CN110966934B - 一种调姿器球窝中心点的标定方法 - Google Patents

一种调姿器球窝中心点的标定方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种调姿器球窝中心点的标定方法，包含调姿器，调姿器含有三个层叠式设置的运动模块，并可在空间三个不同的自由度上运动，三个运动模块之间的夹角可以是锐角,也可以钝角。三个光栅尺分别与三个运动模块平行安装，球窝设置在第三运动模块末端，球窝的外部安装有转接测量点，使用光栅尺和激光跟踪仪分别对四个不同位置状态下的球窝和转接测量点进行测量，构建球窝中心点的转接标定方法。本方法不需要传统标定方法中所用到的T‑PROBE转接仪的转接测量和多点拟合，减少了转接误差和拟合误差，提高了标定精度和标定效率。

Description

一种调姿器球窝中心点的标定方法
技术领域
本申请涉及飞机装配制造技术领域，特别是一种调姿器球窝中心点的标定方法。
背景技术
零件部的姿态调整是飞机装配中关键工艺，需要用到调姿器，调姿器是一套含有三个运动模块和球窝的精确运动装备，调姿器球窝的标定精度是影响零部件调姿精度的关键因素之一。
传统的调姿器球窝标定方法是：采用激光跟踪仪及其专有附件T-PROBE转接仪，对球窝内表面进行多点测量，拟合数据后标定出球窝中心点相对于激光跟踪仪坐标系的坐标值。由于需要用到激光跟踪仪及其专有附件T-PROBE转接仪，存在如下两个主要问题：
(1)采用T-PROBE转接仪的转接测量，导致带入转接误差，从而降低了球窝中心点的标定精度，对高精度调姿器是不可接受的。
(2)为了获得球窝中心点的坐标值，调姿器每移动一个位置，需要对球窝内表面进行点云测量，至少需要测3点，一般都是基于十几个点测量后的拟合值，测量效率低。
为了提高调姿器球窝中心点的标定精度和效率，发明了一种调姿器球窝中心点的标定方法。
发明内容
为提高调姿器球窝的标定精度和效率，降低标定成本，发明了一种调姿器球窝中心点的标定方法。
一种调姿器球窝中心点的标定方法，包含调姿器，调姿器含有第一运动模块、第一光栅尺、第二运动模块、第二光栅尺、第三运动模块、第三光栅尺、球窝、转接测量点，三个运动模块层叠式设置，并可在空间三个不同的自由度上运动，第一运动模块、第二运动模块、第三运动模块的运动轨迹为直线，且直线度越高，球窝中心点的标定精度就越高，三个运动模块之间的夹角可以是锐角、直角,也可以钝角。三个光栅尺分别与三个运动模块平行安装，球窝设置在第三运动模块末端，球窝的外部安装有转接测量点，使用光栅尺和激光跟踪仪分别对四个不同位置状态下的球窝和转接测量点进行测量，构建球窝中心点的转接标定方法,包括以下步骤：
(1)调姿器的三个运动模块回零位，此位置记为“1”位，在“1”位进行如下操作：
(1-1)以“1”位的球窝中心点为原点，第一运动模块方向为X向，第二运动模块方向为Y向，第三运动模块方向为Z向，建立调姿器坐标系T坐标系，T坐标系是任意角坐标系，包括斜角坐标系和直角坐标系；
(1-2)相对于调姿器坐标系T坐标系，“1”位的球窝中心点坐标值记为[000]{T}；
(1-3)用激光跟踪仪测量“1”位的球窝内表面的点云坐标，并拟合出球窝中心点在激光跟踪仪坐标系J坐标系的坐标,记为
Figure BDA0002317408780000021
(1-4)用激光跟踪仪测量“1”位的转接测量点的坐标,记为
Figure BDA0002317408780000022
(2)将第一运动模块移动A值，此位置记为“2”位，在“2”位进行如下操作：
(2-1)相对于调姿器坐标系T坐标系，“2”位的球窝中心点坐标值记为[A 0 0]{T}；
(2-2)用激光跟踪仪测量“2”位的球窝内表面的点云坐标，并拟合出球窝中心点在激光跟踪仪坐标系J坐标系的坐标,记为
Figure BDA0002317408780000023
(2-3)用激光跟踪仪测量“2”位的转接测量点的坐标,记为
Figure BDA0002317408780000031
(3)将第一运动模块回零位，将第二运动模块移动B值，此位置记为“3”位，在“3”位进行如下操作：
(3-1)相对于调姿器坐标系T坐标系，“3”位的球窝中心点坐标值记为[0 B 0]{T}；
(3-2)用激光跟踪仪测量“3”位的球窝内表面的点云坐标，并拟合出球窝中心点在激光跟踪仪坐标系J坐标系的坐标,记为
Figure BDA0002317408780000032
(3-3)用激光跟踪仪测量“3”位的转接测量点的坐标,记为
Figure BDA0002317408780000033
(4)将第二运动模块回零位，将第三运动模块移动C值，此位置记为“4”位，在“4”位进行如下操作：
(4-1)相对于调姿器坐标系T坐标系，“4”位的球窝中心点坐标值记为[0 0 C]{T}；
(4-2)用激光跟踪仪测量“4”位的球窝内表面的点云坐标，并拟合出球窝中心点在激光跟踪仪坐标系J坐标系的坐标,记为
Figure BDA0002317408780000034
(4-3)用激光跟踪仪测量“4”位的转接测量点的坐标,记为
Figure BDA0002317408780000035
(5)激光跟踪仪坐标系J坐标系相对于调姿器坐标系T坐标系下的位姿关系R由下述表达式解算：
Figure BDA0002317408780000036
(6)对上述4个位置状态而言，转接测量点相对于调姿器坐标系T坐标系的坐标集合由下述表达式解算：
Figure BDA0002317408780000041
(7)相对于调姿器坐标系T坐标系，转接测量点坐标与球窝中心点坐标的差值标定，包括以下分步骤：
(7-1)上述4个位置状态的转接测量点坐标与球窝中心点坐标的差值，由下述表达式解算：
Figure BDA0002317408780000042
(7-2)对4个位置状态的坐标差值进行拟合，标定出转接测量点坐标与球窝中心点坐标的最佳拟合差值，由下述表达式进行标定：
Figure BDA0002317408780000043
(8)基于激光跟踪仪对转接测量点的坐标测量和最佳拟合差值，按下述表达式解算并标定出球窝中心点相对于激光跟踪仪坐标系J坐标系的坐标值：
Figure BDA0002317408780000044
本申请的调姿器球窝中心点标定方法与传统的标定方法相比，其优点有：
(1)不需要传统标定方法中所用到的T-PROBE转接仪的转接测量和多点拟合，减少了转接误差和拟合误差，提高了标定精度。
(2)与传统标定方法需要测量多点并进行拟合相比,该方法仅需测量一点并没有拟合工作量,提高了标定效率。
以下结合实施例附图对本申请做进一步详细描述：
附图说明
图1是调姿器位于“1”位时的示意图
图2是调姿器位于“2”位时的示意图
图3是调姿器位于“3”位时的示意图
图4是调姿器位于“4”位时的示意图
图中编号说明：1 调姿器、2 转接测量点、3 T坐标系、4 激光跟踪仪、5 J坐标系、6 第一运动模块、7 第二运动模块、8 第三运动模块、9 球窝、10 第一光栅尺、11 第二光栅尺、12第三光栅尺、13 地面
具体实施方式
参见附图，包含调姿器，调姿器1是一台刚度很强的调姿机构,不论放置在地面13还是平台上,都须具有很好的稳定性。调姿器含有第一运动模块6、第一光栅尺10、第二运动模块7、第二光栅尺11、第三运动模块8、第三光栅尺12、球窝9、转接测量点2，三个运动模块层叠式设置，并可在空间三个不同的自由度上运动，第一运动模块6、第二运动模块7、第三运动模块8的运动轨迹为直线，直线度越高，球窝中心点的标定精度就越高，三个运动模块之间的夹角可以是锐角、直角,也可以钝角。三个光栅尺分别与三个运动模块平行安装，球窝9设置在第三运动模块8末端，球窝9的外部安装有转接测量点2，使用光栅尺和激光跟踪仪4分别对四个不同位置状态下的球窝9和转接测量点2进行测量，构建球窝中心点的转接标定方法,包括以下步骤：
(1)调姿器的三个运动模块回零位，此位置记为“1”位，在“1”位进行如下操作：
(1-1)以“1”位的球窝中心点为原点，第一运动模块6方向为X向，第二运动模块7方向为Y向，第三运动模块8方向为Z向，建立调姿器坐标系T坐标系3，T坐标系3是任意角坐标系，包括斜角坐标系和直角坐标系；
(1-2)相对于调姿器坐标系T坐标系3，“1”位的球窝中心点坐标值记为[0 0 0]{T}；
(1-3)用激光跟踪仪4测量“1”位的球窝9内表面的点云坐标，并拟合出球窝中心点在激光跟踪仪坐标系J坐标系5的坐标,记为
Figure BDA0002317408780000061
(1-4)用激光跟踪仪4测量“1”位的转接测量点的坐标,记为
Figure BDA0002317408780000062
(2)将调姿器1的第一运动模块6移动A值，此位置记为“2”位，在“2”位进行如下操作：
(2-1)相对于调姿器坐标系T坐标系3，“2”位的球窝中心点坐标值记为[A 0 0]{T}；
(2-2)用激光跟踪仪4测量“2”位的球窝9内表面的点云坐标，并拟合出球窝中心点在激光跟踪仪坐标系J坐标系5的坐标,记为
Figure BDA0002317408780000063
(2-3)用激光跟踪仪4测量“2”位的转接测量点2的坐标,记为
Figure BDA0002317408780000064
(3)将第一运动模块6回零位，将第二运动模块7移动B值，此位置记为“3”位，在“3”位进行如下操作：
(3-1)相对于调姿器坐标系T坐标系3，“3”位的球窝中心点坐标值记为[0 B 0]{T}；
(3-2)用激光跟踪仪4测量“3”位的球窝内表面的点云坐标，并拟合出球窝中心点在激光跟踪仪坐标系J坐标系5的坐标,记为
Figure BDA0002317408780000065
(3-3)用激光跟踪仪4测量“3”位的转接测量点2的坐标,记为
Figure BDA0002317408780000066
(4)将第二运动模块7回零位，将第三运动模块8移动C值，此位置记为“4”位，在“4”位进行如下操作：
(4-1)相对于调姿器坐标系T坐标系3，“4”位的球窝中心点坐标值记为[0 0 C]{T}；
(4-2)用激光跟踪仪4测量“4”位的球窝9内表面的点云坐标，并拟合出球窝中心点在激光跟踪仪坐标系J坐标系5的坐标,记为
Figure BDA0002317408780000071
(4-3)用激光跟踪仪4测量“4”位的转接测量点2的坐标,记为
Figure BDA0002317408780000072
(5)激光跟踪仪坐标系J坐标系5相对于调姿器坐标系T坐标系3下的位姿关系R由下述表达式解算：
Figure BDA0002317408780000073
(6)对上述4个位置状态而言，转接测量点2相对于调姿器坐标系T坐标系3的坐标集合由下述表达式解算：
Figure BDA0002317408780000074
(7)相对于调姿器坐标系T坐标系3，转接测量点2坐标与球窝中心点坐标的差值标定，包括以下分步骤：
(7-1)上述4个位置状态的转接测量点2坐标与球窝9中心点坐标的差值，由下述表达式解算：
Figure BDA0002317408780000075
(7-2)对4个位置状态的坐标差值进行拟合，标定出转接测量点2坐标与球窝9中心点坐标的最佳拟合差值，由下述表达式进行标定：
Figure BDA0002317408780000081
(8)基于激光跟踪仪4对转接测量点2的坐标测量和最佳拟合差值，按下述表达式解算并标定出球窝中心点相对于激光跟踪仪坐标系J坐标系5的坐标值：
Figure BDA0002317408780000082
所需要的外部测量设备包括激光跟踪仪4，用来测量转接测量点2和球窝9内表面点云的相对于激光跟踪仪坐标系J坐标系的坐标值。
转接测量点2置于球窝9的外部，以便于激光跟踪仪4测量其坐标值。除了确保激光跟踪仪4有测量通路外，转接测量点2在球窝9上可以随位设置，可以在零件制造阶段加工出来，也可以在整个调姿器1安装完成后再补加工这个转接测量点。
调姿器坐标系T坐标系3是一个任意角坐标系，既可以是直角坐标系，也可以是斜角坐标系，取决于三个运动模块安装夹角，如果三个模块两两严格垂直，调姿器坐标系T坐标系3就是直角坐标系，如果有任意两个不垂直，调姿器坐标系T坐标系3就是斜角坐标系，这极大的降低了调姿器1的安装难度，降低了调姿器1的制造成本。
本申请的调姿器球窝中心点标定方法与传统的标定方法相比，其优点有：
(1)不需要传统标定方法中所用到的T-PROBE转接仪的转接测量和多点拟合，减少了转接误差和拟合误差，提高了标定精度。
(2)与传统标定方法需要测量多点并进行拟合相比,该方法仅需测量一点并没有拟合工作量,提高了标定效率。

Claims (4)

1.一种调姿器球窝中心点的标定方法，其特征在于包含调姿器，所述调姿器含有第一运动模块、第一光栅尺、第二运动模块、第二光栅尺、第三运动模块、第三光栅尺、球窝、转接测量点，三个运动模块层叠式设置，并可在空间三个不同的自由度上运动，三个光栅尺分别与三个运动模块平行安装，球窝设置在第三运动模块末端，球窝的外部安装有转接测量点，使用光栅尺和激光跟踪仪分别对四个不同位置状态下的球窝和转接测量点进行测量，构建球窝中心点的转接标定方法,包括以下步骤：
(1)调姿器的三个运动模块回零位，此位置记为“1”位，在“1”位进行如下操作：
(1-1)以“1”位的球窝中心点为原点，第一运动模块方向为X向，第二运动模块方向为Y向，第三运动模块方向为Z向，建立调姿器坐标系T坐标系；
(1-2)相对于调姿器坐标系T坐标系，“1”位的球窝中心点坐标值记为[0 0 0]{T}；
(1-3)用激光跟踪仪测量“1”位的球窝内表面的点云坐标，并拟合出球窝中心点在激光跟踪仪坐标系J坐标系的坐标,记为
Figure FDA0002902839670000011
(1-4)用激光跟踪仪测量“1”位的转接测量点的坐标,记为
Figure FDA0002902839670000012
(2)将第一运动模块移动A值，此位置记为“2”位，在“2”位进行如下操作：
(2-1)相对于调姿器坐标系T坐标系，“2”位的球窝中心点坐标值记为[A 0 0]{T}；
(2-2)用激光跟踪仪测量“2”位的球窝内表面的点云坐标，并拟合出球窝中心点在激光跟踪仪坐标系J坐标系的坐标,记为
Figure FDA0002902839670000013
(2-3)用激光跟踪仪测量“2”位的转接测量点的坐标,记为
Figure FDA0002902839670000021
(3)将第一运动模块回零位，将第二运动模块移动B值，此位置记为“3”位，在“3”位进行如下操作：
(3-1)相对于调姿器坐标系T坐标系，“3”位的球窝中心点坐标值记为[0 B 0]{T}；
(3-2)用激光跟踪仪测量“3”位的球窝内表面的点云坐标，并拟合出球窝中心点在激光跟踪仪坐标系J坐标系的坐标,记为
Figure FDA0002902839670000022
(3-3)用激光跟踪仪测量“3”位的转接测量点的坐标,记为
Figure FDA0002902839670000023
(4)将调姿器的第二运动模块回零位，将调姿器的第三运动模块移动C值，此位置记为“4”位，在“4”位进行如下操作：
(4-1)相对于调姿器坐标系T坐标系，“4”位的球窝中心点坐标值记为[0 0 C]{T}；
(4-2)用激光跟踪仪测量“4”位的球窝内表面的点云坐标，并拟合出球窝中心点在激光跟踪仪坐标系J坐标系的坐标,记为
Figure FDA0002902839670000024
(4-3)用激光跟踪仪测量“4”位的转接测量点的坐标,记为
Figure FDA0002902839670000025
(5)调姿器坐标系T坐标系在激光跟踪仪坐标系J坐标系下的映射关系R由下述表达式解算：
Figure FDA0002902839670000026
(6)对上述4个位置状态而言，转接测量点相对于调姿器坐标系T坐标系的坐标集合由下述表达式解算：
Figure FDA0002902839670000031
(7)相对于调姿器坐标系T坐标系，转接测量点坐标与球窝中心点坐标的差值标定，包括以下分步：
(7-1)上述4个位置状态的转接测量点坐标与球窝中心点坐标的差值，由下述表达式解算：
Figure FDA0002902839670000032
(7-2)对4个位置状态的坐标差值进行拟合，标定出转接测量点坐标与球窝中心点坐标的最佳拟合差值，由下述表达式进行标定：
Figure FDA0002902839670000033
(8)基于激光跟踪仪对转接测量点的坐标测量和最佳拟合差值，按下述表达式解算并标定出球窝中心点相对于激光跟踪仪坐标系J坐标系的坐标值：
Figure FDA0002902839670000034
2.根据权利要求1所述的一种调姿器球窝中心点的标定方法，其特征在于第一运动模块、第二运动模块、第三运动模块的运动轨迹为直线。
3.根据权利要求1所述的一种调姿器球窝中心点的标定方法，其特征在于三个运动模块之间的夹角可以是锐角、直角、钝角。
4.根据权利要求1所述的一种调姿器球窝中心点的标定方法，其特征在于调姿器坐标系T坐标系可以是斜角坐标系或直角坐标系。
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