CN111060063A - 一种面向机匣回转筒体类零件的自动定位找正装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向回机匣回转筒体类零件的自动定位找正装置及方法，属于航空制造与检测技术，其技术要点在于，包括位置传感器、机器视觉装置、检测控制装置、调心装置；其中，位置传感器以及机器视觉装置安装在检测控制装置末端；调心装置为中空结构，中心通过检测控制装置，安装在加工转台上；检测控制装置通过中空结构安装在加工转台上。通过本发明涉及的装置，基于位置传感器测量机匣类回转零件的N个不同截面的位置坐标数据；通过最小二乘算法拟合计算各截面的回转中心；通过调心装置调整回转体的旋转中心与转台中心同轴；根据机器视觉装置检测回转体预留的十字靶标点，计算确定回转体的实际回转角度与C轴的转角对应关系。

Description

一种面向机匣回转筒体类零件的自动定位找正装置及方法

技术领域

本发明专利涉及航空制造与检测技术领域，特别涉及一种面向机匣回转筒体类零件的自动定位找正装置及方法。

背景技术

随着航空发动机更新换代，发动机机匣的结构形式也越来越复杂，机匣表面往往设计了大量的加工特征，如加强筋、安装凸台等，通过机床外侧进行加工定位找正变得复杂困难。目前国内发动机机匣制造过程定位找正主要采用两种方法：传统的回转轴线测量方法和三坐标检测。其中，传统的回转轴线测量方法以千分表手动测试为主，通过千分表接触式测量不断调整机匣中心位置，这种方法耗费大量时间，效率低，还需要工人丰富的经验，难以满足发动机制造发展的需求。三坐标测量机也可以对实现对筒体零件的同轴度定位检测，但是三坐标测量一般独立进行测量，且主要是面向检测过程，检测后的结果难以进行实际位置调整，难以直接在加工装备上进行定位找正。

很多学者在航空发动机机匣装配过程中的同轴度检测方面进行了研究。

例如：哈尔滨工业大学提出了一种基于位置传感器的双立柱式航空发动机转子电驱动装配方法与装置，该装置通过位置传感器测量各转子同心度和垂直度，并计算得到各转子的同轴度权值，再将各转子的同轴度权值进行矢量优化，得到各转子的装配角度。

再如：中国航空工业极端公司北京航空精密机械研究所提出了一种用于测量大型环形机匣类零件的几何变形的装置，利用非接触式的测距传感器实现变形量的精确测量，并通过预算获得待测环形零件变形后的偏心位移和轮廓形状参数。

又如：北京理工大学提出了一种适用于航空发动机机匣同轴度检测和调整方法，先测量机匣个点相对于转台回转中心的位置坐标，在通过最小二乘法拟合与计算机匣的位置在台，以此测量和调整发动机上各部件的同轴度。

综合上述研究成果，现有检测方法主要面向机匣的装配、几何精度检测和同轴度 检测，所涉及的装置一般为独立的检测装置，难以安装在机匣加工装备现场，无法满足实际 加工过程中的定位找正的检测需求。

因此，有必要研究一种面向机匣回转筒体类零件的自动定位找正装置和方法。

发明内容

本发明的目的就是为了克服现有技术对航空发动机机匣制造过程定位找正困难的问题，提出一种机匣筒体类零件的自动定位找正装置及方法，能够实现对航空发动机机匣零件制造过程的自动定位找正，同时为其他筒体类零件的加工提供一种装置和方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种面向具有涂覆层的航空发动机机匣零件无基准定位找正装置，包含机器视觉装置(1)、位置传感器(2)、检测控制装置(3)、调心装置(4)；所述的机器视觉装置(1)通过传感器安装板(3-3)安装在检测控制装置(3)的姿态旋转电机；所述的位置传感器(2)通过传感器安装板(3-3)安装在检测控制装置(3)的姿态旋转电机；所述的检测控制装置(3)和调心装置固连在加工转台(5)上。

进一步，所述的检测控制装置(3)包括：传感器安装板(3-3)、姿态控制电机(3-2)、X向位置控制装置(3-1)、X向安装板(3-4)、Z向位置控制装置(3-5)、Z向导轨(3-6)、Z向安装板(3-7)、立柱(3-8)、安装台(3-9)、直驱电机(3-10)；所述的直驱电机(3-10)上端面与安装台固连，下端面与加工转台(5)固连；立柱(3-8)下端面安装台(3-8)安装在连接底座上，Z向位置控制装置(3-5)通过Z向导轨(3-6)和Z向安装板(3-7)安装在立柱上；X向位置控制装置(3-1)通过X向安装板(3-4)安装在Z向位置控制装置；姿态控制电机(3-2)固连在X向位置控制装置；传感器安装板(3-3)安装在姿态控制电机(3-2)上；检测控制装置(3)带动位置传感器(2)和机器视觉装置(1)实现X向和Z向两个方向的精确位置调整；姿态控制电机(3-2)带动位置传感器(2)和机器视觉装置(1)实现不同方向的精确指向。

进一步，所述的调心装置，包括：装置底座(4-8)、X向位移驱动机构(4-6)、两个X向导轨和滑块(4-8)、X向移动平台(4-4)、Y向位移驱动机构(4-3)、Y向导轨和滑块(4-5)；所述的装置底座(4-7)通过螺栓和定位销固连在加工转台(5)；X向位移驱动机构(4-6)固连在装置底座(4-8)上端面一侧，两个X向导轨和滑块(4-9)中的导轨固连在装置底座(4-8)上端面两侧，X向位移驱动机构(4-11)中丝杠螺母副安装在X向移动平台(4-4)下侧，两个X向导轨和滑块的滑块上端面与X向移动平台(4-4)下端面固连；Y向移驱动机构(4-3)下侧固连在X向移动平台(4-4)上端面一侧，Y向移驱动机构(4-5)中丝杠螺母副安装在工件安装平台(4-2)下侧，Y向导轨和滑块(4-6)的导轨下端面固连在X向移动平台(4-4)上端面两侧，Y向导轨和滑块(4-6)的滑块上端面与工件安装平台(4-2)下端面固连；偏心调整装置由X向位移驱动机构(4-11)和Y向位移驱动机构(4-7)实现XY方向的复合运动实现。X向移动平台置于装置底座(4-7)之上，X向位移驱动机构(4-6)与Y向的位移驱动机构(4-3)相互正交布置。

进一步，调心调倾装置中的装置底座(4-8)、X向移动平台(4-8)、工件安装平台(4-2)中间为通孔结构，检测控制装置(3)的直驱电机(3-10)通过通孔结构固连在加工转台(5)上。

一种面向机匣回转筒体类零件的自动定位找正装置方法，包括以下步骤：

S1:检测控制装置(3)控制位置传感器(2)到达指定的检测高度位置和水平位置，基于位置传感器(2)测量具有涂覆层的航空发动机机匣横截面上k个被测点相对于转台回转中心的位置坐标数据，改变不同的检测高度位置H_i，i＝1,2,…n，得到n组外圆轮廓数据；

S2:基于最小二乘法分别对n组外圆轮廓数据进行圆拟合，计算得到机匣零件的n个横截面的中心点坐标信息(x_i,y_i),i＝1,2,…n；

S3:基于最小二乘法对N个横截面中心点坐标信息(x_i,y_i),i＝1,2,…n进行线性拟合，计算得到机匣零件的轴线方程o’(x,y)；

S4：根据机匣零件的轴线方程o’(x,y)和C轴转台的位置基准轴线O(x,y)，计算零件的偏心距(Δx,Δy)。

S5：将S4中计算的零件的偏心距(Δx,Δy)反馈给调心装置，调心装置将自动调整零件旋转中心和旋转轴线与加工转台中心和基准轴线重合。

S6：基于机器视觉的回转角度检测装置，检测机匣零件顶端预留的标记点，确定机匣实际转角与C轴转角的一一对应关系。

采用上述技术方案，与现有技术相比，优点包括以下几点。

第一，本发明提供的一种机匣筒体类零件的自动定位找正装置和方法，能够通过 非接触的测量快速完成发动机机匣加工安装过程中的定位检测和快速找正两个功能。

第二，本发明提供的装置位于机匣筒体内部，整体结构紧凑，有效的避免了机匣筒 体外表面各类加工特征对于定位检测的影响，也避免了外部检测所带来的检测装置较大且 与机床加工产生干涉的问题。本发明提供的装置安装在机匣加工装备工作台上，定位找正 后可以直接进行加工。

第三，本发明提供的装置和方法不需要零件在初始安装过程中有严格位置精度要 求，只需要将航空发动机机匣零件放置安装在加工指定的位置范围即可，并且先完成装夹 后进行调整，可以避免由于装夹带来的位置误差，可以极大的避免由于工人操作水平带来 的零件安装误差。

第四，本发明涉及的方法能够自动实现零件位置偏心计算，并通过装置中调心装 置进行快速调整，定位找正过程不需要人员参与，对工人的经验要求低，并可以的节省大量 的安装准备时间，大大提高发动机效率。

附图说明：

图1为本发明一种机匣筒体类零件的自动定位找正装置示意图。

图2为本发明一种机匣筒体类零件的自动定位找正装置示意图主视图。

图3为本发明的检测控制装置的爆炸图。

图4为本发明的调心装置的爆炸图。

图1-4中，1-机器视觉装置，2-位置传感器，3-检测控制装置，4-调心装置，3-3-传感器安装板，5-加工转台，3-2-姿态控制电机、3-1-X向位置控制装置、3-4-X向安装板、3-5-Z向位置控制装置、3-6-Z向导轨、3-7-Z向安装板、3-8-立柱、3-9-安装台、3-10-直驱电机、4-1-零件安装压板、4-2工件安装平台、4-3-Y向位移驱动机构、4-4-X向移动平台、4-5-Y向导轨和滑块、4-6-X向位移驱动机构、4-7-装置底座、4-8-X向导轨和滑块。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及有点更加清楚明白，以下结合附图进行详细说明。

如图1-4所示，一种面向具有涂覆层的航空发动机机匣零件无基准定位找正装置，包括机器视觉装置1、位置传感器2、检测控制装置3、调心装置4；所述的机器视觉装置1通过传感器安装板3-3安装在检测控制装置3的姿态旋转电机；所述的位置传感器2通过传感器安装板3-3安装在检测控制装置3的姿态旋转电机，可实现筒体类零件的位置测量。所述的检测控制装置3和调心装置安装在加工转台5上，并与加工转台5的同轴度在规定的误差范围内。其中，机器视觉装置1可以通过零件上的十字靶标点或者其他标定加工特征和几何特征进行机匣筒体类零件的周向定位。位置传感器2可以根据实际需求采用光电位移传感器、电磁位移传感器、激光位移传感器、超声位移传感器和接触式压力位移传感器，测量到机匣筒体内壁与实际旋转中心的距离，为后续旋转中心计算提供数据。

所述的检测控制装置3包括：传感器安装板3-3、姿态控制电机3-2、X向位置控制装置3-1、X向安装板3-4、Z向位置控制装置3-5、Z向导轨3-6、Z向安装板3-7、立柱3-8、安装台3-9、直驱电机3-10；所述的直驱电机3-10上端面与安装台固连，下端面与加工转台5固连；立柱3-8下端面安装台3-8安装在连接底座上，Z向位置控制装置3-5通过Z向导轨3-6和Z向安装板3-7安装在立柱上；X向位置控制装置3-1通过X向安装板3-4安装在Z向位置控制装置；姿态控制电机3-2固连在X向位置控制装置；传感器安装板3-3安装在姿态控制电机3-2上；检测控制装置3带动位置传感器2和机器视觉装置1实现X向和Z向两个方向的精确位置调整；姿态控制电机3-2带动位置传感器2和机器视觉装置1实现不同方向的精确指向；在具体检测过程中，直驱电机3-10带动检测控制装置实现绕C轴方向的360°旋转，用于实现被测筒体零件圆周方向任意位置的测量；X向位置控制装置3-1带动机器视觉装置1、位置传感器2在轴向运动，使其达到最佳的测量工作空间，可以适应不同半径的筒体零件检测需求；Z向位置控制装置带动机器视觉装置1、位置传感器2延Z方向上下移动，既可以用于被测筒体不同截面高度位置的加工测量，也可以用于适应不同高度的筒体零件。

所述的调心装置，包括：装置底座4-8、X向位移驱动机构4-6、两个X向导轨和滑块4-8、X向移动平台4-4、Y向位移驱动机构4-3、Y向导轨和滑块4-5；所述的装置底座4-7通过螺栓和定位销固连在加工转台5；X向位移驱动机构4-6固连在装置底座4-8上端面一侧，两个X向导轨和滑块4-9中的导轨固连在装置底座4-8上端面两侧，X向位移驱动机构4-11中丝杠螺母副安装在X向移动平台4-4下侧，两个X向导轨和滑块的滑块上端面与X向移动平台4-4下端面固连；Y向移驱动机构4-3下侧固连在X向移动平台4-4上端面一侧，Y向移驱动机构4-5中丝杠螺母副安装在工件安装平台4-2下侧，Y向导轨和滑块4-6)的导轨下端面固连在X向移动平台4-4上端面两侧，Y向导轨和滑块(4-6)的滑块上端面与工件安装平台4-2下端面固连；偏心调整装置由X向位移驱动机构4-11和Y向位移驱动机构4-7实现XY方向的复合运动实现。X向移动平台置于装置底座4-7之上，X向位移驱动机构4-6与Y向的位移驱动机构4-3相互正交布置。调心调倾装置中的装置底座4-8、X向移动平台4-8、工件安装平台4-2中间为通孔结构，检测控制装置3的直驱电机3-10通过通孔结构固连在加工转台5上。

所述的X向位移驱动机构4-6包括电机、减速器、联轴器、丝杠、丝杠螺母副，与两个X向导轨和滑块4-8共同构成丝杠滑块导轨组件，带动X向移动平台实现X轴方向的位移。

所述的Y向位移驱动机构4-3包括电机、减速器、联轴器、丝杠、丝杠螺母副，与两个Y向导轨和滑块4-5共同构成丝杠滑块导轨组件，带动工件安装平台4-2实现X轴方向的位移。

所述的检测控制装置、调心装置与机床加工转台的具有严格的安装定位要求，可以建立检测控制装置、调心装置工件坐标系与机床坐标系一一对应关系。

本发明的一种面向具有涂覆层的航空发动机机匣零件的定位找正方法，具体方法流程为：

S1：通过吊装的方式将具有涂覆层的机匣零件放置在调心装置4的工件安装平台4-2，利用四个零件安装压板4-1将机匣零件压紧。

S2：控制检测控制装置Z向位置控制装置3-5将电涡流传感器2调整到指定界面高度；

S3：控制检测控制装置X向位置控制装置3-1将电涡流传感器2靠近机匣筒体内部达到可检测的位置；

S4：控制检测控制装置3控制直驱电机3-10转动，电涡流传感器2测量不同转角位置时，基于电涡流传感器测量具有涂覆层的航空发动机机匣横截面上k个被测点相对于转台回转中心的位置坐标数据，改变不同的检测高度位置H_i，i＝1,2,…n，得到n组外圆轮廓数据；。

S5：重复S2-S4，可以获得不同截面的筒体内壁轮廓数据。

S6:基于最小二乘法分别对n组外圆轮廓数据进行圆拟合，计算得到机匣零件的n个横截面的中心点坐标信息(x_i,y_i),i＝1,2,…n；

S7:基于最小二乘法对N个横截面中心点坐标信息(x_i,y_i),i＝1,2,…n进行线性拟合，计算得到机匣零件的轴线方程o’(x,y)；

S8：根据机匣零件的轴线方程o’(x,y)和C轴转台的位置基准轴线O(x,y)，计算零件的偏心距(Δx,Δy)。

S9：将S4中计算的零件的偏心距(Δx,Δy)反馈给调心装置，调心装置将自动调整零件旋转中心和旋转轴线与加工转台中心和基准轴线重合。

S10:调心装置根据S9中的反馈数据，自动调整零件旋转中心和旋转轴线与加工转台中心和基准轴线重合，实现机匣旋转中心与加工转台同轴。

S11：基于机器视觉的回转角度检测装置，检测机匣零件顶端预留的标记点，确定机匣实际转角与C轴转角的一一对应关系。

S12：机匣零件筒体类零件被定位找正完成，可开始后续的制造加工。

在实际的制造生产过程中，本发明中的调心装置也可以通过手动完成，即操作人员可以根据位置传感器的测量的与机匣筒体类零件内侧壁的距离读数，实时的调整筒体旋转中心与C轴选选中心同轴，以达到方便快捷的目的。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种面向具有涂覆层的航空发动机机匣零件无基准定位找正装置，其特征在于，

包括：机器视觉装置(1)、位置传感器(2)、检测控制装置(3)、调心装置(4)、加工转台(5)；

其中，所述的检测控制装置(3)包括：传感器安装板(3-3)、姿态控制电机(3-2)；

其中，所述的机器视觉装置(1)通过传感器安装板(3-3)安装在检测控制装置(3)的姿态旋转电机(3-2)上；

其中，所述的位置传感器(2)通过传感器安装板(3-3)安装在检测控制装置(3)的姿态旋转电机(3-2)上；

其中，所述的检测控制装置(3)和调心装置(4)固连在加工转台(5)上。

2.如权利要求1所述的一种面向具有涂覆层的航空发动机机匣零件无基准定位找正装置，其特征在于，所述的检测控制装置(3)还包括：X向位置控制装置(3-1)、X向安装板(3-4)、Z向位置控制装置(3-5)、Z向导轨(3-6)、Z向安装板(3-7)、立柱(3-8)、安装台(3-9)、直驱电机(3-10)；

其中，所述的直驱电机(3-10)上端面与安装台固连，下端面与加工转台(5)固连；立柱(3-8)下端面安装台(3-8)安装在连接底座上，Z向位置控制装置(3-5)通过Z向导轨(3-6)和Z向安装板(3-7)安装在立柱上；X向位置控制装置(3-1)通过X向安装板(3-4)安装在Z向位置控制装置；姿态控制电机(3-2)固连在X向位置控制装置；传感器安装板(3-3)安装在姿态控制电机(3-2)上；检测控制装置(3)带动位置传感器(2)和机器视觉装置(1)实现X向和Z向两个方向的精确位置调整；姿态控制电机(3-2)带动位置传感器(2)和机器视觉装置(1)实现不同方向的精确指向。

3.如权利要求2所述的一种面向具有涂覆层的航空发动机机匣零件无基准定位找正装置，其特征在于，所述的调心装置，包括：装置底座(4-8)、X向位移驱动机构(4-6)、两个X向导轨和滑块(4-8)、X向移动平台(4-4)、Y向位移驱动机构(4-3)、Y向导轨和滑块(4-5)。

4.如权利要求3所述的一种面向具有涂覆层的航空发动机机匣零件无基准定位找正装置，其特征在于，所述的装置底座(4-7)通过螺栓和定位销固连在加工转台(5)。

5.如权利要求4所述的一种面向具有涂覆层的航空发动机机匣零件无基准定位找正装置，其特征在于，X向位移驱动机构(4-6)固连在装置底座(4-8)上端面一侧，两个X向导轨和滑块(4-9)中的导轨固连在装置底座(4-8)上端面两侧，X向位移驱动机构(4-11)中丝杠螺母副安装在X向移动平台(4-4)下侧，两个X向导轨和滑块的滑块上端面与X向移动平台(4-4)下端面固连；Y向移驱动机构(4-3)下侧固连在X向移动平台(4-4)上端面一侧，Y向移驱动机构(4-5)中丝杠螺母副安装在工件安装平台(4-2)下侧，Y向导轨和滑块(4-6)的导轨下端面固连在X向移动平台(4-4)上端面两侧，Y向导轨和滑块(4-6)的滑块上端面与工件安装平台(4-2)下端面固连。

6.如权利要求5所述的一种面向具有涂覆层的航空发动机机匣零件无基准定位找正装置，其特征在于，偏心调整装置由X向位移驱动机构(4-11)和Y向位移驱动机构(4-7)实现XY方向的复合运动实现。

7.如权利要求6所述的一种面向具有涂覆层的航空发动机机匣零件无基准定位找正装置，其特征在于，X向移动平台置于装置底座(4-7)之上，X向位移驱动机构(4-6)与Y向的位移驱动机构(4-3)相互正交布置。

8.如权利要求7所述的一种面向具有涂覆层的航空发动机机匣零件无基准定位找正装置，其特征在于，调心调倾装置中的装置底座(4-8)、X向移动平台(4-8)、工件安装平台(4-2)中间为通孔结构，检测控制装置(3)的直驱电机(3-10)通过通孔结构固连在加工转台(5)上。

9.一种面向机匣回转筒体类零件的自动定位找正装置方法，其特征在于，其使用如权利要求1-7任意一项所述的一种面向具有涂覆层的航空发动机机匣零件无基准定位找正装置；

包括以下步骤：

S1:检测控制装置(3)控制位置传感器(2)到达指定的检测高度位置和水平位置，基于位置传感器(2)测量具有涂覆层的航空发动机机匣横截面上k个被测点相对于转台回转中心的位置坐标数据，改变不同的检测高度位置H_i，i＝1,2,…n，得到n组外圆轮廓数据；

S2:基于最小二乘法分别对n组外圆轮廓数据进行圆拟合，计算得到机匣零件的n个横截面的中心点坐标信息(x_i,y_i),i＝1,2,…n；

S3:基于最小二乘法对N个横截面中心点坐标信息(x_i,y_i),i＝1,2,…n进行线性拟合，计算得到机匣零件的轴线方程o,(x,y)；

S4：根据机匣零件的轴线方程o,(x,y)和C轴转台的位置基准轴线O(x,y)，计算零件的偏心距(Δx,Δy)；

S5：将S4中计算的零件的偏心距(Δx,Δy)反馈给调心装置，调心装置将自动调整零件旋转中心和旋转轴线与加工转台中心和基准轴线重合；

S6：基于机器视觉的回转角度检测装置，检测机匣零件顶端预留的标记点，确定机匣实际转角与C轴转角的一一对应关系。

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