CN103604368B - 一种航天发动机装配过程中动态实时测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及航天发动机装配过程中动态实时测量方法，可有效解决现有技术预热待机时间长，测量速度慢，受周围环境振动的影响，测量精度低的问题，其解决的技术方案是，包括以下步骤：①.对发动机喷管中心轴线进行测量②.对发动机喷管上部弯管中心位置进行测量③.建立发动机喷管基准坐标系④.对连接管中心轴线进行测量⑤.对连接管上部弯管中心位置进行测量⑥.建立连接管基准坐标系⑦.对发动机喷管及连接管的基准坐标系进行转换⑧.装配测量⑨.发动机喷管与连接管防撞数据测量及信号输出，本发明预热待机短，测量速度快，不受周围环境振动的影响，测量精度高，是航天发动机装配过程中动态实时测量方法上的创新。

Description

一种航天发动机装配过程中动态实时测量方法

技术领域

本发明涉及工业数字摄影测量领域，特别是一种航天发动机装配过程中动态实时测量方法。

背景技术

航天发动机是由发动机喷管与连接管组成，理论上，发动机喷管中心轴线与连接管中心轴线处于平行状态，发动机喷管上部弯管中心与连接管上部弯管中心等高。为了实现对发动机喷管与连接管的动态装配，必须实时测量出二者的中心轴线之间的平行度和其上部弯管中心点位之间的高度差。同时，为了避免在装配过程中二者发生碰撞，还需对二者进行实时防撞监测和预警，常规测量，需长时间的预热待机时间，一次测量并显示结果，最快需要约2小时，速度慢，时间长；航天发动机的装配测量，所需的调整参数，均来自于空间中的虚拟轴线和点的相对关系，要想获得高的测量精度，需要一个静止的稳定的环境；常规的测量方法，点位的采样由于设站位置和现场条件的限制，难以达到最佳，劳动强度大，因此，航天发动机装配过程中测量方法的改进是目前亟需解决的问题。

发明内容

针对上述情况，为克服现有技术之缺陷，本发明之目的就是提供一种航天发动机装配过程中动态实时测量方法，可有效解决现有技术预热待机时间长，测量速度慢，受周围环境振动的影响，测量精度低的问题。

本发明解决的技术方案是，包括以下步骤：①.对发动机喷管中心轴线进行测量②.对发动机喷管上部弯管中心位置进行测量③.建立发动机喷管基准坐标系④.对连接管中心轴线进行测量⑤.对连接管上部弯管中心位置进行测量⑥.建立连接管基准坐标系⑦.对发动机喷管及连接管的基准坐标系进行转换⑧.装配测量⑨.发动机喷管与连接管防撞数据测量及信号输出。

本发明预热待机短，测量速度快，不受周围环境振动的影响，测量精度高，是航天发动机装配过程中动态实时测量方法上的创新。

附图说明

图1为本发明的工艺测量流程图。

图2为本发明的发动机喷管中心轴线测量示意图。

图3为本发明的发动机喷管上部弯管中心位置测量示意图。

图4为本发明的连接管喷管中心轴线测量示意图。

图5为本发明的基准坐标系的建立示意图。

图6为本发明的基准坐标系的转移示意图。

图7为本发明的装配测量示意图。

图8为本发明的干扰点布置示意图。

图9为本发明的Kardan旋转示意图。

五、具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

由图1给出，本发明在具体实施中，是由以下步骤实现的：

①.对发动机喷管中心轴线进行测量：

在发动机喷管端圆上布设至少5个第一摄影测量标志，在发动机喷管上部的圆柱部分段上布设至少7个第二摄影测量标志，采用MPS工业摄影测量系统，测量出所有布设的摄影测量标志的三维坐标(如图2所示)，用端圆上的摄影标志点拟合一个圆，得到端圆圆心；再用圆柱部分段上的摄影测量标志拟合一个圆柱，得到圆柱的轴线；连接端圆圆心及圆柱轴线，得到发动机喷管的中心轴线；

②.对发动机喷管上部弯管中心位置进行测量：

在上部弯管的端圆上布置至少5个第三摄影测量标志，采用MPS工业摄影测量系统测量出所有布设的摄影测量标志的三维坐标(如图3所示)，用端圆摄影标志点拟合一个圆，得到端圆圆心即为弯管中心；

③.建立发动机喷管基准坐标系：

以发动机喷管中心轴线、上部弯管中心形成一个基准平面，以基准平面建立其基准坐标系，以弯管中心点到发动机喷管中心轴线的投影点作为坐标系原点，以发动机喷管中心轴线为Z轴，指向弯管端圆中心为X轴，根据右手坐标系法则大拇指所指方向为Y轴，建立起发动机喷管的基准坐标系(如图5所示)；

④.对连接管中心轴线进行测量：

在连接管端圆上布设至少5个第四摄影测量标志，在连接管的圆柱相同厚度部分布设至少7个第五摄影测量标志，采用MPS工业摄影测量系统的单相机静态测量，测量出所有布设的摄影测量标志的三维坐标(如图4所示)，用端圆上的摄影标志点拟合一个圆，得到端圆圆心；再用圆柱部分段上的摄影标志点拟合一个圆柱，得到圆柱的轴线，连接端圆圆心及圆柱轴线，得到连接管的中心轴线；

⑤.对连接管上部弯管中心位置进行测量：

采用与步骤②相同的测量方法，在上部弯管的端圆上布置至少5个第六摄影测量标志，采用MPS工业摄影测量系统测量出所有布设的摄影测量标志的三维坐标，用端圆摄影标志点拟合一个圆，得到端圆圆心即为弯管中心；

⑥.建立连接管基准坐标系：

采用与步骤③相同的方法建立连接管基准坐标系(如图5所示)，发动机喷管基准坐标系与连接管基准坐标系建立后，当要测量发动机喷管与连接管中心轴线平行度，则只需看两基准坐标系的Z轴是否平行即可；当需测量发动机喷管与连接管上部弯管中心等高，则只需看连接管坐标系原点在发动机喷管坐标系下的Z轴坐标是否为0，且必须保证其Y轴坐标为0，即保证发动机喷管及连接管的基准平面是共面的；

⑦.对发动机喷管及连接管的基准坐标系进行转换：

当发动机喷管及连接管的基准坐标系建立好以后，在发动机喷管及连接管的管身上布设至少10个第七摄影测量标志，并分别以各自的基准坐标系为准，测量出所有摄影标志点在各自基准坐标系下的三维坐标(如图6所示)，无论发动机喷管或连接管在装配时如何相对运动，管身上的摄影测量标志与各自的基准坐标系间的空间位置关系是固定不变的，则可以用这些摄影测量标志的三维坐标来代替基准坐标系，当进行装配时，只要测量出这些摄影测量标志的三维坐标，通过坐标系转换分别得到发动机喷管及连接管的基准坐标系，然后解算出其中心轴线关系及上部端圆中心点位之间的高度差；两个右手空间直角坐标系进行转换时，存在三个平移量、三个旋转量和一个尺度因子，将建立的基准坐标系O-XYZ先缩放k倍，再旋转坐标(εx，εy，εz)，最后平移坐标(X₀，Y₀，Z₀)后，转换到被测量的坐标系o-xyz中，点P在O-XYZ中的坐标为(X，Y，Z)，在o-xyz中的坐标为(x，y，z)，则有：

$\left(\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right)={\mathrm{kR}}^T\left(\begin{array}{c}X-X_0\\ Y-Y_0\\ Z-Z_0\end{array}\right)$ --(式1)

同理也有：

$\left(\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\end{array}\right)=\frac{1}{k}R\left(\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right)+\left(\begin{array}{c}{X}_0\\ Y_0\\ Z_0\end{array}\right)$ --(式2)

式中R为旋转矩阵，其中关键的环节是构造旋转矩阵，绕X、Y、Z测量坐标轴的旋转矩阵分别表示为：

$\left.\begin{array}{c}{R}_x\left({\mathrm{\ϵ}}_x\right)=\left(\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& {\mathrm{cos\ϵ}}_x& -{\mathrm{sin\ϵ}}_x\\ 0& {\mathrm{sin\ϵ}}_x& {\mathrm{cos\ϵ}}_x\end{array}\right)\\ R_y\left({\mathrm{\ϵ}}_y\right)=\left(\begin{array}{ccc}{\mathrm{cos\ϵ}}_y& 0& {\mathrm{sin\ϵ}}_y\\ 0& 1& 0\\ -{\mathrm{sin\ϵ}}_y& 0& {\mathrm{cos\ϵ}}_y\end{array}\right)\\ R_z\left({\mathrm{\ϵ}}_z\right)=\left(\begin{array}{ccc}{\mathrm{cos\ϵ}}_z& -{\mathrm{sin\ϵ}}_z& 0\\ {\mathrm{sin\ϵ}}_z& {\mathrm{cos\ϵ}}_z& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right)\end{array}\right\}$ --(式3)

旋转矩阵的构造按Kardan旋转进行，其要点是三个连动的旋转轴中不出现同名轴，如图9所示，首先绕X轴旋转εx，此时Z轴到达OYZ与OYz两面的交线位置，其次绕旋转后的Y轴旋转εy，使Z轴最终到达z轴，最后绕z轴旋转εz，最终使X、Y轴分别与x、y轴重合。则旋转矩阵R为：

$R=R_x\left({\mathrm{\ϵ}}_x\right)\·R_y\left({\mathrm{\ϵ}}_y\right)\·R_z\left({\mathrm{\ϵ}}_z\right)=\left(\begin{array}{ccc}{a}_1& a_2& a_3\\ b_1& b_2& b_3\\ c_1& c_2& c_3\end{array}\right)$ --(式4)

式中R矩阵的诸参数为：

$\left.\begin{array}{c}\begin{array}{ccc}{a}_1={\mathrm{cos\ϵ}}_y{\mathrm{cos\ϵ}}_z,& a_2=-{\mathrm{cos\ϵ}}_y{\mathrm{sin\ϵ}}_z,& a_3={\mathrm{sin\ϵ}}_y\end{array}\\ b_1={\mathrm{cos\ϵ}}_x{\mathrm{sin\ϵ}}_z+{\mathrm{sin\ϵ}}_x{\mathrm{sin\ϵ}}_y{\mathrm{cos\ϵ}}_z,b_2={\mathrm{cos\ϵ}}_x{\mathrm{cos\ϵ}}_z-{\mathrm{sin\ϵ}}_x{\mathrm{sin\ϵ}}_y{\mathrm{sin\ϵ}}_z,b_3=-{\mathrm{sin\ϵ}}_x{\mathrm{cos\ϵ}}_y\\ c_1={\mathrm{sin\ϵ}}_x{\mathrm{sin\ϵ}}_z-{\mathrm{cos\ϵ}}_x{\mathrm{sin\ϵ}}_y{\mathrm{cos\ϵ}}_z,b_2={\mathrm{sin\ϵ}}_x{\mathrm{cos\ϵ}}_z+{\mathrm{cos\ϵ}}_x{\mathrm{sin\ϵ}}_y{\mathrm{sin\ϵ}}_z,c_3={\mathrm{cos\ϵ}}_x{\mathrm{cos\ϵ}}_y\end{array}\right\}$

⑧.装配测量：

如图7所示，将MPS工业摄影测量系统的多相机实时动态测量中的各相机安置在至少两台相机能共同观测到发动机喷管及连接管管身上的约一半的摄影测量标志的位置，按照装配的实际工况，至少需要4台相机组成多相机系统才能完成装配时的实时测量，在装配实时测量过程中，由MPS多相机系统控制4台相机进行实时测量，获得摄影测量标志的三维坐标，通过公共点转换、坐标系转换实时解算出发动机喷管与连接管的中心轴线之间的平行度数据、弯管中心点之间的高差数据；

⑨.发动机喷管与连接管防撞数据测量及信号输出：

为了实现在装配过程中预防发动机喷管与连接管发生碰撞，首先确定出发动机喷管与连接管在实际装配中最有可能发生碰撞的部位，然后在发动机喷管管身及连接管管身的易干扰部位各布置一个摄影测量标志，如图8所示，在第⑧步中安置相机位置时，应保证至少有其中两台相机能观测到干扰部位的摄影测量标志，在装配实时测量时会同时测量出干扰部位的两个摄影测量标志的三维坐标，然后计算出两个摄影测量摄影标志点的空间距离，设两点P₁(x₁、y₁、z₁)、P₂(x₂、y₂、z₂)，则两点间的空间距离根据空间点距离公式5可得：

$d=\sqrt{{(x_1-x_2)}^2+{(y_1-y_2)}^2+{(z_1-z_2)}^2}$ --(式5)

设定好该距离的最小值阈值，实现防撞提醒及必要的信号输出。

所述的拟合一个圆为按照最小二乘法则拟合圆，即参与拟合的各点到拟合生成圆的垂距之平方和最小，再按各点到圆心的距离与半径之差的平方和最小拟合计算半径和圆心坐标。

所述的拟合一个圆柱为按各点到圆柱轴线的距离与半径之差的平方和最小拟合计算半径和圆柱轴线。

所述的步骤⑦和步骤⑧中的解算，发动机喷管与连接管中心轴线平行度，只需看两基准坐标系的Z轴是否平行；发动机喷管与连接管上部弯管中心等高，只需看连接管坐标系原点在发动机喷管坐标系下的Z轴坐标是否为0，且必须保证其Y轴坐标为0。

所述的摄影测量标志是指圆形反光标志和编码标志，均为市售产品，圆形反光标志采用定向反光材料制作而成，定向反光材料的原理是反光材料中都含有一种高折射率玻璃微珠或微晶立方角体，将入射光按原路反射回光源处，形成回归反射现象；编码标志是一种自身带有数字编码信息的人工标志。

所述的MPS工业摄影测量系统为多相机实时动态测量和单相机静态测量。

本发明有效用于对航天发动机装配过程中动态实时测量，速度快，测试准确，工作效率高，与现有技术相比，具有以下突出的有益技术效果：

(1)测量速度快

一次测量，只需4台相机同时拍摄一次照片即可完成。从开始拍摄照片到结果显示，仅需触发一下测量键，用时约1秒；而常规测量，一次测量并显示结果，最快需要约2小时。

(2)测量精度高

航天发动机的装配测量，所需的调整参数，均来自于空间中的虚拟轴线和点的相对关系。常规的测量方法，点位的采样由于设站位置和现场条件的限制，难以达到最佳，而本发明中所采用的测量方法，可以不受上述条件的限制，空间轴线和空间点位的拟合精度更高。

(3)不受周围环境的振动的影响

常规的测量方法，为了获得较高的测量精度，需要一个静止的稳定的环境；而本发明中的测量方法，由于我们的测量基准是实时校准的，所以周围环境的振动不会影响我们的测量精度。

(4)系统无需预热

开机即可测量，无需长时间的预热待机时间。

(5)劳动强度小

仅需一人，即可操作。一旦系统构建起来后，还可以实现自动定时测量、外部触发测量以及人工遥控测量等方式。

(6)与伺服机构无缝连接

调整参数三维数字化，可直接传输至伺服机构，以实现发动机和连接管之间的动态自动拼装。

本发明监测系统是由4台摄影测量相机联机构成，通过4台测量相机构成多相机测量系统，对发动机喷管和连接管表面上的监测靶标点位进行测量，然后实时解算出二者之间的相对位置关系，并把调整参数实时传递给伺服机构，实现动态调整装配，本发明预热待机短，测量速度快，不受周围环境振动的影响，测量精度高，是航天发动机装配过程中动态实时测量方法上的创新，具有良好的经济和社会效益。

Claims (6)

1.一种航天发动机装配过程中动态实时测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

①.对发动机喷管中心轴线进行测量：

在发动机喷管端圆上布设至少5个第一摄影测量标志，在发动机喷管上部的圆柱部分段上布设至少7个第二摄影测量标志，采用MPS工业摄影测量系统，测量出所有布设的摄影测量标志的三维坐标，用端圆上的摄影标志点拟合一个圆，得到端圆圆心；再用圆柱部分段上的摄影测量标志拟合一个圆柱，得到圆柱的轴线；连接端圆圆心及圆柱轴线，得到发动机喷管的中心轴线；

②.对发动机喷管上部弯管中心位置进行测量：

在上部弯管的端圆上布置至少5个第三摄影测量标志，采用MPS工业摄影测量系统测量出所有布设的摄影测量标志的三维坐标，用端圆摄影标志点拟合一个圆，得到端圆圆心即为弯管中心；

③.建立发动机喷管基准坐标系：

以发动机喷管中心轴线、上部弯管中心形成一个基准平面，以基准平面建立其基准坐标系，以弯管中心点到发动机喷管中心轴线的投影点作为坐标系原点，以发动机喷管中心轴线为Z轴，指向弯管端圆中心为X轴，根据右手坐标系法则大拇指所指方向为Y轴，建立起发动机喷管的基准坐标系；

④.对连接管中心轴线进行测量：

在连接管端圆上布设至少5个第四摄影测量标志，在连接管的圆柱相同厚度部分布设至少7个第五摄影测量标志，采用MPS工业摄影测量系统的单相机静态测量，测量出所有布设的摄影测量标志的三维坐标，用端圆上的摄影标志点拟合一个圆，得到端圆圆心；再用圆柱部分段上的摄影标志点拟合一个圆柱，得到圆柱的轴线，连接端圆圆心及圆柱轴线，得到连接管的中心轴线；

⑤.对连接管上部弯管中心位置进行测量：

采用与步骤②相同的测量方法，在上部弯管的端圆上布置至少5个第六摄影测量标志，采用MPS工业摄影测量系统测量出所有布设的摄影测量标志的三维坐标，用端圆摄影标志点拟合一个圆，得到端圆圆心即为弯管中心；

⑥.建立连接管基准坐标系：

采用与步骤③相同的方法建立连接管基准坐标系，发动机喷管基准坐标系与连接管基准坐标系建立后，当要测量发动机喷管与连接管中心轴线平行度，则只需看两基准坐标系的Z轴是否平行即可；当需测量发动机喷管与连接管上部弯管中心等高，则只需看连接管坐标系原点在发动机喷管坐标系下的Z轴坐标是否为0，且必须保证其Y轴坐标为0，即保证发动机喷管及连接管的基准平面是共面的；

⑦.对发动机喷管及连接管的基准坐标系进行转换：

当发动机喷管及连接管的基准坐标系建立好以后，在发动机喷管及连接管的管身上布设至少10个第七摄影测量标志，并分别以各自的基准坐标系为准，测量出所有摄影标志点在各自基准坐标系下的三维坐标，无论发动机喷管或连接管在装配时如何相对运动，管身上的摄影测量标志与各自的基准坐标系间的空间位置关系是固定不变的，则可以用这些摄影测量标志的三维坐标来代替基准坐标系，当进行装配时，只要测量出这些摄影测量标志的三维坐标，通过坐标系转换分别得到发动机喷管及连接管的基准坐标系，然后解算出其中心轴线关系及上部端圆中心点位之间的高度差；两个右手空间直角坐标系进行转换时，存在三个平移量、三个旋转量和一个尺度因子，将建立的基准坐标系O-XYZ先缩放k倍，再旋转坐标(εx，εy，εz)，最后平移坐标(X₀，Y₀，Z₀)后，转换到被测量的坐标系o-xyz中，点P在O-XYZ中的坐标为(X，Y，Z)，在o-xyz中的坐标为(x，y，z)，则有：

--(式1)

同理也有：

--(式2)

式中R为旋转矩阵，其中关键的环节是构造旋转矩阵，绕X、Y、Z测量坐标轴的旋转矩阵分别表示为：

--(式3)

旋转矩阵的构造按Kardan旋转进行，其要点是三个连动的旋转轴中不出现同名轴，首先绕X轴旋转εx，此时Z轴到达OYZ与OYz两面的交线位置，其次绕旋转后的Y轴旋转εy，使Z轴最终到达z轴，最后绕z轴旋转εz，最终使X、Y轴分别与x、y轴重合，则旋转矩阵R为：

--(式4)

式中R矩阵的诸参数为：

⑧.装配测量：

将MPS工业摄影测量系统的多相机实时动态测量中的各相机安置在至少两台相机能共同观测到发动机喷管及连接管管身上的约一半的摄影测量标志的位置，按照装配的实际工况，至少需要4台相机组成多相机系统才能完成装配时的实时测量，在装配实时测量过程中，由MPS多相机系统控制4台相机进行实时测量，获得摄影测量标志的三维坐标，通过公共点转换、坐标系转换实时解算出发动机喷管与连接管的中心轴线之间的平行度数据、弯管中心点之间的高差数据；

⑨.发动机喷管与连接管防撞数据测量及信号输出：

为了实现在装配过程中预防发动机喷管与连接管发生碰撞，首先确定出发动机喷管与连接管在实际装配中最有可能发生碰撞的部位，然后在发动机喷管管身及连接管管身的易干扰部位各布置一个摄影测量标志，在第⑧步中安置相机位置时，应保证至少有其中两台相机能观测到干扰部位的摄影测量标志，在装配实时测量时会同时测量出干扰部位的两个摄影测量标志的三维坐标，然后计算出两个摄影测量摄影标志点的空间距离，设两点P₁(x₁、y₁、z₁)、P₂(x₂、y₂、z₂)，则两点间的空间距离根据空间点距离公式5可得：

--(式5)

设定好该距离的最小值阈值，实现防撞提醒及必要的信号输出。

2.根据权利要求1所述的航天发动机装配过程中动态实时测量方法，其特征在于，所述的拟合一个圆为按照最小二乘法则拟合圆，即参与拟合的各点到拟合生成圆的垂距之平方和最小，再按各点到圆心的距离与半径之差的平方和最小拟合计算半径和圆心坐标。

3.根据权利要求1所述的航天发动机装配过程中动态实时测量方法，其特征在于，所述的拟合一个圆柱为按各点到圆柱轴线的距离与半径之差的平方和最小拟合计算半径和圆柱轴线。

4.根据权利要求1所述的航天发动机装配过程中动态实时测量方法，其特征在于，所述的步骤⑦和步骤⑧中的解算，发动机喷管与连接管中心轴线平行度，只需看两基准坐标系的Z轴是否平行；发动机喷管与连接管上部弯管中心等高，只需看连接管坐标系原点在发动机喷管坐标系下的Z轴坐标是否为0，且必须保证其Y轴坐标为0。

5.根据权利要求1所述的航天发动机装配过程中动态实时测量方法，其特征在于，所述的摄影测量标志是指圆形反光标志和编码标志，均为市售产品，圆形反光标志采用定向反光材料制作而成，定向反光材料的原理是反光材料中都含有一种高折射率玻璃微珠或微晶立方角体，将入射光按原路反射回光源处，形成回归反射现象；编码标志是一种自身带有数字编码信息的人工标志。

6.根据权利要求1所述的航天发动机装配过程中动态实时测量方法，其特征在于，所述的MPS工业摄影测量系统为多相机实时动态测量和单相机静态测量。