环形轨自动化制孔系统开发及其定位精度分析

摘要

为了满足现代飞机高寿命、高装配质量及装配效率的要求，应用自动化设备进行精密制孔是一个重要的途径。在国外，自动制孔技术和设备的开发与应用已经达到了较高的水平，而国内仍然大量沿用手工制孔方法，传统的手工制孔已经无法满足高质量紧固孔及高装配效率的要求，必须应用自动化设备解决。在此背景下，本文构建了一套应用于大飞机机身对接区域的环形轨自动化制孔系统，针对系统的软硬件、运动学方程的求解、法矢修正等关键技术进行分析研究。
　　首先综述了飞机数字化装配中自动化制孔技术的研究与发展现状，着重分析柔性轨道自动制孔技术在国内外的研究及应用现状。然后架构了一套环形轨自动化制孔系统，详细介绍了环形轨自动化制孔系统的机械结构及各个部件的功能，并提出了此系统的性能指标。
　　明确环形轨自动化制孔控制系统设计要求后，架构了一套基于SynqNet现场总线的环形轨自动化控制系统，并给出了系统硬件网络总体结构图。在硬件构架的基础上，开发了环形轨自动化制孔控制系统软件，并详细说明了软件的模块划分及功能。
　　为了实现环形轨系统的自动化制孔，需要构建环形轨制孔系统坐标系，并且实现轴关节参数与产品坐标系两者之间的相互转换。介绍了运动学方程的建模，详细阐述了环形轨运动学方程的正反解过程，说明了建站过程及原理，对法矢修正技术进行了描述。
　　针对环形轨自动化制孔系统精度问题，对环形轨自动化制孔系统进行了各个单轴及空间重复定位精度测量，并检测了第四章的坐标系正反解算法的精度，探索了精度优化探索方案。最后，基于环形轨自动化制孔试验系统平台进行了制孔试验，试验结果表明，窝深控制精度优于0.02mm，法向精度优于±0.5°，制孔效率为3～5孔/分钟，大幅提高飞机壁板的装配质量，证明了环形轨自动化制孔系统的实用性和先进性。

目录

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致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 自动化制孔技术研究与应用现状

1．2．1 自动钻铆机

1．2．2 专用自动化制孔设备

1．2．3 机器人自动制孔系统

1．2．4 便携式数字化钻铆设备

1．3 柔性轨自动化制孔技术研究现状

1．3．1 国外柔性轨自动化制孔技术研究现状

1．3．2 国内柔性轨自动化制孔技术研究现状

1．4 课题研究背景和意义

1．5 研究内容

第二章 环形轨自动化制孔系统总体结构

2．1 环形轨制孔系统需求分析

2．1．1 功能需求分析

2．1．2 性能指标分析

2．2 环形轨系统组成

2．2．1 弧形制孔设备

2．2．2 环形轨道

2．2．3 保持架

2．2．4 辅助装备

2．3 环形轨道制孔系统的特点

2．4 本章小节

第三章 环形轨自动化制孔控制系统开发

3．1 控制系统设计要求

3．2 控制系统硬件设计

3．2．1 SynqNet现场总线技术

3．2．2 控制系统组件

3．2．3 控制系统硬件网络总体结构设计

3．3 控制系统软件开发

3．3．1 系统软件功能需求

3．3．2 功能模块设计

3．4 本章小结

第四章 环形轨制孔系统运动学方程楚立及求解

4．1 位姿描述

4．1．1 位置描述

4．1．2 姿态描述

4．2 环形轨运动学模型的建立

4．2．1 关键坐标系介绍

4．2．2 运动学方程建模

4．3 环形轨运动学方程求解

4．3．1 运动学方程正解

4．3．2 运动学方程反解

4．4 环形轨自动化制孔系统的建站

4．4．1 建站原理

4．4．2 相机坐标系和刀具坐标系的转换

4．5 法矢修正技术

4．6 本章小节

第五章 环形轨自动化制孔系统精度检测

5．1 环形轨重复定位精度检测

5．1．1 检测原理与方法

5．1．2 单轴重复定位精度检测

5．1．3 空间重复定位精度检测

5．2 环形轨运动精度检测

5．2．1 检测设备及过程

5．2．2 实验结果

5．2．3 误差分析

5．2．4 运动解精度优化探索

5．3 制孔精度试验

5．3．1 制孔工艺参数选择

5．3．2 试验结果

5．4 本章小节

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献