CN110674466B - 一种多基准条件下飞机复杂焊接导管测量及匹配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种多基准条件下飞机复杂焊接导管测量及匹配方法，包括测量获得弯曲主管件的IP点测量数据；测量获得支管件的测量数据；测量获得附件的特征数据；读入理论模型和各次测量的数据，采用3个主基准通过3‑2‑1匹配将测量数据与理论模型进行初步匹配；依次加入辅基准，按主次顺序模型匹配方式进行匹配；计算各测量数据的误差，输出检测结果。本发明的方法建立在综合式PCMA设备的基础上，测量时被测焊接导管固定在测量台上，在测量过程中保持被测件和设备位置不变可实现对带复杂支路的焊接导管进行检测，对具有多个基准的情况进行匹配，在保证主基准在误差范围内的条件下减小辅助基准的检测误差，整体检测误差符合工程上导管装配情况。

Description

一种多基准条件下飞机复杂焊接导管测量及匹配方法

技术领域

本发明涉及飞机焊接导管检测领域，具体是多基准条件下的飞机复杂焊接导管测量及匹配方法。

技术背景

导管是飞机产品的重要组成部分，其主要作用是将气体、油料等介质输送到飞机各部位。焊接导管是指将管件、半管、附件等零件采用焊接成形方式并辅助以其他方式进行连接而形成的导管总成件。在飞机导管产品中，焊接导管占总数的25％～35％。焊接导管在几何结构上可分为两部分：管件零件部分和附件零件部分，其中管件包括一个主管件和多个支管件，附件包括接头、法兰等。另外，按照外形是否弯曲，管件又分为弯管和支管。

目前，飞机焊接导管的外形检测主要采用专用夹具来进行，具体方法是：将焊接导管放置在夹具上，并按照定位要求将导管上的基准面与夹具的定位面进行贴合定位，然后采用垫片、卡规等检测其他部位是否存在干涉或者间隙情况，通常给出的是定性误差评价结果。

近年来，采用数字化测量设备对导管进行检测得到越来越多的重视与应用，主要设备有关节臂式测量机(Portable Coordinate Measuring Arm，简称PCMA)和三坐标测量机(Coordinate Measuring Machine，简称CMM)，采用的测头传感器有激光叉形测头和接触式测头。其中激光叉形测头用于管件部分的检测，而接触式测头适用于附件部分的检测，单一测头只适用于简单结构的导管。综合这两种传感器的PCMA可以实现对包含有管件和附件的焊接导管进行检测，然而目前的测量系统还存在一些不足，主要体现在：只能对具有完全3-2-1定位基准的导管进行测量定位，而对多于3-2-1基准的焊接导管则无法测量定位。

对焊接导管，多于3-2-1基准的情况大量存在，主要原因有：(1)导管在空间上可以看作与曲线有着相同的维度，因而沿着管路方向往往呈弱刚性，需要在3-2-1基准的基础上额外增加辅助基准进行定位；(2)在导管装配过程中，为了便于装配调整，往往会在一些连接附件处留有一定的调整量，各基准也可以调整，使得导管实际上处于多基准情况下。

发明内容

本发明针对焊接导管数字化检测中存在的上述问题，提出多基准条件下飞机焊接导管测量及匹配方法，该方法对具有多个基准的情况进行匹配，在保证主基准在误差范围内的条件下减小辅助基准的检测误差，整体检测误差符合工程上导管装配情况。

本发明的上述目的是利用以下技术方案实现的：

一种多基准条件下飞机复杂焊接导管测量及匹配方法，包括以下步骤：

1)采用激光叉形测头，对弯曲的主管件进行测量，获得主管件的IP点(Intersection Points，交点)测量数据；

2)若支管件为弯曲管，则采用激光叉形测头逐个进行测量，获得各支管件的IP点测量数据；

3)若支管件为直管，则采用接触式测头进行测量获得支管件的外圆柱测量数据；

4)采用接触式测头对所有附件进行测量，获得附件上的平面、圆柱、圆等特征数据；

5)分别读入理论模型和各次测量的数据，理论模型中的基准记为D_i(i＝1,2,3,...m)，m为基准的个数，取值≥4，其中D₁,D₂,D₃为主基准，其他D_i(i＝4,5,...m)为辅基准；与之对应的测量数据中的基准记为d_i(i＝1,2,3,...m)，采用3个主基准通过3-2-1匹配将测量数据与理论模型进行初步匹配；

6)依次加入辅基准D_i(i＝4,5,...m)，按主次顺序模型匹配方式进行匹配；

7)计算各测量数据的误差，输出检测结果。

步骤1)～4)中所有的测量项目的坐标系都是PCMA的设备坐标系下，然后进入测量数据与理论数模间误差的分析评价过程。本发明针对飞机焊接导管，提出一种多基准条件下的主次顺序模型匹配方法。本发明提出的匹配方法，主要解决两个难点问题：(1)是根据基准的重要性来设置权值，(2)是对以平面、圆等特征为基准的情况，如何进行点的采样以便于进行匹配求解。

设焊接导管产品共有m(m≥4)个基准，其中理论模型中的基准记为D_i(i＝1,2,3,...m)，与之对应的测量数据的基准记为d_i(i＝1,2,3,...m)，其中前3个基准满足3-2-1定位基准要求，后续基准按照产品装配过程中的重要性进行排序。各基准(包含主基准和辅基准)由于弱刚性和装配调整下所允许的公差为±δ_i(i＝1,2,3,...m)，匹配时的权值设为w_i(i＝1,2,3,...m)，参与匹配的基准集合记为A、参与匹配的基准数目记为j，初始时A＝{D₁,D₂,D₃}、j＝3。

步骤6)所述的基于主次顺序的模型匹配方法步骤如下：

1)j＝j+1，w_j＝1，将D_j加入匹配集A，并将各基准中的理论模型和测量数据的特征数据(即平面、圆柱、圆等)分别转换为采样点数据P_l和p_l，采用迭代最近点方法进行模型匹配，求解式为：

其中n为基准采样点数据个数，R为匹配的旋转矩阵，T为匹配的平移向量。

2)计算各d_i(i＝1,2,3,...j)处的误差，若前面j-1个误差(即d_i(i＝1,2,...,j-1)的误差)中有超过公差±δ_i(i＝1,2,...,j-1)的，则降低当前d_j的权w_j为当前的0.5倍，重复此步骤直至d_i(i＝1,2,...,j-1)误差不超过给定公差；

3)重复步骤1)、2)，直至所有的基准均参与配准。

主次顺序的模型匹配方法中将各基准中的测量数据和理论模型转换分别转换为采样点数据P_l和p_l，具体采样方法为：

1)对以平面为基准的情况，第一基准平面在a、b轴上以给定的半径采样四个点；第二基准平面则在a、b轴的正方向上采样两个点，对第三基准或其他情况则在平面中心采样一个点；

2)对以圆为基准的情况，第二基准圆在a轴上采样两个点，对第三基准或其他情况则在圆中心采样一个点。

本发明的方法建立在综合式PCMA设备的基础上，测量时将被测焊接导管固定在测量台上，在整个测量过程中保持被测件和设备位置不变能够实现对含有复杂支路的焊接导管进行检测，对具有多个基准的情况进行匹配，在保证主基准在误差范围内的条件下减小辅助基准的检测误差，整体检测误差符合工程上导管装配情况。

附图说明

图1为按照本发明的实施例的管件实施案例及其基准。

图2为按照本发明的实施例的平面基准采样方法。

图3为按照本发明的实施例的圆基准采样方法。

图4为按照本发明的实施例的管件实例的测量结果。

具体实施步骤

为了更清楚地理解本发明的目的、技术方案及优点，下面结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

本发明的方法建立在综合式PCMA设备的基础上，测量时将被测焊接导管固定在测量台上，在整个测量过程中保持被测件和设备位置不变能够实现对含有复杂支路的焊接导管进行检测，对具有多个基准的情况进行匹配，在保证主基准在误差范围内的条件下减小辅助基准的检测误差，整体检测误差符合工程上导管装配情况。

管件实施案例及其基准如图1所示，该管件包5个零件：1—管套，2—主管件，3—支管件，4—法兰1，5—法兰2。基准设置情况为：A—基准5(圆3)，B—基准1(平面1)，C—基准2(圆1)，D—基准3(圆2)，E—基准4(平面2)。即法兰1上一个平面和两个孔为第一、第二和第三基准，法兰2上的平面为基准4，管套上的圆为基准5。

本实施例的步骤如下：

1)建立一个测量项目，采用激光叉形测头对主管件进行测量，获得主管件的IP点测量数据；

2)替换接触式测头，对直的支管段和所有的附件进行测量，获得支管段圆柱、附件(本例中包括管套、法兰1和法兰2)的平面、圆柱、圆等的数据。

由于通常主管都是弯曲的，支管可以是弯曲的也可以是直的。在本实施例中，主管为弯曲，支管为直管，这样整个导管中既有弯曲管也有直管。由于不存在作为弯曲管的支管件，因此本实施例中没有采用激光叉形测头逐个进行测量，获得作为弯曲管的各支管件的IP点测量数据的步骤。

本实施例的检测要素及检测内容如表1所示。

表1：实施例焊接导管检测要素

4)分别读入理论模型和各次测量的数据，理论模型中的基准记为D_i(i＝1,2,3,...5)，与之对应的测量数据中的基准记为d_i(i＝1,2,3,...5)，采用B—基准1(平面1)，C—基准2(圆1)，D—基准3(圆2)这3个主基准通过3-2-1匹配将测量数据与理论模型进行初步匹配，此时A＝{D₁,D₂,D₃}、j＝3；

5)令j＝4，加入辅基准D₄，本实例中D₄为E(即平面2)，并将各基准中理论模型和测量数据转换分别转换为采样点数据，本实例中B转换为4个点、C转换为2个点、D转换为1个点、E转换为1个点，采用迭代最近点方法对这8组点进行匹配，即：

计算各d_i(i＝1,2,3,...4)处的误差，若d_i(i＝1,2,...,3)的误差超过±δ_i(i＝1,2,...,3)，则降低D₄的权w₄为当前的0.5倍，重复此步骤直至d_i(i＝1,2,...,3)误差不超过±δ_i(i＝1,2,...,3)，本实例中迭代后w₄＝0.25；

6)令j＝5，加入辅基准D₅，本实例中D₅为A(即一圆)，将各基准中理论模型和测量数据转换分别转换为采样点数据，B、C、D、E在第5)步中已经转换，此步骤中转换D₅，即新加1个点，采用迭代最近点方法对这9组点进行匹配，即：

计算各d_i(i＝1,2,3,...5)处的误差，若d_i(i＝1,2,...,4)的误差超过±δ_i(i＝1,2,...,4)，则降低D₅的权w₅为当前的0.5倍，重复此步骤直至d_i(i＝1,2,...,4)误差不超过±δ_i(i＝1,2,...,4)，本实例中迭代后w₅＝0.5。

上面所述的将各基准中理论模型和测量数据转换分别转换为采样点数据是根据基准的几何特征来确定。在飞机导管中，基准的几何外形主要是平面和圆。本方法根据基准的重要性来确定采样点的个数，实践证明有较好的效果。

对平面，本发明采用如图2所示的方法进行采样，图中n表示平面的法矢，a、b表示平面的第一轴和第二轴。对第一基准平面，在a、b轴上以给定的半径采样四个点；第二基准平面则在a、b轴的正方向上采样两个点，对第三基准或其他情况则在平面中心采样一个点。

对圆，本发明采用如图3所示的方法进行采样，图中a、b轴表示圆的第一轴和第二轴。圆最多只能为第二基准，则在a轴上采样两个点(圆在a轴上的两个点)，对第三基准或其他情况则在圆中心采样一个点。

6)计算各检测要素的误差，输出检测结果，检测结果，图4中表示了本实施例的管件实例的测量结果。

对实施例的匹配结果如表2所示。匹配1为3-2-1匹配方法下的结果，匹配2为加入基准4后的匹配结果，匹配3为加入基准5后的匹配结果。可以看到，匹配3使得该零件合格。这里主管件的IP点只显示了3个。

从表中可以看出匹配1后，法兰2明显超差，使得零件不合格。采用匹配2后，零件超差值降低，但仍然不合格。匹配3中，IP3点虽然超差但并不影响装配，说明零件是合格的，在各基准处垫上一定的垫片后零件可以进行安装。

表2：误差分析

本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种多基准条件下飞机复杂焊接导管测量及匹配方法，包括以下步骤：

1)对弯曲的主管件进行测量，获得主管件的IP点测量数据；

2)若支管件为弯曲管，测量获得各支管件的IP点测量数据；

3)若支管件为直管，测量获得支管件的外圆柱测量数据；

4)测量获得各个附件的特征数据；

5)分别读入理论模型和各次测量的数据，理论模型中的基准记为D_i(i＝1,2,3,...m)，m为基准的个数，取值≥4，其中D₁,D₂,D₃为主基准，其他D_i(i＝4,5,...m)为辅基准；与之对应的测量数据中的基准记为d_i(i＝1,2,3,...m)，采用3个主基准通过3-2-1匹配将测量数据与理论模型进行初步匹配；

6)依次加入辅基准D_i(i＝4,5,...m)，按主次顺序模型匹配方式进行匹配，其中所述按主次顺序模型匹配方式进行匹配包括：

a)j＝j+1，w_j＝1，将D_j加入匹配集A，并将各基准中的理论模型和测量数据的特征数据分别转换为采样点数据P_l和p_l，采用迭代最近点方法进行模型匹配，求解式为：

其中n为基准采样点数据个数，R为匹配的旋转矩阵，T为匹配的平移向量，w_i(i＝1,2,3,...m)为匹配时的权值，j为参与匹配准的基准数，初始时A＝{D₁,D₂,D₃}、j＝3；

b)计算各d_i(i＝1,2,3,...j)处的误差，若前j-1个误差任意之一超过公差±δ_i(i＝1,2,...,j-1)，则降低当前d_j的权w_j，重复此步骤直至d_i(i＝1,2,...,j-1)误差不超过给定公差；

c)重复步骤a)、b)，直至所有的基准均参与配准；

7)计算各测量数据的误差，输出检测结果。

2.按照权利要求1所述的方法，其中所述将各基准中的测量数据和理论模型转换分别转换为采样点数据P_l和p_l具体包括：

1)对以平面为基准的情况，第一基准平面在该平面的彼此正交的第一轴和第二轴上以给定的半径采样四个点；第二基准平面则在该平面的彼此正交的第一轴和第二轴的正方向上采样两个点，对第三基准平面或其他情况则在平面中心采样一个点；

2)对以圆为基准的情况，第二基准圆在该圆的第一轴上采样两个点，对第三基准或其他情况则在圆中心采样一个点。

3.按照权利要求1所述的方法，其中所述降低当前d_j的权w_j包括降低当前d_j的权w_j为当前的0.5倍。

4.按照权利要求1所述的方法，其中所述特征数据为所述附件上的平面、圆柱和/或圆的数据。

5.按照权利要求1所述的方法，其中主管件和弯曲的支管件是采用激光叉形测头进行测量的。

6.按照权利要求1所述的方法，其中直管的支管件和各个附件是采用接触式测头进行测量的。

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