一种基于定位器的大型结构部件位姿调整方法技术

本发明专利技术公开了一种基于定位器的大型结构部件位姿调整方法，该位姿调整方法：首先，测量大型结构部件上基准点的实测坐标和目标坐标，依据基准点测量数据解算待调整大型结构部件当前空间姿态和目标姿态的姿态差异，根据姿态差异计算得出三个定位器的调整量并驱动定位器进行运动调整；然后，再次测量大型结构部件上基准点的实测坐标和目标坐标，依据基准点测量数据解算待调整大型结构部件当前空间位置与目标位置之间的位置差异，并根据该位置差异驱动三个定位器进行运动，使基准点移动至目标位置。上述位姿调整方法中采用的调姿算法简单、容易实现、适应性好，避免大型结构部件调姿过程中出现非刚体性运动，可降低调姿内力，确保调姿过程安全。保调姿过程安全。保调姿过程安全。

【技术实现步骤摘要】
一种基于定位器的大型结构部件位姿调整方法


[0001]本专利技术涉及大型结构部件装配
，具体涉及一种基于定位器的大型结构部件位姿调整方法。

技术介绍

[0002]现有火箭、飞机、船舶、大型航天发动机等大型军工产品总装过程中大尺寸舱段调姿对接装配时，采用手动式定位器支撑大型结构部件和光学辅助测量定位的方法，实现部件的位姿调整，这种方式由于完全依赖于人工经验和手动操作，劳动强度大，调姿效率低，调姿精度难以保证。为了克服传统大型结构部件调姿方法不足，结合激光跟踪测量仪、激光雷达、室内GPS或三维激光扫描仪等高精度测量设备，采用数控定位器多轴联动数字化驱动与控制技术，实现大尺寸军工产品大型结构部件位姿精确自动调整已成为现代大型结构制造业发展趋势。近十余年来，波音777/787/空客A340/A380、雷声公司导弹、白沙导弹、SpaceX公司火箭以及F35战斗机等型号飞机已逐步采用大型结构大部件自动定位器联动驱动与控制系统代替手动对接。
[0003]在大型结构部件位姿调整过程中，数控定位器通过工艺球铰接头与大型结构部件相连；通过多个数控定位器相互空间平移运动组合，最终实现大型结构部件的精确空间平移和旋转位姿调整。目前，依据自由度驱动的差别，数控定位器分为两类：主动式定位器和随动式定位器，主动式定位器是指在XYZ三个方向都有伺服电机驱动，其结构类似于三坐标数控机床；随动式是指在XYZ三个方向仅仅有一个或两个方向上伺服电机驱动，剩余方向上不受约束，处于自由滑动状态，可跟随运动。
[0004]大型结构部件调姿过程，如果全部采用主动式定位器构成自动定位系统，能够精确控制所有定位器在三个自由度上的空间位置，存在如下问题：
[0005](1)主动式自动定位调姿算法复杂。主动式自动定位调姿系统为自由度冗余系统。一个定位器有3个自由度，如果使用3个定位器则构成9个自由度，而大型结构部件空间刚体运动只有6个自由度：3个平移自由度、3个旋转自由度以及3个冗余自由度。为了保证大型结构部件能够实现刚体运动，调姿算法必须有足够的稳定性和精确性，其计算结果能够确保所有定位器自由度必须协调运动，使得大型结构部件在运动过程中不会发生形变，避免导致部件或定位系统发生破坏。
[0006](2)由于系统调姿过程中，存在运动冗余协调的问题，因此对整个系统的定位机构运动精度、运动反馈装置、运动控制系统的协调控制性能都提出很高的要求：定位运动机构必须有足够的结构刚强度和加工制造精度，以确保大型结构自重载荷下不会发生变形和破坏，并且能够精确运动到指定位置；力传传感器、位移传感器等运动反馈装置必须能准确反馈运动机构当前状态和位置，对发生的碰撞、卡死等问题能够及时反馈；运动控制系统必须能够依照位姿算法生成的结果，有效并精确地控制多个轴进行同步协调运动，确保部件的刚体柔性运动。基于这些要求，将导致系统硬件架构过于复杂，可靠度低。
[0007](3)目前，大型结构制造厂用于大型结构部件对接装配的定位器大多采用手摇随
动式定位器。如果采用全自由度系统，势必需要重新设计并制造全新的系统，旧有系统无法重新利用，造成生产成本增加和不必要的浪费。旧有的系统可通过技术改造，对手动驱动部位加装伺服电机，构成随动式自动定位器。

技术实现思路

[0008]有鉴于此，本专利技术提供了一种基于定位器的大型结构部件位姿调整方法，该位姿调整方法采用的调姿算法简单、容易实现、适应性好，避免了大型结构部件调姿过程中出现非刚体性运动，可降低调姿过程中的调姿内力，确保调姿过程的安全。
[0009]本专利技术采用以下具体技术方案：
[0010]一种基于定位器的大型结构部件位姿调整方法，该位姿调整方法包括以下步骤：
[0011]步骤一、将待调整大型结构部件通过工艺球铰接头连接于三自由度定位器、二自由度定位器和单自由度定位器上，三自由度定位器具有沿X轴、Y轴、Z轴方向的三个平动自由度，二自由度定位器具有沿Y轴、Z轴方向的两个平动自由度，单自由度定位器具有沿Z轴方向的一个平动自由度；
[0012]步骤二、在待调整大型结构部件上设置n个基准点，其中，n≥4且n为正整数，测量每个基准点获得每个基准点的实测坐标；
[0013]步骤三、根据基准点的实测坐标和目标坐标，计算待调整大型结构部件当前空间姿态和目标姿态的差异，即为待调整大型结构部件的空间姿态角度调整量α、β、γ，其中，α为待调整大型结构部件调姿后坐标系相对其调姿前坐标系对应X轴的夹角偏差，β为待调整大型结构部件调姿后坐标系相对其调姿前坐标系对应Y轴的夹角偏差，γ为待调整大型结构部件调姿后坐标系相对其调姿前坐标系对应Z轴的夹角偏差；
[0014]步骤四、根据步骤三中角度调整量α、β、γ，计算三自由度定位器在X轴方向上的调整量Δx
3a
、在Y轴方向上的调整量Δy
3a
以及在Z轴方向上的调整量Δz
3a
，计算二自由度定位器在Y轴方向上的调整量Δy
3b
和在Z轴方向上的调整量Δz
3b
，计算单自由度定位器在Z轴方向上的调整量Δz
3c
；
[0015]步骤五、根据计算的调整量，位姿调整控制系统协同控制驱动三自由度定位器在X、Y、Z轴向上运动，并驱动二自由度定位器在Y、Z轴向上运动和单自由度定位器在Z轴向上运动，以上各轴向协调同步运动；
[0016]步骤六、对基准点进行重新测量，获得基准点的当前新坐标；
[0017]步骤七、根据步骤六中测量得到的新坐标，计算获得待调整大型结构部件当前空间姿态与目标姿态的差异，若α、β、γ均等于零，则执行步骤八，否则返回步骤三；
[0018]步骤八、根据步骤六中测量获得的基准点当前新坐标值，按照步骤三计算待调整大型结构部件当前空间位置与目标位置之间差异，即，在X轴向的距离为Δx、Y轴向的距离为Δy、以及Z轴向的距离为Δz；
[0019]步骤九、根据步骤八中计算出的位置差异，位姿调整控制系统协同控制驱动三自由度定位器沿X轴向移动Δx、沿Y轴向移动Δy、沿Z轴向移动Δz，驱动二自由度定位器沿Y轴向移动Δy、沿Z轴向移动Δz，驱动单自由度定位器沿Z轴向移动Δz；
[0020]步骤十、再次对基准点进行重新测量，获得基准点的当前坐标；
[0021]步骤十一、根据步骤十中测量得到的当前坐标，按照步骤三计算待调整大型结构
部件当前空间位置与目标位置之间的差异，若Δx、Δy、Δz均等于零，则结束调姿过程，否则返回步骤八。
[0022]更进一步地，在步骤三中，基准点的实测坐标和目标坐标满足下式，采用高斯
‑
牛顿迭代法、四元数法或ICP算法可解算待调整大型结构部件的空间姿态角度调整量以及位置调整量α、β、γ以及位置调整量与Δx，Δy，Δz：
[0023][0024]其中，X
io
＝[x
io
,y
io
,z
io
]T
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于定位器的大型结构部件位姿调整方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、将待调整大型结构部件通过工艺球铰接头连接于三自由度定位器、二自由度定位器和单自由度定位器上，三自由度定位器具有沿X轴、Y轴、Z轴方向的三个平动自由度，二自由度定位器具有沿Y轴、Z轴方向的两个平动自由度，单自由度定位器具有沿Z轴方向的一个平动自由度；步骤二、在待调整大型结构部件上设置n个基准点，其中，n≥4且n为正整数，测量每个基准点获得每个基准点的实测坐标；步骤三、根据基准点的实测坐标和目标坐标，计算待调整大型结构部件当前空间姿态和目标姿态的差异，即为待调整大型结构部件的空间姿态角度调整量α、β、γ，其中，α为待调整大型结构部件调姿后坐标系相对其调姿前坐标系对应X轴的夹角偏差，β为待调整大型结构部件调姿后坐标系相对其调姿前坐标系对应Y轴的夹角偏差，γ为待调整大型结构部件调姿后坐标系相对其调姿前坐标系对应Z轴的夹角偏差；步骤四、根据步骤三中角度调整量α、β、γ，计算三自由度定位器在X轴方向上的调整量Δx
3a
、在Y轴方向上的调整量Δy
3a
以及在Z轴方向上的调整量Δz
3a
，计算二自由度定位器在Y轴方向上的调整量Δy
3b
和在Z轴方向上的调整量Δz
3b
，计算单自由度定位器在Z轴方向上的调整量Δz
3c
；步骤五、根据计算的调整量，位姿调整控制系统协同控制驱动三自由度定位器在X、Y、Z轴向上运动，并驱动二自由度定位器在Y、Z轴向上运动和单自由度定位器在Z轴向上运动，以上各轴向协调同步运动；步骤六、对基准点进行重新测量，获得基准点的当前新坐标；步骤七、根据步骤六中测量得到的新坐标，计算获得待调整大型结构部件当前空间姿态与目标姿态的差异，若α、β、γ均等于零，则执行步骤八，否则返回步骤三；步骤八、根据步骤六中测量获得的基准点当前新坐标值，按照步骤三计算待调整大型结构部件当前空间位置与目标位置之间差异，即在X轴向的距离为Δx、Y轴向的距离为Δy、以及Z轴向的距离为Δz；步骤九、根据步骤八中计算出的位置差异，位姿调整控制系统协同控制驱动三自由度定位器沿X轴向移动Δx、沿Y轴向移动Δy、沿Z轴向移动Δz，驱动二自由度定位器沿Y轴向移动Δy、沿Z轴向移动Δz，驱动单自由度定位器沿Z轴向移动Δz；步骤十、再次对基准点进行重新测量，获得基准点的当前坐标；步骤十一、根据步骤十中测量得到的当前坐标，按照步骤三计算待调整...

【专利技术属性】
技术研发人员：张海洲，张有瑞，李启春，张忠清，周垚，周恺，
申请(专利权)人：北京动力机械研究所，
类型：发明
国别省市：