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大型曲面類零件調(diào)姿軌跡與在機測量辦法

發(fā)布日期:2022-11-22 09:42:54  點擊次數(shù):4923

針對大型曲面零件加工精度高、合格率低的問題,研究了軟件的核心算法,采用五次多項式法規(guī)劃零件的調(diào)姿方式,最終解決了零件定位精度低導致加工產(chǎn)品合格率低的問題。


1前言


大型曲面零件(見圖1)的自動調(diào)姿是零件生產(chǎn)過程中非常重要的一個環(huán)節(jié)。姿態(tài)調(diào)整效果會直接影響產(chǎn)品質(zhì)量,從而影響產(chǎn)品的使用壽命和安全性。目前,我國大型曲面零件的姿態(tài)調(diào)整還存在很多技術(shù)難題,尤其是飛機零件尺寸大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜,給零件的姿態(tài)調(diào)整帶來很大困難。傳統(tǒng)的姿態(tài)調(diào)整技術(shù)難以保證精度,這是一個難以突破的瓶頸[1-3]。針對上述大型零件調(diào)姿存在的問題,綜合考慮各種方法,最終采用五次多項式法規(guī)劃垂直安定面調(diào)姿軌跡,既提高了零件的定位精度,又提高了生產(chǎn)效率和合格率。


2測量數(shù)據(jù)采集


測量數(shù)據(jù)采集由激光跟蹤儀自動測量。激光跟蹤儀可以基于設(shè)備供應(yīng)商提供的通信接口程序?qū)崿F(xiàn)工控機與跟蹤儀之間的通信,實現(xiàn)激光跟蹤儀的自動測量功能。通信建立后,設(shè)置相關(guān)測量參數(shù),包括環(huán)境參數(shù)、測量方法和數(shù)據(jù)采集頻率。


在零件位姿調(diào)整過程中,需要測量的參考點較多,人工導光測量繁瑣且效率低下,因此選擇了基于三維模型的激光跟蹤儀自動跟蹤測量方法。


在第一次測量中,采用手動測量。第一次調(diào)姿后,基于零件的數(shù)字模型,得到調(diào)姿參考點在整機坐標系中的理論坐標。然后利用激光跟蹤儀提供的二次開發(fā)接口,驅(qū)動激光跟蹤儀在空間搜索區(qū)域自動搜索目標球,實現(xiàn)基準點的自動復(fù)測。


輸入的測量數(shù)據(jù)包括工藝基準點的理論數(shù)據(jù)、成品數(shù)據(jù)、測量數(shù)據(jù)和定位器球心的測量數(shù)據(jù)。使用數(shù)據(jù)的基本txt格式,通過正則表達式找到特定符號之間的數(shù)據(jù),并寫入相應(yīng)的編輯框中。


3軟件核心算法


3.1積極姿態(tài)計算算法


位姿求解是根據(jù)工藝參考點的數(shù)據(jù)求解零件的位姿參數(shù),包括三個旋轉(zhuǎn)角度和三個坐標平移,分別用α、β、γ和X、Y、Z表示。


正姿態(tài)解還需要設(shè)置一個參考姿態(tài),即姿態(tài)參數(shù)全為零的姿態(tài)。根據(jù)姿態(tài)調(diào)整的要求,將工藝基準點的坐標為下框架的測量數(shù)據(jù)時的姿態(tài)設(shè)定為基準。在姿態(tài)調(diào)整過程中,通過比較過程參考點的當前測量數(shù)據(jù)與參考姿態(tài),求解當前姿態(tài)參數(shù)。


積極態(tài)度解的本質(zhì)是態(tài)度擬合。目前常用的方法有SVD法、三點法和最小二乘法。請參考表1進行比較。


綜合考慮三種方法的優(yōu)缺點后,決定采用最小二乘法結(jié)合三點法求解零件的位姿參數(shù),并將三點法的結(jié)果作為最小二乘法的初始值,這樣既能保證計算精度,又能提高速度。


3.2姿態(tài)逆解算法


姿態(tài)反解算法是知道姿態(tài)變換參數(shù)(α,β,γ,X,Y,Z),求解垂直穩(wěn)定器上指定點(P)的坐標變化,即


P0是初始狀態(tài)的坐標。


3.3姿態(tài)調(diào)整軌跡規(guī)劃方法


姿態(tài)調(diào)整軌跡規(guī)劃是根據(jù)垂直穩(wěn)定器的初始姿態(tài)(設(shè)定為U0)和目標姿態(tài)(設(shè)定為Ue),求解各個定位器的運動軌跡。在姿態(tài)調(diào)整過程中,連接在定位器和垂直穩(wěn)定器之間的球鉸中心相對于垂直穩(wěn)定器始終保持同一位置,因此定位器的運動軌跡就是球鉸中心在垂直穩(wěn)定器上的運動軌跡。軌跡中特定狀態(tài)下鉸鏈中心的坐標可以通過該狀態(tài)下垂直穩(wěn)定器的位姿參數(shù)求解,因此可以通過求解實時位姿參數(shù)實現(xiàn)姿態(tài)調(diào)整的軌跡規(guī)劃[4,5]。目前常用多項式方法規(guī)劃軌跡,如直線軌跡、三次多項式軌跡和五次多項式軌跡。


(1)對于直線軌跡(設(shè)置為Ut),直線軌跡的實時姿態(tài)參數(shù)很容易求解。定義△ U = UT-U0,結(jié)束時間為te,則


計算出的Ut就是姿態(tài)變換參數(shù)(α,β,γ,X,Y,Z)。


通過計算,直線軌跡規(guī)劃法規(guī)劃的軌跡比較簡單,但在初始位姿時存在加速度和速度的突變,結(jié)果如圖2所示。因為運動不夠穩(wěn)定,容易造成垂直安定面變形,所以不能用直線編程法。


五次多項式軌跡規(guī)劃方法雖然復(fù)雜,但運動速度變化平滑,加速度變化緩慢,如圖3所示。零件運行平穩(wěn),不會造成變形或損壞,所以采用五次多項式方法規(guī)劃零件的姿態(tài)調(diào)整軌跡[6,7]。


4坐標系快速轉(zhuǎn)換方法


垂直安定面裝配面的精加工是為了使零件滿足整機整體裝配協(xié)調(diào)的要求,使零件在整機坐標系中定位,從而保證加工的可靠性。因此,在姿態(tài)調(diào)整過程中,計算和仿真使用的數(shù)據(jù)都是基于整機坐標系,計算結(jié)果需要轉(zhuǎn)換到機床坐標系中,由機床執(zhí)行。此外,為了方便操作者監(jiān)控調(diào)姿和加工過程,需要將機床上顯示的工藝數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到整機坐標系中,因此需要建立快速的坐標轉(zhuǎn)換算法,實現(xiàn)兩個坐標系中數(shù)據(jù)的相互轉(zhuǎn)換[8]。


坐標系轉(zhuǎn)換采用三點法,選取兩個坐標系中的三個公共點。根據(jù)兩個坐標系中三點坐標值的不同,求解出它們之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。具體實現(xiàn)方法如下:選擇定位器和垂直穩(wěn)定器的鉸接球心(P1、P2、P3)為公共點,可以直接讀取這三點在機床坐標系中的坐標值,設(shè)置為M1、M2、M3;可以測量整機坐標系中的坐標值,分別設(shè)置為N1、N2、N3(見圖4);計算時,首先根據(jù)三點在不同坐標系中的坐標構(gòu)造每個坐標系中的單位正交基,根據(jù)單位正交基可以直接計算出旋轉(zhuǎn)矩陣R;然后任意帶入一個點在兩個坐標系中的坐標,就可以得到平移矩陣t,具體計算步驟如下。


這樣就得到整機坐標系和機器坐標系的關(guān)系,反之亦然。


5結(jié)束語


通過分析大型曲面零件的結(jié)構(gòu)和加工工藝,解決了零件定位精度低導致的加工合格率低的問題。主要結(jié)論如下:(1)利用基于三維模型的激光跟蹤儀對測量數(shù)據(jù)進行自動跟蹤。②采用最小二乘法結(jié)合三點法擬合零件的位姿,求解零件的位姿參數(shù)。③用五次多項式法規(guī)劃零件的位姿調(diào)整軌跡。④找出坐標系的快速轉(zhuǎn)換方法。


實驗表明,采用五次多項式軌跡規(guī)劃方法調(diào)整大型曲面零件姿態(tài)簡單、穩(wěn)定、準確,滿足了用戶對完成垂直穩(wěn)定器的要求。

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