CN111502863B - 一种液氧煤油火箭发动机大部件对接自动测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种液氧煤油火箭发动机大部件对接自动测量方法，包括以下步骤：将测量系统与搬运机器人系统进行统一标定，建立全局坐标系；对工件进行三维扫描，从点云数据中提取得到全局坐标系下特征点坐标值；基于涡轮泵目标位姿解算出机器人末端工具目标位姿。该方法克服了由于产品轮廓不规则、尺寸差异较大而产生的对接基准测量困难和由此导致的对接自动化程度低下的问题，实现了液氧煤油火箭发动机基于特征点三维测量的全自动高精度对接。方法应用于发动机涡轮泵与推力室对接过程各大部件位姿的测量，是一种可自动完成特征点三维测量并根据测量结果引导搬运机器人完成对接的方法。

Description

一种液氧煤油火箭发动机大部件对接自动测量方法

技术领域

本发明涉及一种液氧煤油火箭发动机大部件对接自动测量方法，应用于液氧煤油火箭发动机涡轮泵和推力室对接过程各部件位姿的测量，是一种可自动完成特征点三维测量并根据测量结果引导搬运机器人完成对接的方法。

背景技术

液体火箭发动机是航天弹、箭、星、船、器的“心脏”，被誉为航天发展的基石。液氧煤油火箭发动机是我国新一代运载火箭长征5、长征6、长征7的主动力装置，具有大推力、高性能、高可靠性、绿色环保等优点。

在火箭发动机制造过程中，其主体不是整体加工，而是通过分段制造，然后再在总装环节把各大型构件装配连接在一起。大部件对接是发动机总装过程的首个环节，其对接效果直接影响后续装配工作乃至产品最终质量。但目前装配手段主要是由操作人员使用工装、标准模板、样件、量规等工具并结合工艺补偿的方式来保证结构件间的协调对接，这种对接方式基准定位困难、调节难度大、精度低、受人为因素影响大，导致制造周期长、可靠性差。

随着国内航天航空企业越来越重视对产品装配质量和装配效率的提高，大部件自动对接装备研制逐渐成为热点研究问题。其中高精度的测量方法更是实现大部件自动化对接的核心要素。但由于航天航空器大部件尺寸通常非常大且测量基准分散，通常使用的高精度测量方法如激光跟踪仪、室内GPS等需要操作人员使用靶球逐一对基准点进行测量，过程繁琐，测量效率低，难以实现自动化测量。为实现自动测量，众多厂商研究采用多个视觉传感器组建定制化视觉测量系统实现大型物体三维空间尺寸测量的方法，但由于系统内部传感器众多，导致系统标定工作众多、使用繁琐、不易维护，且系统昂贵，难以得到推广。

MetraScan与C-Track是一种典型的三维测量设备。其中MetraScan是creaform公司的一个三维光学扫描头，通过多线激光实现对物体表面的扫描；C-Track是creaform公司的一个双目视觉传感，可实时跟踪MetraScan，并利用三角测距法计算MetraScan在空间中的位置，从而构建扫描部件的三维点云信息。但此类三维扫描设备大多用于三维逆向建模以及工件表面加工误差分析等场合，对于产品轮廓不规则、尺寸差异较大类型产品对接基准点的自动测量，并基于基准点间约束关系引导机器人完成对接操作等方面应用仍有欠缺。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种液氧煤油火箭发动机大部件对接自动测量方法，一种基于三维扫描设备、六轴工业机器人以及数据处理软件实现液氧煤油火箭发动机大型部件特征点三维测量并能够引导搬运机器人完成大部件对接操作的新方法。该方法克服了由于产品轮廓不规则、尺寸差异较大而产生的对接基准测量困难和由此导致的对接自动化程度低下的问题，达到液氧煤油火箭发动机基于特征点三维测量的全自动高精度对接的目的。

技术方案

一种液氧煤油火箭发动机大部件对接自动测量方法，其特征在于：搬运机器人夹持调姿部件涡轮泵与静止部件推力室的对接测量，步骤如下：

步骤1：将测量系统与对接工业机器人系统进行统一标定，建立全局坐标系：

1、在测量坐标系下使对接工业机器人分别绕一轴和二轴做圆周运动得到圆O₁与圆O₂；

2、分别提取两个圆O₁与圆O₂过圆心的法线F₁与F₂作为全局坐标系的Z轴与Y轴；

3、将F₁与F₂的公垂线F₃与F₁的交点向下偏移1100mm得到全局坐标系原点P₁；

步骤2：采用测量工业机器人带动扫描头执行扫描轨迹，扫描轨迹采用示教器示教方式确定，实现对涡轮泵与静止部件推力室进行三维测量得到点云数据，从点云数据中提取得到全局坐标系下特征点坐标值：

1、建立特征部位三维模型，使用Polyworks软件抽取点云文件中各特征部位特征点数据，并分别保存为：涡轮泵特征点集{P₁}，{P₁}是涡轮泵对接约束条件所定义的特征点本，含有5个特征点：推力室摇摆轴线端点E、推力室摇摆轴线端点F、推力室轴线端点B、推力室轴线端点A、推力室接口点I；推力室特征点集{P₂}，{P₂}是涡轮泵对接约束条件所定义的特征点，含有6个特征点：涡轮泵中部法兰圆心点H、涡轮泵轴线端点C、涡轮泵底部法兰圆心点G、涡轮泵轴线端点CC、涡轮泵对接点接口点J；

2、利用点云数据向三维模型对齐时的变换矩阵R，求取特征点集{P₁}与{P₂}在全局坐标系下的特征点集{P₁'}与{P₂'}，其计算公式为：

{P₁'}＝R₁ ^-1·{P₁}

{P₂'}＝R₂ ^-1·{P₂}

其中R₁是PolyWork软件中推力室点云数据向模型数据对齐的齐次矩阵，R₂是PolyWork软件中涡轮泵点云数据向模型数据对齐的齐次矩阵；

步骤3、基于涡轮泵目标位姿解算出对接机器人末端工具目标位姿：

1、在全局坐标系下求取对接机器人工具坐标系表征点：坐标系原点P_m，x轴任意点P_mx，z轴任意点P_mz；

2、通过约束{P₁}与{P₂}特征点间位姿关系得到对接机器人工具坐标系目标位姿表征点P_m’、P_mz’、P_mx’；

3、利用P_mz’-P_m’建立对接机器人目标位置工具坐标系Z轴，P_mx’-P_m’建立对接机器人目标位置工具坐标系X轴，P_m’作为搬运机器人目标坐标值；

步骤4：搬运机器人夹持涡轮泵按照所计算P_m’进行调姿定位，完成对接动作。

所述三维扫描采用creaform公司的MetraScan三维扫描设备和C-Track双目视觉系统。

有益效果

本发明提出的一种液氧煤油火箭发动机大部件对接自动测量方法，包括以下步骤：将测量系统与搬运机器人系统进行统一标定，建立全局坐标系；对工件进行三维扫描，从点云数据中提取得到全局坐标系下特征点坐标值；基于涡轮泵目标位姿解算出机器人末端工具目标位姿。该方法克服了由于产品轮廓不规则、尺寸差异较大而产生的对接基准测量困难和由此导致的对接自动化程度低下的问题，实现了液氧煤油火箭发动机基于特征点三维测量的全自动高精度对接。方法应用于发动机涡轮泵与推力室对接过程各大部件位姿的测量，是一种可自动完成特征点三维测量并根据测量结果引导搬运机器人完成对接的方法。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.通过坐标系标定将测量坐标系与搬运机器人坐标系统一，特征点提取后通过逆变换即可得到特征点在搬运机器人基坐标系下的坐标，方便进行下一步的对接指导作业。

2.在统一坐标系下，基于涡轮泵目标位姿解算出机器人末端工具目标位姿，进而推算出搬运机器人TCS(Tool Control System)控制变量，从而实现对接动作，该方法设计简单容易实现，计算速度快具有很强实的实时性。

附图说明

图1：测量系统结构图；

图2：测量方法流程图；

图3：坐标系统一标定原理图；

图4：位姿约束原理图

图5：搬运机器人夹持调姿部件涡轮泵与静止部件推力室的对接测量示意图

图6：涡轮泵特征点集{P₁}，{P₁}是涡轮泵发的特征点示意图

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

图1所示是测量系统结构图，硬件主要包含三维扫描系统、工控机与搬运机器人系统三部分，三维扫描设备与工控机之间通过以太网连接，搬运机器人系统通过MxAutomation通讯协议与工控机连接。

三维扫描系统包括C-Track、MetraScan、测量机器人、机器人控制器与IO-Module等硬件。其中C-Track与MetraScan是三维扫描设备，MetraScan安装在测量机器人上，测量机器人按照示教轨迹围绕被测工件运行实现对被测工件的三维扫描；IO-Module是一个I/O信号模块，该模块通过I/O信号与测量机器人控制器连接，可以将MetraScan与C-Track的扫描状态反馈给测量机器人，同时也可以控制MetraScan与C-Track的工作状态。

工控机上安装有VX-Element、PolyWorks等软件。其中VX-Element软件用于接收MetraScan扫描到的点云数据并处理成STL文件，同时该软件通过VX-IO插件与IO-Module之间通过TCP/IP协议传输MetraScan与C-Track的工作状态与控制指令。扫描生成的STL文件传入PolyWorks软件进行特征点提取，通过编写自动提取宏程序实现特征点的自动提取，提取出的特征点以txt文件形式作为测量算法的输入并将换算后的特征点以txt文件的形式输出，位姿约束程序读取测量算法输出的特征点txt文件后，将特征点目标位置以txt文件形式输入到机器人位姿生成算法，所生成机器人位置点以MxAutomation控制协议控制对接机器人运行。

如图2测量方法流程图所示，当测量系统进行整体校准结束后进行测量坐标系标定，使测量坐标系与涡轮泵夹取机器人极坐标系重合。标定结束后对推力室进行三维扫描，扫描结束后利用三维模型与点云数据提取推力室母线顶点、摇摆轴顶点与法兰中心等特征点点集{P₁}，并获取点云数据向三维模型对齐时的变换矩阵R₁。然后对涡轮泵进行三维扫描，扫描结束后利用三维模型与点云数据提取涡轮泵母线顶点与法兰中心等特征点点集{P₂}，并获取点云数据向三维模型对齐时的变换矩阵R₂。计算全局坐标系下的坐标值{P₁'}与{P₂'}后将{P₁'}与{P₂'}输入UG对接程序得到涡轮泵特征点目标值，对该目标值进行机器人姿态解算得到机器人目标姿态。对接作业结束后，对涡轮泵重新进行三维扫描，利用涡轮泵-推力室装配体三维模型提取出涡轮泵母线顶点、摇摆轴母线顶点与法兰圆心等特征点，结合之前推力室三维点云数据与涡轮泵-推力室装配体三维模型进行对齐，提取推力室母线顶点与法兰圆心等特征点。根据计算推力室母线与涡轮泵母线的平行度I与母线间距D，根据装配工艺要求判断是否满足I＜0.5，|D-D₀|＜1mm其中D₀为设计标准值。若满足装配工艺要求则结束测量，若不满足则根据测量结果再次进行对接。

(1)坐标系标定方法

如图3坐标系统一标定流程图所示，在测量坐标系下使机器人分别绕一轴和二轴做圆周运动得到圆O₁与圆O₂通过提取过圆心的法线F₁与F₂作为新坐标系的Z轴与Y轴，将F₁与F₂的公垂线F₃与F₁的交点向下偏移1100mm得到坐标系原点P₁。

(2)特征点提取方法

推力室母线下顶点使用推力室托盘平面α₁与推力室下椎体相交得到圆O₃，提取圆O₃圆心P₃作为下顶点。将推力室托盘平面α₁向上偏移一定距离得到平面α₂，推力室中段圆柱面与平面α₂相交得到圆O₄，提取圆O₄圆心P₄作为推力室母线上顶点。推力室与涡轮泵法兰中心点采用法兰外加工平面与法兰内加工球面相交得到相交圆，提取该圆的圆心作为法兰中心点。

(3)特征点集{P₁}与{P₂}在全局坐标系下的坐标值{P₁'}与{P₂'}的计算公式为：

{P₁'}＝R₁ ^-1·{P₁} (1)

{P₂'}＝R₂ ^-1·{P₂} (2)

其中R₁是PolyWork软件中推力室点云数据向模型数据对齐的齐次矩阵，R₂是PolyWork软件中涡轮泵点云数据向模型数据对齐的齐次矩阵。

(4)机器人目标位置解算算法

如图4位姿约束原理图所示，在涡轮泵测量位置P_m让抓取机器人沿机器人工具坐标系Z轴正向移动50mm记下该位置坐标记为P_mz，在涡轮泵测量位置P_m让抓取机器人沿机器人工具坐标系X轴正向移动50mm记下该位置坐标记为P_mx，将P_m、P_mz、P_mx跟随{P₂'}输入位姿约束程序得到P_m’、P_mz’、P_mx’，利用P_mz’-P_m’建立抓取机器人目标位置工具坐标系Z轴，P_mx’-P_m’建立抓取机器人目标位置工具坐标系X轴，P_m’作为抓取机器人目标坐标值。

Claims (2)

1.一种液氧煤油火箭发动机大部件对接自动测量方法，其特征在于：搬运机器人夹持调姿部件涡轮泵与静止部件推力室的对接测量，步骤如下：

步骤1：将测量系统与对接工业机器人系统进行统一标定，建立全局坐标系：

(1)在测量坐标系下使对接工业机器人分别绕一轴和二轴做圆周运动得到圆O₁与圆O₂；

(2)分别提取两个圆O₁与圆O₂过圆心的法线F₁与F₂作为全局坐标系的Z轴与Y轴；

(3)将F₁与F₂的公垂线F₃与F₁的交点向下偏移1100mm得到全局坐标系原点P₁；

步骤2：采用测量工业机器人带动扫描头执行扫描轨迹，扫描轨迹采用示教器示教方式确定，实现对涡轮泵与静止部件推力室进行三维测量得到点云数据，从点云数据中提取得到全局坐标系下特征点坐标值：

(1)建立特征部位三维模型，使用Polyworks软件抽取点云文件中各特征部位特征点数据，并分别保存为：推力室特征点集{P₁}，{P₁}是推力室对接约束条件所定义的特征点，含有5个特征点：推力室摇摆轴线端点E、推力室摇摆轴线端点F、推力室轴线端点B、推力室轴线端点A、推力室接口点I；涡轮泵特征点集{P₂}，{P₂}是涡轮泵对接约束条件所定义的特征点，含有5个特征点：涡轮泵中部法兰圆心点H、涡轮泵轴线端点C、涡轮泵底部法兰圆心点G、涡轮泵轴线端点CC、涡轮泵对接点接口点J；

(2)利用点云数据向三维模型对齐时的变换矩阵R，求取特征点集{P₁}与{P₂}在全局坐标系下的特征点集{P₁'}与{P₂'}，其计算公式为：

{P₁'}＝R₁ ^-1·{P₁}

{P₂'}＝R₂ ^-1·{P₂}

其中R₁是PolyWork软件中推力室点云数据向模型数据对齐的齐次矩阵，R₂是PolyWork软件中涡轮泵点云数据向模型数据对齐的齐次矩阵；

步骤3、基于涡轮泵目标位姿解算出对接机器人末端工具目标位姿：

(1)在全局坐标系下求取对接机器人工具坐标系表征点：坐标系原点P_m，x轴任意点P_mx，z轴任意点P_mz；

(2)通过约束{P₁}与{P₂}特征点间位姿关系得到对接机器人工具坐标系目标位姿表征点P_m’、P_mz’、P_mx’；

(3)利用P_mz’-P_m’建立对接机器人目标位置工具坐标系Z轴，P_mx’-P_m’建立对接机器人目标位置工具坐标系X轴，P_m’作为搬运机器人目标坐标值；

步骤4：搬运机器人夹持涡轮泵按照所计算P_m’进行调姿定位，完成对接动作。

2.根据权利要求1所述液氧煤油火箭发动机大部件对接自动测量方法，其特征在于：所述三维测量采用creaform公司的MetraScan三维扫描设备和C-Track双目视觉系统。

Images