CN110672006A - 一种用于飞行器装配时数字化定位的定位系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于飞行器装配时数字化定位的定位系统：包括激光三维高精度测量设备、定位装置、定位装置标定杆和计算机，一种用于飞行器装配时数字化定位的定位系统的定位方法，包括以下步骤：1）使用激光三维高精度测量设备，搭建三维高精度测量网络，并对搭建的三维高精度测量网络进行精度校准；2）将定位装置标定杆安装至合作目标，在所述步骤1）搭建的三维高精度测量网络内对定位装置进行校准；3）完成定位装置校准后，将定位装置标定杆更换为定位装置，安装至合作目标；4）在步骤1）搭建的三维高精度测量网络内移动固连在一起的定位装置与合作目标，当定位装置移动到系统件定位孔位置时，进行定位、打点工作。

Description

一种用于飞行器装配时数字化定位的定位系统及方法

技术领域

本发明涉及数字化定位装置结构，应用于飞行器制造过程中需要确定安装位置的地方，利用高精度激光三坐标测量设备配合打点定位装置，实现飞行器系统件的高精度定位、飞行器水平测量点的打制等，属于装备制造领域。

背景技术

在飞行器装配中用于安装管路、线缆、成品的小型紧固件、结构件等。这些系统件遍布于飞行器的液压、气动、燃油等系统中。本专利涉及的水平测量主要是对飞行器水平测量点位置进行标记。

在飞行器的液压、燃油、电气等系统中，均布满了对整机性能起着重要作用的连接管路和电缆，管路和电缆的装配位置均通过系统件进行实现，而针对管路和电缆的制造装配方法为：首先对各管路和电缆的系统件进行定位，然后根据该系统件的位置对相应管路和电缆进行铺设。如果系统件的定位存在误差，将直接影响管路和电缆装配，造成管路装配应力或间隙不足等问题，对管路和电缆的使用寿命产生严重影响，甚至对装备可靠性和安全性产生影响。

针对系统件的传统定位方法主要为：划线定位法和钻模定位法。如图1所示代表划线定位方法：首先确定相对基准1和相对基准2，然后使用钢板尺3和划线笔，在距离相对基准1的距离为X处绘制直线A，在距离相对基准2的距离为Y处绘制直线B，两直线的交点即为系统件定位孔的位置；如图2所示代表钻模定位方法：将专用定位模具4的定位面分别与相对基准1和相对基准2接触，然后运用气钻在专用定位模具4的定位通孔中钻孔，完成系统件的钻孔定位。

然而，采用以上两种定位方法存在以下不足：

1）划线定位方法精度低。

2）钻模定位方法虽然精度较高，但每个系统件都需要制作专用的模具，成本较高，且通用性不好，

如果发生系统件定位信息的更改，则相应的模具也需要随之更改；

3）两种定位方法均采用的相对基准进行系统件的定位，对所选择的基准的加工制造精度要求较高，

如果相对基准的制造精度存在误差，同时也会引起系统件的定位存在误差。

发明内容

为了实现飞行器制造过程中对管路、电缆、成品等系统件的三维高精度安装定位，并且尽可能减少操作人员的专业技术要求，降低所选相对基准的加工制造精度，我们发明了一种配合三维高精度测量设备使用的产品装配时系统件、成品等安装的数字化定位装置，包括在产品上用笔打圆点和用探针打坑点两种结构的定位装置。

本发明的目的是通过以下方案实现的：

一种用于飞行器装配时数字化定位的定位系统：包括激光三维高精度测量设备、定位装置、定位装置标定杆和计算机，测量设备设有合作目标；数据传输处理器分别与测量设备、计算机、合作目标进行数据连接；定位装置包括定位装置外套、内滑块、复位弹簧、触发装置和内轴，内轴与内滑块紧密连接，内滑块前端与定位装置外套之间设置复位弹簧，触发装置穿过定位装置外套与内滑块卡接，定位装置外套前端设有孔，内轴前端顶尖可从定位装置外套前端孔中伸出。

所述合作目标包括激光跟踪仪合作靶球、激光雷达反射目标球、反射靶点、API激光扫描系统i360。

所述触发装置包括：按压式触发装置、手动触发装置和自动触发装置。

一种用于飞行器装配时数字化定位的定位系统的定位方法，包括以下步骤：

1）使用激光三维高精度测量设备，搭建三维高精度测量网络，并对搭建的三维高精度测量网络进行精度校准；

2）将定位装置标定杆安装至合作目标，在所述步骤1）搭建的三维高精度测量网络内对定位装置进行校准；

3）完成定位装置校准后，将定位装置标定杆更换为定位装置，安装至合作目标；

4）在步骤1）搭建的三维高精度测量网络内移动固连在一起的定位装置与合作目标，当定位装置移动到系统件定位孔位置时，进行定位、打点工作。

所述校准精度的范围为0～0.1mm。

工作原理：

本发明的基本思路是：首先，使用高精度激光测量设备，搭建三维高精度测量网络，对三维测量网络进行精度校准；然后，安装定位装置标定杆至合作目标6的通用螺纹接口，对定位装置进行校准，完成定位装置校准后，更换定位装置至通用螺纹接口；最后，在测量网络内移动固连在一起的定位装置7与合作目标6至系统件定位孔位置，按动触发装置，定位装置的内轴14与内滑块11共同向待加工工件表面移动，内轴在工件表面留下标记点，实现大型装备系统件定位、打点工作。

基于以上基本思路，本发明的定位装置在数字化定位系统的连接，如图3所示，包括：激光三维高精度测量设备5、定位装置7、定位装置标定杆、计算机8，其中，激光三维高精度测量设备5设有合作目标6；激光三维高精度测量设备5与数据传输处理器9运用电源及数据线端部的紧定装置实现数据传输的稳定性；数据传输处理器9通过网线与计算机8连接，运用网线能实现实时传输数据，并且能够传输较大的数据量；合作目标6与数据传输处理器9同样进行数据连接。

如图4所示，定位装置7包括定位装置外套10、内滑块11、复位弹簧12、触发装置13和内轴14，其中，内轴14与内滑块11紧密连接，并具有同轴度要求，定位装置外套10前端设有孔，内轴14前端顶尖可从定位装置外套10前端孔中伸出，内滑块11前端与定位装置外套10之间抵接有复位弹簧12，触发装置13穿过定位装置外套10与内滑块11卡接；触发装置13带动内滑块11克服弹簧12阻力，沿轴向向前端滑动，与内滑块11紧密连接的内轴14与内滑块11一同向前移动，直至内轴11前端顶尖从定位装置外套10前端孔伸出；松开触发装置，在复位弹簧12的弹簧力作用下，内轴14随内滑块11一通向后移动复位，内轴14前端顶尖缩回定位装置外套10内部。定位装置7通过外套10上的外连接螺纹与合作目标6的内连接螺纹进行旋合连接，使用扳手使其实现紧固旋接。

本发明的定位装置实现了飞行器产品装配时系统件、成品高精度定位，如图5所示，包括以下步骤：

步骤一：激光三维高精度测量设备5与数据传输处理器9通过电源、数据线进行连接，数据传输处理器9与计算机8通过网线连接，数据传输处理器9与合作目标通过网线或无线网络进行数据连接；

步骤二：分别连通激光三维高精度测量设备5和计算机8的电源，打开预先安装在计算机8内的激光三维高精度测量设备操作软件；

步骤三：布置激光三维高精度测量设备5，并利用激光三维高精度测量设备5自带的标定装置对激光三维高精度测量设备5进行标定，在激光三维高精度测量设备操作软件内组建三维高精度测量网络；

步骤四：通过激光三维高精度测量设备操作软件对步骤三组件的三维测量网络进行精度评价，如果在可达性良好的测量范围内，且保证其测量精度为δ，取δ≤0.05mm为适宜，进行下一步；

步骤五：将合作目标6在步骤三组件的三维高精度测量网络内进行试测，确保合作目标在三维测量网络内可见度达到98%，进入下一步；

步骤六：将定位装置标定杆安装至合作目标6，定位装置标定杆结构如图6所示，定位装置标定杆尾端螺纹与合作目标6通用螺纹连接接口螺纹连接，并将校准工具布置在三维高精度测量网络内，定位装置标定杆与定位装置7的长度在理想情况下应相等，定位装置标定杆的长度L1与定位装置7的长度L2的尺寸公差范围为δ，即，其中δ=0.01mm；

步骤七：利用安装了定位装置标定杆的合作目标6，对校准工具上某一点进行测量，并分别沿着所有空间方向（左、右、前、后）和两个对角线转动合作目标，也沿着合作目标主轴进行顺时针旋转，完成定位装置的校准工作；

步骤八：对定位装置进行精度评价，如果精度达到要求，则卸下定位装置标定杆，将定位装置7安装至合作目标，否则重复步骤七；

步骤九：通过激光三维高精度测量设备5测量数据，并将测量数据与理论数据对齐，评价对齐精度，满足要求，则进行定位，否则重新测量，再对齐；

步骤十：在三维高精度测量网络内移动固连在一起的定位装置7和合作目标6，当定位装置移动到系统件定位孔位置时，按动触发装置13，此时内滑块11与内轴14共同移动，内轴14前端顶尖从定位装置外套10前端伸出，在工件表面留下明显的标点，完成定位、打点工作。

本发明技术效果在于：

基于三维高精度测量设备，实现了飞行器制造过程中系统件三维高精度定位，同时提高定位效率，并实现了可视化、可追溯测量定位；应用定位装置实现定位、打点；运用定位装置标定杆和相关的标定方法，保证了定位装置的定位精度；不受操作人专业技能的限制，对零件的加工制造误差要求有所降低，实现了一套设备多种类型系统件的安装定位，定位装置的通用性得到了明显的提高。同时采用高精度三维测量设备配合定位装置的定位精度高于传统采用的直尺划线、钻模板、基准零件以及新的激光投影定位，其定位精度能够达到0.1mm。因此，本发明能够在高精度定位范围内满足各种管路、成品的定位要求。

附图说明

图1为传统划线系统件定位方法示意图；

图2为传统钻模系统件定位方法示意图；

图3为系统件数字化定位系统组成结构图；

图4为本发明定位装置简化结构示意图；

图5为本发明的定位装置在数字化定位系统的使用方法流程图；

图6为定位装置标定杆等轴测图；

图7为定位装置标定杆轴测主视图；

图8为实施例一迈卓诺三维测量系统工作示意图；

图9为实施例一迈卓诺定位装置结构剖视图；

图10为实施例一迈卓诺定位装置轴测图；

图11为实施例二API激光跟踪仪定位系统示意图；

图12为实施例二跟踪仪打点定位装置主视剖视图；

图13为实施例二跟踪仪打点定位装置轴测图；

图14为实施例三IGPS测量网络定位系统示意图；

附图标记

1.相对基准，2.相对基准，3.钢板尺，4.定位模具，5.激光三维高精度测量设备，6.三维测量设备合作目标，7.定位装置，8.计算机，9.数据传输处理器，10.定位装置外套，11.内滑块，12.复位弹簧，13.触发装置，14.内轴，15.球头探针，16.标定加长杆，17.迈卓诺CCD相机，18.迈卓诺光笔，19.描点/划线定位装置，20.迈卓诺三维测量系统标定杆，21.滑动触发装置，22.内滑块，23.光笔复位弹簧，24.记号笔，25.光笔定位装置外壳，26.激光跟踪仪I360手持测头，27.跟踪仪打点定位装置，28.API激光跟踪仪，29.触发机构，30.导向无袖轴套，31.跟踪仪定位装置外壳，32.触发机构复位弹簧，33.导向座，34.冲击弹簧，35.冲击探针，36.IGPS激光发射器，37.IGPS手持测量仪。

具体实施方式

实施例1

本实施例参照图8说明如下：

如图8所示，一种产品装配时系统件数字化定位系统，包括：迈卓诺CCD相机17、迈卓诺光笔18、定位装置19、迈卓诺三维测量系统标定杆20、计算机8，其中定位装置19的结构示意图如图8所示，定位装置19包括定位滑动触发装置21、滑动内部滑块22、滑动复位弹簧23、记号笔24、光笔定位装置外壳25。其中记号笔24与滑动内部滑块22紧密连接在一起，并具有一定的同轴度。当定位装置安装到迈卓诺光笔通用螺纹接口后，光笔移动到系统件定位孔圆心的理论位置时，按动滑动定位触发装置21，记号笔24与滑动内部滑块22的共同移动，压缩滑动复位弹簧23，使记号笔24的笔尖穿过光笔定位装置外壳25头部的通孔，在需要定位的系统件的安装位置画出直径约为1mm黑色的圆点。完成打点工作后，释放滑动定位触发开关21，由于弹簧力的作用，记号笔24和滑动内部滑块22滑回初始位置，定位装置完成一次定位工作过程。其中两个迈卓诺CCD相机17、迈卓诺光笔18、迈卓诺标定杆20与数据传输处理器9运用电源、数据线端部的紧定装置实现数据传输的稳定性，数据处理器9通过网线与计算机相连，运用网线能实现实时传输数据，并且能够传输较大的数据量。

本实施例以迈卓诺激光三维测量系统为例描述系统件数字化定位装置的定位方法，其操作步骤如下：

步骤一：两个迈卓诺CCD相机17、迈卓诺光笔18、迈卓诺标定杆20分别与数据传输处理器9通过电源、数据线进行连接，数据传输处理器9与计算机8运用网线连接；

步骤二：分别连通迈卓诺测量设备和计算机8的电源，打开计算机上迈卓诺操作软件、图像浏览器和主软件；

步骤三：布置迈卓诺三维高精度测量设备，并运用设备自带迈卓诺三维测量系统标定杆对迈卓诺光学测量网络进行标定，组建三维高精度测量网络；

步骤四：对三维测量网络进行精度评价，在可达性良好的测量范围内，并保证其测量精度为δ，取δ≤0.05mm为适宜；

步骤五：将迈卓诺光笔18在测量网络内进行试测，确保迈卓诺光笔18在三维测量网络内可见度达到98%；

步骤六：安装定位装置标定杆，如图6所示，至合作目标通用螺纹连接接口，并将校准工具布置在测量网络内，其中标定杆的长度L1与跟踪仪打点定位装置27的长度L2的尺寸公差值为Δ，即，一般取Δ=0.01mm；

步骤七：利用安装了定位装置标定杆的合作目标，对校准工具上某一点进行测量，并转动迈卓诺光笔18沿着所有空间方向（左、右、前、后）和两个对角线，也沿着迈卓诺光笔18主轴进行旋转，完成定位装置的校准工作；

步骤八：对定位装置进行精度评价，如果精度达到要求，则更换定位装置，否则重复步骤七；

步骤九：通过测量设备测量数据，并将测量数据与理论数据对齐，评价对齐精度，满足要求，则进行定位，否则重新测量，再对齐；

步骤十：在测量网络内移动固连在一起的描点/划线定位装置19和迈卓诺光笔18，当定位装置移动到系统件定位孔位置时，按动触发装置，此时滑动内滑块22与记号笔24共同移动，在工件表面留下直径约为1mm的圆点，完成定位、打点工作。

实施例2

本实施例参照图11说明如下：

如图11所示，一种产品装配时系统件数字化定位系统，包括：API激光跟踪仪28、激光跟踪仪I360手持测头26、跟踪仪打点定位装置27、数据传输处理器9、计算机8。其中，API激光跟踪仪28通过电源、数据传输线与数据传输处理器9连接，在连接端部存在紧固装置，能够保证连接的可靠性，使测量系统稳定；激光跟踪仪I360手持测头26与数据传输处理器9通过电源、数据传输线实现连接，其连接方式为内部针孔配外部螺纹，以保证连接的可靠性；通过网线连接数据传输处理器9和计算机8，以保证数据的快速、实时传输；跟踪仪打点定位装置27尾端部的连接螺纹是用于连接激光跟踪仪I360手持测头26和打点定位装置27，将跟踪仪打点定位装置27的外螺纹旋转进入激光跟踪仪I360手持测头26的内螺纹中，并使用扳手完成紧定。

其中，跟踪仪打点定位装置27的结构如图10所示，包括：触发机构29、导向无袖轴套30、跟踪仪定位装置外壳31、触发机构复位弹簧32、导向座33、冲击弹簧34、冲击探针35。其工作原理为：当跟踪仪打点定位装置27安装到激光跟踪仪I360手持测头 26的内螺纹连接接口处后，I360在测量网络中接收到来自API激光跟踪仪28发出的激光，移动安装了跟踪仪打点定位装置27的I360，当到达系统件定位孔圆心的理论位置时，按压触发机构29，在触发机构带动下，卡位开关得到释放，冲击弹簧34恢复到自然长度，带动冲击探针35向工件表面运动，冲击探针35冲击工件表面，留下直径约为1mm深度为0.2mm的凹坑，冲击完成后，将I360移离工件表面，完成一次打点定位工作；最后，在触发机构复位弹簧的作用下，触发机构回到初始位置，卡位开关复位，运用复位装置，将冲击探针35移回初始位置，并压缩冲击弹簧34，在卡位开关作用下，实现限制冲击探针35移动的功能，为下一次打点定位工作做准备。

本实施例以API激光跟踪仪三维测量系统为例介绍系统件数字化定位装置的使用方法，其操作步骤如下：

步骤一：API激光跟踪仪28、激光跟踪仪I360手持测头26与数据传输处理器9通过电源、数据线进行连接，并运用网线连接数据传输处理器与计算机8；

步骤二：分别连通API激光跟踪仪28、跟踪仪I360手持测头26和计算机8的电源，打开计算机上跟踪仪操作软件，检测连接是否可靠；

步骤三：布置激光跟踪仪三维高精度测量设备，并运用设备自带跟踪仪三维测量系统标定杆对激光跟踪仪测量网络进行标定，组建三维高精度测量网络；

步骤四：对三维测量网络进行精度评价，在可达性良好的测量范围内，并保证其测量精度为δ，取δ≤0.02mm为适宜；

步骤五：对跟踪仪I360手持测头26进行标定，分别标定I360的水平探针和竖直探针，在校准过程中，竖直探针的校准，需要转动I360主机6次，每次转动30度；在水平探针校准时，需要转动I360主机8次，每次转动30度。在完成一次转动后，需要对固定的校准工具进行测量，并记录数据，然后通过MATLAB插件进行计算，如果精度满足要求，则完成校准过程，如果未达到要求，则需要重新校准；

步骤六：将跟踪仪I360手持测头26在测量网络内进行试测，确保跟踪仪I360手持测头26在三维测量网络内可见度达到98%；

步骤七：安装定位装置标定杆，如图6所示，至跟踪仪I360手持测头26通用螺纹连接接口，并将校准工具布置在测量网络内，其中标定杆的长度L1与跟踪仪打点定位装置27的长度L2的尺寸公差值为Δ，即，一般取Δ=0.01mm；

步骤八：利用安装了定位装置标定杆的合作目标，对校准工具上某一点进行测量，并转动跟踪仪I360手持测头26沿着所有空间方向，向左、右、前、后和两个对角线，也沿着跟踪仪I360手持测头26主轴进行旋转，每次旋转角度为30，完成定位装置的校准工作；

步骤九：对定位装置标定杆进行精度评价，如果精度达到要求，则将定位装置标定杆更换为跟踪仪打点定位装置27，否则重复步骤八；

步骤十：启动SA测量软件，连接API激光跟踪仪28，通过API激光跟踪仪28与合作目标靶球共同完成测量数据，并将测量数据与理论数据对齐，评价对齐精度，满足要求，则进行定位，否则重新测量，再对齐；

步骤十一：在测量网络内移动固连在一起的跟踪打点定位装置27和跟踪仪I360手持测头26，当跟踪仪打点定位装置27移动到系统件定位孔位置时，按动触发机构29，在触发机构带动下，卡位开关得到释放，冲击弹簧34恢复到自然长度，带动冲击探针35向工件表面运动，冲击探针35冲击工件表面，在工件表面留下直径约为1mm、深度约为0.2mm的凹坑，完成定位、打点工作。

步骤十二：在触发机构复位弹簧的作用下，触发机构回到初始位置，卡位开关复位，运用复位装置，将冲击探针35移回初始位置，并压缩冲击弹簧34，在卡位开关作用下，实现限制冲击探针35移动的功能，为下一次打点定位工作做准备。

实施例3

本实施例参照图11说明如下：

如图11所示，一种产品制造过程中系统件数字化定位系统，其中包括：计算机8、数据传输处理器9、描点/划线定位装置19、四个IGPS激光发射器36、IGPS手持测量仪37。其中四个IGPS激光发射器36之间通过电源数据传输线依次连接，只需将其中一个连接到数据传输处理器9上，就可以实现数据的传输，计算机8与数据传输处理器9之间通过网线连接，确保了数据快速、实时的传递。其中描点/划线定位装置19的工作原理与实施例1中的工作原理相同，只需更换螺纹连接接口的，使之与IGPS手持测量仪的内螺纹接口配合即可。

本实施例以IGPS三维测量系统为例介绍产品制造过程中系统件数字化定位系统定位方法，其操作步骤如下：

步骤一：四个IGPS激光发射器36运用电源、数据传输线依次连接，最后一个与数据传输处理器9通过电源、数据线进行连接，并运用网线连接数据传输处理器9与计算机8；

步骤二：分别连通四个IGPS激光发射器36、数据传输处理器9和计算机8的电源，打开计算机上IGPS测量系统操作软件；

步骤三：布置IGPS测量网络，并运用设备自带IGPS测量网络标定杆对IGPS测量网络进行标定，组建三维高精度测量网络；

步骤四：对三维测量网络进行精度评价，在可达性良好的测量范围内，并保证其测量精度为δ，取δ≤0.1mm为适宜；

步骤五：将IGPS手持测量仪37在测量网络内进行试测，确保IGPS手持测量仪37在三维测量网络内可见度达到98%；

步骤六：安装定位装置标定杆，如图6所示，至合作目标通用螺纹连接接口，并将校准工具布置在测量网络内，其中标定杆的长度L1与跟踪仪打点定位装置27的长度L2的尺寸公差值为Δ，即，一般取Δ=0.01mm；

步骤七：利用安装了定位装置标定杆的合作目标，对校准工具上某一点进行测量，并转动IGPS手持测量仪37沿着所有空间方向，向左、右、前、后和两个对角线，也沿着IGPS手持测量仪37主轴进行旋转，完成定位装置的校准工作；

步骤八：对定位装置标定杆进行精度评价，如果精度达到要求，则更换为描点/划线定位装置19，否则重复步骤七；

步骤九：通过测量设备测量数据，并将测量数据与理论数据对齐，评价对齐精度，满足要求，则进行定位，否则重新测量，再对齐；

步骤十：在测量网络内移动固连在一起的定位装置和IGPS手持测量仪37，当定位装置移动到系统件定位孔位置时，按动触发装置，此时内滑块22与记号笔24共同移动，在工件表面留下直径约为1mm的黑色圆点，完成定位、打点工作。

以上结合附图对本发明的定位装置具体实施方式作了说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明的范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种用于飞行器装配时数字化定位的定位系统其特征在于包括:激光三维高精度测量设备、定位装置、定位装置标定杆和计算机，测量设备设有合作目标；数据传输处理器分别与测量设备、计算机、合作目标进行数据连接；定位装置包括定位装置外套、内滑块、复位弹簧、触发装置和内轴，内轴与内滑块紧密连接，内滑块前端与定位装置外套之间设置复位弹簧，触发装置穿过定位装置外套与内滑块卡接，定位装置外套前端设有孔，内轴前端顶尖可从定位装置外套前端孔中伸出。

2.根据权利要求1所述一种用于飞行器装配时数字化定位的定位系统其特征在于：所述合作目标包括激光跟踪仪合作靶球、激光雷达反射目标球、反射靶点、API激光扫描系统i360。

3.根据权利要求1所述一种用于飞行器装配时数字化定位的定位系统其特征在于：所述触发装置包括：按压式触发装置、手动触发装置和自动触发装置。

4.一种用于飞行器装配时数字化定位的定位系统的定位方法，包括以下步骤：

1）使用激光三维高精度测量设备，搭建三维高精度测量网络，并对搭建的三维高精度测量网络进行精度校准；

2）将定位装置标定杆安装至合作目标，在所述步骤1）搭建的三维高精度测量网络内对定位装置进行校准；

3）完成定位装置校准后，将定位装置标定杆更换为定位装置，安装至合作目标；

4）在步骤1）搭建的三维高精度测量网络内移动固连在一起的定位装置与合作目标，当定位装置移动到系统件定位孔位置时，进行定位、打点工作。

5.根据权利要求4所述一种用于飞行器装配时数字化定位的定位系统的定位方法其特征在于：所述校准精度的范围为0～0.1mm。

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