基于位姿在線反饋調(diào)整的大型法蘭對裝

侯增選+楊修偉+黃磊+徐軍

摘 要：為解決工業(yè)結(jié)構(gòu)中大型法蘭對接裝配存在的低精度、低效率等問題，提出一種基于姿態(tài)矢量及LD-PSD在線反饋的對裝方法.首先，以關(guān)節(jié)臂測量機(jī)獲取標(biāo)定塊測量點(diǎn)的實(shí)際坐標(biāo)值，與理論坐標(biāo)值對比形成擬合誤差矩陣，以該矩陣2范數(shù)最小為優(yōu)化目標(biāo)，利用奇異值分解法（SVD）建立全局坐標(biāo)系與測量坐標(biāo)系映射關(guān)系，并獲取全局坐標(biāo)系下待裝配件若干點(diǎn)空間坐標(biāo)，結(jié)合最小二乘法及隨機(jī)霍夫變換（RHT）建立待裝配體當(dāng)前位姿數(shù)學(xué)模型.設(shè)計(jì)六自由度位姿調(diào)整裝置，以靜法蘭為目標(biāo)位姿，依據(jù)關(guān)鍵姿態(tài)矢量信息解算動(dòng)法蘭位姿調(diào)整參量，實(shí)現(xiàn)位姿預(yù)調(diào)整. LD-PSD在線反饋系統(tǒng)檢測并反饋裝配質(zhì)量評價(jià)指標(biāo)，規(guī)劃微轉(zhuǎn)動(dòng)及微平動(dòng)路徑，對靜法蘭位姿多次糾偏以滿足對接裝配精度.試驗(yàn)結(jié)果表明：裝配過程高效，裝配精度高，能夠?qū)崿F(xiàn)法蘭連接結(jié)構(gòu)的精確對裝.設(shè)計(jì)的LD-PSD在線反饋系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)位姿的調(diào)整、檢測、反饋再調(diào)整的閉環(huán)裝配操作.

關(guān)鍵詞：關(guān)節(jié)臂測量機(jī)；關(guān)鍵姿態(tài)矢量；LD-PSD；奇異值分解法；最小二乘法；隨機(jī)霍夫變換

中圖分類號：TP23 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Assemblage of Large Flange Based on Attitued Vector and Position Online Feedback

HOU Zengxuan ，YANG Xiuwei， HUANG Lei ，XU Jun

（School of Mechanical Engineering， Dalian University of Technology，Dalian 116024，China）

Abstract：In order to solve the problems of low precision and low efficiency in the assemblage of large flange， a new method was considered on the basis of the key attitude vector and LD-PSD online feedback for the assemblage of large flange. Firstly， joint arm measuring machine was used to measure the actual coordinates of calibration block， which was compared with the theoretical values to build fitting error matrix. Taking the least 2-norm of the error matrix as optimization objective， a mapping relation between the global coordinate system and measuring coordinate system with SVD was then established. Secondly， the space coordinates of several points in the parts to be assembled under global coordinate system， and the mathematical model of the current position of the parts by the combination of the least square and RHT the key attitude vector information for the position and attitude adjustment parameters of tail nozzle were calculated. Lastly， the LD-PSD online correction system detected and feedbacked the quality evaluation index of the assembly to plan the micro motion and rotation path and adjust nozzle position in order to satisfy the assembly accuracy. According to the results of experiment， the assemble process through the proposed method is stable and efficient， the assemble precision is high， and the precise assemble of nozzle and combustion chamber is realized. LD-PSD system can realize a closed-loop operation of tail nozzle， such as adjustment， detection， feedback， and readjustment.

Key words：joint arm measuring machine； key attitude vector； LD-PSD； singular value decomposition method； least square method； random Hough transform

法蘭對接結(jié)構(gòu)具有構(gòu)造簡單、可操作性好等特點(diǎn)，因此在工業(yè)結(jié)構(gòu)中應(yīng)用廣泛.典型應(yīng)用如航天器間的對接、航天運(yùn)載結(jié)構(gòu)級間分離面的對接、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室與尾噴管的裝配、石油化工設(shè)備中密閉管道的連接、風(fēng)力發(fā)電機(jī)主軸結(jié)構(gòu)、飛機(jī)導(dǎo)管的螺栓法蘭連接以及核反應(yīng)堆冷卻泵轉(zhuǎn)子組件的軸向連接等等.以航天結(jié)構(gòu)為例，美國航空噴氣公司的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，20世紀(jì)60年代，與對接結(jié)構(gòu)相關(guān)的故障占14.9%，國內(nèi)1969至1984年7種型號固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的50次實(shí)驗(yàn)中，有18%的故障由對接結(jié)構(gòu)及密封問題引起，由此可知，法蘭對接結(jié)構(gòu)是很多工業(yè)結(jié)構(gòu)失效的主要原因之一.因此，提高工業(yè)結(jié)構(gòu)的法蘭對接裝配質(zhì)量及效率，以提高工業(yè)結(jié)構(gòu)的安全性能是值得研究的關(guān)鍵問題.

針對大型法蘭等大部件的自動(dòng)對裝問題，國內(nèi)外已做了很多研究，且取得很大進(jìn)展.先后基于光學(xué)原理發(fā)展了多種大部件位姿測量方法，如激光跟蹤儀，柔性關(guān)節(jié)臂測量機(jī)、激光雷達(dá)、室內(nèi)GPS[1]等，為大部件對接裝配提供了關(guān)鍵測量手段.目前，位姿計(jì)算主要采用的方法有三點(diǎn)法、四元數(shù)法、最小二乘法、ICP算法、奇異值分解法、正交迭代算法[2]等.李欽杰提出一種基于激光視覺傳感的飛機(jī)導(dǎo)管自動(dòng)裝配方法，搭建自動(dòng)化裝配平臺(tái)，利用激光條紋特征計(jì)算偏差，并規(guī)劃位姿調(diào)整路徑實(shí)現(xiàn)導(dǎo)管間法蘭的對接[3]；馬政偉等設(shè)計(jì)了一種柔性工裝機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)基于精密三坐標(biāo)定位器對側(cè)壁部件進(jìn)行裝配調(diào)姿，實(shí)現(xiàn)了大型飛機(jī)側(cè)壁部件的數(shù)字化裝配[4]；西安航天化學(xué)動(dòng)力廠針對薄壁開口燃燒室部件間的對接裝配問題，提出變形識(shí)別與安全校正的方法解決了薄壁件因變形導(dǎo)致對裝誤差大的問題 [5].此外，針對其它大部件的對接裝配，美國波音飛機(jī)制造公司構(gòu)建了一套基于 IGPS 的輔助裝配系統(tǒng)，提高了飛機(jī)、航天器、輪船等典型大部件的裝配/對接精度及效率[6]；宋彰桓等針對IGPS在飛機(jī)對接中的多點(diǎn)實(shí)時(shí)測量問題，提出了一套基于測量關(guān)鍵特性的IGPS測量點(diǎn)選取方法，改變了依賴經(jīng)驗(yàn)選取的傳統(tǒng)方法，提高了部件對接質(zhì)量[7]；朱永國等針對飛機(jī)中機(jī)身的自動(dòng)對接裝配問題，設(shè)計(jì)一種新型的冗余驅(qū)動(dòng)中機(jī)身自動(dòng)調(diào)姿機(jī)構(gòu)，同時(shí)提出基于理想驅(qū)動(dòng)力的中機(jī)身多項(xiàng)式軌跡規(guī)劃方法[8]；羅芳等針對飛機(jī)大部件自動(dòng)對接裝配問題，對裝配運(yùn)動(dòng)路徑進(jìn)行規(guī)劃，并分析裝配誤差，提出相應(yīng)補(bǔ)償方法，有效提高對接精度[9]；易旺民等提出了一種基于6-SPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)的自動(dòng)化大型艙段對接裝配技術(shù)，將位姿控制與力隨動(dòng)控制技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了大型艙段的精確對裝并兼顧小變形要求[10] ；Williams等研制了基于激光跟蹤儀、定位器和控制系統(tǒng)相組合的大部件位姿調(diào)整系統(tǒng)，替代了傳統(tǒng)人工對接平臺(tái)[11]；德國Brtje公司研制了一套自動(dòng)化裝配系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包括數(shù)控定位器、激光跟蹤儀、控制系統(tǒng)等，用于精確調(diào)整和定位飛機(jī)機(jī)身以實(shí)現(xiàn)最佳質(zhì)量的對接和裝配[12]，以上國內(nèi)外大部件對接裝配方法為本文方法提供了有效參考.

現(xiàn)階段，針對大型法蘭對接裝配的研究中，所用的裝配方法都是基于一次測量即計(jì)算位姿調(diào)整量，不能剔除位姿計(jì)算誤差及位姿調(diào)整傳動(dòng)誤差影響，不能形成位姿調(diào)整閉環(huán)控制，從而限制了裝配精度提高.基于關(guān)鍵姿態(tài)矢量信息及LD-PSD在線反饋的法蘭對接裝配方法，能夠?qū)Ψㄌm位姿實(shí)時(shí)檢測并反饋，形成位姿調(diào)整閉環(huán)控制，消除位姿計(jì)算誤差及位姿調(diào)整傳動(dòng)誤差影響，有效提高法蘭對接精度及效率.

1 裝配系統(tǒng)組成

1.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

裝配系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示.位姿調(diào)整機(jī)構(gòu)是位姿調(diào)整的執(zhí)行端，分為位置與姿態(tài)調(diào)整兩部分.位置調(diào)整部分包括X，Y，Z方向直線運(yùn)動(dòng)單元，姿態(tài)調(diào)整部分包括俯仰部分、繞動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)部分及動(dòng)法蘭U型基座的自轉(zhuǎn)部分.調(diào)整姿態(tài)時(shí)，俯仰機(jī)構(gòu)搭載動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)及動(dòng)法蘭U型基座一起繞固定軸實(shí)現(xiàn)俯仰旋轉(zhuǎn)；動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)搭載U型基座實(shí)現(xiàn)繞動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)；最后，U型基座可搭載法蘭實(shí)現(xiàn)繞法蘭自身軸線的旋轉(zhuǎn).

為實(shí)現(xiàn)位姿調(diào)整閉環(huán)控制，設(shè)計(jì)LD-PSD在線反饋系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由激光二極管LD、枕形高靈敏度光電位置傳感器PSD、加裝凸透鏡的PSD和ARM單片機(jī)等組成.通過LD直接照射或凸透鏡聚焦在PSD光敏面形成光斑，處理電路自動(dòng)輸出光斑在PSD接收板的坐標(biāo)（X，Y） [13]，進(jìn)一步處理便得到光斑與PSD板中心點(diǎn)的距離.

設(shè)計(jì)LD-PSD的安裝基座以保證LD的激光發(fā)射線和 PSD中心線分別和所在螺栓孔軸線重合，安裝基座直徑與對應(yīng)螺栓孔直徑滿足緊密配合關(guān)系，以模擬螺栓與螺栓孔配合情況.通過卡槽定位，螺栓鎖緊，實(shí)現(xiàn)LD與PSD在安裝基座的固定，并分別從非裝配面裝入待裝配法蘭螺栓孔內(nèi).得到光斑坐標(biāo)后，實(shí)時(shí)反饋回PC機(jī)供程序處理， LD-PSD在線檢測系統(tǒng)測量原理如圖2所示.

為實(shí)現(xiàn)各部件的協(xié)調(diào)有序工作，構(gòu)建測量與運(yùn)動(dòng)控制通信系統(tǒng)，如圖3所示.運(yùn)動(dòng)控制卡用于協(xié)調(diào)各伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)，控制伺服電機(jī)的位置和運(yùn)動(dòng)方向?qū)崿F(xiàn)姿態(tài)調(diào)整及位置移動(dòng)；ARM單片機(jī)，控制光電位置傳感器采集信息并控制測量過程；PC機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分析處理、顯示、信息存儲(chǔ)等功能，包括關(guān)節(jié)臂測量機(jī)獲取的點(diǎn)坐標(biāo)的存儲(chǔ)與顯示.

1.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)手段，利用 VC++ 在上位機(jī)開發(fā)數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)，主要包括參數(shù)設(shè)置模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)分析處理模塊、裝配系統(tǒng)仿真模塊、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示模塊等.參數(shù)設(shè)置界面包括測量點(diǎn)數(shù)設(shè)置，調(diào)整精度設(shè)定等基本參數(shù)；數(shù)據(jù)采集模塊，主要是對關(guān)節(jié)臂測量機(jī)的點(diǎn)測數(shù)據(jù)和光電位置傳感器獲得的距離數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并存儲(chǔ)；數(shù)據(jù)分析處理模塊，求解位姿矢量信息，解算位姿調(diào)整參量.數(shù)據(jù)顯示模塊主要用作測點(diǎn)坐標(biāo)及對接誤差的實(shí)時(shí)顯示，軟件系統(tǒng)界面如圖4所示.

2 動(dòng)法蘭位姿預(yù)調(diào)整

關(guān)節(jié)臂測量機(jī)的測量坐標(biāo)系為{w：O-Xw，Yw，Zw}，全局坐標(biāo)系為{m：O-Xm，Ym，Zm}，且坐標(biāo)系{m}坐標(biāo)軸與位置調(diào)整機(jī)構(gòu)的直線導(dǎo)軌方向平行.坐標(biāo)系{m}與{w}之間以RPY（α，β，γ）旋轉(zhuǎn)矩陣m wR與位置矩陣Tm w表示映射關(guān)系，若wpi與mpi表示同一點(diǎn)分別在坐標(biāo)系{w}和{m}的不同表示，則wpi=mwR.mpi +Tmw.建立表征待裝件姿態(tài)的二維坐標(biāo)系{Si：Oi-lini，i=1，2}，及姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)隨動(dòng)坐標(biāo)系{f：O-Xf，Yf，Zf}，坐標(biāo)系{f}各坐標(biāo)軸初始方向與坐標(biāo)系{m}相同.姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)搭載部件依次繞俯仰軸、轉(zhuǎn)動(dòng)軸、自轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的過程，可等同于隨動(dòng)坐標(biāo)系{f}依次繞Xf， Zf ，Yf軸的歐拉角轉(zhuǎn)動(dòng).法蘭對接裝配過程如下所示：

①在坐標(biāo)系{w}下測量方形標(biāo)定塊的三條棱線多點(diǎn)坐標(biāo)，建立坐標(biāo)系{m}，同時(shí)建立歐拉姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)隨動(dòng)坐標(biāo)系{f}；

②關(guān)節(jié)臂測量機(jī)分別測量動(dòng)法蘭與靜法蘭端面，柱面及對應(yīng)螺栓孔內(nèi)壁多點(diǎn)坐標(biāo)，求解待裝配件關(guān)鍵矢量信息，建立位姿數(shù)學(xué)模型及局部坐標(biāo)系{S1：O1-l1n1}{S2：O2-l2n2}；

③解算位姿調(diào)整機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)及平動(dòng)調(diào)整參量，并由伺服控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)位姿調(diào)整機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)動(dòng)法蘭位姿預(yù)調(diào)整；

④啟動(dòng)LD-PSD在線反饋系統(tǒng)， LD發(fā)射光線經(jīng)透鏡聚焦在PSD接收板形成投影光斑，解算對接端面平面夾角誤差，姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)對動(dòng)法蘭端面實(shí)時(shí)調(diào)整并反饋，直至消除端面平行誤差；

⑤LD發(fā)射光線直接在PSD接收板投影形成光斑，檢測動(dòng)法蘭3個(gè)對應(yīng)螺栓孔偏心距di，i=1，2，3，并做微轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)整，直至d1=d2=d3，消除對應(yīng)螺栓孔相對扭轉(zhuǎn)誤差；

⑥對動(dòng)法蘭位置微平動(dòng)調(diào)整，并實(shí)時(shí)測量偏心距di，直至di=0，最后沿靜法蘭法線方向做空間直線插補(bǔ)實(shí)現(xiàn)位置終調(diào)，實(shí)現(xiàn)精確對接.

2.1 建立坐標(biāo)系{w}與{m}的映射關(guān)系

將坐標(biāo)系{m}建立于高精度方形標(biāo)定塊表面，并在X′，Y′，Z′軸所在棱邊共取n點(diǎn)，如圖5所示，記該坐標(biāo)系下 n點(diǎn)實(shí)際測量值P′i（X′i，Y′i，Z′i），i=1，2，3，4，…，n.對應(yīng)坐標(biāo)系{w}下實(shí)際測量值Pi（Xi，Yi，Zi），且ΔPi為點(diǎn)i對應(yīng)的實(shí)際測量值與理論轉(zhuǎn)換值誤差，即

2.2 待裝配件當(dāng)前位姿數(shù)學(xué)模型建立

實(shí)現(xiàn)法蘭的對接裝配，要求兩法蘭端面平行，圓心重合，且法蘭周邊螺栓孔按一定位置對準(zhǔn).分別以動(dòng)法蘭圓心為原點(diǎn)O1，圓心連線向量l1，法矢向量 n1，建立表征位姿的坐標(biāo)系{S1：O1-l1n1}，同理建立表征靜法蘭位姿的坐標(biāo)系{S2：O2-l2n2}，法蘭表面取點(diǎn)如圖6所示.

為減小測量設(shè)備系統(tǒng)誤差及待裝件幾何誤差對位姿特征向量精度造成的影響，將最小二乘法與RHT法[14]相結(jié)合求解關(guān)鍵位姿矢量信息，抵消部分點(diǎn)測量誤差及孤立點(diǎn)對位姿計(jì)算的影響，基本過程如下：

①建立所有測量點(diǎn)集合E，并隨機(jī)抽取k個(gè)測量點(diǎn)（4≤k≤n-1）組成集合ci（i=1，2，3，…）即ciE；

②建立參數(shù)空間P，利用抽取的k個(gè)點(diǎn)使用最小二乘法求解各項(xiàng)未知參數(shù)，參數(shù)集合記為P1，再次不重樣抽取k個(gè)點(diǎn)使用最小二乘法求解未知參數(shù)，記為集合P2，假設(shè)抽取次數(shù)為6得到參數(shù)結(jié)果P={P1，P2，P3，P4，P5，P6}；

③設(shè)定樣本點(diǎn)到擬合方程的距離閾值Δx，遍歷所有樣本點(diǎn)，求解樣本點(diǎn)到擬合方程距離ξi，對ξi≤Δx的樣本點(diǎn)進(jìn)行計(jì)數(shù)，依次對所有方程樣本點(diǎn)投票，得到符合條件的點(diǎn)個(gè)數(shù)分別為

④比較P′1，P′2，P′3，P′4，P′5，P′6，選擇投票數(shù)最多所對應(yīng)的一組參數(shù)作為最終擬合方程的參數(shù)值.

2.3 動(dòng)法蘭姿態(tài)預(yù)調(diào)整

本研究將位姿調(diào)整分為姿態(tài)調(diào)整與位置調(diào)整兩部分，姿態(tài)調(diào)整的目的為使兩法蘭端面法矢向量n1與n2相同，螺栓孔圓心與端面圓心連線矢量l1與l2相同.在姿態(tài)調(diào)整中，動(dòng)法蘭的轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)整參量為依次繞俯仰軸、旋轉(zhuǎn)軸、自轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)α，γ，β.

若同一向量在坐標(biāo)系{f}和坐標(biāo)系{m}中分別為Pf，Pm，且{f}與{m}方向相同，則Pf=Pm.若兩坐標(biāo)系發(fā)生相對轉(zhuǎn)動(dòng)，則Pm =RmfPf，Rmf為兩坐標(biāo)系姿態(tài)變換矩陣.隨動(dòng)坐標(biāo)系{f}隨動(dòng)法蘭依次繞俯仰軸、旋轉(zhuǎn)軸、自轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)α，γ，β，即坐標(biāo)系{f}依次繞Xf，Yf，Zf軸轉(zhuǎn)動(dòng)歐拉角α，γ，β.矢量n1與n2，l1與l2在坐標(biāo)系{f}下的方向如圖7所示.

2.4 動(dòng)法蘭位置預(yù)調(diào)整

圖8中，坐標(biāo)系{f}原點(diǎn)Of（Xf，Yf，Zf），旋轉(zhuǎn)動(dòng)軸為AB， 基點(diǎn)A（XA，YA，ZA），回轉(zhuǎn)基座自轉(zhuǎn)軸線CD，且圓心O1處于自轉(zhuǎn)軸線上.根據(jù)坐標(biāo)系{S1}旋轉(zhuǎn)角度，圓心O1依次繞俯仰軸轉(zhuǎn)α，繞轉(zhuǎn)動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)γ，繞自轉(zhuǎn)軸CD旋轉(zhuǎn)β，圓心的最終位置為O″1.在坐標(biāo)系{f}中，由于坐標(biāo)系的歐拉矩陣變換與RPY矩陣變換具有可逆互等性，即圓心O1以Xf-AB-CD順序轉(zhuǎn)動(dòng)Euler（α-γ-β）的結(jié)果與按照CD-AB-Xf的順序轉(zhuǎn)動(dòng)RPY（β-γ-α）的結(jié)果相同.

經(jīng)位置預(yù)調(diào)整，使動(dòng)法蘭到達(dá)預(yù)設(shè)的在線糾偏系統(tǒng)作用位置.為避免移動(dòng)過程中動(dòng)法蘭與靜法蘭發(fā)生干涉，位置調(diào)整路徑為：動(dòng)法蘭端面圓心位置O″1直線插補(bǔ)到S點(diǎn)，S點(diǎn)直線插補(bǔ)到預(yù)先設(shè)定位置F點(diǎn)，如圖9所示.其中，S1為O″1在靜法蘭法線投影點(diǎn)，S點(diǎn)為動(dòng)法蘭端面圓心實(shí)際到達(dá)點(diǎn).

3.1 動(dòng)法蘭微轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)整

3.1.1 消除對接端面夾角誤差

LD與透鏡PSD組合測量對接端面夾角誤差，測量原理如圖11所示.

當(dāng)光線偏離PSD面法線，光斑偏離PSD板中心O點(diǎn)，偏心距離OP與光線偏離法線的角度成一定幾何關(guān)系，光束與焦平面軸線夾角

f為凸透鏡焦距；XP為P點(diǎn)在PSD板的橫向坐標(biāo)；YP為 P點(diǎn)在PSD板的縱向坐標(biāo)值.

4 實(shí)例驗(yàn)證

4.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集

為驗(yàn)證本文算法的有效性，在實(shí)驗(yàn)室條件下模擬靜法蘭與動(dòng)法蘭的位姿測算與對接裝配.法蘭外徑900 mm，內(nèi)徑550 mm，螺栓孔D=40 mm，測量系統(tǒng)采用?？怂箍店P(guān)節(jié)臂測量機(jī)及S2044 二維位置傳感器.試驗(yàn)之前，應(yīng)首先標(biāo)定全局坐標(biāo)系{m}，并在坐標(biāo)系{m}下測量靜法蘭與動(dòng)法蘭的端面、柱面和螺栓孔內(nèi)壁的5點(diǎn)坐標(biāo).端面、柱面和螺栓孔內(nèi)壁的5點(diǎn)坐標(biāo)，如表1表2所示.

4.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

點(diǎn)坐標(biāo)采集完畢，利用文中所述算法將數(shù)據(jù)處理后，得法蘭的位姿，端面圓心O1（-850.002，1 410.091，1 450.336） mm，O2（-693.246 7，2 432.800，1 281.400） mm；法矢向量n1=（0，1，0），n2=（-0.375 9，0.238 1，0.895 6）；螺栓與圓心連線矢量l1=（0.004，-0.000 1，-1），l2=（0.013 5，0.961 2，-0.275 6）.動(dòng)法蘭相對靜法蘭的預(yù)調(diào)整歐拉轉(zhuǎn)角α=75.1°，β=-1.3°，γ=22.1°，Xm方向插補(bǔ)位移-236.4 mm，Ym方向插補(bǔ)位移1 116.5 mm，Zm方向插補(bǔ)位移-440.1 mm.

4.3 裝配精度

為驗(yàn)證該位姿算法及位姿調(diào)整系統(tǒng)的有效性，對無PSD在線糾偏系統(tǒng)和有PSD在線糾偏系統(tǒng)的裝配質(zhì)量指標(biāo)分別測算.用塞尺對法蘭對接面周邊檢測， 換算成兩對接端面夾角δ1=0.012 1°與δ′1=0.009 1°；用標(biāo)準(zhǔn)圓柱檢測兩對接法蘭端面通孔中心的位置偏差δ2=0.037 1 mm與δ′2=0.028 7 mm，用標(biāo)準(zhǔn)圓柱檢測螺栓孔中心的位置偏差，換算成螺栓孔相對扭轉(zhuǎn)角δ3=0.013 2°與δ′3=0.009 3°.由對比結(jié)果可以看出， LD-PSD在線檢測系統(tǒng)可有效提高裝配精度，滿足裝配精度要求：兩平面夾角小于0.01°，連接孔偏心度小于0.03 mm，對應(yīng)螺栓孔相對扭轉(zhuǎn)角小于0.01°.同時(shí)，為進(jìn)一步說明LD-PSD在線檢測系統(tǒng)的優(yōu)越性，于動(dòng)靜法蘭端面、柱面、螺栓孔內(nèi)壁進(jìn)行等量取點(diǎn)，取點(diǎn)總個(gè)數(shù)在15～75之間時(shí)，其精度δ1與δ′1，δ2與δ′2，δ3與δ′3對比如圖14～圖16所示.

由試驗(yàn)結(jié)果可知，在LD-PSD在線檢測系統(tǒng)參與下，對接端平面夾角誤差、螺栓孔相對扭轉(zhuǎn)誤差、對應(yīng)螺栓孔偏心度均優(yōu)于無LD-PSD在線檢測系統(tǒng)參與的情況，且基本不受測點(diǎn)個(gè)數(shù)影響，充分說明本方法的有效性及LD-PSD在線檢測系統(tǒng)的優(yōu)越性.

取點(diǎn)個(gè)數(shù)

5 結(jié) 論

提出的基于關(guān)鍵姿態(tài)矢量信息與LD-PSD在線反饋的法蘭對接裝配方法，以靜法蘭為目標(biāo)位姿實(shí)現(xiàn)了動(dòng)法蘭位姿的預(yù)調(diào)整，通過 LD-PSD在線反饋系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測裝配質(zhì)量指標(biāo)，并實(shí)時(shí)調(diào)整動(dòng)法蘭位姿，直至滿足要求精度，實(shí)現(xiàn)了裝配精度的閉環(huán)控制.試驗(yàn)結(jié)果顯示，最終對接端面夾角誤差、對應(yīng)螺栓孔相對扭轉(zhuǎn)角度誤差、連接孔的圓心位置誤差均符合裝配要求，驗(yàn)證了該位姿調(diào)整理論方法的正確性、實(shí)用性.此外，實(shí)現(xiàn)無人值守的高效、高精度智能裝配是大部件裝配的研究方向，也是本課題的努力方向.

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