中航工業(yè)北京航空制造工程研究所 張為民

1 飛行器蒙皮制孔過程中采用的法向測量方法所存在的問題

隨著各種飛行器量產(chǎn)需求的增加，為提高蒙皮制孔工效、保障制孔與連接質(zhì)量需要，某單位從國外引進了多臺數(shù)控鉆鉚設(shè)備用于飛行器蒙皮的制孔和連接，但面對曲率多變、陡緩不一的飛行器蒙皮外型面，數(shù)控制孔需解決的關(guān)鍵問題是如何準確獲取每個飛行器蒙皮制孔位置上的法向矢量信息。

由于數(shù)控鉆鉚系統(tǒng)加工過程是完全按照數(shù)控編程進行的，如果不能正確獲取蒙皮外型面制孔位置上的法向信息，其制孔過程就只能僵化地按照控制指令執(zhí)行，即使制孔加工方向與制孔位置上的法向發(fā)生嚴重偏離也難以進行及時調(diào)整，也將使制孔加工質(zhì)量受到嚴重影響。

目前，在數(shù)控制孔系統(tǒng)應(yīng)用中，為獲取制孔位置域上的法向信息所采用的技術(shù)手段主要有：

（1）對制孔位置域的曲面法向矢量進行離線測量標定，并將測量與標定結(jié)果融于數(shù)控編程中的離線方法。

（2）通過多點等距測量以間接獲取曲面法向信息，并據(jù)以調(diào)整主軸加工方向的在線調(diào)整方法。

離線方法要求預(yù)先定出飛行器蒙皮上的每一制孔位置，先期標定出制孔位置的法向矢量信息以供數(shù)控制孔的工藝編程。該方法雖可相對保證獲取制孔位置法向信息的準確性，但因前期測量工作量大，且測量標定與制孔加工設(shè)備彼此獨立、時序過程分離，其信息傳遞可靠性受到干擾，制孔工作質(zhì)量和效率受到不利影響。

多點等距測量跟蹤調(diào)整方法的設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖1所示。在主軸四周的幾個固定位置上設(shè)置有多個與主軸同向的相對位置傳感器。該方法的測量、跟蹤調(diào)整原理如圖2所示。

圖1 多點式等距測量在線調(diào)整法向方法的制孔設(shè)備結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Drilling device structure of surface normal vector on line measuring

圖2 多點式等距測量在線調(diào)整法向方法的原理示意圖Fig.2 Sketch of surface normal vector on line measuring

該方法以平行空間平面各處間距均勻相等作為設(shè)計基礎(chǔ)，圖中各紅線的起始端位于圖1所示的相對位置傳感器的固定端面上（垂直于制孔設(shè)備主軸），其末端位于制孔板材型面上各紅線的長度代表相對位置傳感器測得的各測量點與相對位置傳感器固定端面間的距離，圖中綠線表示制孔點位置處的法線。

當按設(shè)計要求于蒙皮外型面指定位置上進行制孔加工時，主軸對制孔位置點的定位與法線方向的調(diào)整過程為：

（1）啟動相對位置傳感器，測量外型面指定位置域上的測量點與相對位置傳感器固定端面間的距離。

（2）若指定位置域上的多個測量點與相對位置傳感器固定端面間的距離不等，則說明相對位置傳感器的固定端面與各測量點形成的空間平面不平行。

（3）控制系統(tǒng)根據(jù)各相對位置傳感器的測量結(jié)果不斷調(diào)整主軸加工方向，直到2個空間平面彼此平行為止。

（4）上述2個空間平面彼此平行，表明主軸方向正處于各測量點形成的空間平面的法線方向，控制系統(tǒng)可看作已將主軸調(diào)整到了制孔加工的法向上。

以上過程中測量點形成的空間平面面積因位置傳感器的安裝空間問題而難以做到足夠小，故這一方法僅適用于在曲率不大的飛行器蒙皮外型面上得到一個趨近于型面法向的測量、跟蹤、調(diào)整結(jié)果，而對于曲率較大的飛行器蒙皮的制孔，由于技術(shù)原理局限，即使進行更為繁瑣、復(fù)雜的測量、跟蹤和調(diào)整也難以獲得一個較為準確的法向矢量控制，甚至可能完全找不到所要求的法向信息。

2 視覺傳感器系統(tǒng)與飛行器型面法向矢量數(shù)字化在線測量的實現(xiàn)

為克服現(xiàn)有系統(tǒng)在獲取蒙皮外型面法向矢量技術(shù)上的局限，引入了視覺信息處理技術(shù)，以在線直接測量型面法向矢量的新方法取代離線式、漸近跟蹤、調(diào)控方式獲取蒙皮外型面法向矢量的傳統(tǒng)方法。

以視覺信息處理方法實現(xiàn)型面法向矢量數(shù)字化在線直接測量的技術(shù)原理如圖3所示。

圖3 飛行器型面法向矢量數(shù)字化在線直接測量方法Fig.3 Aircraft surface normal vector on line measuring

圖中視覺傳感器與點組合結(jié)構(gòu)激光是構(gòu)成法向矢量數(shù)字化在線直接測量系統(tǒng)的主體，其中點組合結(jié)構(gòu)激光源是由3個等距分布的點激光源構(gòu)成，射出的三束射線為3條空間平行線。作為與數(shù)控制孔設(shè)備一體集成的光電測量系統(tǒng)，此三束激光射線的初始方向應(yīng)同向平行于數(shù)控制孔設(shè)備的主軸方向，即由點激光源構(gòu)成的三角陣面，在設(shè)計上應(yīng)與主軸方向垂直。光電測量系統(tǒng)的關(guān)鍵部分是已被進行嚴格標定了像素陣列的視覺傳感器,在設(shè)計上該視覺傳感器的取景軸線應(yīng)與以上處于中間位置的激光射線保持在同一平面，且設(shè)置成與激光射向成一固定角度，當上述三束激光射線被投射到某一飛行器蒙皮外型面制孔位置域上時，視覺傳感器所采集到的圖像信息如圖4所示。

圖4 飛行器蒙皮制孔位置域上的視覺信息示意圖Fig.4 Visual information sketch

圖中用紅、綠、黃3條異色線代表三束激光射線，A、B、C 3點為三束激光在飛行器蒙皮上的投影點，由于視覺傳感器的像素陣列對應(yīng)于三束激光射線在其取景視場內(nèi)所可能投影到的物理空間已進行了嚴格標定，結(jié)合標定結(jié)果，這一視覺信息采集系統(tǒng)可對采集到的三束激光于取景視場內(nèi)的投影圖像進行處理，從而得到3個激光投影點對應(yīng)于主軸端原點的相對空間位置坐標。如圖 4 所示，三點坐標分別為（Xa，Ya，Za）、（Xb，Yb，Zb）、（Xc，Yc，Zc），位于三角形 ABC 當中制孔位置中心點 P的位置坐標則為（X0，Y0，Z0）。

當由A、B、C 3點形成的平面三角型面積足夠小時，該平面三角形中的制孔位置中心點P（X0，Y0，Z0）的法線矢量，可看作是飛行器蒙皮外型面制孔位置上的法線矢量。

由5個運動坐標（X、Y、Z、A、C）構(gòu)成的數(shù)控制孔加工機床機械結(jié)構(gòu)如圖5所示。

由于視覺傳感器根據(jù)標定資源對采集到的視覺信息進行數(shù)字化處理即可取得上述3個激光投影點的相對空間位置坐標：（Xa，Ya，Za）、（Xb，Yb，Zb）、（Xc，Yc，Zc），故這一基于視覺信息處理方法對曲面任意指定位置域的法線矢量進行測量的數(shù)學解析過程為：

（1）A、B、C 3點所行成的兩組空間直線向量可表示為：

圖5 五坐標數(shù)控制孔加工機床的機械結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure of CNC drilling machine tool with 5 axes

（2）由A、B、C 3點所行成空間平面的法向矢量則表示為：

這一方向向量可簡化表示為：（l，m，n）；

（3）經(jīng)過A、B、C 3點所行成空間平面中的制孔位置中心點P（X0，Y0，Z0）的法線方程參數(shù)式可表達為：

其中（l，m，n）為該平面的法向矢量；

（4）如果處于測量位置上的主軸端原點所在水平面方程為：z=zp（為常數(shù)），將此平面方程與上述（3）中的法線方程參數(shù)式聯(lián)立，可求得該法線與制孔加工主軸端原點所在的水平面固定交點（xp，yp，zp）；

（5）主軸端原點將由測量狀態(tài)下的空間位置（x0，y0，zp）運動至這一法線與其水平面的交點位置（xp，yp，zp）；

（6）在 位 置（xp，yp，zp）上，設(shè) 矢 量L0=xp-x0、M0=yp-y0、N0=zp-z0，則

其中的α、β、γ分別為上述法線相對于XY平面、YZ平面及Z軸的空間夾角，（L0+M0與M0+N0為矢量和）。根據(jù)對制孔位置域上的法向矢量測量結(jié)果，端心原點位于（xp，yp，zp）位置，且主軸加工方向垂直于水平面時，其A軸和C軸在分別旋轉(zhuǎn)一定的角度（具體數(shù)據(jù)為α和β）后，就可使得經(jīng)主軸端原點的制孔加工方向線與制孔位置域上的法線相重合，數(shù)控系統(tǒng)只需控制X、Y、Z運動軸的速度，使之以：X速度：Y速度：Z速度=|L0|：|M0|：|N0|的速度比例關(guān)系驅(qū)動主軸的加工運動直至制孔加工終點，即實現(xiàn)了在正確的法向矢量方向上的制孔加工，整個過程中主軸的姿態(tài)變化如圖6所示。

圖6 主軸在測量和加工過程中的狀態(tài)變化Fig.6 Course of measuring and machining

3 點組合結(jié)構(gòu)激光視覺信息的對應(yīng)空間標定方法

這里所指的標定是在經(jīng)過嚴格測量的取景空間內(nèi)將圖3所示的由點結(jié)構(gòu)激光與CCD構(gòu)成的視覺傳感器系統(tǒng)所采集到的，對應(yīng)于已測量空間位置的視覺信息進行分析、處理，從而獲得視覺信息相對于物理空間的位置對應(yīng)關(guān)系，為三維空間的點位測量提供信息處理依據(jù)。

如圖3所示，由于3點式激光組合中各點激光源的安裝位置是經(jīng)過精確設(shè)計的，因此其各自間的相對位置關(guān)系是固定和準確的。若以圖6所示的測量狀態(tài)對指定的曲面進行非接觸式的相對位置測量，可得到曲面上各激光束投影點對應(yīng)于XZ平面的相對位置坐標，但決定其各自空間坐標位置的Y向坐標數(shù)據(jù)則須由視覺傳感器系統(tǒng)借助于預(yù)先的標定結(jié)果，對所采集的視覺信息進行處理后方可獲得。對于圖3所示的視覺傳感器系統(tǒng)，當以圖6所示的狀態(tài)進行測量時，需要通過標定工作解決的問題是確定激光束投影點在CCD像素陣列上形成的視覺信息位置，以及它與物理空間中激光束實際投影點位置之間的對應(yīng)關(guān)系。

為實現(xiàn)對該視覺傳感器系統(tǒng)的標定，需首先建立一套以數(shù)字化控制運動平臺為基礎(chǔ)的高精度單軸視覺傳感器系統(tǒng)標定平臺。圖7為該平臺的示意圖。

如圖7所示，由CCD和點組合結(jié)構(gòu)激光構(gòu)成的視覺傳感器系統(tǒng)固定安裝于數(shù)控運動平臺的一端，作為標定目標靶的立方體可受控地沿激光射束方向進行單軸運動。在設(shè)計上，立方標定靶的受光面正向垂直于激光射束線。

圖7 單軸視覺傳感器系統(tǒng)標定平臺示意圖Fig.7 Visual sense system calibration stage with single shaft-driven

視覺傳感器系統(tǒng)的標定可通過下列過程實現(xiàn)：

（1）將標定平臺上的某一位置視為初始端，以定位控制的方式驅(qū)動標定靶至初始位置，并記錄定位完成后的位置測量信息。

（2）視覺傳感器系統(tǒng)向標定靶投射點組合激光，同時采集落于標定靶正面由激光點形成的視覺信息。

（3）視覺傳感器系統(tǒng)經(jīng)對視覺信息解析處理（像素細分與二值化處理）可得到一組由激光點中心成像于像素陣列上的行列位置數(shù)據(jù)。

（4）控制移動標定靶于不同位置上，在記錄位置測量信息的同時采集落于標定靶正面，由激光點形成的視覺信息。

（5）將步驟（4）所獲得的視覺信息經(jīng)步驟（3）進行信息處理，可獲得對應(yīng)一系列不同位置上的由激光點中心成像于像素陣列上的行列位置數(shù)據(jù)。

（6）通過對一系列有位置對應(yīng)關(guān)系的數(shù)據(jù)進行歸納分析，可確定視覺傳感器系統(tǒng)進行空間位置測量所要依據(jù)的信息處理數(shù)學模型。

由于構(gòu)成點組合結(jié)構(gòu)激光源的各點激光間相互位置是確定的，在確定激光投影點相對于系統(tǒng)原點的空間位置時，借助于上述過程所產(chǎn)生的標定結(jié)果可直接得到其在視覺傳感器系統(tǒng)取景空間內(nèi)相對于取景原點的空間位置坐標，由此實現(xiàn)了視覺傳感器系統(tǒng)對指定空間點位置的數(shù)字化測量，進而為指定曲面位置域上的法向矢量測量提供數(shù)據(jù)支持。

4 法向矢量在線測量與自動制孔系統(tǒng)的一體化

基于視覺傳感器的法向矢量在線測量需要與具有多軸運動控制功能的數(shù)控制孔系統(tǒng)融合后，方能有效將測得的法向信息用于復(fù)雜型面的制孔加工。首先要實現(xiàn)機械上的整合，使基于視覺傳感器的法向矢量在線測量系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上成為整個數(shù)控制孔設(shè)備的一部分。在整合裝配上，視覺傳感器系統(tǒng)的激光射束方向必須與數(shù)控制孔設(shè)備的主軸同向，其裝配示意如圖8所示。

圖8 視覺傳感器系統(tǒng)與數(shù)控制孔設(shè)備的裝配整合Fig.8 CNC drilling machine tool with visual sense system

為保證視覺傳感器系統(tǒng)在線應(yīng)用與標定過程結(jié)構(gòu)狀態(tài)的一致性，理想的方式是在完成整合裝配后，可直接利用制孔加工平臺進行對視覺傳感器系統(tǒng)的標定，使視覺傳感器系統(tǒng)的標定結(jié)果與在線應(yīng)用的空間對應(yīng)關(guān)系更為簡單和精確。

因制孔設(shè)備運動控制平臺與自動標定平臺往往是彼此獨立、分別工作的兩個系統(tǒng)，視覺傳感器系統(tǒng)與數(shù)控制孔設(shè)備的整合必須要在姿態(tài)和方向上保證接近于前述的理想方式，通過精準測量后修正裝配所產(chǎn)生的位置偏差。測量信息須嵌入運動控制系統(tǒng)以進行在線控制下的調(diào)整和補償，并在此基礎(chǔ)上完成兩個獨立系統(tǒng)間的信息融合。

根據(jù)視覺傳感器與數(shù)控制孔兩個系統(tǒng)信息特征的不同，其信息融合表現(xiàn)為如圖9所示的2種方式。

圖9 視覺傳感器系統(tǒng)與運動控制系統(tǒng)的信息融合方式Fig.9 Mode of information link for visual sense system and CNC

當視覺傳感器系統(tǒng)與運動控制系統(tǒng)間信息接口相容、信息協(xié)議一致、信息時序匹配、彼此對于信息交換可進行自主編程時，其信息融合可按圖9（a）所示的方式進行。該方式通常適用于2個系統(tǒng)的信息特征，都為可自主再造的情況。對于2個完全獨立且非自主研發(fā)的系統(tǒng)，彼此間的信息特征是很難實現(xiàn)無條件匹配的，對此可采用圖9（b）所示的系統(tǒng)信息融合方式，該方式的特點是在視覺傳感器系統(tǒng)與運動控制系統(tǒng)之間置入了一套嵌入式系統(tǒng)，以完成測量與控制間2種信息特征的轉(zhuǎn)換，從而使信息在接口形式、協(xié)議組合、時序特點等方面相互匹配，實現(xiàn)測量和控制信息的無障融合，盡管在結(jié)構(gòu)上較復(fù)雜，但其適用性更為廣泛。

綜上所述，通過測量與控制的多源信息共享，使測量與控制的多系統(tǒng)軟、硬件得以相互關(guān)聯(lián)，從而使這一非接觸測量借助系統(tǒng)控制得以正確進行，同時系統(tǒng)的運動控制也使測量數(shù)據(jù)結(jié)果得以在線驗證。