[发明专利]一种用于航空薄壁件自由曲面钻孔的法向测量与调整方法

权利要求书

1.一种用于航空薄壁件自由曲面钻孔的法向测量与调整方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一，在航空薄壁件待钻孔一侧的刀具两侧分别设置非接触式的2D激光传感器各1个，两个2D激光传感器的发射光分别投射到航空薄壁件表面后形成两条相交的激光条纹，激光条纹的交点为航空薄壁件表面的钻孔位置，且刀具的轴线延长线经过激光条纹的交点；

第二，通过机床的数控系统读取当前钻孔点位的机床运动坐标(s_x,s_y,s_z,θ_A,θ_C)，其中，s_x-机床当前X轴坐标，s_y-机床当前Y轴坐标，s_Z-机床当前Z轴坐标，θ_A-机床当前A轴坐标，θ_C-机床当前C轴坐标，

通过机床运动坐标变换计算工件坐标系中当前刀尖点的位置向量r_p(p_x,p_y,p_z)和刀轴方向向量u(u_x,u_y,u_z)，其中p_x-当前刀尖点向量X轴分量，p_y-当前刀尖点向量Y轴分量，p_z-当前刀尖点向量Z轴分量，u_x-当前刀轴方向向量X轴分量，u_y-当前刀轴方向向量Y轴分量，u_z-当前刀轴方向向量Z轴分量，如公式(1)所示；当前刀尖点的位置向量r_p(p_x,p_y,p_z)和刀轴方向向量u(u_x,u_y,u_z)构成航空薄壁件当前钻孔点位的当前钻孔方向；

式中：m_x-工件坐标系原点在机床坐标系下的X轴分量，m_y-工件坐标系原点在机床坐标系下的Y轴分量，m_z-工件坐标系原点在机床坐标系下的Z轴分量；

第三，通过两个非接触式2D激光传感器分别测得其投射到航空薄壁件表面的两条相交激光条纹所代表的空间曲线的构成点点集坐标；对两条空间曲线的构成点点集坐标分别进行多项式拟合，得到两组空间曲线方程；分别求解两组空间曲线方程在相交点的切向量，得到两组切向量；切向量叉乘得到航空薄壁件表面两条激光条纹相交点处的法向，即航空薄壁件表面钻孔位置的实际法向g(g_x,g_y,g_z)，其中，g_x-实际法向量X轴分量，g_y-实际法向量Y轴分量，g_z-实际法向量Z轴分量；

第四，求解航空薄壁件当前钻孔点位的当前钻孔方向和实际法向之间的夹角，当夹角数值超过航空制造标准中要求的范围时，需要调整刀具或者航空薄壁件姿态；夹角数值未超过航空制造标准中要求的范围时，不需要调整刀具或者航空薄壁件姿态，直接执行法向制孔动作；由于刀具轴线穿过两条激光条纹的相交点，所以钻孔点位与相交点重合，即钻孔点位/激光条纹交点，刀轴方向为工件钻孔点位的当前钻孔方向，测得的相交点法向为工件钻孔点位的实际法向，即刀轴方向向量v(v_x,v_y,v_z)就是航空薄壁件表面钻孔位置的实际法向g(g_x,g_y,g_z)；

第五，若需要执行法向调整，计算调整后目标刀尖点的位置向量r_p″(p″_x,p″_y,p″_z)和刀轴方向向量v(v_x,v_y,v_z)，其中，p″_x-目标刀尖点位置向量X轴分量，p″_y-目标刀尖点位置向量Y轴分量，p″_z-目标刀尖点位置向量Z轴分量，v_x-目标刀轴方向单位向量X轴分量，v_y-目标刀轴方向单位向量Y轴分量，v_Z-目标刀轴方向单位向量Z轴分量，目标刀尖点的位置向量r_p″(p″_x,p″_y,p″_z)计算过程如公式(2)和公式(3)所示；

式中：l_r为刀尖点距离航空薄壁件表面的实际距离，d为刀尖点距离航空薄壁件表面的目标距离，p'_x为过渡刀尖点位置向量X轴分量，p'_y为过渡刀尖点位置向量Y轴分量，p'_z为过渡刀尖点位置向量Z轴分量；

第六，将目标刀尖点的位置向量r_p″(p″_x,p″_y,p″_z)和刀轴方向向量v(v_x,v_y,v_z)通过机床运动坐标变换，转换成数控系统能够执行的机床运动坐标(s′_x,s′_y,s′_z,θ′_A,θ′_C)，其中，s′_x-机床目标X轴坐标，s'_y-机床目标Y轴坐标，s'_z-机床目标Z轴坐标，θ'_A-机床目标A轴坐标，θ'_C-机床目标C轴坐标，如公式(4)所示；

公式(4)中，k_A为A轴运动坐标多解系数，且k_A＝1或-1，k_C为C轴运动坐标多解系数，且k_C＝0或1，

第七，数控系统执行，完成刀具或者航空薄壁件的姿态调整，调整后执行法向制孔动作。

2.根据权利要求1所述的用于航空薄壁件自由曲面钻孔的法向测量与调整方法，其特征在于，所述执行法向调整时的计算过程分为两步：(一)从当前刀位点A到过渡刀位点B，通过公式(2)计算；(二)从过渡刀位点B到目标刀位点C，通过公式(3)计算。