基于激光发射器的钻孔法矢对准方法及对准系统技术方案

一种基于激光发射器的钻孔法矢对准方法及对准系统，其特征是所述的方法包括以下步骤：首先，在车间内安装至少两个激光发射器，并使各激光发射器能绕相互垂直的轴旋转；其次，钻枪的顶部加工形成一个“十”字线；第三，根据所需钻孔的位置计算出钻孔时所需的法矢值；第四，根据计算所得的法矢值，调整两个发射器的旋转角度，使每个激光发射器发射的光线平面经过理论“十”字线的一条，两个激光发射器发出的光线平面在钻枪顶部投影相交形成与法矢垂直的理论“十”字线；第五，人工或自动调整钻枪的角度，使钻枪顶部的“十”字线与激光发射器所形成的理论“十”字线重合，即完成钻顶法矢的对准。最后，按调整后的法矢完成钻孔工作。本发明专利技术调整方便，算法简单。

【技术实现步骤摘要】
基于激光发射器的钻孔法矢对准方法及对准系统
本专利技术涉及一种曲面钻孔技术，尤其是一种飞机蒙皮表面的制孔技术，具体地说是一种基于激光发射器的钻孔法矢对准方法及对准系统。
技术介绍
在航空工业中，一架飞机的机体的失效形式主要是疲劳破坏，而疲劳破坏大多数则是产生在机体结构的链接部位上。如今的飞机制造业，主要的链接方式还是铆接和螺栓链接，所以对于连接孔的质量要求非常高，对于飞机寿命有着重要的影响。传统的飞机装配中的制孔一般采用人工钻孔为主，但是不同工人的熟练程度和体力不同，对于孔的垂直度把握往往都是根据经验，容易产生加工缺陷，从而使得制孔的精度无法得到保证与实时监测评价方案。在一架大型飞机上，大约有150～200万个连接件，连接孔的位置精度，表面质量对于孔的加工精度影响较大，其中垂直度是主要因素之一。垂直度直接影响了所钻孔的直径，还会对于飞机装配中的铆接质量产生很大影响。根据相关数据表明，当飞机紧固件沿外载荷作用方向倾斜角度大于2°时，飞机疲劳寿命会降低47％；当倾斜角度超过5°时，疲劳寿命会降低95％。在法向调整
，已经取得一定的发展。可采用利用4个接触式位移传感器来调整法向。这种方法可以通过测量位移传感器的法向偏差来调整刀具进给方向，从而获得比较理想的法向精度，它可用于手动和自动钻孔，但是缺点就是在测量时需要压紧部件，这样会对加工件产生一定的变形，从而使得法向调整结果不精确。或者可以利用3个激光位移传感器测量钻孔点周围3个特征点的坐标，通过叉积原理计算出钻头中心轴线与钻孔点法向量的夹角，再利用二元角度调节法调整钻头方向，但是这种方法需要保证3个激光位移传感器的发射点均匀的分布在钻头同心圆的圆周上，并且激光发射方向需要跟钻头的方向相同，且安装在制孔执行器末端，对安装的精度要求较高，且不适合手动钻孔技术。在手动钻孔技术中，传统的钻套是目前应用比较广泛的，但是它在制孔时开敞性不够，不能观察到制孔质量，且对于外蒙皮向内侧制孔后内部桁条等的余边量不够而影响装配质量。此外，重要的在曲率变化大的军机等蒙皮制孔时，钻套的应用完全无法保证制孔法矢的精度。激光发射器目前已应用于多种测量组件中，但将其应用到制孔法矢的测量与检验中是一种突出的应用，尤其结合离线编程技术，利用A,B角度的变化而精确定位法矢参数，并对于大型飞机组装车间可以一次性固定多个，组成一种特有的测量检验系统，对于改善人工手动制孔的精度与省去或简化钻模等特有工具具有重要意义。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有的钻孔法矢对准难度大，结构复杂，精度低的总问题，专利技术一种算法简单，控制、调整方便的基于激光发射器的钻孔法矢对准方法及对准系统。本专利技术的技术方案之一是：一种基于激光发射器的钻孔法矢对准方法，其特征是它包括以下步骤：首先，在车间内安装至少两个激光发射器，并使各激光发射器能绕相互垂直的轴旋转；其次，钻枪的顶部加工形成一个“十”字线；第三，根据所需钻孔的位置计算出钻孔时所需的法矢值；第四，根据计算所得的法矢值，调整两个发射器的旋转角度，使每个激光发射器发射的光线平面经过理论“十”字线的一条，两个激光发射器发出的光线在钻枪顶部形成与法矢垂直的理论“十”字线；第五，人工或自动调整钻枪的角度，使钻枪顶部的“十”字线与激光发射器所形成的理论“十”字线重合，即完成钻顶法矢的对准；最后，按调整后的法矢完成钻枪顶部工作。本专利技术的技术方案之二是：一种钻孔法矢对准系统，其特征是它包括安装在车间中的至少两个激光发射器6，所述的每个激光发射器6均安装在对应的第二旋转轴5上，第二旋转轴5安装在支架3上，第二旋转轴5由安装在支架3上的第二电机4驱动旋转，所述的支架3安装在第一旋转轴2上，第一旋转轴2由第一电机1驱动旋转；调整两个激光发射器的第一旋转轴和第二旋转轴的转动角度就能使每个激光发射器发射的光线平面经过理论“十”字线的一条，两个激光发射器发出的光线平面在钻枪顶部投影相交形成与法矢垂直的理论“十”字线，为钻枪法矢人工或自动调整提供参照基准。所述的第一电机和第二电机均为伺服电机。所述的支架3呈U形结构，第一旋转轴安装在U形结构的底部中心位置处，第二旋转轴穿装在U形结构的开口端上。本专利技术的有益效果：本专利技术的钻孔法矢对准技术具有全方位，适用于整装配车间，适于柔性多机型生产线，算法简单，易于控制实现的优点。本专利技术所涉及的钻枪十字线改造，激光发射器的A,B角摆动调整投射平面来对准钻枪十字线，以此评价法矢对准的技术，便于工人操作，省去传统定制的钻模等特殊工装与工具。本专利技术根据钻孔蒙皮在工装中固定的位置，由离线编程技术，得出所钻孔点在蒙皮基坐标系下的点位信息和法矢信息，通过矩阵变化，得出各激光发射器在动坐标系下所需要的摆动角度的量α，β，此算法可用于控制系统实现激光发射器的角度旋转调整。本专利技术所涉及的整车间，多激光发射器下的整机型全方位法矢对准技术，利用具体工作钻孔区域，并结合工人操作方便的区域，优化选择两个具体方位的激光发射器进行投影对准技术，是一种新型的整车间法矢对准系统。本专利技术不仅适用于人工手动钻孔，而且适用于自动钻铆，尤其是在军机等表面曲率变化大的蒙皮手动制孔过程中的手动法向对准。附图说明图1是本专利技术改进后的钻枪的结构示意图。图2是本专利技术的能进行两个方向角度调整的激光发射器单元的结构示意图。图3是本专利技术所涉及的多激光发射器组成的法矢对准示意图。图1中：A点是钻头端点，钻枪顶端具有定制的十字线，B点是十字中心，h为A点到B点的距离，法向矢量记为n，十字线两条直线记为BP,BQ。图2中：1为.第一旋转电机，2是第一.旋转轴，3是支架，4是第二旋转电机，5是第二旋转轴，6是激光发射器，α为第一旋转轴转动的角度，β为第二旋转轴转动的角度。图3中：O-XYZ为蒙皮基坐标系，Oi-XiYiZi为激光发射器坐标系。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步的说明。实施例一。如图1-3所示。一种基于激光发射器的钻孔法矢对准方法，先将要制孔的飞机部件固定在型架上，对这一部件定义唯一的基准坐标系T0:O-XYZ；平面激光发射器布置于车间的四周若干个，当对某区域进行钻孔时，可以人为选择就近的不干扰的激光发射器进行本专利技术的应用，这样的应用基本能满足飞机所有区域的人为钻孔法矢对准操作，为以往的人为保证法矢的操作提供了一种评价与依赖机制。每个激光可以绕相互垂直的轴旋转(如图2)，旋转轴记为Xi轴，Yi轴，绕Xi轴的旋转角记为α，绕Yi轴的旋转角记为β角，且激光源发射的光源与Xi-Yi平面重合。车间的周围需要布置足够数量的激光群，使其能够覆盖整个车间，记每个激光的坐标系为Oi-XiYiZi。本专利技术的关键在于对手动钻枪进行区域的改造，在钻枪末端铣成一个与钻枪转轴垂直的平面，并在所铣平面上刻上一个相互垂直的“十”字标记。通过对刀仪等测量工具，测得此“十”字标记到钻孔钻头顶端的距离记为h，如图1所示。钻枪在飞机某固定工装区域进行制孔时，孔位点及该点的法矢可以通过离线编程得知，孔位点记为点A(xa,yb,zc)，该孔位点的法矢记为矢量n(xn,yn,zn)。制孔时的正确姿态是钻头与该孔位点的法矢重合。本专利技术中法矢找正通过调节激光群中某两个激光源的α、β角，使两个激光源发射的平面构成制孔时正确姿态的理论“十字本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于激光发射器的钻孔法矢对准方法，其特征是它包括以下步骤：    首先，在车间内安装至少两个激光发射器，并使各激光发射器能绕相互垂直的轴旋转；    其次，钻枪的顶部加工形成一个“十”字线；    第三，根据所需钻孔的位置计算出钻孔时所需的法矢值；第四，根据计算所得的法矢值，调整两个发射器的旋转角度，使每个激光发射器发射的光线平面经过理论“十”字线的一条，两个激光发射器发出的光线平面在钻枪顶部投影相交形成与法矢垂直的理论“十”字线；第五，人工或自动调整钻枪的角度，使钻枪顶部的“十”字线与激光发射器所形成的理论“十”字线重合，即完成钻枪顶部法矢的对准；最后，按调整后的法矢完成钻孔工作。

【技术特征摘要】
1.一种基于激光发射器的钻孔法矢对准方法，其特征是它包括以下步骤：首先，在车间内安装至少两个激光发射器，并使各激光发射器能绕相互垂直的轴旋转；其次，钻枪的顶部加工形成一个“十”字线；第三，根据所需钻孔的位置计算出钻孔时所需的法矢值；第四，根据计算所得的法矢值，调整两个发射器的旋转角度，使每个激光发射器发射的光线平面经过理论“十”字线的一条，两个激光发射器发出的光线平面在钻枪顶部投影相交形成与法矢垂直的理论“十”字线；第五，人工或自动调整钻枪的角度，使钻枪顶部的“十”字线与激光发射器所形成的理论“十”字线重合，即完成钻枪顶部法矢的对准；最后，按调整后的法矢完成钻孔工作。2.一种钻孔法矢对准系统，其特征是它包括安装在车间中的至少...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈文亮，陶克梅，洪伟松，王谢苗，朱成凯，王珉，李志鹏，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32