第5章 数字化柔性装配工装

MMT1第5章数字化柔性装配工装本章要点数字化柔性装配工装的构成装配位姿关系数学描述典型的柔性装配工装MMT25.1数字化柔性装配工装的构成数字化柔性装配工装的构成飞机装配工装的两种结构形式（1）刚性工装。优点：专用性强、稳定性好，缺点：设计周期长、占地面积大，结构开敞性差。（2）柔性工装。优点：具有数字化、模块化、各重构、可重复利用等优点，缩短了设计周期长、减少了工装数量、提高了工装快速响应产品变化的能力。缺点：硬件系统、软件系统复杂。MMT35.1数字化柔性装配工装的构成数字化柔性装配工装的构成刚性工装MMT45.1数字化柔性装配工装的构成数字化柔性装配工装的构成刚性工装MMT55.1数字化柔性装配工装的构成数字化柔性装配工装的构成柔性工装MMT65.1数字化柔性装配工装的构成数字化柔性装配工装的构成柔性工装MMT75.1数字化柔性装配工装的构成数字化柔性装配工装的构成柔性工装保型架柔性定位器中机身托架式柔性自动定位器组托架式柔性自动定位器组MMT85.1数字化柔性装配工装的构成数字化柔性装配工装的构成飞机装配工装系统构成及工作原理（1）在柔性工装应用集成管理系统中进行配工艺规划、同时进行装配工艺仿真（2）将生成的工装理论驱动数据解析为数控系统动作指令并传递至柔性工装的数控系统;（3）数控系统根据动作指令计算各定位器轴的调形轨迹,驱动定位器调形（4）定位器调形到位后,在线检测系统实时测量定位器位置,并将测量数据传递至离线编程与仿真管理系统;（5）离线编程与仿理系统将测量数据与理论数据进行比较,检查其是否满足装配要求,若测量数无法满足装配需求,系统将自动生成优化数据并由数控系统进一步调形,直到定位器位置精度满足装配要求。MMT95.1数字化柔性装配工装的构成数字化柔性装配工装的构成飞机装配工装系统构成及工作原理MMT105.1数字化柔性装配工装的构成数字化柔性装配工装的构成机械定位装置（1）骨架骨架是机械定位装置的基体，用以固定和支撑定位夹紧元件、调整机构及锁紧机构，保持各元件空间位置的准确度及稳定性。骨架的结构可分为：框架式、组合式、整体底座式、分散底座式。MMT115.1数字化柔性装配工装的构成数字化柔性装配工装的构成机械定位装置（2）定位夹紧元件定位夹紧元件用于保证构件在装配过程中的准确位置。定位夹紧元件主要包括：接头类、外形类、专用元件。MMT125.1数字化柔性装配工装的构成数字化柔性装配工装的构成机械定位装置（3）调整机构调整机构用于工装本体的每个定位器的位置调整。伸缩柱伸缩柱筒底层驱动滑块直流伺服电机中间层滑块直流伺服电机底层驱动滑块中间层驱动滑块工艺接头底座伸缩柱直流伺服电机MMT135.1数字化柔性装配工装的构成数字化柔性装配工装的构成柔性工装数控系统飞机翼身自动对接系统激光跟踪仪对接辅助测量系统对接辅助测量软件对接数据处理系统翼身调姿轨迹规划翼身调姿过程仿真定位器驱动逆解运动控制系统控制器定位器驱动信号监测、反馈执行机构机翼调姿机构中机身调姿机构其它辅助工装MMT145.1数字化柔性装配工装的构成数字化柔性装配工装的构成柔性工装数控系统对接辅助测量系统控制命令,运动参数测量命令，测量参数位姿参数定位器信息运动控制系统信息测量参数实测数据脉冲信号传感器激光跟踪仪运动控制器调姿部件基准点搜索中心实测数据定位器位置运动控制系统脉冲信号对接数据处理系统MMT155.1数字化柔性装配工装的构成数字化柔性装配工装的构成翼身自动对接辅助测量系统对接工程数据集数据交互图形信息交互界面测量点可测性检查测量点点选取测量点坐标显示测量命令发送位姿解算测量坐标获取数字化测量设备激光跟踪仪1激光跟踪仪n对接辅助测量软件测量数据处理测量控制网坐标系统一TCP/IP通讯模块位姿跟踪测量对接数据处理软件翼身自动对接辅助测量系统STEP/IGESTCP/IPTCP/IPMMT165.1数字化柔性装配工装的构成数字化柔性装配工装的构成翼身自动对接辅助测量系统数字模型导入调姿基准点选取激光跟踪仪连接与初始化公共基准点手动测量测量坐标系与全局坐标系统一调姿基准点测量开始部件初始位姿标定调姿基准点可测性是否满足激光跟踪仪重新布站否是对接数据处理软件MMT2.1位置和姿态的表示1.位置描述在直角坐标系A中,空间任意一点p的位置(Position)可用3x1列向量(位置矢量)表示:2.方位描述空间物体B的方位(Orientation)可由某个固接于此物体的坐标系{B}的三个单位主矢量[xB,yB,zB]相对于参考坐标系A的方向余弦组成的3x3矩阵描述.TzyxApppP][5.2装配位姿关系数学描述MMT2.1位置和姿态的表示上述矩阵称为旋转矩阵,它是正交的.即若坐标系B可由坐标系A,通过绕A的某一坐标轴获得,则绕x,y,z三轴的旋转矩阵分别为10000),(00100),(00001),(cssczcsscycsscxRRR11BBRABTABAB333231232221131211rrrrrrrrrABR5.2装配位姿关系数学描述MMT2.1位置和姿态的表示这些旋转变换可以通过右图推导这是绕Z轴的旋转.其它两轴只要把坐标次序调换可得上页结果.pBpApBpBpApBpBpAzzyxyyxxcossinsincospBpBpBpApApAzyxzyx1000cossin0sincos5.2装配位姿关系数学描述MMT2.1位置和姿态的表示旋转矩阵的几何意义:1)可以表示固定于刚体上的坐标系{B}对参考坐标系的姿态矩阵.2)可作为坐标变换矩阵.它使得坐标系{B}中的点的坐标变换成{A}中点的坐标.3)可作为算子,将{B}中的矢量或物体变换到{A}中.RABRABpBpARAB5.2装配位姿关系数学描述MMT2.1位置和姿态的表示3.位姿描述刚体位姿(即位置和姿态),用刚体的方位矩阵和方位参考坐标的原点位置矢量表示，即0BAABpRB5.2装配位姿关系数学描述MMT2.2坐标变换1.平移坐标变换坐标系{A}和{B}具有相同的方位,但原点不重合.则点P在两个坐标系中的位置矢量满足下式:0BABAPPP5.2装配位姿关系数学描述MMT2.2坐标变换2.旋转变换坐标系{A}和{B}有相同的原点但方位不同,则点P的在两个坐标系中的位置矢量有如下关系:PRPBABATABABBARRR15.2装配位姿关系数学描述MMT2.2坐标变换3.复合变换一般情况原点既不重和,方位也不同.这时有:(2-13)0BABABAPPRP5.2装配位姿关系数学描述MMT2.2坐标变换例2.1已知坐标系{B}的初始位姿与{A}重合,首先{B}相对于{A}的ZA轴转30°,再沿{A}的XA轴移动12单位,并沿{A}的YA轴移动6单位.求位置矢量APB0和旋转矩阵BAR.设点p在{B}坐标系中的位置为BP=[3,7,0],求它在坐标系{A}中的位置.0612;1000866.05.005.0866.0)30,(00BAABzRpR0562.13908.1106120562.7902.00BABABAppRp5.2装配位姿关系数学描述MMT2.2刚体空间位置和姿态求解（以激光跟踪仪测量为例）5.2装配位姿关系数学描述0BABABAPPRP中的坐标。为测量点在刚体坐标系为测量点的测量值，PPBAMMT2.2刚体空间位置和姿态求解5.2装配位姿关系数学描述定位器运动学逆解定位器1定位器2定位器3ywzwxwowgxgygogz1wJ2wJ3wJgzgzgygygzgxMMT2.2刚体空间位置和姿态求解5.2装配位姿关系数学描述定位器运动学逆解以机翼设计坐标系作为机翼局部坐标系，机翼局部坐标系用表示，记为{w}。设机翼局部坐标系{w}相对于全局坐标系{g}的姿态角为横滚角w、俯仰角w和偏转角w，位置矢量为wP。记机翼工艺接头球心在{w}中的坐标矢量为iwJ。利用{w}相对{g}位姿参数，将工艺接头球心在{g}中的坐标矢量igJ表示为+gwJRRRJP利用上式可得机翼定位器位置矢量idgP计算式iiiwdggPJn上式中，in为机翼定位器各驱动的单位方向矢量。MMT2.3齐次坐标变换1.齐次变换(2-13)式可以写为:(2-14)P点在{A}和{B}中的位置矢量分别增广为:而齐次变换公式和变换矩阵变为:(2-15,16)11010PPRPBBAABATBBBBTAAAAzyxzyx1,1PP10,0BAABABBABAPRTPTP5.2装配位姿关系数学描述MMT2.3齐次坐标变换2.平移齐次坐标变换{A}分别沿{B}的X、Y、Z坐标轴平移a、b、c距离的平移齐次变换矩阵写为：用非零常数乘以变换矩阵的每个元素，不改变特性。例2-3:求矢量2i+3j+2k被矢量4i-3j+7k平移得到的新矢量.1000100010001),,(cbacbaTrans1906123210007100301040015.2装配位姿关系数学描述MMT2.3齐次坐标变换3.旋转齐次坐标变换将上式增广为齐次式：10000),(00100),(00001),(cssczcsscycsscxRRR100001000000),(100000001000),(100000000001),(cssczcsscycsscxRRR5.2装配位姿关系数学描述MMT2.3齐次坐标变换引入齐次变换后，连续的变换可以变成矩阵的连乘形式。计算简化。例2-4：U=7i+3j+2k,绕Z轴转90度后，再绕Y轴转90度。例2-5：在上述基础上再平移（4，-3，7）。1273;;;1237;;;1000010000010010)90,(zR1372;;;1273;;;1000010100100100)90,(yR;;;1000710030104001)7,3,4(Trans5.2装配位姿关系数学描述MMT2.3齐次坐标变换由矩阵乘法没有交换性，可知变换次序对结果影响很大。1000701030014100)90,()90,()7,3,4(zRotyRotTrans5.2装配位姿关系数学描述MMT（1）三次多项式插值四个约束条件：由上确定了一个三次多项式：)1.7()()0(0fft)2.7(0)(0)0(ft)3.7()(332210tatataat5.3调姿轨迹规划MMT（1）三次多项式插值关节速度和加速度：关于四个系数的线性方程：)4.7(52)(32)(322321taattataat)5.7(32002321133221000fffffftataaatatataaa5.2装配位姿关系数学描述MMT（1）三次多项式插值解得四个系数的表达式：)6.7()(2)(30033022100