專利名稱：一種確定壁板曲面法向矢量的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及機(jī)械加工領(lǐng)域，具體為一種確定壁板曲面法向矢量的方法。
背景技術(shù)：
在對飛機(jī)壁板等工件進(jìn)行自動鉆鉚加工時(shí)，自動鉆鉚機(jī)數(shù)控系統(tǒng)是按照壁板的理論模型來加工的。而實(shí)際上，盡管工裝，壁板均按照理論位置進(jìn)行定位，但托架受重力作用會發(fā)生整體下?lián)?、托架轉(zhuǎn)動時(shí)其各方向的變形會動態(tài)改變，以及鉚釘墩頭成型會造成壁板等薄壁鉚接件變形，這些影響會導(dǎo)致裝夾在托架上的實(shí)際壁板偏離其理論位置，繼而鉚接點(diǎn)外法向矢量總是會與理論法向矢量產(chǎn)生偏差，如此的偏差會影響鉚釘孔的垂直度，進(jìn)而影響壁板結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。因此為了實(shí)現(xiàn)飛機(jī)壁板等工件的法向調(diào)平，需要計(jì)算工件上待鉆鉚點(diǎn)處的實(shí)際法向矢量。目前通常采用的法向矢量測量方法有1)以坐標(biāo)測量機(jī)為代表的接觸式測量。其測量精度高，但工作耗時(shí)較長，不易實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)測量，一般只適用于零件的表面形狀檢測；測量機(jī)體積較大、會造成與自動鉆鉚機(jī)在空間的上的干涉，無法應(yīng)用到現(xiàn)有的自動鉆鉚系統(tǒng)中。2)非接觸測量中的視覺測量方法。主要用計(jì)算機(jī)來模擬人的視覺功能從客觀事物的圖像中提取信息，進(jìn)行處理并加以理解，最終用于實(shí)際檢測、測量和控制。視覺測量對工件環(huán)境與測量對象的要求較多、測量視場范圍對傳感器的安裝位置有所要求且需要在測量對象上貼上靶標(biāo)或者添加結(jié)構(gòu)光傳感器發(fā)射標(biāo)記點(diǎn)，影響工作效率。該測量方法不便應(yīng)用到壁板自動鉆鉚法向矢量測量中。3)激光測距的方法。由于激光具有優(yōu)異的特性，激光傳感器適應(yīng)自動鉆鉚機(jī)的工作環(huán)境和安裝空間，其可方便、快捷測量出精度較高的單向距離，但無法一次性測量出所需點(diǎn)的三維坐標(biāo)信息。在壁板曲面法向矢量常用求解方法中，目前通常采用的求解方法為1)三角面片法；2)累加弦長法。三角面片法應(yīng)用比較廣，但是該方法并沒有嚴(yán)格的數(shù)學(xué)推理或物理背景，更多的是通過調(diào)整權(quán)值分別進(jìn)行計(jì)算各三角面片的法向矢量，根據(jù)計(jì)算結(jié)果來判斷算法的優(yōu)劣；采用累加弦長三次樣條參數(shù)曲線，先求出離散點(diǎn)處兩個(gè)方向的切向矢量，叉乘運(yùn)算即可得到離散點(diǎn)處的法向矢量，但這樣需要大量離散點(diǎn)的坐標(biāo)值，測量效率低下。由于測量技術(shù)、工作效率以及自動鉆鉚設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)的限制，在實(shí)際自動鉆鉚加工過程中，壁板表面大量數(shù)據(jù)點(diǎn)坐標(biāo)的采集是無法實(shí)現(xiàn)的，使此方法失去了應(yīng)用的前提。

發(fā)明內(nèi)容
要解決的技術(shù)問題為解決現(xiàn)有的測量求解壁板曲面法向矢量方法中的問題，本發(fā)明提出了一種確定壁板曲面法向矢量的方法。技術(shù)方案
權(quán)利要求
1. 一種確定壁板曲面法向矢量的方法，通過自動鉆鉚機(jī)數(shù)控系統(tǒng)中壁板工件的理論曲面方程fs (χ, y, ζ) = 0和待鉆鉚點(diǎn)M的理論坐標(biāo)(Xtl，y0, Z0)，得到待鉆鉚點(diǎn)M處的理論法向矢量為況(氓/δχ，躍/辦,躍/&)|x = 々,j =凡，z = 4，其特征在于還包括以下步驟步驟1 將壁板工件安裝在自動鉆鉚機(jī)機(jī)床工作臺面上并對刀，在自動鉆鉚機(jī)動力頭四周分布安裝有四個(gè)測距傳感器，四個(gè)測距傳感器端部處于同一平面，并且四個(gè)測距傳感器端部與自動鉆鉚機(jī)機(jī)床工作臺面距離相同，且距離為H ；步驟2:根據(jù)壁板工件上的待鉆鉚點(diǎn)M在自動鉆鉚機(jī)數(shù)控系統(tǒng)中X，Y方向的理論坐標(biāo)(χ。，yQ)，同步平移自動鉆鉚機(jī)動力頭與四個(gè)測距傳感器，使自動鉆鉚機(jī)動力頭中心的X，Y方向坐標(biāo)為( ，％)，而后在數(shù)控系統(tǒng)中讀取四個(gè)測距傳感器端部中心沿Z方向在壁板工件上投影得到的四個(gè)特征點(diǎn)P1, P2, P3，P4WX, Y方向坐標(biāo)巧( +Ax,>。+Ay;)， P2(x0+Ax'2,y0+Ay'2)，^P3(χ。+Δχ丨，凡 + Ay丨)和 P4(χ。+ Δ<，少。+ Δ乂)；采用測距傳感器測得待鉆鉚點(diǎn)M和四個(gè)特征點(diǎn)P1, P2, P3, P4與四個(gè)測距傳感器端部所處平面的距離為 Η' ,Η[,Η'2,Η[,Η，得到待鉆鉚點(diǎn)M和四個(gè)特征點(diǎn)P1, P2, P3, P4的Z方向坐標(biāo)為， P,{H-H[) ,P2(H-H12)，Ρ3(Η-Η^ }Ρ4(Η-Η’4)；步驟3 將步驟2得到的待鉆鉚點(diǎn)M和四個(gè)特征點(diǎn)P1, P2, P3, P4的X，Y，Z方向坐標(biāo)代入二次曲面表達(dá)式ζ = aX2+2bXy+Cy2+dX+ey，求解出二次曲面表達(dá)式中系數(shù)a，b，C，d，e，得到初次擬合的二次曲面方程為f (x，y，z) = aX2+2bXy+Cy2+dX+ey-Z，進(jìn)而得到待鉆鉚點(diǎn)M的初次擬合法向矢量為"。(3//ar,a//^^//&)|x = xQ,少=步驟4:建立目標(biāo)函數(shù)fn(t) =1-C0S9，其中θ表示理論法向矢量與壁板曲面法向矢量的空間夾角，以理論法向矢量與初次擬合法向矢量的空間夾角作為θ的優(yōu)化初始值， 以[Ax1' Ax12 Ax； Ax'4 Ay1' Δ^ 為優(yōu)化變量t的初始值，優(yōu)化設(shè)計(jì)模型為min fn(t) = I-cos θ，約束條件為 'gl(t) = R2-(Ax;2+Ay;2)<0 g2(t) = R2-(Ax'22+Ay'22)<0其中R為自動鉆鉚機(jī)動力頭中心與四個(gè)測距傳感器端部中心點(diǎn)的最小距離，采用序列二次規(guī)劃算法求解得到t的優(yōu)化結(jié)果為[Δ &〃 Δ χ2" Δ χ3" Δ χ4" Ay1" Ay2 ” Ay3" Ay 〃 τ ；步驟5 按照步驟4得到的優(yōu)化結(jié)果分別平移四個(gè)測距傳感器，而后四個(gè)測距傳感器端部中心沿Z方向在壁板工件上投影得到的四個(gè)新特征點(diǎn)P1'，P2'，P3' ,P4'，并采用測距傳感器測得四個(gè)新特征點(diǎn)P1'，P2'，P3'，P4'與四個(gè)測距傳感器端部所處平面的距離為 H1, H2, H3, H4，得到 P/ , P2' , P3' , P4'的 X，Y，Z 方向坐標(biāo)為 P/ ( +Δ X1 〃，y。+Δ yi〃， H-H1)，P2 ‘ (χ0+ Δ X2"，y0+ Ay2"，H-H2) P3 ‘ (x0+ Ax3"，y0+ Ay3"，H-H3) P4 ‘ (χ0+ Δχ4"， y0+Ay4〃，Η-Η4)將待鉆鉚點(diǎn)M和P/ ,P2' ,P3'，P4'的X，Y，Z方向坐標(biāo)代入二次曲面表達(dá)式ζ = alX2+2blXy+Cly2+dlX+eiy中，求解出二次曲面表達(dá)式系數(shù) ，b1; C1,屯，ei，得到優(yōu)化后的二次曲面方程為(X，y，ζ)= X2+2blXy+Cly2+dlX+eiy-Z，進(jìn)而得到待鉆鉚點(diǎn)M的法向
全文摘要
本發(fā)明提出了一種確定壁板曲面法向矢量的方法，首先通過自動鉆鉚機(jī)數(shù)控系統(tǒng)獲得壁板曲面的理論法向矢量，而后通過4個(gè)測距傳感器測量4個(gè)特征點(diǎn)的坐標(biāo)，通過4個(gè)特征點(diǎn)及待鉆鉚點(diǎn)的坐標(biāo)優(yōu)化擬合出壁板的二次曲面方程，從而能夠求出待鉆鉚點(diǎn)的實(shí)際法向矢量。本發(fā)明采用測距傳感器的方式進(jìn)行測量，消除了接觸式測量可能帶來的干涉等問題；采用二次曲面優(yōu)化擬合，求解效率高，速度快，在實(shí)踐中，通過編制好的MATLAB程序測量確定單個(gè)鉆鉚點(diǎn)法向矢量只需0.047秒，耗時(shí)極少，可以快速精確測量同一壁板大量不同鉆鉚點(diǎn)的法向矢量。
文檔編號G05B19/401GK102411336SQ201110132820
公開日2012年4月11日 申請日期2011年5月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月20日
發(fā)明者康永剛, 李西寧, 王仲奇, 胡智元, 郭飛燕 申請人:西北工業(yè)大學(xué)