机翼调姿定位系统、机翼调姿和加工过程中的固持状态监测方法与流程

本发明公开了机翼调姿定位系统、机翼调姿和加工过程中的固持状态监测方法，涉及飞机大部件数字化对接装配。

背景技术：

1、在飞机装配领域中，通常需要对机翼大部件进行姿态调整以开展机翼与机身部件的对合或机翼对接面精加工。传统的机翼部件调姿方式是通过特制卡板或型架定位机翼，人工将机翼调整至所需位置，装配效率低同时无法保证装配质量。

2、为提高飞机装配的自动化和柔性化水平，国内外研制了多种机翼部件调姿定位系统，实现机翼大部件或机翼壁板固持和自动化姿态调整。公开号为cn107161355a，公开日为2019.06.18的中国专利公开了一种飞机机翼壁板数控定位器，该飞机机翼壁板数控定位器包括底座、安装在底座上的立柱及安装在立柱上的伸缩柱；伸缩柱的前端设有带导轨的安装座，安装座上设置有球头入位机构，球头入位机构的底部设有与导轨配合的滑块，导轨上还安装有固定滑块位置的锁紧机构。公开号为cn107471171a，公开日为2022.03.01的中国专利公开了一种综合热变形与重力变形的大型飞机上复杂部件的装配方法，调姿定位步骤包括：(1)将复杂部件与其三维模型上的关键特征离散成关键特征点集；(2)获取二者上关键特征点的坐标值；(3)基于装配环境温度，利用限元分析模型计算温度和重力作用所造成的关键特征点的坐标偏差；(4)基于所获取的坐标偏差，对从复杂部件上关键特征点的坐标值进行修正；(5)基于经修正之后的复杂部件上关键特征点的坐标值与三维模型上的关键特征点的坐标值，计算出用于将复杂部件调姿定位至目标位姿的位姿协调矩阵t。

3、现有机翼大部件或机翼壁板的调姿定位系统能够实现机翼的固持和自动化调姿，但缺乏机翼大部件或机翼壁板调姿或加工过程中的固持状态监测，无法有效保证系统安全性。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术中的问题，提出机翼调姿定位系统、机翼调姿和加工过程中的固持状态监测方法。通过检测机翼调姿、加工过程中机翼与数控定位器间相对位置关系变化情况、机翼与数控定位器工艺接头之间力值变化情况以及真空吸附的压力值变化情况实时监测机翼固持状态，避免机翼调姿、加工过程未形成有效固持而导致的调姿精度差、机翼发生滑移导致加工超差或安全事故等问题发生。

2、为了实现上述发明目的，本发明的技术方案如下：

3、一种机翼调姿定位系统，包括三台或三台以上的三坐标数控定位器和控制系统，所述三坐标数控定位器上端设置有拉压力双向力传感器，所述拉压力双向力传感器上端设置有真空吸盘组件，所述真空吸盘组件前端设置有真空度传感器，所述三坐标数控定位器上还设置有激光距离传感器，所述控制系统与拉压力双向力传感器、真空度传感器和激光距离传感器相连。

4、优选的，所述三坐标数控定位器包括x坐标轴、y坐标轴和z坐标轴，所述y坐标轴设置在x坐标轴上，所述z坐标轴设置在y坐标轴上；或x坐标轴设置在y坐标轴上，所述z坐标轴设置在z坐标轴上。

5、优选的，所述控制系统用于实现三台或三台以上的三坐标数控定位器的协同控制及处理多传感器数据融合；还包括独立设置的安全模块实现急停逻辑控制，与主控系统通过ethercat网络通讯；各个三坐标数控定位器配置本地从站，通过分布式i/o与主站通讯，减少信号延迟。

6、一种机翼调姿和加工过程中的固持状态监测方法，利用机翼调姿定位系统，三台或三台以上的三坐标数控定位器通过阵列式排布支撑吸附机翼，三台或三台以上的三坐标数控定位器协调运动，进行机翼六自由度空间位置和姿态调整；机翼调姿过程中及完成调姿后加工过程中的固持状态实时监控，利用多源传感器数据，通过层级化的算法处理，实现对机翼吸附、受力、姿态状态的实时、精准监控，并据此触发不同级别的安全响应机制。

7、优选的，包括以下步骤：

8、步骤一、在三坐标数控定位器中安装真空度传感器、拉压力双向力传感器和激光距离传感器并将检测信号接入控制系统中，实现集成控制；

9、步骤二、根据机翼外形特点布局三坐标数控定位器；

10、步骤三、进行控制系统初始化，完成传感器校准和参数加载，初始化完成后机翼上架，实时运行算法a1、a2，监控真空吸附和支撑力均匀性，指导调整各三坐标数控定位器的各轴位置和支撑高度，直至各数值达标，此时代表系统对机翼有效固持；状态稳定后，执行“姿态标定”，记录所有为；

11、步骤四、在调姿或加工状态下，循环执行：

12、采集所有传感器数据，，；其中，为每个真空吸盘组件的的负压值；为每个真空吸盘组件所受的力；为每个测点到其安装基准面的距离；

13、运行算法a1：更新adsorption_status_i；

14、运行算法a2：计算及，更新force_status_i；

15、运行算法a3：计算，，，，，，；

16、运行算法a4：进行数据关联分析；

17、进行系统状态评估与响应决策：控制系统根据a1-a4算法的结果实时综合评估，触发不同级别的响应动作：系统操作界面提示、声光报警、暂停程序、急停指令等，同步记录所有数据和事件；

18、步骤五、完成机翼调姿工序和加工工序，机翼下架。

19、优选的，所述步骤三中，指导调整各三坐标数控定位器的各轴位置和支撑高度包括：

20、真空吸附状态调整：运行算法a1，监测每个三坐标数控定位器的真空吸附状态是否有效，若某三坐标数控定位器的真空吸盘组件i的负压值＞安全阈值，表示该三坐标数控定位器的真空吸盘组件已贴合机翼表面，形成有效吸附；若某三坐标数控定位器的真空吸盘组件i的负压值＜安全阈值，表示该三坐标数控定位器的真空吸盘组件未贴合机翼表面，检查真空吸盘组件与机翼表面的贴合状态，根据两者间隙情况调整该三坐标数控定位器的三个坐标轴，直至＞，此时形成有效吸附；按此方法依次检查各个三坐标数控定位器的负压值直至所有三坐标数控定位器吸附状态满足要求；

21、支撑力调整：运行算法a2，监测每个三坐标数控定位器对是否有效支撑及支撑的均匀性，确保可靠支撑，若三坐标数控定位器的支撑力标准差＞，由控制系统自动生成该数控定位器的调整量；

22、z坐标轴的调整量：，k为刚度系数，由试验标定；x坐标轴/y坐标轴在此状态下不得调整，以防真空吸附失效导致机翼滑移；若经此调整后支撑力仍无法满足要求，则上架位置不符合要求，需重新上架调整。

23、优选的，所述算法a1-真空吸附状态判断：对于每个真空吸盘组件i：若负压值低于安全阈值，adsorption_status_i更新为“真空吸盘组件i真空吸附失效”；若负压值不低于安全阈值，adsorption_status_i更新为“真空吸盘组件i真空吸附有效”。

24、优选的，所述算法a2-阈值比较与变化率分析：

25、a21、上架阶段的支撑均匀性：计算所有的标准差，与预设均匀性阈值比较，若在范围内，则数控定位器可有效支撑机翼，反之则未形成均匀支撑，需重新调整数控定位器或机翼位姿，甚至重新上架；

26、a22、全过程异常力检测：

27、对于每个三坐标数控定位器i的绝对值超限：若的绝对值大于的绝对值，当为负值时force_status_i=“三坐标数控定位器i拉力值超限”， 当为负值时force_status_i=“三坐标数控定位器i压力值超限”；

28、对于每个三坐标数控定位器i变化率超限：；其中，表示某时间段t内力值的变化率，表示当前力值，表示初始力值，t表示采样的时间段，若的绝对值大于的绝对值，表示设定的力值变化率阈值，force_status_i更新为“数控定位器i力值变化率超限”； 若的绝对值不大于的绝对值 ，force_status_i更新为“数控定位器i力值变化率正常”。

29、优选的，所述算法a3-空间几何计算：建立基准：机翼上架后处于正常均匀支撑状态下，采集的距离设为，表示初始姿态；实时计算：单点位移计算：；整体姿态解算：输入：所有测点的已知空间坐标（和对应的，处理：采用刚体运动学模型实时解算机翼当前姿态，输出：：平均沉浮量，：绕x轴的滚转角，：绕y轴的俯仰角，：滚转角的变化率，：俯仰角的变化率，：平均沉浮量的变化率；

30、为平均沉浮量：假设有n个三坐标数控定位器，则；

31、，为机翼绕x轴、y轴的姿态角：基于各三坐标数控定位器的空间坐标布局及距离变化量，通过空间几何拟合或平面拟合算法计算得出。

32、，为姿态角变化率：对计算得到的姿态角，对时间t求导，或计算相邻采样周期的姿态角差值与时间间隔的比值：

33、；

34、；

35、对计算得到的平均沉浮量对时间t求导，或计算相邻采样周期的差值：

36、。

37、优选的，所述算法a4-逻辑判断：当某个真空吸盘组件adsorption_status_i=“真空吸盘组件i真空吸附失效”时，密切监控对应位置的和，若快速增大且拉力方向变化，则该点真空吸附失效导致机翼滑移的概率极大。

38、优选的，所述响应包括级别0（正常级）、级别1（预警级）、级别2（报警级）和级别3（紧急停机级）。

39、优选的，所述级别0（正常级）：正常工作：所有状态均处于安全阈值内；响应：正常工作。

40、优选的，所述级别1（预警级）：状态预警：单个真空吸盘组件adsorption_status_i短暂波动但仍高于最低阈值；单个力或力值变化率接近阈值但未超限；单个接近单点位移阈值；姿态参数，，接近阈值；响应：在控制系统的显示界面上高亮显示异常点/参数，发出声光提示音，且该声音区别于报警声，并记录当前日志，操作员介入检查，控制系统可继续运行但需保持警惕，持续观察系统工作状态。

41、优选的，所述级别2（报警级）：状态报警：单个真空吸盘组件adsorption_status_i持续为“真空吸盘组件i真空吸附失效”； 单个力或力值变化率超过设定阈值；单个超过单点位移阈值；姿态参数，，超过阈值；响应：控制系统发出声光报警，在控制系统的显示界面上清晰指示故障点/类型和超标参数值，控制系统自动暂停当前自动调姿或加工程序，等待操作员确认，操作员需根据情况制定解决措施。

42、优选的，所述级别3（紧急停机级）：吸附失效：多个真空吸盘组件同时adsorption_status_i持续为“真空吸盘组件i真空吸附失效”；受力异常：多个拉压力双向力传感器同时超限或单个力远超阈值或剧烈增大，此时表示拉压力双向力传感器检测到剧烈冲击力；姿态失稳：姿态参数，，严重超过阈值或其变化率,超过预设的紧急阈值，此时预示机翼快速滑移或倾覆；关联性高风险：算法a4判定吸附失效导致位移快速变化和受力异常；响应：触发最高级别、急促的声光报警，控制系统立即向所有执行机构发送动作急停信息，调姿机构停止动作，加工设备主轴停转并退刀，此响应为最高优先级，不可被软件逻辑阻断，确保物理隔离风险源。

43、本发明的有益效果：

44、一、本发明提供的一种机翼调姿和加工过程中的固持状态监测方法，构建了从“预警-报警-紧急停机”的递进式多级安全防护机制。预警级提供早期干预机会，减少非必要停机；报警级阻止状态恶化；紧急停机级在极端情况下提供最高级别安全保障，最大程度保护人员和设备安全。

45、二、本发明提供的一种机翼调姿和加工过程中的固持状态监测方法，实现了算法驱动的精准监控。空间几何算法a3将离散的位移点数据转化为直观、全局性的姿态参数，实现对机翼固持稳定性的量化评估。通过对力值和支撑距离的变化率（a2算法）监控显著提升了对突发、快速演变风险的检测灵敏度。数据关联分析a4提高了对复杂失效模式的诊断准确性，减少误报漏报。

46、三、本发明提供的一种机翼调姿和加工过程中的固持状态监测方法，提高了机翼固持状态异常响应的自动化与智能化。基于算法的状态评估自动触发预设响应级别，减少人为判断延迟和错误，响应更及时可靠，特别是紧急停机指令的自动执行，是安全的关键保障。

47、四、本发明提供的一种机翼调姿和加工过程中的固持状态监测方法，提升了机翼调姿和加工系统的可靠性。通过多传感器冗余、多算法交叉验证、多层次响应机制共同作用，极大地提高了整个系统的可靠性。

48、五、本发明提供的一种机翼调姿和加工过程中的固持状态监测方法，提升了机翼加工质量。通过实时监控支撑力均匀性，避免了因局部支撑力过大导致的机翼壁板变形，保证了加工过程中的结构稳定性，从而提高制孔、铆接等加工精度。

49、六、本发明提供的一种机翼调姿和加工过程中的固持状态监测方法，可以有效延长设备寿命。通过异常力检测（算法a2），可及时发现并防止因机械干涉或误操作导致的三坐标数控定位器过载，保护精密机械部件和真空吸盘组件免受损坏。

50、七、本发明提供的一种机翼调姿和加工过程中的固持状态监测方法，能够提高机翼调姿、加工的生产效率。通过算法自动指导调整三坐标数控定位器位置，替代了传统人工凭经验反复试错的调整方式，显著缩短了机翼上架和调姿的准备时间。