CN112747672A

CN112747672A - 一种用于发动机机匣装配的空间位姿检测与调整方法

Info

Publication number: CN112747672A
Application number: CN202011469037.0A
Authority: CN
Inventors: 周垚; 郑心豪; 金鑫; 张忠清; 张之敬; 郝娟
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT; Beijing Power Machinery Institute
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT; Beijing Power Machinery Institute
Priority date: 2020-12-14
Filing date: 2020-12-14
Publication date: 2021-05-04

Abstract

本发明公开了一种用于发动机机匣装配的空间位姿检测与调整方法，属于制造质量预测与控制技术领域。该方法实现的步骤包括：步骤一、对机匣的装配面分区域后利用检测调整装置带动激光传感器进行数据采集；步骤二：根据采集的数据拟合出机匣端面的位姿信息；步骤三：判断机匣的位姿是否满足装配的要求，如果满足则结束，如果不满足，给出偏移量信息由检测调整装置对发动机机匣进行位姿调整，返回步骤一重新检测和调整。本发明采用间接测量的方式，通过测量机匣的法兰端面到基准面的距离，来判断端面与基准面的平行度，能够提高检测环节的自动化程度和测量效率。

Description

一种用于发动机机匣装配的空间位姿检测与调整方法

技术领域

本发明涉及一种适用于发动机机匣装配位姿检测和调整的方法，属于制造质量预测与控制技术领域。

背景技术

随着我国军事工业的迅速发展，以航空发动机、导弹、火箭为主的大型国防产品研发进度日益加快。基于其需要高速飞行的工作环境，产品自身的气密性至关重要。因此，在总装过程中对产品的装配对准精度提出了极高的要求。

目前核心机大多数采用手动装配，为了实现自动化装配，则需要检测出装配过程中零件的位姿，并加以调整，才能满足装配的位置要求。常见的测量方法有接触式测量和非接触式测量两种。接触式测量主要通过千分表接触机匣来确定其姿态，但存在损伤工件和不易于自动化的缺陷。非接触式测量虽然可不接触工件，但没有较为成熟的方法来拟合出产品的位姿信息，因此就很难实现自动化的装配。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种用于发动机机匣装配的空间位姿检测与调整方法，该方法采用间接测量的方式，通过测量机匣的法兰端面到基准面的距离，来判断端面与基准面的平行度，能够提高检测环节的自动化程度和测量效率。

一种用于发动机机匣装配的空间位姿检测与调整方法，该方法实现的步骤如下：

步骤一、对机匣的装配面分区域后利用检测调整装置带动激光传感器进行数据采集；

步骤二：根据采集的数据拟合出机匣端面的位姿信息；

步骤三：判断机匣的位姿是否满足装配的要求，如果满足则结束，如果不满足，给出偏移量信息由检测调整装置对发动机机匣进行位姿调整，返回步骤一重新检测和调整。

进一步地，所述检测调整装置包括立柱、机匣夹持机构、机匣姿态调整机构、传感器支架和传感器运动单元；

所述立柱上安装有机匣姿态调整机构，机匣夹持机构安装在机匣姿态调整机构上，机匣被夹持在机匣夹持机构上，机匣姿态调整机构具有两个转动自由度，机匣姿态调整机构实现对机匣姿态的调节；所述传感器支架通过安装座安装在立柱一侧，传感器运动单元安装在传感器支架上，传感器运动单元具有三个彼此正交的运动自由度，传感器运动单元带动其上的激光传感器在机匣下方运动进行数据采集。

进一步地，所述步骤一中，将机匣装配面划分为多个区域，移动激光传感器到区域中心点，设定n个数据采集位置，分别记录该位置的激光器示数；在一次数据采集的过程中，不同区域的数据采集点彼此分离并应均匀分布在机匣表面。

进一步地，所述步骤二中，数据拟合前先建立XYZ坐标系，该坐标系根据传感器运动单元的运动方向建立，Z坐标轴的正方向竖直向上，X坐标轴的正方向沿导轨指向装配工位，根据右手定则即可确定Y轴正方向；激光光路竖直向上，激光传感器检测位置与机匣上测点的XY两坐标相同，激光传感器采集到的数据即为测点在检测坐标系的Z向坐标。

进一步地，所述步骤二中拟合机匣端面的位姿信息的过程是先使用最小二乘法拟合待装配机匣下表面的空间表示方程，计算其平面法向量，然后根据平面法向量计算并显示机匣端面相对于水平面X，Y两个方向的俯仰角α和偏航角β。

有益效果：

1、本发明的空间位姿检测与调整方法将传感器的检测位置和示数实时与计算机相连，免去了人工读数、计数、计算，减少了工人操作，提高了检测精度与装配自动化程度。

2、本发明利用数学计算和最小二乘法拟合保证每次机匣端面平面拟合的准确性和机匣调整量的准确性；能够精确地提供机匣装配端面的位姿信息和零件调整参考，保证测量精度，达到测量目的，可以实现后续装配对机匣位姿的要求。

3、本发明检测调整装置中的机匣夹持机构可以实现两旋转自由度的位姿调整，传感器的运动由传感器运动单元实现，数据可自动采集，示数准确。

附图说明

图1为本发明空间位姿检测与调整方法的步骤流程图；

图2为检测调整装置及坐标系示意图；

图3为机匣姿态合格结果显示图；

图4为机匣姿态不合格结果显示图。

其中：1-立柱、2-机匣夹持机构、3-机匣、4-机匣姿态调整机构、5-传感器运动单元、6-传感器支架。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种用于发动机机匣装配的空间位姿检测与调整方法，结合某航空发动机的生产装配实际，实现本方案的具体流程如图1所示：

步骤一、装配面分区域数据采集

将待装配机匣固定于装配工位，将激光传感器固定于旋转转台上，光路竖直向上。将机匣装配面划分为8个区域(根据实际情况不同，区域的数量与相对位置关系可变)，移动激光传感器到区域中心点，设定n个数据采集位置，分别记录该位置的激光器示数。在一次数据采集的过程中，不同区域的数据采集点彼此分离并应均匀分布在机匣表面。

步骤二，数据处理并显示计算结果。

数据处理的目的是得出发动机待装配机匣各被测量点的空间三维坐标和计算拟合机匣端面的位姿信息，并且判定该机匣的位姿是否满足装配的要求，如果不满足，给出偏移量信息由调整机构进行位姿调整。

进行数据处理前首先需要建立XYZ坐标系。该坐标系根据检测模块的运动建立，Z坐标轴的正方向竖直向上，X坐标轴的正方向沿导轨指向装配工位，根据右手定则即可确定Y轴正方向。搭建的基于激光传感器运动方向的检测坐标系如图2所示。

因为激光光路竖直向上，激光传感器检测位置与机匣上测点的XY两坐标相同，激光传感器采集到的数据即为测点在检测坐标系的Z向坐标。由此测点的三维坐标即可确定，使用最小二乘法拟合待装配机匣下表面的空间表示方程，计算其平面法向量。

以将平面划分为8大区域，每个区域采集1个点为例。

设定目标拟合平面方程为：

Z＝a₀X+a₁Y+a₂

其中a₀和a₁为平面姿态参数，决定了该平面的法向量e:

e＝(a₀,a₁，-1)

a₂为平面位置参数，决定该拟合平面的竖直高度。

设采集点A₁、A₂……A₈的坐标为(x₁，y₁，z₁)、(x₂，y₂，z₂)……(x₈，y₈，z₈)。

则拟合目标函数为：

要是目标函数S值最小，需要满足

即

等效为解线性方程组：

之后可以根据步骤二得出的法向量，计算并显示机匣端面相对于水平面X，Y两个方向的俯仰角α和偏航角β:

α＝arcsin(a₀)

β＝arcsin(a₁)

当机匣端面位置姿态满足装配对位的要求时，测量结束。当不满足时，进入下一步骤进行调整。

步骤三，端面平行度调整。

根据步骤二得到机匣端面相对于水平面X，Y两个方向的俯仰角α和偏航角β，判断机匣位姿是否满足后续装配要求。如不满足，机匣夹持机构需要有对应的两个转动自由度进行调整，使待装配机匣端面调整后与水平面平行。为确保机匣待装配端面姿态检测合格，调整后应重新测量一次，如此循环直到机匣位姿满足要求为止。当机匣端面不能满足平行度要求且被测件无法调整时，机匣应重新夹持。

本方法是先基于检测模块的三个直线运动方向建立坐标系，通过运动控制系统得到机匣各测点在水平面上的投影坐标，再结合激光传感器的示数得到各测点在此坐标系中的三维坐标，最后通过最小二乘法拟合得到机匣的位姿信息，以达到测量和调整机匣端面平行度的目的。而得到各测点三维坐标需要每次测量时激光传感器的位置都处于同一平面，如此便可以在后续拟合的过程中直接带入传感器位置坐标和示数。为了实现测量，可以用一套检测调整装置来保证传感器的运动精度和定位精度。为描述具体的实施方式，本发明提供一种可行但非唯一的机械设备模型。同时为了实现该方法的自动化测量和调整，采用激光传感器、光电开关和电机编码器与电脑实时通讯的方式实现采集数据、处理数据、显示结果、位姿调整等工作。此计算机编程基于MATLAB的DAQ数据采集工具箱、GUI和其它相关模块。

本方法提供的其中一种机械结构模型为：

检测调整装置如图2所示，将激光传感器通过传感器支架6固定在传感器运动单元5上，传感器运动单元5具有三个彼此正交的运动自由度，沿其运动方向确定坐标系X、Y、Z轴方向。将机匣姿态调整机构4安装在立柱1上，该机构具有两个转动自由度，可以通过夹持机构带动机匣绕X、Y方向旋转实现机匣姿态调整。

同时为说明测量工程中的最小二乘拟合过程，现给出一组实际测量数据。将机匣区域分为8个，取各区域中心点设为测量位置，则0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°八个方向的8个点坐标如表一。其中包含了由8个测点和各个测点的传感器示数组成的三维坐标数组。

本方法具体为：

步骤一，机匣装夹和准备工作：

利用水平仪调整检测模块，使激光激发平面近似水平。系统上电，机匣提前安装至装配工位，夹爪移动到夹持位置带动机匣运动到待检测位置，激光传感器移动到检测位置附近，最后操作计算机程序准备测量。

步骤二，数据采集和数据储存：

提前标定好激光传感器的测量位置，确保检测光点可以落在机匣环面，并且检测距离在传感器量程内。数据采集开始，检测模块依次运动到8个测量区域的预定测点位置，记录此时传感器的位置和示数并传输测量结果至计算机，并以Excel表格形式储存。

步骤三，数据处理和结果显示：

进行数据处理前首先需要建立XYZ坐标系。该坐标系根据检测模块的运动基点建立，以直线运动单元基座端点为坐标系原点，Z坐标轴的正方向竖直向上，X坐标轴的正方向沿导轨指向装配工位，根据右手定则即可确定Y轴正方向。

建立坐标系后，根据已知的8组激光传感器位置和测得的8组传感器示数得出机匣上各被测点在该坐标系中的坐标值，如表1。

表一机匣姿态合格测点坐标值

得到8个点的坐标后，下一步需要使用最小二乘法对机匣端面空间平面进行拟合并求得拟合平面的空间法向量。

根据空间直线与平面夹角公式可以求得该拟合平面相对于水平面X，Y两个方向的俯仰角α为0.084°和偏航角β为0.772°，α和β都符合后续装配对机匣倾角小于1°的要求(为了体现测量的灵活性，不同的机匣装配应设定不同的倾角限制要求。)，机匣姿态满足要求，结果显示如图3所示。

当机匣端面平行度满足要求时，测量结束。当不满足时，例如图4所示,则进入下一步骤进行调整。坐标数据是通过生产实际中检测位姿不合格机匣得到的，其具体数据如表2所示。

表二机匣姿态不合格测点坐标值

步骤四，实时显示与机匣姿态调整

如果不满足端面平行度要求，如图4所示，计算机会将该步骤计算得出的俯仰角α和偏航角β传输给运动控制系统，电机转动带动机匣夹持机构实现机匣位姿的两自由度调整。

此次调整完毕。为保证机匣位姿调整的有效性，此时应从步骤二开始重新测量，如此循环直到某次步骤三中计算机显示“合格”，此时机匣测量与调整结束。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种用于发动机机匣装配的空间位姿检测与调整方法，其特征在于，该方法实现的步骤如下：

步骤二：根据采集的数据拟合出机匣端面的位姿信息；

2.如权利要求1所述用于发动机机匣装配的空间位姿检测与调整方法，其特征在于，所述检测调整装置包括立柱、机匣夹持机构、机匣姿态调整机构、传感器支架和传感器运动单元；

3.如权利要求2所述用于发动机机匣装配的空间位姿检测与调整方法，其特征在于，所述步骤一中，将机匣装配面划分为多个区域，移动激光传感器到区域中心点，设定n个数据采集位置，分别记录该位置的激光器示数；在一次数据采集的过程中，不同区域的数据采集点彼此分离并应均匀分布在机匣表面。

4.如权利要求3所述用于发动机机匣装配的空间位姿检测与调整方法，其特征在于，所述步骤二中，数据拟合前先建立XYZ坐标系，该坐标系根据传感器运动单元的运动方向建立，Z坐标轴的正方向竖直向上，X坐标轴的正方向沿导轨指向装配工位，根据右手定则即可确定Y轴正方向；激光光路竖直向上，激光传感器检测位置与机匣上测点的XY两坐标相同，激光传感器采集到的数据即为测点在检测坐标系的Z向坐标。

5.如权利要求4所述用于发动机机匣装配的空间位姿检测与调整方法，其特征在于，所述步骤二中拟合机匣端面的位姿信息的过程是先使用最小二乘法拟合待装配机匣下表面的空间表示方程，计算其平面法向量，然后根据平面法向量计算并显示机匣端面相对于水平面X，Y两个方向的俯仰角α和偏航角β。