基于工艺优化的机身壁板自动钻铆预装配柔性工装设计

为降低机身壁板自动钻铆前的定位误差,设计一套适用于自动钻铆的机身壁板预装配工装。对机身壁板的预装配工装进行柔性化和模块化设计,使机身壁板的预装配工装满足不同型号机身壁板预装配工作要求,并适用于机身壁板的自动钻铆工作。应用遗传算法优化预装配工装小围框的各梁截面尺寸,以减轻小围框的质量,减轻自动钻铆机托架的承载质量。在完成机身壁板预装配后,可以将预装配工装整体安装在自动钻铆机的托架上,避免二次定位环节,提高机身壁板的加工效率与质量。     

铝锂合金自动铆接干涉量及残余应力分析

铝锂合金是航空制造中的新型合金材料,其铆接技术是现代飞机制造重要研究方向。铆接后的铝锂合金板孔的干涉量影响到残余应力分布,为了研究铆接过程与残余应力分布特征之间的关系,利用自动钻铆装备对不同厚度的铝锂合金板进行铆接。使用ABAQUS/Explicit对铝锂合金自动压铆过程进行了仿真,通过试验和仿真的方法分析不同压铆力、铆钉长度、壁板厚度和铆钉材料等组合条件下铝锂合金壁板内部所产生的干涉量,进而推导出各工艺条件下铝锂合金壁板厚度方向上残余应力的分布规律。结果表明,2060-T8铝锂合金壁板孔壁产生的干涉量及沿板厚方向分布的残余应力随压铆力的增大而增大,随铆钉长度的增大而减小,随壁板厚度的增加呈现非单调增长的趋势。壁板总厚度为4.2 mm时,平均干涉量及平均残余应力可以达到最大值。相比于2117-T4铝合金铆钉,采用7050-T3铝合金铆钉压铆后2060-T8铝锂合金壁板产生的平均干涉量降低6%～12%,平均残余应力降低8%～12%。     

铝锂合金压铆壁板残余应力与疲劳性能分析

自动压铆是航空制造工业中的重要装配技术,压铆过程结束后铆孔周围产生的残余应力的分布形式与压铆结构的疲劳性能息息相关。本文使用ABAQUS软件建立了2060-T8铝锂合金壁板压铆过程的有限元模型,通过有限元分析发现了压铆后铆孔壁面上的残余应力由靠近镦头处到靠近钉头处逐渐降低的分布规律。随着压铆力由28.5kN增大至46kN,铆钉材料为2117-T4的压铆壁板孔壁平均残余应力提高33%,残余应力沿壁板厚度上分布的均匀度提升180%;铆钉材料为7050-T73的压铆壁板孔壁平均残余应力提高58%,残余应力沿壁板厚度上分布的均匀度提升184%。疲劳裂纹萌生于铆接下板孔壁附近,随着压铆力由32.5kN增大至42kN,铆钉材料为2117-T4的压铆壁板疲劳寿命提升了31%~80%,铆钉材料为7050-T73的压铆壁板疲劳寿命提升6%~161%。相比于铆钉材料为7050-T73的压铆壁板,相同工艺条件下铆钉材料为2117-T4的压铆壁板疲劳寿命提升12%~44%。     

考虑位姿变换的钻铆工业机器人刚度寻优

针对航空航天飞机蒙皮壁板等大尺度构件自动钻铆加工中工业机器人刚度较低、加工精度差的问题,以KUKA KR600 R2830型工业机器人为例,通过调整工业机器人加工位姿的方式进行刚度优化。建立所选型号工业机器人运动学模型,在此基础上建立刚度模型并通过刚度辨识实验求解工业机器人各关节刚度;采用蒙特卡洛法绘制工业机器人作业空间并结合刚度性能评价指标在工作空间基础上绘制刚度云图,表征机器人刚度性能分布;结合参数优化后的模拟退火算法求解机械臂刚度最优位姿及当前位姿下的关节角;最后利用仿真及实验进行验证,证明刚度最大位姿的有效性。此方法可为高精重载工业机器人的加工稳定性研究提供思路和指导,提升6R工业机器人钻铆质量。     

基于激光双目视觉的接缝三维重建

设计研制了结构激光双目视觉传感器,该传感器加入结构激光,很好地解决了立体视觉中对应点的匹配问题.利用该传感器采集接缝图像,开发了图像采集处理程序,实现接缝图像处理和特征分析,识别并提取了二维平面上接缝特征点的图像坐标.采用MATLAB软件实现了三维重建标定算法,根据双目视觉原理,由接缝特征点的图像坐标计算出其三维坐标,进行了三维重建,抽取了接缝三维几何尺寸、坡口类型、角度、间隙等焊接特征信息.     

激光沉积制造特征分区定义及识别方法研究

激光沉积制造技术在飞机框、梁类大型件增材制造方面具有独特的优势,然而应力和变形成为阻碍该技术应用的瓶颈。因此分区工艺被广泛采用以离散制件的残余应力和缓解零件变形。然而,传统分区工艺不考虑零件的几何结构特征易导致不规则的分区搭接,从而引入气孔、熔合不良等缺陷。为了解决这一问题,提出了一种特征分区方法,根据典型框、梁结构件的片层结构几何形状特点,将特征分为“十”字形、T字形、L形和“一”字形4类,并对各类分区特征从形状、姿态和尺寸三方面进行限定,完成分区特征定义。提出一种基于区域骨架线检测的特征识别算法,利用骨架化算法有效简化特征并保留构型特性,采用向量叉乘法、定比分点法对特征区域骨架线完成特征角、平面姿态角及特征分支数等相关参数计算。通过比较计算值和定义值实现特征类型识别。采用典型飞机框件模型的切片数据对算法进行了验证,结果表明该算法能够快速而准确地识别各类特征,实现零件自动特征分区,为智能化增材制造技术打下基础。     

新型三自由度平面并联末端执行器设计及其性能分析

针对飞机机身加工中传统手工钻铆工艺形成的结构疲劳性能低,易产生人为因素误差,以及钻铆机器人多为串联机构,加工精度不够高,极大影响了结构的质量,提出新型三自由度平面并联末端执行器,适用于平面曲线钻铆加工,保证加工位置精度,首先设计7种同类型三自由度平面并联机构,分别为RPP、RRP、RRR、RPR、PPR、PRP和PRR,选择灵活度较高的RRR进行机构逆解运动学分析,其次分析机构的奇异性,分析其运动空间,最后给定加工轨迹进行加工仿真测验,提出7种采用统一设计构件搭建的不同机构模型,为了提高钻铆加工精度及钻铆位置精度,使其应用性广泛。     

基于位姿变化的钻铆机器人刚度优化

钻铆机器人广泛应用于航空薄壁件加工装配中,当末端配备重载执行器进行钻铆作业时,因受到自身重力和横向切削力的影响会导致末端变形,加工质量变差,工业机器人这种弱刚性限制了其在精密加工领域的发展。以工业机器人自动钻铆系统为研究对象,建立运动学模型;选择合适的试验进行关节刚度辨识;在刚度模型基础上定义关节刚度性能指标;并通过粒子群优化算法寻找工业机器人作业时刚度最大位姿,确定所处位姿的关节角参数。通过选择合适的加工位姿提升工业机器人的刚度性能,保证孔位加工质量,提高生产效率,也可避免危险事故的发生。通过以上研究,可以求得符合钻铆工况下刚度最优的机器人工作位姿,并在假设实验中,验证了该姿态优化方法的可行性和有效性。     

基于遗传算法的激光扫描仪误差标定研究

采用平面二维球列对激光扫描仪误差进行标定,为提高标定精度,在Matlab环境下利用遗传算法对扫描所得球列点云数据进行了优化处理,以球心3个坐标为优化变量,以球面点云的各点到待求球心的距离与钢球标称半径的差值的标准差最小化为优化目标,采用SGA算法优化得到各个钢球的最优球心坐标,再与由超精密仪器得到的孔板圆孔中心坐标比较计算得到各点误差,实现对扫描系统的标定。实验表明:该标定方法合理可行,标定结果较为精确。     

逆向工程光栅投影点云模型配准技术的研究

三维点云配准技术的核心是建立两个待配准点云之间的对应关系。根据协方差分析计算点云配准需要的旋转矩阵和平移向量,将目标点云转换到基准坐标系中实现点云配准。采用光栅投射式三维扫描仪获取某花瓶4组点云数据,利用提出的算法实现无序点云精确配准,并分析点云对之间的转换误差。实验结果表明:4片点云配准耗时约为6 s,配准的平均误差为0.027 mm,配准完成的点云轮廓完整平滑,达到反求曲面要求。该方法适合精度要求较高的自由曲面三维点云自动配准。     

基于机器学习的铆接质量数字化检测系统

为实现铆接质量数字化检测和质量追溯,提出基于机器学习的铆接质量数字化检测方法。使用CCD摄像机对铆接部位进行图像采集,然后进行中值滤波、Canny边缘检测、图像形态学处理等,实现铆接部位裂纹检测和特征信息提取。利用改进的粒子群优化最小二乘支持向量机算法建立铆接质量检测模型,并使用检测样本对模型进行检验。对不合格的铆接进行质量追溯,应用专家系统判断产生缺陷的原因。在某型号飞机装配车间对原型系统进行应用验证。结果表明：所设计的系统检测准确率达96%,可提高铆接质量检测效率、统一检测标准、减少工人劳动。     

基于PLC的电磁铆接设备控制系统

以可编程控制器（PLC）为主要控制元件,设计出电磁铆接设备的控制系统,介绍了控制系统的工作原理、设计思想、控制方式及系统的软硬件构成。该系统已在新研制的电压电磁铆接设备中得到应用。实践证明,控制系统使用方便、工作稳定,可以满足铆接工艺要求。     

电磁铆接试样质量分析

采用试验方法,通过电磁铆接和气动铆接方式,对铆接试样从铆钉宏观变形和微观连接方面进行质量对比分析。结果表明,与气动铆接相比,电磁铆接能一次成形,铆接试样钉杆变形均匀,波动度小,铆接质量稳定,不易出现钉头被铆歪、开裂等现象。在铆钉成形钉头与铝合金板连接处,电磁铆接铆钉变形较气动铆接剧烈。在铆钉钉杆与铝合金板连接处,电磁铆接试样铆钉与铝合金板连接的紧密程度要好于气动铆接。在铆钉钉杆与复合材料连接处,电磁铆接铆钉对复合材料的挤压程度要小于气动铆接,未出现复合材料分层和开裂。     

旋铆成形过程的数值模拟分析

以2017材料的φ6 mm×16 mm铆钉为对象,基于Simufact.Forming有限元软件,运用点历史追踪法对其旋铆成形过程进行数值模拟研究,分析旋铆过程中的等效应力变化及应力分布情况,以及成形载荷变化规律及其影响因素。分析结果为某产品的旋铆工艺应用提供了理论依据。     

基于多特征点匹配的管道焊缝图像拼接方法

为解决由于曲面光照不均而导致的获取管道焊缝图像亮度差异较大、特征不清晰等问题,提出一种快速稳定的焊缝图像拼接方法。基于传统加速稳健特征(SURF)的图像拼接算法,在特征描述环节,用局部差异二值(LDB)描述子描述特征点区域,相较于传统描述子降低了特征维度;结合LDB描述子,构建特征点与相邻特征点的约束信息,利用局部结构信息进行多特征点同时匹配代替单一特征点匹配方法,提高匹配稳定性。试验结果表明:该方法有效提高了管道焊缝图像拼接的快速性和成功率,拼接效率约是SURF算法的1.8倍,拼接成功率约是SURF算法的1.3倍。该方法在其他图像拼接领域也具有一定应用价值。     

基于改进最小二乘法的焊缝特征直线提取方法

提出了一种基于线性度的改进最小二乘法,用于提取焊缝特征直线.该方法提出直线线性度L,点到直线的距离范围R以及一次性剔除数据点数N三个参量,并以L为准则,结合R和N,通过循环利用最小二乘法,逐步将中心线数据点划分为满足L要求的若干点集.以含有数据点最多的点集拟合的直线作为该算法求得的焊缝特征直线.最后,讨论了三个参量的取值对拟合直线的影响.结果表明,该算法能够有效地检测V形焊缝特征直线,满足焊缝跟踪图像处理算法的要求.     

Texture classification of engineering surfaces with nanoscale roughness

The spatial structure of the surface layer, or texture is important for surface topography characterization. In many respects a texture determines contact behavior of the rough surfaces. Despite increasing role of the precision mechanics, the texture of engineering surfaces have not been adequately investigated. In this paper pattern recognition theory is introduced to perform surface textures classification. The height-coded images obtained by atomic force microscopy were used as initial data. The images represent the surface textures of various materials formed by various processes. We take the following procedure for the texture classification. First, the texture was characterized by a matrix of co-occurrence of image contrast. Next, the matrix is transformed into feature vector by the Karhunen-Loeve transformation. The feature vector was considered as coordinates of a point in the multidimensional feature space. The location of the point depends on the peculiarities of the surface texture. The set of the points form clusters that correspond to different classes of textures. The mutual arrangement of the points and structure of the clusters were analyzed by the multidimensional scaling procedure. It was founded that there is at least four classes of surface relives. The first three of them related to the properties of surface material and the last to the process of growth and crystallization on the interface of different materials.