第5章-数字化柔性装配工装

第5章--数字化柔性装配工装第一页，共62页。25.1数字化柔性装配工装的构成数字化柔性装配工装的构成

飞机装配工装的两种结构形式（1）刚性工装。优点：专用性强、稳定性好，缺点：设计周期长、占地面积大，结构开敞性差。（2）柔性工装。优点：具有数字化、模块化、各重构、可重复利用等优点，缩短了设计周期长、减少了工装数量、提高了工装快速响应产品变化的能力。缺点：硬件系统、软件系统复杂。第二页，共62页。35.1数字化柔性装配工装的构成数字化柔性装配工装的构成刚性工装第三页，共62页。45.1数字化柔性装配工装的构成数字化柔性装配工装的构成刚性工装第四页，共62页。55.1数字化柔性装配工装的构成数字化柔性装配工装的构成柔性工装第五页，共62页。65.1数字化柔性装配工装的构成数字化柔性装配工装的构成柔性工装第六页，共62页。75.1数字化柔性装配工装的构成数字化柔性装配工装的构成柔性工装第七页，共62页。85.1数字化柔性装配工装的构成数字化柔性装配工装的构成

飞机装配工装系统构成及工作原理

（1）在柔性工装应用集成管理系统中进行配工艺规划、同时进行装配工艺仿真（2）将生成的工装理论驱动数据解析为数控系统动作指令并传递至柔性工装的数控系统;（3）数控系统根据动作指令计算各定位器轴的调形轨迹,驱动定位器调形（4）定位器调形到位后,在线检测系统实时测量定位器位置,并将测量数据传递至离线编程与仿真管理系统;（5）离线编程与仿理系统将测量数据与理论数据进行比较,检查其是否满足装配要求,若测量数无法满足装配需求,系统将自动生成优化数据并由数控系统进一步调形,直到定位器位置精度满足装配要求。第八页，共62页。95.1数字化柔性装配工装的构成数字化柔性装配工装的构成

飞机装配工装系统构成及工作原理

第九页，共62页。105.1数字化柔性装配工装的构成数字化柔性装配工装的构成机械定位装置

（1）骨架骨架是机械定位装置的基体，用以固定和支撑定位夹紧元件、调整机构及锁紧机构，保持各元件空间位置的准确度及稳定性。骨架的结构可分为：框架式、组合式、整体底座式、分散底座式。第十页，共62页。115.1数字化柔性装配工装的构成数字化柔性装配工装的构成机械定位装置

（2）定位夹紧元件

定位夹紧元件用于保证构件在装配过程中的准确位置。定位夹紧元件主要包括：接头类、外形类、专用元件。第十一页，共62页。125.1数字化柔性装配工装的构成数字化柔性装配工装的构成机械定位装置

（3）调整机构调整机构用于工装本体的每个定位器的位置调整。

第十二页，共62页。135.1数字化柔性装配工装的构成数字化柔性装配工装的构成柔性工装数控系统

第十三页，共62页。145.1数字化柔性装配工装的构成数字化柔性装配工装的构成柔性工装数控系统

第十四页，共62页。155.1数字化柔性装配工装的构成数字化柔性装配工装的构成翼身自动对接辅助测量系统

第十五页，共62页。165.1数字化柔性装配工装的构成数字化柔性装配工装的构成翼身自动对接辅助测量系统

第十六页，共62页。2.1位置和姿态的表示1.位置描述在直角坐标系A中,空间任意一点p的位置(Position)可用3x1列向量(位置矢量)表示:2.方位描述空间物体B的方位(Orientation)可由某个固接于此物体的坐标系{B}的三个单位主矢量[xB,yB,zB]相对于参考坐标系A的方向余弦组成的3x3矩阵描述.

5.2装配位姿关系数学描述第十七页，共62页。2.1位置和姿态的表示

上述矩阵称为旋转矩阵,它是正交的.即若坐标系B可由坐标系A,通过绕A的某一坐标轴获得,则绕x,y,z三轴的旋转矩阵分别为5.2装配位姿关系数学描述第十八页，共62页。2.1位置和姿态的表示这些旋转变换可以通过右图推导这是绕Z轴的旋转.其它两轴只要把坐标次序调换可得上页结果.5.2装配位姿关系数学描述第十九页，共62页。2.1位置和姿态的表示旋转矩阵的几何意义:1)可以表示固定于刚体上的坐标系{B}对参考坐标系的姿态矩阵.2)可作为坐标变换矩阵.它使得坐标系{B}中的点的坐标变换成{A}中点的坐标.3)可作为算子,将{B}中的矢量或物体变换到{A}中.5.2装配位姿关系数学描述第二十页，共62页。2.1位置和姿态的表示3.位姿描述刚体位姿(即位置和姿态),用刚体的方位矩阵和方位参考坐标的原点位置矢量表示，即5.2装配位姿关系数学描述第二十一页，共62页。2.2坐标变换平移坐标变换坐标系{A}和{B}具有相同的方位,但原点不重合.则点P在两个坐标系中的位置矢量满足下式:5.2装配位姿关系数学描述第二十二页，共62页。2.2坐标变换2.旋转变换坐标系{A}和{B}有相同的原点但方位不同,则点P的在两个坐标系中的位置矢量有如下关系:5.2装配位姿关系数学描述第二十三页，共62页。2.2坐标变换3.复合变换一般情况原点既不重和,方位也不同.这时有:(2-13)5.2装配位姿关系数学描述第二十四页，共62页。2.2坐标变换例2.1

已知坐标系{B}的初始位姿与{A}重合,首先{B}相对于{A}的ZA轴转30°,再沿{A}的XA轴移动12单位,并沿{A}的YA轴移动6单位.求位置矢量APB0和旋转矩阵BAR.设点p在{B}坐标系中的位置为BP=[3,7,0],求它在坐标系{A}中的位置.5.2装配位姿关系数学描述第二十五页，共62页。2.2刚体空间位置和姿态求解（以激光跟踪仪测量为例）5.2装配位姿关系数学描述第二十六页，共62页。2.2刚体空间位置和姿态求解5.2装配位姿关系数学描述定位器运动学逆解第二十七页，共62页。2.2刚体空间位置和姿态求解5.2装配位姿关系数学描述定位器运动学逆解第二十八页，共62页。2.3齐次坐标变换1.齐次变换

(2-13)式可以写为:(2-14)P点在{A}和{B}中的位置矢量分别增广为:而齐次变换公式和变换矩阵变为:(2-15,16)5.2装配位姿关系数学描述第二十九页，共62页。2.3齐次坐标变换2.平移齐次坐标变换

{A}分别沿{B}的X、Y、Z坐标轴平移a、b、c距离的平移齐次变换矩阵写为：用非零常数乘以变换矩阵的每个元素，不改变特性。例2-3:求矢量2i+3j+2k被矢量4i-3j+7k平移得到的新矢量.5.2装配位姿关系数学描述第三十页，共62页。2.3齐次坐标变换3.旋转齐次坐标变换将上式增广为齐次式：5.2装配位姿关系数学描述第三十一页，共62页。2.3齐次坐标变换引入齐次变换后，连续的变换可以变成矩阵的连乘形式。计算简化。

例2-4：U=7i+3j+2k,绕Z轴转90度后，再绕Y轴转90度。例2-5：在上述基础上再平移（4，-3，7）。5.2装配位姿关系数学描述第三十二页，共62页。2.3齐次坐标变换由矩阵乘法没有交换性，可知变换次序对结果影响很大。5.2装配位姿关系数学描述第三十三页，共62页。（1）三次多项式插值四个约束条件：由上确定了一个三次多项式：

5.3调姿轨迹规划第三十四页，共62页。

（1）三次多项式插值关节速度和加速度：关于四个系数的线性方程：

5.2装配位姿关系数学描述第三十五页，共62页。（1）三次多项式插值解得四个系数的表达式：

5.2装配位姿关系数学描述第三十六页，共62页。2.关节轨迹的插值计算（2）过路径点的三次多项式插值将速度约束条件(7.2)变为：

重新求得三项式的系数：5.2装配位姿关系数学描述第三十七页，共62页。

2.关节轨迹的插值计算（2）过路径点的三次多项式插值确定路径点上关节速度的三种方法：◆根据工具坐标在直角坐标空间中的瞬时线速度、和角速度来确定。◆采用适当的启发式方法，有控制系统自动地选择。◆要保证每个路径点上的加速度连续。

5.2装配位姿关系数学描述第三十八页，共62页。2.关节轨迹的插值计算（3）高阶多项式插值五次多项式：

6个约束条件：5.2装配位姿关系数学描述第三十九页，共62页。2.关节轨迹的插值计算（3）高阶多项式插值其解为：5.2装配位姿关系数学描述第四十页，共62页。415.3典型的柔性装配工装机身壁板装配柔性工装机身壁装配中应用的典型柔性工装主要有两种:数控性工装和多点阵直空吸盘式柔性工装。数控柔性工装适用于结构刚性比较弱的壁板组合件；多点真空吸盘式柔性工装适用于结构刚性比较强的壁板组合件。

第四十一页，共62页。425.3典型的柔性装配工装机身壁板装配柔性工装数控柔性工装（图5-24）

（1）利用柔性工装应用集成管理系统将壁板类组件、工装卡板与数控柔性多点工装进行预装配,建立关键零件装配定位点,对该定位点进行计算,自动生成工装理论动数据;（2）数控系统运行理论驱动数据,使各可重构调的装配形单元自动运动调整到位,同时利用在线测量系统俭测各形单元的位置精度度；（3）以机械方式锁死紧螺母并以电气方式通过电机的抱闸对可重构调形单元进行双重锁死,保证卡板定位支点位置的固定；（4）最后安装卡板。

第四十二页，共62页。435.3典型的柔性装配工装机身壁板装配柔性工装数控柔性工装

第四十三页，共62页。445.3典型的柔性装配工装机身壁板装配柔性工装多点真空吸盘式柔性工装

多点阵直空吸式柔性工装的模块化单元为带空吸盘的立柱式单单元,在空间具有3个动自由度,通过控制立柱式单元生成与壁板组件出面外形一致并均分布的吸附点阵,利用直空吸盘的吸附力,可精确地定位并夹持零件,从而完成装配。

第四十四页，共62页。455.3典型的柔性装配工装机身壁板装配柔性工装多点真空吸盘式柔性工装。

第四十五页，共62页。465.3典型的柔性装配工装机翼壁板装配柔性工装

机翼翼壁板曲率小,长度尺寸大,在其装配中主要采用行列式的柔性工装。行列式性工装是一种由多个行列式排列的立柱单元构成的工装,各立柱单元为模块化结构,独立分列,每个立柱单元上装有夹持单元。夹持单元一般具有三自由度的运动调整能力,从而可过调整各立柱单元上多个夹持单元排列分布来实现对不同飞机零件的装配。

第四十六页，共62页。475.3典型的柔性装配工装机翼壁板装配柔性工装

第四十七页，共62页。自动对接定位与驱动技术为大部件自动对接装配中核心技术。该技术由自动定位器系统与联动定位驱动控制系统构成。自动定位器可实现装配件在水平XY方向直线平稳移动，以及垂直Z向俯仰及转动，并能连续测量施加在对接部件上的应力。联动定位驱动控制系统能够将自动定位阵列柔性化分成多组工作区间（模块），并分别实现各对接部段空间位置和姿态的支持与调整。5.3典型的柔性装配工装部件对接装配柔性工装

第四十八页，共62页。FALA400MHTP

A320HTPA3805.3典型的柔性装配工装部件对接装配柔性工装

第四十九页，共62页。驱动电机底座支撑杆千斤顶式自动定位器塔式自动定位器5.3典型的柔性装配工装部件对接装配柔性工装

第五十页，共62页。机身:4定位系统+1翻转式定位+1尾锥支撑机翼:4定位系统对接数控系统机翼移动可控5.3典型的柔性装配工装部件对接装配柔性工装

第五十一页，共62页。525.3典型的柔性装配工装移动运输辅助装备自动导引小车是一种以电池为动力，装有非接触式导向装置的无人驾驶自动运输车。其主要功能是，在计算机控制下，通过复杂的路径将物料按一定的停位精度输送到指定的位置上。

第五十二页，共62页。5.3典型的柔性装配工装移动运输辅助装备

AGV的组成AGV由以下各部分组成：车体、蓄电池、车上充电装置、控制系统、驱动装置、转向装置、精确定位装置、移载机构、通信单元和导引系统。

1．车体。

由车架和相应的机械电气结构如减速箱、电机、车轮等组成。车架常采用焊接钢结构，要求有足够的刚性。

2．蓄电池与充电装置。常采用24V或48V直流工业蓄电池为动力。

3．驱动装置。

驱动装置是一个伺服驱动的变速控制系统，可驱动AGV运行并具有速度控制和制动能力。它由车轮、减速器、制动器、电机及速度控制器等部分组成，并由计算机或人工进行控制。速度调节可采用脉宽调速或变频调速等方法。直线行走速度可达1m/s，转弯时为0.2～0.5m/s，接近停位点时为0.1m/s。第五十三页，共62页。5.3典型的柔性装配工装4．转向装置。

AGV常设计成三种运动方式：只能向前；能向前与向后；能纵向、横向、斜向及回转全方位运动。转向装置的结构也有三种：(1)铰轴转向式三轮车型。车体的前部为一个铰轴转向车轮，同时也是驱动轮。转向和驱动分别由两个不同的电动机带动，车体后部为两个自由轮，由前轮控制转向实现单方向向前行驶。其结构简单、成本低，但定位精度较低。(2)差速转向式四轮车型。车体的中部有两个驱动轮，由两个电机分别驱动。前后部各有一个转向轮(自由轮)。通过控制中部两个轮的速度比可实现车体的转向，并实现前后双向行驶和转向。这种方式结构简单，定位精度较高。(3)全轮转向式四轮车型。车体的前后部各有两个驱动和转向一体化车轮，每个车轮分别由各自的电动机驱动，可实现沿纵向、横向、斜向和回转方向任意路线行走，控制较复杂。移动运输辅助装备

第五十四页，共62页。铰轴转向式三轮车型差速转向式四轮车型5.3典型的柔性装配工装移动运输辅助装备

第五十五页，共62页。全轮转向式四轮车型5.3典型的柔性装配工装移动运输辅助装备

第五十六页，共62页。

5．控制系统。

AGV控制系统包括车上控制器和地面(车外)控制器，均采用微型计算机，通过通信进行联系。输入AGV的控制指令由地面(车外)控制器发出，存入车上控制器(计算机)；AGV运行时，车上控制器通过通信系统从地面站接受指令并报告自己的状态。车上控制器可完成以下监控：手动控制、安全装置启动、蓄电池状态、转向极限、制动器解脱、行走灯光、驱动和转向电机控制与充电接触器的监控等。

控制台与AGV间可采用定点光导通讯和无线局域网通讯两种通讯方式。采用无线通讯方式时，控制台和AGV构成无线局域通讯网，控制台和AGV在网络协议支持下交换信息。无线通讯要完成AGV的调度和交通管理。在出库站和拆箱机器人处移载站都设有红外光通讯系统，其主要功能是完成移载任务的通讯。

AGV充电可以采用在线自动快速充电方式5.3典型的柔性装配工装移动运输辅助装备

第五十七页，共62页。6．移载装置。

AGV用移载装置来装卸货物，即接受和卸下载荷。常见的AGV装卸方式可分为被动装卸和主动装卸两种。被动装卸方式的小车自己不具有完整的装卸功能，而是采用助卸方式，即配合装卸站或接收物料方的装卸装置自动装卸。常见的助卸装置有滚柱式台面和升降式台面两种。采用滚柱式台面的环境要求是站台必须带有动力传动辊道，AGV停靠在站台边，AGV上的辊道和站台上的辊道对接之后同步动作，实现货物移送。升降式台面的升降台下设有液压升降机构，高度可以自由调节。为了顺利移载，AGV必须精确停车才能与站台自动交换。5.3典型的柔性装配工装移动运输辅助装备

第五十八页，共62页。主动装卸方式是指自动小车自己具有装卸功能。常见的主动装卸方式有单面