基于坐標系轉換的工裝夾具調裝技術研究

2017-08-08 03:01:25席博偉

制造業自動化 2017年7期

關鍵詞：方向測量

王巍，孫濤，席博偉，李昂

（沈陽航空航天大學航空航天工程學部，沈陽 110136）

基于坐標系轉換的工裝夾具調裝技術研究

王巍，孫濤，席博偉，李昂

（沈陽航空航天大學航空航天工程學部，沈陽 110136）

工裝夾具是飛機、汽車生產制造中的關鍵工藝裝備，其制造精度與安裝準確度直接影響著產品的裝配質量。數字化技術條件下借助精密測量設備，測量軟件計算出零件測量值與理論值在坐標軸方向上的偏差作為該零件的調整量，實現了以測量偏差為導向的工裝夾具調裝技術。但是，某些情況下零件的調整方向與坐標軸方向并不一致，軟件提供的軸向差值并不是該零件在調整方向上的差值，這種方向差異性就給工裝夾具的調裝帶來了一定的困難。根據夾具調裝中的問題，利用坐標系轉換原理，二次開發出一種基于PC-DMIS軟件的坐標系轉換模塊。該模塊可以將測量軟件提供的軸向差值轉換為所需要方向上的差值，大大提高工裝夾具的調裝速度與準確度。

工裝夾具；PC-DMIS；坐標系轉換；二次開發

0 引言

在航空、汽車等制造企業，工裝夾具具有十分廣泛的應用，在產品的裝配過程中起到夾緊、定位的作用并保證裝配產品的裝配質量。在飛機制造中，零件數目眾多、參與裝配零件剛度低、裝配工藝復雜決定了工裝是影響裝配質量的關鍵工藝設備[1]。在汽車制造中，機器人工作站在切割下料、部件焊接中發揮著越來越重要的作用，機器人工作站不僅提高了工作速度同時保證了產品的高質量和加工一致性，而夾具正是保證機器人工作站高效工作的必要條件。隨著科學技術的發展，產品的加工精度和加工質量的要求也越來越嚴格，能否提供工作開敞性好、制造精度高、零件安裝準確的工裝夾具具有重要的意義和現實需求。

以關節臂測量機、激光跟蹤儀為代表的數字化測量設備，PC-DMIS、SA（Spatial Analyzer）為代表的三維測量軟件已經成為工裝夾具調裝過程中必不可少的輔助系統[2]。數字化測量設備的應用改變了傳統的工裝夾具調裝方式，實現了夾具調裝的數字化、可視化、直觀化與便捷化。測量設備采集零件在當前實際狀態下的空間位置與姿態數據，測量軟件通過將實際測量數據與設計理論數據進行對比，計算出測量值與理論值在三個坐標軸方向上的偏差值，軸向偏差確定了該零件在三個坐標軸方向上的待調整量，這一工作方式已經成為國內外工裝夾具調裝的主流工作方式。

但在某些情況下，零件的調整方向與坐標軸方向并不一致。測量軟件此時提供的零件在三個坐標軸方向上的偏差值，并不是該零件在自身調整方向上的待調整量。該零件在任一調整方向上移動都會導致其在其他坐標軸上的偏差變化，這就給工裝夾具的調裝帶來了一定的困難。當零件調整方向與坐標軸方向不一致時，測量軟件提供的只是三個坐標軸方向的偏差，不能夠直接顯示零件在調整方向上的偏差。目前，主要通過“逐步嘗試”的方法來完成該類零件的調裝，依據軟件提供的坐標軸向偏差，通過逐次嘗試不斷逼近零件的正確位置。該類零件的調裝往往需要大量的時間與反復調整，調整難度帶給調裝人員的壓力也往往導致調裝精度的降低。

針對這種情況，通過對PC-DMIS測量軟件在工裝夾具調裝中的工作原理進行深度分析，利用三維空間坐標系轉換技術，二次開發出一個坐標系轉換模塊。對于調整方向與工裝夾具設計坐標系軸向不一致的零件，以該零件相互垂直的三個調整方向為坐標系軸向建立局部坐標系，由坐標系轉換模塊求解兩個坐標系的轉換參數，將PC-DMIS軟件中獲取的零件實際測量值與設計理論值轉換到局部坐標系，從而計算出在零件調整方向上的待調整量。該模塊可以針對每一個調整方向與工裝夾具設計坐標軸方向不一致的零件建立屬于該零件自身的局部坐標系，將工裝夾具坐標系下的坐標值轉換到局部坐標系，顯示該零件在調整方向上的偏差值。基于坐標系轉換的調裝技術，大大加快了該類零件的調裝速度與位置裝配準確度。

1 坐標系轉換需求分析

1.1 工裝夾具典型調裝方式

數字化測量設備與三維測量軟件組成的高精度便攜式測量系統具有測量精度高、攜帶方便、環境適應廣的諸多優點[3]，快速推動了工裝夾具調裝方式的變革，成為目前工裝夾具調裝中不可或缺的關鍵組成部分，得到了絕大部分工裝夾具制造、維修廠家的青睞和使用，部分應用如圖1所示。

圖1 數字化測量設備的應用

數字化測量技術與工裝夾具數字化設計技術共同實現了工裝夾具調裝的數字化，既實現了工裝夾具調裝的“坐標化”[4]。數字化測量設備所采集的空間中每一個點、每一個特征都以坐標的形式傳輸、運算、記錄在測量軟件中，通過建立工裝夾具坐標系，測量設備獲取當前狀態下待調整零件的坐標值，將該坐標值與設計坐標值對比，計算出其在三個坐標軸方向上的偏差值，偏差值反映了該零件當前位置與理論位置的差異，顯示了偏差的大小與方向，直觀與準確的偏差值成為零件調整的依據，典型調裝流程如圖2所示。

圖2 工裝夾具的典型調裝流程

1.2 方向差異性問題分析

為確保工裝夾具零件的安裝準確度并且在一定程度上彌補零件加工、裝配精度的不足，工裝夾具在設計時就會在定位元件的一個或者幾個調整方向上預留一定的工藝補償量[5]，在工裝夾具調整階段通過改變工藝補償量（例如不同厚度墊片）來最終保證裝配質量，如圖3所示。同一套工裝夾具中不同定位件的調整方向往往不同，工裝夾具越是復雜各定位件的調整方向差異化越大。

圖3 定位件的工藝補償與調整方向

基于軸向偏差的工裝夾具調裝方式雖然提高了工裝夾具的調裝速度和零件安裝準確度，但是由于軟件本身只提供三個坐標軸方向上的偏差值，如果零件的調整方向恰好與坐標軸的方向一致，那么軟件提供的軸向偏差恰好就是該零件在調整方向上的調整量，如圖4所示。此時零件在某個方向上的移動并不會導致其他方向上的坐標值變化，且在該方向上的調整量與該方向坐標值的變化量一致。

而在某些情況下零件的調整方向與坐標軸方向并不一致，此時軟件提供的軸向偏差并不是該零件在調整方向上的調整量，如圖5所示。此時零件在任一個方向上的調整勢必導致其他坐標值的變化引起各個坐標軸偏差量不同程度的變化，導致了調整數據的紊亂。軸向偏差并不能直接確定零件在調整方向上的調整量，這種情況極大的增加了調裝難度、降低了工裝夾具的調裝速度。

2 坐標系轉換模塊的二次開發

2.1 模塊工作原理

針對零件調整方向與坐標軸方向差異性而導致的工裝夾具調裝難題，本文采用坐標系轉換的方法加以解決。在建立工裝夾具坐標系OXYZ之后，從測量軟件中可以直接獲得所測量零件的實際坐標值（X1，Y1，Z1）、理論坐標值（XN，YN，ZN）與軸向偏差（?X1，?Y1，?Z1）。針對調整方向與工裝夾具坐標軸方向不一致的零件，按照其調整方向建立一個新的坐標系OPXPYPZP，稱之為局部坐標系。計算出工裝夾具坐標系與局部坐標系的轉換參數，將工裝夾具坐標系下獲得的測量值、理論值轉換到局部坐標系，得到其在局部坐標系下的測量值（XP1，YP1，ZP1）、理論值（XP，YP，ZP）與軸向偏差（?XP1，?YP1，?ZP1），局部坐標系下的軸向偏差即該零件在調整方向上的待調整量，模塊工作原理如圖6所示。

2.2 坐標系轉換模型

結合工裝夾具的特點與實際工作的操作便捷性，利用基于公共點與公共特征的方法完成設計坐標系與局部坐標系轉換參數的求解。即通過采集設計坐標系與局部坐標系下的一組公共點集或者公共特征，依據對應點之間的位置關系求解坐標系轉換參數。

四元素法是常用的轉換參數求解算法[6]，給定一組公共點設其在兩個不同坐標系下的數據分別為P=(pi，i=1，2，…，n)和Q=(qi，i=1，2，…，n），則兩組數據應滿足：

圖4 零件調整方向與坐標軸方向一致

圖5 零件調整方向與坐標軸方向不一致

圖6 模塊工作原理

其中R與T分別為兩個坐標系之間的旋轉矩陣與平移向量。選取單位四元素則R與T分別為：

兩組數據的質心可以分別表示為：

對兩組數據進行質心化處理結果為：

根據同名點質心相同的特點，構建目標優化函數：

目標函數最小化等價于RQFT最大化，令：

構造矩陣H，即：

2.3 程序編制

PC-DMIS軟件是主要的測量軟件之一[7]，廣泛的與三坐標測量機、關節臂測量機、激光跟蹤儀等測量設備組成三維數字化測量系統，在工裝夾具安裝、零件測量與形位公差評價方面發揮著重要的作用。結合日常工作經驗，以PC-DMIS軟件為主體開發一個與之配套的坐標轉換模塊。

由于PC-DMIS軟件自身提供一定的二次開發接口，結合模塊的主要用途以及程序代碼實現方式，選用Visual Basic語言作為模塊二次開發語言。模塊提供空間點、特征采集，坐標系建立，坐標系轉換與偏差顯示功能，模塊開發流程如圖7所示。

圖7 模塊開發流程

完成代碼編寫并通過現場應用驗證模塊工作的準確性，根據現場驗證反饋信息對存在的問題進行修正，保證模塊工作的可靠性，模塊工作界面如圖8所示。

圖8 模塊工作界面

3 實例

以某型飛機裝配工裝為例，使用激光跟蹤儀測量系統完成工裝的安裝工作，如圖9所示。

圖9 某型飛機裝配工裝

以工裝上的定位銷安裝為例，通過建立工裝坐標系，以定位銷測量坐標值與設計坐標值對比得出的偏差值作為定位銷調整量的依據。但是，由于該工裝的設計坐標軸與定位銷的三個調整方向成一定角度，軟件提供的工裝坐標系軸向偏差并不是在定位銷調整方向上的實際待調整量。為解決此問題，以定位銷的調整方向1為X軸，調整方向2為Z軸，調整方向3為Y軸建立局部坐標系，使得局部坐標系坐標軸方向與該定位銷的調整方向剛好一致，如圖10所示。