基于坐标系转换的工装夹具调装技术研究

2017-08-08 03:01席博伟

制造业自动化 2017年7期

关键词：坐标轴工装夹具

王巍，孙涛，席博伟，李昂

（沈阳航空航天大学航空航天工程学部，沈阳 110136）

基于坐标系转换的工装夹具调装技术研究

王巍，孙涛，席博伟，李昂

（沈阳航空航天大学航空航天工程学部，沈阳 110136）

工装夹具是飞机、汽车生产制造中的关键工艺装备，其制造精度与安装准确度直接影响着产品的装配质量。数字化技术条件下借助精密测量设备，测量软件计算出零件测量值与理论值在坐标轴方向上的偏差作为该零件的调整量，实现了以测量偏差为导向的工装夹具调装技术。但是，某些情况下零件的调整方向与坐标轴方向并不一致，软件提供的轴向差值并不是该零件在调整方向上的差值，这种方向差异性就给工装夹具的调装带来了一定的困难。根据夹具调装中的问题，利用坐标系转换原理，二次开发出一种基于PC-DMIS软件的坐标系转换模块。该模块可以将测量软件提供的轴向差值转换为所需要方向上的差值，大大提高工装夹具的调装速度与准确度。

工装夹具；PC-DMIS；坐标系转换；二次开发

0 引言

在航空、汽车等制造企业，工装夹具具有十分广泛的应用，在产品的装配过程中起到夹紧、定位的作用并保证装配产品的装配质量。在飞机制造中，零件数目众多、参与装配零件刚度低、装配工艺复杂决定了工装是影响装配质量的关键工艺设备[1]。在汽车制造中，机器人工作站在切割下料、部件焊接中发挥着越来越重要的作用，机器人工作站不仅提高了工作速度同时保证了产品的高质量和加工一致性，而夹具正是保证机器人工作站高效工作的必要条件。随着科学技术的发展，产品的加工精度和加工质量的要求也越来越严格，能否提供工作开敞性好、制造精度高、零件安装准确的工装夹具具有重要的意义和现实需求。

以关节臂测量机、激光跟踪仪为代表的数字化测量设备，PC-DMIS、SA（Spatial Analyzer）为代表的三维测量软件已经成为工装夹具调装过程中必不可少的辅助系统[2]。数字化测量设备的应用改变了传统的工装夹具调装方式，实现了夹具调装的数字化、可视化、直观化与便捷化。测量设备采集零件在当前实际状态下的空间位置与姿态数据，测量软件通过将实际测量数据与设计理论数据进行对比，计算出测量值与理论值在三个坐标轴方向上的偏差值，轴向偏差确定了该零件在三个坐标轴方向上的待调整量，这一工作方式已经成为国内外工装夹具调装的主流工作方式。

但在某些情况下，零件的调整方向与坐标轴方向并不一致。测量软件此时提供的零件在三个坐标轴方向上的偏差值，并不是该零件在自身调整方向上的待调整量。该零件在任一调整方向上移动都会导致其在其他坐标轴上的偏差变化，这就给工装夹具的调装带来了一定的困难。当零件调整方向与坐标轴方向不一致时，测量软件提供的只是三个坐标轴方向的偏差，不能够直接显示零件在调整方向上的偏差。目前，主要通过“逐步尝试”的方法来完成该类零件的调装，依据软件提供的坐标轴向偏差，通过逐次尝试不断逼近零件的正确位置。该类零件的调装往往需要大量的时间与反复调整，调整难度带给调装人员的压力也往往导致调装精度的降低。

针对这种情况，通过对PC-DMIS测量软件在工装夹具调装中的工作原理进行深度分析，利用三维空间坐标系转换技术，二次开发出一个坐标系转换模块。对于调整方向与工装夹具设计坐标系轴向不一致的零件，以该零件相互垂直的三个调整方向为坐标系轴向建立局部坐标系，由坐标系转换模块求解两个坐标系的转换参数，将PC-DMIS软件中获取的零件实际测量值与设计理论值转换到局部坐标系，从而计算出在零件调整方向上的待调整量。该模块可以针对每一个调整方向与工装夹具设计坐标轴方向不一致的零件建立属于该零件自身的局部坐标系，将工装夹具坐标系下的坐标值转换到局部坐标系，显示该零件在调整方向上的偏差值。基于坐标系转换的调装技术，大大加快了该类零件的调装速度与位置装配准确度。

1 坐标系转换需求分析

1.1 工装夹具典型调装方式

数字化测量设备与三维测量软件组成的高精度便携式测量系统具有测量精度高、携带方便、环境适应广的诸多优点[3]，快速推动了工装夹具调装方式的变革，成为目前工装夹具调装中不可或缺的关键组成部分，得到了绝大部分工装夹具制造、维修厂家的青睐和使用，部分应用如图1所示。

图1 数字化测量设备的应用

数字化测量技术与工装夹具数字化设计技术共同实现了工装夹具调装的数字化，既实现了工装夹具调装的“坐标化”[4]。数字化测量设备所采集的空间中每一个点、每一个特征都以坐标的形式传输、运算、记录在测量软件中，通过建立工装夹具坐标系，测量设备获取当前状态下待调整零件的坐标值，将该坐标值与设计坐标值对比，计算出其在三个坐标轴方向上的偏差值，偏差值反映了该零件当前位置与理论位置的差异，显示了偏差的大小与方向，直观与准确的偏差值成为零件调整的依据，典型调装流程如图2所示。

图2 工装夹具的典型调装流程

1.2 方向差异性问题分析

为确保工装夹具零件的安装准确度并且在一定程度上弥补零件加工、装配精度的不足，工装夹具在设计时就会在定位元件的一个或者几个调整方向上预留一定的工艺补偿量[5]，在工装夹具调整阶段通过改变工艺补偿量（例如不同厚度垫片）来最终保证装配质量，如图3所示。同一套工装夹具中不同定位件的调整方向往往不同，工装夹具越是复杂各定位件的调整方向差异化越大。

图3 定位件的工艺补偿与调整方向

基于轴向偏差的工装夹具调装方式虽然提高了工装夹具的调装速度和零件安装准确度，但是由于软件本身只提供三个坐标轴方向上的偏差值，如果零件的调整方向恰好与坐标轴的方向一致，那么软件提供的轴向偏差恰好就是该零件在调整方向上的调整量，如图4所示。此时零件在某个方向上的移动并不会导致其他方向上的坐标值变化，且在该方向上的调整量与该方向坐标值的变化量一致。

而在某些情况下零件的调整方向与坐标轴方向并不一致，此时软件提供的轴向偏差并不是该零件在调整方向上的调整量，如图5所示。此时零件在任一个方向上的调整势必导致其他坐标值的变化引起各个坐标轴偏差量不同程度的变化，导致了调整数据的紊乱。轴向偏差并不能直接确定零件在调整方向上的调整量，这种情况极大的增加了调装难度、降低了工装夹具的调装速度。

2 坐标系转换模块的二次开发

2.1 模块工作原理

针对零件调整方向与坐标轴方向差异性而导致的工装夹具调装难题，本文采用坐标系转换的方法加以解决。在建立工装夹具坐标系OXYZ之后，从测量软件中可以直接获得所测量零件的实际坐标值（X1，Y1，Z1）、理论坐标值（XN，YN，ZN）与轴向偏差（∆X1，∆Y1，∆Z1）。针对调整方向与工装夹具坐标轴方向不一致的零件，按照其调整方向建立一个新的坐标系OPXPYPZP，称之为局部坐标系。计算出工装夹具坐标系与局部坐标系的转换参数，将工装夹具坐标系下获得的测量值、理论值转换到局部坐标系，得到其在局部坐标系下的测量值（XP1，YP1，ZP1）、理论值（XP，YP，ZP）与轴向偏差（∆XP1，∆YP1，∆ZP1），局部坐标系下的轴向偏差即该零件在调整方向上的待调整量，模块工作原理如图6所示。

2.2 坐标系转换模型

结合工装夹具的特点与实际工作的操作便捷性，利用基于公共点与公共特征的方法完成设计坐标系与局部坐标系转换参数的求解。即通过采集设计坐标系与局部坐标系下的一组公共点集或者公共特征，依据对应点之间的位置关系求解坐标系转换参数。

四元素法是常用的转换参数求解算法[6]，给定一组公共点设其在两个不同坐标系下的数据分别为P=(pi，i=1，2，…，n)和Q=(qi，i=1，2，…，n），则两组数据应满足：

图4 零件调整方向与坐标轴方向一致

图5 零件调整方向与坐标轴方向不一致

图6 模块工作原理

其中R与T分别为两个坐标系之间的旋转矩阵与平移向量。选取单位四元素则R与T分别为：

两组数据的质心可以分别表示为：

对两组数据进行质心化处理结果为：

根据同名点质心相同的特点，构建目标优化函数：

目标函数最小化等价于RQFT最大化，令：

构造矩阵H，即：

2.3 程序编制

PC-DMIS软件是主要的测量软件之一[7]，广泛的与三坐标测量机、关节臂测量机、激光跟踪仪等测量设备组成三维数字化测量系统，在工装夹具安装、零件测量与形位公差评价方面发挥着重要的作用。结合日常工作经验，以PC-DMIS软件为主体开发一个与之配套的坐标转换模块。

由于PC-DMIS软件自身提供一定的二次开发接口，结合模块的主要用途以及程序代码实现方式，选用Visual Basic语言作为模块二次开发语言。模块提供空间点、特征采集，坐标系建立，坐标系转换与偏差显示功能，模块开发流程如图7所示。

图7 模块开发流程

完成代码编写并通过现场应用验证模块工作的准确性，根据现场验证反馈信息对存在的问题进行修正，保证模块工作的可靠性，模块工作界面如图8所示。

图8 模块工作界面

3 实例

以某型飞机装配工装为例，使用激光跟踪仪测量系统完成工装的安装工作，如图9所示。

图9 某型飞机装配工装

以工装上的定位销安装为例，通过建立工装坐标系，以定位销测量坐标值与设计坐标值对比得出的偏差值作为定位销调整量的依据。但是，由于该工装的设计坐标轴与定位销的三个调整方向成一定角度，软件提供的工装坐标系轴向偏差并不是在定位销调整方向上的实际待调整量。为解决此问题，以定位销的调整方向1为X轴，调整方向2为Z轴，调整方向3为Y轴建立局部坐标系，使得局部坐标系坐标轴方向与该定位销的调整方向刚好一致，如图10所示。