在P坐標(biāo)系的坐標(biāo)值[X0 0]{P}；用激光跟蹤儀測(cè)量靶標(biāo)點(diǎn)，得到“1”位時(shí)靶標(biāo)點(diǎn)在A坐標(biāo)系的坐標(biāo)[X1Y1Z1]{A}；將快捷調(diào)姿器的Y軸沿P坐標(biāo)系的Y方向移動(dòng)一個(gè)Y值后，盡量使Y軸處于Y行程范圍內(nèi)的終止端附近固定不動(dòng)，將當(dāng)前位置記為“2”位，如圖8所示，通過(guò)光柵尺讀取當(dāng)前位置數(shù)值，得到“2”位時(shí)靶標(biāo)點(diǎn)在P坐標(biāo)系的坐標(biāo)值[XY0]{P}；用激光跟蹤儀測(cè)量靶標(biāo)點(diǎn)，得到“2”位時(shí)靶標(biāo)點(diǎn)在A坐標(biāo)系的坐標(biāo)值[x2y2z2]{A}；將快捷調(diào)姿器的Z軸沿P坐標(biāo)系的Z方向移動(dòng)一個(gè)Z值后，盡量使Z軸處于Z行程范圍內(nèi)的終止端附近固定不動(dòng)，將當(dāng)前位置記為“3”位，如圖9所示，通過(guò)光柵尺讀取當(dāng)前位置數(shù)值，得到“3”位時(shí)靶標(biāo)點(diǎn)在P坐標(biāo)系的坐標(biāo)值[XYZ]{P}；激光跟蹤儀測(cè)量靶標(biāo)點(diǎn)，得到“3”位時(shí)靶標(biāo)點(diǎn)在A坐標(biāo)系的坐標(biāo)值[x3y3z3]{A}；快捷調(diào)姿器坐標(biāo)系P坐標(biāo)系相對(duì)于飛機(jī)坐標(biāo)系A(chǔ)坐標(biāo)系的位姿

圖7 調(diào)姿器處于“1”位的示意圖Fig.7 Diagram of the adjuster in the “1”position

圖8 調(diào)姿器處于“2”位的示意圖 Fig.8 Diagram of the adjuster in the “2”position

由下述函數(shù)表達(dá)式進(jìn)行解算：

試驗(yàn)分析

試驗(yàn)系統(tǒng)由4 臺(tái)外部接口式調(diào)姿器、U 型AGV 移動(dòng)車(chē)、萊卡AT960 激光跟蹤儀、工業(yè)控制系統(tǒng)、集成軟件、測(cè)量軟件和數(shù)據(jù)庫(kù)等組成，如圖10所示，在多種飛機(jī)產(chǎn)品間間進(jìn)行了調(diào)姿定位系統(tǒng)的快捷重組和位姿標(biāo)定。

調(diào)姿器傳統(tǒng)方案重組與快捷重組的試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

調(diào)姿器傳統(tǒng)標(biāo)定與智能標(biāo)定的試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

結(jié)果表明，快捷調(diào)姿定位系統(tǒng)及其智能位姿標(biāo)定算法相對(duì)于常規(guī)調(diào)姿定位系統(tǒng)及其位姿標(biāo)定方法而言，具有顯著的優(yōu)點(diǎn)：

表1 調(diào)姿器重組試驗(yàn)Table 1 Attitude adjuster regroup test

圖9 調(diào)姿器處于“3”位的示意圖Fig.9 Diagram of the adjuster in the “3”position

表2 調(diào)姿器位姿標(biāo)定試驗(yàn)Table 2 Attitude adjuster calibration test

圖10 智能快捷調(diào)姿定位系統(tǒng)試驗(yàn)件Fig.10 Test pieces of intelligent shortcut alignment and positioning system

（1）采用實(shí)時(shí)測(cè)量的智能算法標(biāo)定位姿，飛機(jī)部件的調(diào)姿定位的標(biāo)定精度不會(huì)隨時(shí)間而降低，而是一直保持著最新實(shí)時(shí)的標(biāo)定精度，相比傳統(tǒng)調(diào)姿定位系統(tǒng)的擬合坐標(biāo)軸線，提高了位姿標(biāo)定的精度和調(diào)姿定位精度。

（2）僅需在快捷調(diào)姿器末端上加工一個(gè)個(gè)精密的靶標(biāo)點(diǎn)孔（OTP點(diǎn)），用于安裝靶標(biāo)，相比傳統(tǒng)調(diào)姿定位系統(tǒng)需要設(shè)置9 個(gè)精密OTP 點(diǎn)孔，就OTP 點(diǎn)的制造而言，降低了80%以上的制造周期和成本。

（3）采用激光跟蹤儀測(cè)量靶標(biāo)點(diǎn)的次數(shù)只有4 次，相比傳統(tǒng)調(diào)姿定位系統(tǒng)的9 次OTP 點(diǎn)的測(cè)量，縮短了50%以上的位姿標(biāo)定周期和成本。

（4）調(diào)姿定位系統(tǒng)的快捷重組時(shí)間小于10min，適用于多種產(chǎn)品的快速調(diào)姿定位，實(shí)現(xiàn)了調(diào)姿定位系統(tǒng)的通用性。

（5）由于調(diào)姿定位系統(tǒng)位姿標(biāo)定精度的保持，使得多軸協(xié)同運(yùn)動(dòng)時(shí)的內(nèi)力減少到了20N,系統(tǒng)的安全性強(qiáng)。

結(jié)論

智能快捷調(diào)姿定位系統(tǒng)位姿標(biāo)定算法，不僅適用于飛機(jī)裝配制造行業(yè)，還可以推廣應(yīng)用到高速列車(chē)、大型容器、火箭、潛艇和導(dǎo)彈等具有大部件對(duì)接屬性的制造行業(yè)，具有十分廣闊的應(yīng)用前景。