一种大型结构件高自由度龙门式制孔系统及其运行方法与流程

1.本发明属于大型结构件自动化制孔技术领域，具体涉及一种大型结构件高自由度龙门式制孔系统及其运行方法。


背景技术：

2.大型结构件制孔，特别是航空航天领域的一体化整体结构制孔具有数量多、定位精度高且表面曲率多变的特点。目前大量的制孔工作仍然依靠人工完成，然而人工制孔效率低、稳定性差、工序复杂，并且制孔过程中的噪音和碎屑会对工人身体健康造成巨大危害。因此，亟需一种适用于大型结构件的高自由度、高精度、高效率的自动化制孔系统。
3.目前的大型结构件自动化制孔装备主要包括五轴加工机床、移动式机器人加工装备以及专用制孔设备三种。例如公开号为“cn107186498b”的发明专利提出了一种适用于飞机翼盒数字化装配的五轴数控制孔机床，在z方向上设置了z1轴平移组件以增大末端执行器在z轴方向的行程，提高了末端执行器的自动化程度，并通过液压辅助平衡装置改善了y轴驱动系统对外界干扰的抵抗力。但典型的五轴机床工作行程及法向调整角度有限，并且制造成本会随着加工范围增大而剧烈增加。
4.公开号为“cn114928455a”的发明专利提出了一种航空大部件便面的自动化制孔设备及制孔方法，通过agv搭载机器人实现大范围、多工位制孔的作业需求。移动机器人制孔系统虽然灵活性得到了巨大的提升，但是系统的定位精度会受到agv的限制，并且相较于机床的刚度，机器人和agv较弱的刚度会直接影响制孔的质量。
5.公开号为“cn113000895a”的发明专利提出了一种用于飞机翼身对接交点孔加工的机床系统，在专用机床上固定有用于夹持飞机翼身的钻模组件，有效的避免了传统强迫定位和装夹无法实现翼身接头测量、姿态不稳定、定位精度低等交点孔加工风险。虽然专用制孔设备能够保证单一型号产品的加工质量，但是其往往研制周期较长，并且设备通用性差、利用率低。
6.现有的制孔装备多是针对某一局部结构件的制孔需求进行研发，缺少对适用于产品装配对接阶段制孔设备的研究。


技术实现要素：

7.本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种大型结构件高自由度龙门式制孔系统及其运行方法，制孔系统包括五自由度的并联结构和五自由度制孔末端两大部分，并在整个加工范围内设置有用于大型结构件和制孔末端跟踪定位的空间位姿检测跟踪系统；其中并联结构上具有双滑枕，可通过双滑枕的相对运动改变a轴的角度；双滑枕间的b轴角度调整结构上装有自适应滑轨，避免双滑枕相对运动导致的内应力；制孔末端上装有基准检测、法向找正和压力脚等结构；制孔过程中通过空间位姿跟踪、基准检测、法向找正实现高精度制孔。本发明的制孔系统加工范围大、自由度高、适应性强、定位准，通过合理的任务规划可实现大型结构件的高精高效制孔。
8.为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：
9.一种大型结构件高自由度龙门式制孔系统，包括用于粗定位的混联结构和用于精定位的制孔末端；
10.其中混联结构包括用于实现x轴、y轴、z轴运动的一组两个x轴横梁、y轴横梁和一组两个可以单独控制或协同控制的滑枕；
11.其中，一组两个x轴横梁设置在对称的水平面上，y轴横梁通过支撑架设于两个x轴横梁上方，且与两个x轴横梁垂直，支撑架可沿x轴横梁滑动；一组两个滑枕竖向设置且与y轴横梁滑动连接，用于实现制孔末端的a轴角度的调整；
12.两个滑枕之间装有高自由度制孔末端、b轴旋转伺服电机、自适应滑轨、自适应微调直线导轨、电主轴支撑框架、x轴旋转支撑轴承座和滑枕框架连接块，用于实现b轴姿态调整；
13.制孔末端包括x1轴驱动电机、a1轴旋转轴承座、y1轴移动板、b1轴旋转伺服电机、y1轴丝杆电机、x1轴直线导轨、电主轴模块、a1轴旋转驱动伺服电机组成；
14.电主轴模块即制孔末端主轴，又包括电主轴和压力脚整体移动模块、带有法向找正系统的压力脚、电主轴移动直线导轨、电主轴进给驱动电机、基准检测系统、电主轴移动丝杆、电主轴进给直线导轨；
15.制孔系统的工作空间中还设有空间位姿检测跟踪系统。
16.上述的滑枕用于实现z方向的运动和a轴角度调整，b轴旋转伺服电机用于驱动制孔系统调整b轴角度，自适应滑轨与自适应微调直线导轨用于适应由a轴角度变化导致的间距变化，电主轴支撑框架用于固定制孔末端，x轴旋转支撑轴承座用于适应b轴旋转运动，滑枕框架连接块用于连接滑枕和制孔末端。
17.上述的x1轴驱动电机用于驱动制孔末端沿x1轴运动，a1轴旋转轴承座用于配合制孔末端实现a1轴转动，y1轴移动板用于搭载制孔末端沿y1轴运动，b1轴旋转伺服电机用于驱动制孔末端实现b1轴旋转，y1轴丝杆电机是沿y1轴运动的实现机构，x1轴直线导轨是沿x1轴运动的实现机构，电主轴模块集成了制孔时所需的基准检测、压力脚预压紧等结构，a1轴旋转驱动伺服电机用于驱动制孔末端绕a1轴转动。
18.上述的电主轴用于实现制孔功能，压力脚整体移动模块即z1方向运动的实现机构，法相找正压力脚多个位移感知传感器用于实现制孔法向修正，电主轴移动直线导轨、电主轴进给直线导轨和电主轴移动丝杆为用于实现z1轴运动的结构，电主轴进给驱动电机为z1轴运动的驱动器，基准检测系统主要用于孔位等工艺特征的识别。
19.一种大型结构件高自由度龙门式制孔系统的运行方法，包括如下步骤：
20.步骤s1、基于理论数模确定制孔系统的加工任务并进行仿真，并根据工作行程范围和待加工的大型结构件特点划分加工区域，生成制孔轨迹；
21.步骤s2、将待加工的大型结构件固定于制孔系统的加工范围内，通过空间位姿检测跟踪系统确定大型结构件的实际固定位姿，并建立空间位姿检测跟踪系统、混联结构、制孔末端以及大型结构件的坐标系；
22.步骤s3、根据大型结构件的实际固定位姿，确定实际结构件与理论数模之间固定位姿的误差，基于此误差对制孔轨迹进行补偿，确定实际加工轨迹；
23.步骤s4、确定加工区域，根据该区域内的加工轨迹确定混联结构的x轴、y轴、z轴、a
轴、b轴和制孔末端x1轴、y1轴、z1轴、a1轴、b1轴运动行程的分配，保证制孔系统加工范围满足大型结构件的制孔需求；
24.步骤s5、根据步骤s4分配的运动行程，混联结构和制孔末端分别根据对应的行程到达指定位置，其中通过x轴横梁、y轴横梁和两个滑枕完成x轴、y轴和z轴运行的运行指令，通过b轴旋转伺服电机，自适应微调直线导轨，电主轴支撑框架，x轴旋转支撑轴承座，滑枕框架连接块完成a轴和b轴的移动指令；
25.步骤s6、通过空间位姿检测跟踪系统检测实际制孔末端与理论位姿的误差，并基于制孔末端的x1轴驱动电机，a1轴旋转轴承座，y1轴移动板，b1轴旋转伺服电机，y1轴丝杆电机，x1轴直线导轨，a1轴旋转驱动伺服电机进行位姿补偿；
26.步骤s7、完成步骤s6的位姿补偿后，调用制孔末端上的基准检测系统进行基准检测，通过将补偿后的位姿与理论基准进行对比，确认系统位姿补偿后的定位精度，并调用对应区域的制孔加工轨迹；
27.步骤s8、制孔末端按照s7确定的加工轨迹运行到制孔位置，并在每个制孔位置中采用空间位姿检测跟踪系统实时跟踪检测制孔末端的位置，将检测出的实际位置与理论位置对比，得到定位误差，并通过调整制孔末端补偿定位误差；
28.步骤s9、制孔末端完成步骤s8定位误差补偿后，采用法向找正系统检测制孔末端与大型结构件表面的法向垂直度，并通过调整制孔末端的a1轴和b1轴的角度实现法向姿态的调整；
29.步骤s10、当完成姿态的调整后，电主轴和压力脚整体移动模块控制制孔末端的压力脚伸出并对大型结构件进行预压紧；
30.步骤s11、调用大型结构件制孔工艺需求，电主轴和压力脚整体移动模块控制电主轴旋转速度和制孔末端进行进给速度，基于电主轴移动直线导轨、电主轴进给驱动电机、基准检测系统、电主轴移动丝杆、电主轴进给直线导轨、x1轴驱动电机、a1轴旋转轴承座、y1轴移动板、b1轴旋转伺服电机、y1轴丝杆电机、x1轴直线导轨完成制孔，然后退回制孔末端及压力脚；
31.步骤s12、重复步骤s8到步骤11，根据步骤s1生成的制孔轨迹，依次完成步骤s4确定的加工区域中的所有制孔任务；
32.步骤s13、当完成当前加工区域的制孔任务后，重复步骤s4到步骤s12，依次完成另一加工区域的制孔任务，直至完成整个大型结构件上所有制孔任务。
33.为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
34.上述的步骤s1中，在划分加工区域过程中，综合考虑混联结构行程范围、制孔末端行程范围以及大型结构件表面曲率变化范围，需要保证：整个大型结构件所有制孔任务都在混联结构的行程范围内、制孔末端行程范围能覆盖任意加工区域、单个加工区域内大型结构件表面曲率变化范围不超过制孔末端法向调整范围；
35.在生成单个区域内制孔轨迹过程中，根据孔位间距、法向信息确定制孔顺序。
36.上述的步骤s2中，所采用的空间位姿检测跟踪系统分布位置可实现对整个制孔系统加工范围工件和制孔末端的视觉检测和跟踪；
37.所述的空间位姿检测跟踪系统可以是单、双目视觉系统以及激光类检测设备，具备检测、定位、跟踪与补偿功能，并且空间位姿检测跟踪系统的数量根据加工范围的需求增
加或者减少；当空间位姿检测跟踪系统超过1组时，在制孔过程中根据不同的加工区域选择最靠近的一组空间位姿检测跟踪系统数据作为主要判断依据，其余组作为辅助模块。
38.上述的步骤s3中，大型结构件的实际固定位姿可由一组或多组空间位姿检测跟踪系统的数据确定；
39.当定位精度要求高于设定阈值时，根据空间位姿检测跟踪系统的视野范围和大型结构的分布，在待加工大型结构件不同区域内选择不同的工艺特征作为检测对象，分别进行大型结构件的实际固定位姿检测，最终取多组位姿检测数据的平均值作为最终的实际位姿。
40.上述的步骤s4中根据加工区域分配混联结构和制孔末端的各轴运动行程，分配依据分别包括：
41.x轴运动行程结束后制孔末端x1轴的值位于加工区域的中间值；
42.y轴运动行程结束后制孔末端y1轴的值位于加工区域的中间值；
43.z轴运动行程结束后制孔末端主轴z1轴未进给时不与整个加工区域发生碰撞，驱动z1轴使主轴进给后可对所有孔位进行制孔；
44.a轴调整不超过滑枕和自适应滑轨行程，制孔末端a1轴调整范围覆盖整个加工区域的法向；
45.b轴调整后制孔末端b1轴调整范围覆盖整个加工区域的法向。
46.上述的步骤s5中，在混联结构调整a轴角度过程中，可以通过移动任意一个滑枕或同时移动两个滑枕实现，而b轴调整结构上装有沿y轴方向上的自适应滑轨结构，可根据a轴角度调整滑轨位置，避免出现应力；
47.在a轴角度固定后，对自适应滑轨进行夹紧，保证制孔末端的定位精度和整体刚度。
48.本发明具有以下有益效果：
49.1)本发明所提出的制孔系统包括混联结构和制孔末端，并且两者均有x，y，z，a，b五个方向的自由度，超高的自由度极大的提高了系统的适应性，可以满足对大型结构件不同表面曲率的自动化制孔需求；
50.2)本发明采用混联结构和制孔末端相结合的方式，在混联结构调整一次的基础上可以完成一定区域范围内的制孔任务，避免可制孔加工过程中对混联结构的反复调用，降低了混联结构定位误差对制孔系统精度的影响；
51.3)本发明所提出的混联结构中采用了双滑枕方式调整a轴角度，有效的保证了两滑枕之间整个制孔末端和b轴调结构的刚性，并且对于相同a轴角度可以通过单个滑枕调整或者双滑枕协同运动实现，提高了系统控制的自由度；
52.4)本发明通过自适应滑轨来满足由双滑枕运动带来的a轴角度变化，避免了由定位误差导致的内应力；
53.5)本发明通过多级精度检测与补偿保证定位精度，首先通过空间位姿检测跟踪系统确定大型结构件和制孔系统之间的位置关系，消除了结构件实际定位和理论模型之间误差；通过空间位姿检测跟踪系统跟踪制孔末端定位精度，保证末端基准检测系统可以检测到工艺基准；通过基准检测系统进一步确定工件待加工位置与制孔末端之间的位置关系；通过法向找正系统保证制孔末端刀具与大型结构件上待加工孔位的垂直度。
附图说明
54.图1为高自由度制孔系统组成示意图；
55.图2为制孔末端结构示意图；
56.图3为电主轴模块示意图；
57.图4为高自由度制孔系统运行流程图；
58.附图标记为：1-x轴横梁，2-y轴横梁，3-滑枕，4-制孔末端，5-空间位姿检测跟踪系统，6-b轴旋转伺服电机，7-自适应滑轨，8-自适应微调直线导轨，9-x1轴驱动电机，10-a1轴旋转轴承座，11-y1轴移动板，12-b1轴旋转伺服电机，13-电主轴支撑框架，14-x轴旋转支撑轴承座，15-滑枕框架连接块，16-y1轴丝杆电机，17-x1轴直线导轨，18-电主轴模块，19-a1轴旋转驱动伺服电机，20-电主轴和压力脚整体移动模块，21-带有法向找正系统的压力脚，22-电主轴移动直线导轨，23-电主轴进给驱动电机，24-基准检测系统，25-电主轴移动丝杆，26-电主轴进给直线导轨。
具体实施方式
59.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
60.本发明中的步骤虽然用标号进行了排列，但并不用于限定步骤的先后次序，除非明确说明了步骤的次序或者某步骤的执行需要其他步骤作为基础，否则步骤的相对次序是可以调整的。可以理解，本文中所使用的术语“和/或”涉及且涵盖相关联的所列项目中的一者或一者以上的任何和所有可能的组合。
61.本发明的一种大型结构件高自由度龙门式制孔系统，采用了大型混联结构提供x轴、y轴、z轴、a轴、b轴的自由度，其中混连结构中具有两个滑枕，并可以单独控制或协同控制，可实现制孔末端的a轴角度的调整；所述的混联结构包括两滑枕之间的b轴姿态调整结构。在姿态调整结构之间固定有高自由度制孔末端，所述的自由度包括x1轴、y1轴、z1轴、a1轴、b1轴五个自由度；所述的制孔末端上装有基准检测系统、法向检测系统以及压力脚系统。此外，制孔系统加工范围内具有空间位姿检测跟踪系统。具体的，本发明大型结构件高自由度制孔系统主要由混联机构和制孔末端组成，其结构分别如图1和图2所示，进一步地，在图3中展示了制孔末端主轴的组成结构。
62.整个制孔系统可以分为用于粗定位的混联结构和用于精定位的制孔末端两大部分，并且两者分别具有五个自由度，混联结构提供x轴、y轴、z轴、a轴、b轴的自由度，制孔末端4提供自由度包括x1轴、y1轴、z1轴、a1轴、b1轴五个自由度；
63.其中混联结构可以是串并混联结构或者是并联结构，运动范围覆盖整个大型结构件，主要用于实现制孔系统的五自由度粗定位，制孔末端五自由度调节范围较小，主要用于实现精准定位；
64.其中混联结构主要包括用于实现x轴、y轴、z轴运动的一组两个x轴横梁1、y轴横梁2和一组两个可以单独控制或协同控制的滑枕3；
65.其中，一组两个x轴横梁1设置在对称的水平面上，y轴横梁2通过支撑架设于两个x轴横梁1上方，且与两个x轴横梁1垂直，支撑架可沿x轴横梁1滑动；一组两个滑枕3竖向设置
且与y轴横梁2滑动连接，可实现制孔末端的a轴角度的调整；
66.两个滑枕3之间装有高自由度制孔末端4、b轴旋转伺服电机6、自适应滑轨7、自适应微调直线导轨8、电主轴支撑框架13、x轴旋转支撑轴承座14和滑枕框架连接块15，实现b轴姿态调整；其中滑枕3用于实现z方向的运动和a轴角度调整，b轴旋转伺服电机6用于驱动制孔系统调整b轴角度，自适应滑轨7与自适应微调直线导轨8用于适应由a轴角度变化导致的间距变化，电主轴支撑框架13用于固定制孔末端，x轴旋转支撑轴承座14用于适应b轴旋转运动，滑枕框架连接块15用于连接滑枕3和制孔末端4。
67.制孔末端4包括x1轴驱动电机9、a1轴旋转轴承座10、y1轴移动板11、b1轴旋转伺服电机12、y1轴丝杆电机16、x1轴直线导轨17、电主轴模块18、a1轴旋转驱动伺服电机19组成；其中x1轴驱动电机9用于驱动制孔末端4沿x1轴运动，a1轴旋转轴承座10用于配合制孔末端4实现a1轴转动，y1轴移动板11用于搭载制孔末端4沿y1轴运动，b1轴旋转伺服电机12用于驱动制孔末端4实现b1轴旋转，y1轴丝杆电机16是沿y1轴运动的实现机构，x1轴直线导轨17是沿x1轴运动的实现机构，电主轴模块18集成了制孔时所需的基准检测、压力脚预压紧等结构，a1轴旋转驱动伺服电机19用于驱动制孔末端4绕a1轴转动。
68.电主轴模块18即制孔末端主轴，又包括电主轴和压力脚整体移动模块20、带有法向找正系统的压力脚21、电主轴移动直线导轨22、电主轴进给驱动电机23、基准检测系统24、电主轴移动丝杆25、电主轴进给直线导轨26；其中电主轴用于实现制孔功能，压力脚整体移动模块20即z1方向运动的实现机构，带有法向找正系统的压力脚21设有法相找正压力脚多个位移感知传感器，用于实现制孔法向修正，电主轴移动直线导轨22、电主轴进给直线导轨26和电主轴移动丝杆25为用于实现z1轴运动的结构，电主轴进给驱动电机23为z1轴运动的驱动器，基准检测系统24主要用于孔位等工艺特征的识别。
69.整个制孔系统的工作空间中还设有空间位姿检测跟踪系统5。
70.一种大型结构件高自由度龙门式制孔系统的运行方法，包括如下步骤：
71.步骤s1、基于理论数模确定制孔系统的加工任务并进行仿真，避免碰撞，并根据工作行程范围和待加工的大型结构件特点划分加工区域，生成制孔轨迹；
72.具体的，确定待加工的大型结构件具体型号，结合制孔系统的行程及结构特点对待加工结构件进行加工区域划分，生成制孔轨迹，并对所有加工任务进行仿真，避免碰撞；
73.在划分加工区域过程中，综合考虑混联结构行程范围、制孔末端行程范围以及大型结构件表面曲率变化范围，需要保证：整个大型结构件所有制孔任务都在混联结构的行程范围内、制孔末端行程范围能覆盖任意加工区域、单个加工区域内大型结构件表面曲率变化范围不超过制孔末端法向调整范围；
74.此外，在生成单个区域内制孔轨迹过程中，根据孔位间距、法向等工艺信息确定制孔顺序，减少制孔任务间及整个区域制孔所需时间。
75.步骤s2、将待加工的大型结构件根据理论模型的位置固定于制孔系统的加工范围内，通过空间位姿检测跟踪系统5确定大型结构件的固定位姿，并建立空间位姿检测跟踪系统5、混联结构、制孔末端以及大型结构件的坐标系，计算出各坐标系之间的转换关系，为空间位姿检测跟踪系统确定制孔末端精度提供基础；
76.进一步地，空间位姿检测跟踪系统包括四组，分别分布于混联结构地四组横梁上；
77.所采用的空间位姿检测跟踪系统5分布位置可实现对整个制孔系统加工范围工件
和制孔末端的视觉检测和跟踪；
78.所述的空间位姿检测跟踪系统5可以是单、双目视觉系统以及激光类检测等视觉类设备，具备检测、定位、跟踪与精度补偿功能，并且空间位姿检测跟踪系统5的数量均可根据加工范围的需求增加或者减少；当空间位姿检测跟踪系统5超过1组时，在制孔过程中可根据不同的加工区域选择最靠近的一组空间位姿检测跟踪系统5数据作为主要判断依据，其余组作为辅助模块，可用于碰撞检测、预防等需求。
79.步骤s3、根据步骤s2中检测出的大型结构件的实际固定位姿，确定实际结构件与理论数模之间固定位姿的误差，基于此误差对制孔轨迹进行补偿，确定实际加工轨迹；
80.即根据步骤s2中检测出实际大型结构件固定位姿，求出实际位姿与理论位姿之间的位置和姿态转换矩阵，此转换矩阵即为实际结构件与理论数模之间固定位姿的误差，基于此误差对步骤s2中的加工轨迹进行补偿，得到的新的轨迹为确定实际加工轨迹；
81.大型结构件的实际固定位姿可由一组或多组空间位姿检测跟踪系统5的数据确定；
82.当定位精度要求高于设定阈值时，可根据空间位姿检测跟踪系统的视野范围和大型结构的分布，在待加工大型结构件不同区域内选择不同的工艺特征作为检测对象，分别进行大型结构件的实际固定位姿检测，最终取多组位姿检测数据的平均值作为最终的实际位姿。
83.步骤s4、确定加工区域，根据该区域内的加工轨迹确定混联结构的x轴、y轴、z轴、a轴、b轴和制孔末端x1轴、y1轴、z1轴、a1轴、b1轴运动行程的分配，保证制孔系统加工范围满足大型结构件的制孔需求；
84.在确定加工区域的顺序时，应优先考虑按照最高效率的制孔顺序依次选择加工区域；
85.进一步地，在分配混联结构和制孔末端的运动行程时应保证制孔末端的行程范围能够覆盖整个加工区域；
86.根据加工区域分配混联结构和制孔末端的各轴运动行程，分配依据分别包括：
87.x轴运动行程结束后制孔末端x1轴的值位于该加工区域的中间值；
88.y轴运动行程结束后制孔末端y1轴的值位于该加工区域的中间值；
89.z轴运动行程结束后制孔末端主轴z1轴未进给时不与整个加工区域发生碰撞，驱动z1轴使主轴进给后可对所有孔位进行制孔；
90.a轴调整不超过滑枕3和自适应滑轨7行程，制孔末端a1轴调整范围覆盖整个加工区域的法向；
91.龙门b轴调整后制孔末端b1轴调整范围覆盖整个加工区域的法向。
92.步骤s5、根据步骤s4分配的运动行程，混联结构和制孔末端分别根据对应的行程到达指定位置；
93.在步骤s5中混联结构和制孔末端运动过程中，混联结构为粗定位机构，制孔末端为精定位机构，并且混联结构和制孔末端中所有轴均可单独运动或联动；
94.在混联结构调整a轴角度过程中，可以通过移动任意一个滑枕3或同时移动两个滑枕3实现，而b轴调整结构上装有沿y轴方向上的自适应滑轨7结构，可根据a轴角度调整滑轨位置，避免出现应力；
95.在a轴角度固定后，对自适应滑轨7进行夹紧，保证制孔末端的定位精度和整体刚度。
96.进一步地，在步骤s5中混联结构和制孔末端运动过程中，混联结构为粗定位机构，制孔末端为精定位机构，并且混联结构和制孔末端中所有轴均可单独运动或联动；
97.步骤s6、通过空间位姿检测跟踪系统5检测实际制孔末端与理论位姿的误差，并基于制孔末端的x1轴驱动电机9，a1轴旋转轴承座10，y1轴移动板11，b1轴旋转伺服电机12，y1轴丝杆电机16，x1轴直线导轨17、a1轴旋转驱动伺服电机19进行位姿补偿；
98.具体的，由于混联结构和制孔末端存在定位误差，因此在制孔末端到达指定位置后，通过空间位姿检测跟踪系统检测实际制孔末端与理论位姿的误差，并调用制孔末端的x1轴、y1轴、z1轴、a1轴、b1轴进行位姿补偿；
99.进一步地，根据制孔末端所处于的加工区域不同，选择视野最好的一组空间位姿检测跟踪系统作为主要判断依据，其他三组作为辅助检测系统，可用于防碰撞跟踪；
100.步骤s7、完成步骤s6的位姿补偿后，调用制孔末端上的基准检测系统24进行基准检测，通过与理论基准进行对比，确认系统位姿补偿后的定位精度，并调用对应区域的制孔加工轨迹；
101.步骤s8、制孔末端按照s7确定的加工轨迹运行到制孔位置，并在每个制孔位置中采用空间位姿检测跟踪系统5实时跟踪检测制孔末端的位置，将检测出的实际位置与理论位置对比，得到定位误差，并通过调整制孔末端补偿定位误差；
102.步骤s9、制孔末端完成步骤s8定位误差补偿后，采用法向找正系统检测制孔末端与大型结构件表面的法向垂直度，并通过调整制孔末端的a1轴和b1轴的角度实现法向姿态的调整；
103.本实施例中的法向找正机构固定在压力脚上，并采用接触式的位移传感器进行感知，其中位移传感器至少包括3个及以上，通过三点确定大型结构面的平面，并求出法向；
104.步骤s6到步骤s9，通过空间位姿检测跟踪系统5确定大型结构件所在制孔系统中的位置，消除大型结构件实际定位和理论模型之间误差；通过空间位姿检测跟踪系统5跟踪制孔末端定位精度，保证末端基准检测系统24可以检测到工艺基准；通过基准检测系统24进一步确定工件待加工位置与制孔末端之间的位置关系；通过法向找正系统保证制孔末端刀具与大型结构件上待加工孔位的垂直度。
105.步骤s10、当完成姿态的调整后，电主轴和压力脚整体移动模块20控制制孔末端的压力脚21伸出并对大型结构件进行预压紧；
106.步骤s11、调用大型结构件制孔工艺需求，电主轴和压力脚整体移动模块20控制电主轴旋转速度和制孔末端进行进给速度，基于电主轴移动直线导轨22、电主轴进给驱动电机23、基准检测系统24、电主轴移动丝杆25、电主轴进给直线导轨26、x1轴驱动电机9、a1轴旋转轴承座10、y1轴移动板11、b1轴旋转伺服电机12、y1轴丝杆电机16、x1轴直线导轨17、a1轴旋转驱动伺服电机19完成制孔，然后退回制孔末端及压力脚21；
107.步骤s12、重复步骤s8到步骤11，根据步骤s1生成的制孔轨迹，依次完成步骤s4确定的加工区域中的所有制孔任务；
108.步骤s13、当完成某一加工区域的制孔任务后，重复步骤s4到步骤s12，依次完成另一加工区域的制孔任务，直至完成整个大型结构件上所有制孔任务。
109.对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
110.此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

技术特征：
1.一种大型结构件高自由度龙门式制孔系统，其特征在于，包括用于粗定位的混联结构和用于精定位的制孔末端；其中混联结构包括用于实现x轴、y轴、z轴运动的一组两个x轴横梁(1)、y轴横梁(2)和一组两个可以单独控制或协同控制的滑枕(3)；其中，一组两个x轴横梁(1)设置在对称的水平面上，y轴横梁(2)通过支撑架设于两个x轴横梁(1)上方，且与两个x轴横梁(1)垂直，支撑架可沿x轴横梁(1)滑动；一组两个滑枕(3)竖向设置且与y轴横梁(2)滑动连接，用于实现制孔末端的a轴角度的调整；两个滑枕(3)之间装有高自由度制孔末端(4)、b轴旋转伺服电机(6)、自适应滑轨(7)、自适应微调直线导轨(8)、电主轴支撑框架(13)、x轴旋转支撑轴承座(14)和滑枕框架连接块(15)，用于实现b轴姿态调整；制孔末端(4)包括x1轴驱动电机(9)、a1轴旋转轴承座(10)、y1轴移动板(11)、b1轴旋转伺服电机(12)、y1轴丝杆电机(16)、x1轴直线导轨(17)、电主轴模块(18)组成、a1轴旋转驱动伺服电机(19)；电主轴模块(18)即制孔末端主轴，又包括电主轴和压力脚整体移动模块(20)、带有法向找正系统的压力脚(21)、电主轴移动直线导轨(22)、电主轴进给驱动电机(23)、基准检测系统(24)、电主轴移动丝杆(25)、电主轴进给直线导轨(26)；制孔系统的工作空间中还设有空间位姿检测跟踪系统(5)。2.根据权利要求1所述的一种大型结构件高自由度龙门式制孔系统，其特征在于，所述滑枕(3)用于实现z方向的运动和a轴角度调整，b轴旋转伺服电机(6)用于驱动制孔系统调整b轴角度，自适应滑轨(7)与自适应微调直线导轨(8)用于适应由a轴角度变化导致的间距变化，电主轴支撑框架(13)用于固定制孔末端(4)，x轴旋转支撑轴承座(14)用于适应b轴旋转运动，滑枕框架连接块(15)用于连接滑枕(3)和制孔末端(4)。3.根据权利要求1所述的一种大型结构件高自由度龙门式制孔系统，其特征在于，所述x1轴驱动电机(9)用于驱动制孔末端(4)沿x1轴运动，a1轴旋转轴承座(10)用于配合制孔末端(4)实现a1轴转动，y1轴移动板(11)用于搭载制孔末端沿y1轴运动，b1轴旋转伺服电机(12)用于驱动制孔末端(4)实现b1轴旋转，y1轴丝杆电机(16)是沿y1轴运动的实现机构，x1轴直线导轨(17)是沿x1轴运动的实现机构，电主轴模块(18)集成制孔时所需的基准检测、压力脚预压紧结构，a1轴旋转驱动伺服电机(19)用于驱动制孔末端(4)绕a1轴转动。4.根据权利要求1所述的一种大型结构件高自由度龙门式制孔系统，其特征在于，所述电主轴用于实现制孔功能，压力脚整体移动模块(20)即z1方向运动的实现机构，带有法向找正系统的压力脚(21)设有法相找正压力脚多个位移感知传感器，用于实现制孔法向修正，电主轴移动直线导轨(22)、电主轴进给直线导轨(26)和电主轴移动丝杆(25)为用于实现z1轴运动的结构，电主轴进给驱动电机(23)为z1轴运动的驱动器，基准检测系统(24)用于孔位识别。5.根据权利要求1-4任意一项所述的一种大型结构件高自由度龙门式制孔系统的运行方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：步骤s1、基于理论数模确定制孔系统的加工任务并进行仿真，并根据工作行程范围和待加工的大型结构件特点划分加工区域，生成制孔轨迹；步骤s2、将待加工的大型结构件固定于制孔系统的加工范围内，通过空间位姿检测跟
踪系统(5)确定大型结构件的实际固定位姿，并建立空间位姿检测跟踪系统(5)、混联结构、制孔末端以及大型结构件的坐标系；步骤s3、根据大型结构件的实际固定位姿，确定实际结构件与理论数模之间固定位姿的误差，基于此误差对制孔轨迹进行补偿，确定实际加工轨迹；步骤s4、确定加工区域，根据该区域内的加工轨迹确定混联结构的x轴、y轴、z轴、a轴、b轴和制孔末端x1轴、y1轴、z1轴、a1轴、b1轴运动行程的分配，保证制孔系统加工范围满足大型结构件的制孔需求；步骤s5、根据步骤s4分配的运动行程，混联结构和制孔末端分别根据对应的行程到达指定位置，其中通过x轴横梁(1)、y轴横梁(2)和两个滑枕(3)完成x轴、y轴和z轴运行的运行指令，通过b轴旋转伺服电机(6)、自适应微调直线导轨(8)、电主轴支撑框架(13)、x轴旋转支撑轴承座(14)和滑枕框架连接块(15)完成a轴和b轴的移动指令；步骤s6、通过空间位姿检测跟踪系统(5)检测实际制孔末端与理论位姿的误差，并基于制孔末端的x1轴驱动电机(9)，a1轴旋转轴承座(10)，y1轴移动板(11)，b1轴旋转伺服电机(12)，y1轴丝杆电机(16)，x1轴直线导轨(17)、a1轴旋转驱动伺服电机(19)进行位姿补偿；步骤s7、完成步骤s6的位姿补偿后，调用制孔末端上的基准检测系统(24)进行基准检测，通过将补偿后的位姿与理论基准进行对比，确认系统位姿补偿后的定位精度，并调用对应区域的制孔加工轨迹；步骤s8、制孔末端按照s7确定的加工轨迹运行到制孔位置，并在每个制孔位置中采用空间位姿检测跟踪系统(5)实时跟踪检测制孔末端的位置，将检测出的实际位置与理论位置对比，得到定位误差，并通过调整制孔末端补偿定位误差；步骤s9、制孔末端完成步骤s8定位误差补偿后，采用法向找正系统检测制孔末端与大型结构件表面的法向垂直度，并通过调整制孔末端的a1轴和b1轴的角度实现法向姿态的调整；步骤s10、当完成姿态的调整后，电主轴和压力脚整体移动模块(20)控制制孔末端的压力脚(21)伸出并对大型结构件进行预压紧；步骤s11、调用大型结构件制孔工艺需求，电主轴和压力脚整体移动模块(20)控制电主轴旋转速度和制孔末端进行进给速度，基于电主轴移动直线导轨(22)、电主轴进给驱动电机(23)、基准检测系统(24)、电主轴移动丝杆(25)、电主轴进给直线导轨(26)、x1轴驱动电机(9)、a1轴旋转轴承座(10、y1轴移动板(11)、b1轴旋转伺服电机(12)、y1轴丝杆电机(16)、x1轴直线导轨(17)、a1轴旋转驱动伺服电机(19)完成制孔，然后退回制孔末端及压力脚(21)；步骤s12、重复步骤s8到步骤11，根据步骤s1生成的制孔轨迹，依次完成步骤s4确定的加工区域中的所有制孔任务；步骤s13、当完成当前加工区域的制孔任务后，重复步骤s4到步骤s12，依次完成另一加工区域的制孔任务，直至完成整个大型结构件上所有制孔任务。6.根据权利要求5所述的一种大型结构件高自由度龙门式制孔系统的运行方法，其特征在于，步骤s1中，在划分加工区域过程中，综合考虑混联结构行程范围、制孔末端行程范围以及大型结构件表面曲率变化范围，需要保证：整个大型结构件所有制孔任务都在混联结构的行程范围内、制孔末端行程范围能覆盖任意加工区域、单个加工区域内大型结构件
表面曲率变化范围不超过制孔末端法向调整范围；在生成单个区域内制孔轨迹过程中，根据孔位间距、法向信息确定制孔顺序。7.根据权利要求5所述的一种大型结构件高自由度龙门式制孔系统的运行方法，其特征在于，步骤s2中，所采用的空间位姿检测跟踪系统(5)分布位置可实现对整个制孔系统加工范围工件和制孔末端的视觉检测和跟踪；所述的空间位姿检测跟踪系统(5)可以是单、双目视觉系统以及激光类检测设备，具备检测、定位、跟踪与补偿功能，并且空间位姿检测跟踪系统(5)的数量根据加工范围的需求增加或者减少；当空间位姿检测跟踪系统(5)超过1组时，在制孔过程中根据不同的加工区域选择最靠近的一组空间位姿检测跟踪系统(5)数据作为主要判断依据，其余组作为辅助模块。8.根据权利要求5所述的一种大型结构件高自由度龙门式制孔系统的运行方法，其特征在于，步骤s3中，大型结构件的实际固定位姿可由一组或多组空间位姿检测跟踪系统(5)的数据确定；当定位精度要求高于设定阈值时，根据空间位姿检测跟踪系统的视野范围和大型结构的分布，在待加工大型结构件不同区域内选择不同的工艺特征作为检测对象，分别进行大型结构件的实际固定位姿检测，最终取多组位姿检测数据的平均值作为最终的实际位姿。9.根据权利要求5所述的一种大型结构件高自由度龙门式制孔系统的运行方法，其特征在于，步骤s4中根据加工区域分配混联结构和制孔末端的各轴运动行程，分配依据分别包括：x轴运动行程结束后制孔末端x1轴的值位于加工区域的中间值；y轴运动行程结束后制孔末端y1轴的值位于加工区域的中间值；z轴运动行程结束后制孔末端主轴z1轴未进给时不与整个加工区域发生碰撞，z1轴驱动主轴进给后可对所有孔位进行制孔；a轴调整不超过滑枕(3)和自适应滑轨(7)行程，制孔末端a1轴调整范围覆盖整个加工区域的法向；b轴调整后制孔末端b1轴调整范围覆盖整个加工区域的法向。10.根据权利要求5所述的一种大型结构件高自由度龙门式制孔系统的运行方法，其特征在于，步骤s5中，在混联结构调整a轴角度过程中，可以通过移动任意一个滑枕(3)或同时移动两个滑枕(3)实现，而b轴调整结构上装有沿y轴方向上的自适应滑轨(7)结构，可根据a轴角度调整滑轨位置，避免出现应力；在a轴角度固定后，对自适应滑轨(7)进行夹紧，保证制孔末端的定位精度和整体刚度。

技术总结
本发明公开了一种大型结构件高自由度龙门式制孔系统及其运行方法，制孔系统包括五自由度的混联结构和五自由度制孔末端两大部分，并在整个加工范围内设置有用于大型结构件和制孔末端跟踪定位的空间位姿检测跟踪系统；其中混联结构上具有双滑枕，可通过双滑枕的相对运动改变A轴的角度；双滑枕间的B轴角度调整结构上装有自适应滑轨，避免双滑枕相对运动导致的内应力；制孔末端上装有基准检测系统、法向找正系统和压力脚等结构；制孔过程中通过空间位姿跟踪、基准检测、法向找正实现高精度制孔。本发明的制孔系统加工范围大、自由度高、适应性强、定位准，通过合理的任务规划可实现大型结构件的高精高效制孔。结构件的高精高效制孔。结构件的高精高效制孔。


技术研发人员：李鹏程 刘宏伟 王品章 晏阳 朱斌 邢凯丰
受保护的技术使用者：南京唯宇智能装备有限公司
技术研发日：2023.06.01
技术公布日：2023/8/13