CN113188492B - 一种三点式结构装配精度实时监测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三点式结构装配精度实时监测装置及方法，其中装置包括三台便携式坐标测量机，与三套便携式坐标测量机数据通信的上位机，所述的上位机内运行有数据分析模块；所述三套便携式坐标测量机获取公共基准特征的坐标、环境中基准特征的位置信息以及装配件基准特征的位置信息并输出；所述数据分析模块接收三套便携式坐标测量机传送的数据信息计算局部坐标系与全局坐标系的转换关系从而获得装配件的装配精度；方法中采用三个便携式坐标测量机协同测量，可实时反映装配过程中装配件的位置信息和装配精度，便于装配件的位置调整，缩短装配时间，另外便携式坐标测量机坐标测量机具有体积小，安装灵活，使用方便和精度高的特点。

Description

一种三点式结构装配精度实时监测装置及方法

技术领域

本发明涉及大型结构试验装配精度检测领域，尤其涉及一种三点式结构装配精度实时监测装置及方法。

背景技术

地面考核逐渐接近承载极限且更为关注大型试验的量化结果，因此对试验系统的装配、测量的精度要求增高；针对不同环境下的装配要求与基准存在差异，试验件装配后部分基准不能被测量的情况，因此需要更为灵活和适应性强的测量方法；大型结构试验台架、工装、试验件、加载装置和传感器等相互间的装配精度对试验结果影响较大，其中试验件装配过程中的角度很难精确地定量调整，改进装配技术及方法，对获取精准可信的实验数据具有重要的意义。

传统方式借助于工装精度，配合传统的测量工具，如塞尺、游标卡尺、量角器等进行校准定位，其装配精度有限且依赖于技术人员个体技术水平，难以确保大型台架、工装和试验件相对位置的准确性，更缺少定量化的监控手段，装配精度难以定量调控。近年来，光学定位测量技术逐步发展，出现采用激光跟踪设备对装配件定位的方法，但该方法仍具有许多的局限性，如激光跟踪设备价格昂贵，为实现装配件的定位需要多台激光跟踪设备，这极大的增加了装配的成本；激光跟踪设备与监控点之间不能有障碍物，因此对装配位置及空间大小都有一定的要求，且随着测量距离的增大，其精度会降低；此外环境的电磁信号和光线都会对激光跟踪设备产生一定的影响，这些缺陷使得该方法不能得到广泛应用。

发明内容

根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种三点式结构装配精度实时监测装置，包括：三台便携式坐标测量机，与三套便携式坐标测量机数据通信的上位机，所述的上位机内运行有数据分析模块；

所述三套便携式坐标测量机获取公共基准特征的坐标、环境中基准特征的位置信息以及装配件基准特征的位置信息并输出；

所述数据分析模块接收三套便携式坐标测量机传送的数据信息计算局部坐标系与全局坐标系的转换关系从而获得装配件的装配精度；

其中每台便携式坐标测量机包括基座，所述基座内设置有用于定位的高精度锥形孔，所述基座上固定连接有开关式磁力座，所述开关式磁力座上固定连接有底座，所述底座上安装有一台便携式坐标测量机，所述便携式坐标测量机的端部固定连接有球形测头，该便携式坐标测量机还包括定位标准座，所述定位标准座与装配件相连接，其中在基座的左右两侧分别设置有三个高精度锥形孔。

一种三点式结构装配精度实时监测装置的监测方法，包括如下步骤：

建立三台便携式坐标测量机移动前后位置的转换关系，在装配件上安装定位标准座，其中每个定位标准座至少有一台便携式坐标测量机与之对应；

获取公共基准特征的坐标：设三台便携式坐标测量机编号为A、B、C，建立两组转换关系从而控制三台便携式坐标测量机的坐标系统一，则需建立AB和BC的转换关系，需分别用便携式坐标测量机A和便携式坐标测量机B测量公共基准特征AB₁、AB₂、…、AB_n(n≥3)得到基准特征在便携式坐标测量机A的局部坐标系下的坐标AB_1-1、AB_2-1、…、AB_n-1和在便携式坐标测量机B的局部坐标系下的坐标AB_1-2、AB_2-2、…、AB_n-2；同理得到便携式坐标测量机B和便携式坐标测量机C的公共基准特征BC₁、BC₂、…、BC_n在便携式坐标测量机B的局部坐标系下的坐标BC_1-1、BC_2-1、…、BC_n-1和在便携式坐标测量机C的局部坐标系下的坐标BC_1-2、BC_2-2、…、BC_n-2；

计算三台便携式坐标测量机的坐标系转换关系：根据三台便携式坐标测量机测得的两组公共基准特征的坐标，计算两两便携式坐标测量机的局部坐标系之间的转换关系；由坐标AB_1-1、AB_2-1、…、AB_n-1和坐标AB_1-2、AB_2-2、…、AB_n-2计算便携式坐标测量机A的局部坐标系到便携式坐标测量机B的局部坐标系的位移矩阵和旋转矩阵，得到转换关系1；由坐标BC_1-1、BC_2-1、…、BC_n-1和坐标BC_1-2、BC_2-2、…、BC_n-2计算便携式坐标测量机C的局部坐标系到便携式坐标测量机B的局部坐标系的位移矩阵和旋转矩阵、得到转换关系2；

获取环境中基准特征的位置信息：读取选定环境的基准特征的理论位置，使用任意的便携式坐标测量机测量各基准特征，通过获取的转换关系获得基准特征在便携式坐标测量机B的局部坐标系下的坐标b_1-1、b_2-1、…、b_n-1(n≥3)

计算局部坐标系与全局坐标系的转换关系

以环境坐标系为全局坐标系，已知基准特征在全局坐标系中的坐标为b_1-0、b_2-0、…、b_n-0，结合便携式坐标测量机B的局部坐标系下测得的坐标b_1-1、b_2-1、…、b_n-1计算便携式坐标测量机B的局部坐标系到全局坐标系的位移矩阵和旋转矩阵得到转换关系3，通过转换关系1、转换关系2和转换关系3可将三台便携式坐标测量机测得的坐标转换成全局坐标系下的坐标；

获得装配件基准特征的位置信息，通过坐标系转换关系获得基准特征在便携式坐标测量机B的局部坐标系下的坐标m_1-1、m_2-1、…、m_n-1(n≥3)；

计算便携式坐标测量机坐标与装配件坐标的转换关系4；

计算理想位置装配件坐标与全局坐标系坐标的转换关系5；

获取定位标准座位置信息：三台便携式坐标测量机分别测量对应的定位标准座、获取定位标准座在各便携式坐标测量机局部坐标系下的坐标n₁、n₂、n₃，通过对应的转换关系转换关系1和转换关系2获得各定位标准座在便携式坐标测量机B局部坐标系下的坐标n_1-1、n_2-1、n_3-1，再通过转换关系4获得各定位标准座在装配件局部坐标系下的坐标n_1-2、n_2-2、n_3-2，根据转换关系5获得各定位标准座在全局坐标系下的理论坐标n_1-0、n_2-0、n_3-0；各便携式坐标测量机B局部坐标系下的坐标n_1-1、n_2-1、n_3-1经转换关系3获得定位标准座在全局坐标系下的实际坐标n_1-3、n_2-3、n_3-3；

计算装配件的装配精度：根据定位标准座在全局坐标系下的理论坐标n_1-0、n_2-0、n_3-0和实际坐标n_1-3、n_2-3、n_3-3，用最小二乘法拟合出的实际位置，计算装配件在全局坐标系下的实际位置相对于理论位置的偏差，即在全局坐标系下X轴、Y轴、Z轴方向的位移偏差和绕三个坐标轴的角度偏差，从而获得装配精度；

根据试验要求的装配精度判断此刻装配精度是否满足要求，如精度满足要求，则装配结束；如精度不满足要求，则依据调控向量对装配件进行调控。由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种三点式结构装配精度实时监测装置及方法，方法中采用三便携式坐标测量机协同测量，可实时反映装配过程中装配件的位置信息和装配精度，便于装配件的位置调整，缩短装配时间，另外便携式坐标测量机坐标测量机具有体积小，安装灵活，使用方便和精度高的特点，使用其确定基准特征的位置，因此该方法针对于不同的环境均具有良好的适应性，能定量监控大型试验系统级装配精度，在调整装配件位置过程中可实现对装配件位置的实时跟踪测量，计算装配误差，并给出新的装配调控方案，能有效降低系统间装配误差和测点位置误差所带来的测试精度损失，能够提高装配效率和精度。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为三点式结构装配精度实时监测装置的结构原理图。

图2为本发明便携式坐标测量机的结构示意图。

图3为本发明方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：

如图1和图2所示的一种三点式结构装配精度实时监测装置，包括：三台便携式坐标测量机、多个定位标准座、导线若干、稳压电源、一个专用的上位机，其中上位机内运行有数据分析模块。其中三台便携式坐标测量机将检测到的公共基准特征的坐标、环境中基准特征的位置信息以及装配件基准特征的位置信息传送给上位机的数据分析模块，其中数据分析模块接收三套便携式坐标测量机传送的数据信息计算局部坐标系与全局坐标系的转换关系从而获得装配件的装配精度。

其中每台便携式坐标测量机包括放置便携式坐标测量机7的基座腿1，基座2，基座2上配有用于定位的高精度锥形孔3-1(每一侧有三个锥形孔，可通过这三个孔的位置进行坐标系的转换)，开关式磁力座4-1吸附固定在基座2上，便携式坐标测量机的底座和开关式磁力座4-1之间用螺栓6-1连接固定，在底座5上安装便携式坐标测量机7，便携式坐标测量机7采用球形测头8，每套便携式坐标测量机均配有定位标准座9-10，定位标准座9-10分为两类，为胶粘式定位标准座9，磁吸式定位标准座10，定位标准座上均有定位用的高精度锥形孔。

如图2所示的一种三点式结构装配精度实时监测方法，具体采用如下方式：

S1:前期仪器准备

以试验平台上装配圆筒为例，需先将圆筒放置在平台上中心的大致位置上，在平台上分散安装三台便携式坐标测量机，其位置要满足至少有两组便携式坐标测量机能够测到彼此基座上公共的基准特征三处以上。连接导线，启动设备及软件，确保能实时获取便携式坐标测量机测头的位置信息，在便携式坐标测量机的测量范围内给装配件安装定位标准座，每个定位标准座都有一台便携式坐标测量机与之对应。

S2:获取公共基准特征的坐标

将便携式坐标测量机依次编号为A、B、C，现将便携式坐标测量机B的坐标系规定为统一坐标系，则需建立AB和BC的转换关系，需分别用便携式坐标测量机A和便携式坐标测量机B测量公共基准特征AB₁、AB₂、AB₃得到三个基准特征在便携式坐标测量机A的局部坐标系下的坐标AB_1-1、AB_2-1、AB_3-1和在便携式坐标测量机B的局部坐标系下的坐标AB_1-2、AB_2-2、AB_3-2。同理得到便携式坐标测量机B和便携式坐标测量机C的公共基准特征BC₁、BC₂、BC₃在便携式坐标测量机B的局部坐标系下的坐标BC_1-1、BC_2-1、BC_3-1和在便携式坐标测量机C的局部坐标系下的坐标BC_1-2、BC_2-2、BC_3-2。

S3:计算三台便携式坐标测量机坐标系的转换关系

根据三台便携式坐标测量机测得的两组公共基准特征的坐标，计算两两便携式坐标测量机的局部坐标系之间的转换关系，具体步骤如下：

由坐标AB_1-1、AB_2-1、AB_3-1和坐标AB_1-2、AB_2-2、AB_3-2计算便携式坐标测量机A的局部坐标系到便携式坐标测量机B的局部坐标系的位移矩阵和旋转矩阵，得到转换关系1；由坐标BC_1-1、BC_2-1、BC_3-1和坐标BC_1-2、BC_2-2、BC_3-2计算便携式坐标测量机C的局部坐标系到便携式坐标测量机B的局部坐标系的位移矩阵和旋转矩阵，得到转换关系2。

S4:获取环境中基准特征的位置信息

根据图纸装配关系，选择三个及以上的试验台的基准特征，这些特征须尽可能均匀分布在装配环境中，保证这些特征能准确表征环境坐标系的位置，已知选定环境的基准特征的理论位置(环境坐标系下的坐标)，使用任意的便携式坐标测量机测量各基准特征，通过S3中的转换关系可得基准特征在便携式坐标测量机B的局部坐标系下的坐标B_1-1、B_2-1、B_3-1、B_4-1。

S5:计算局部坐标系与全局坐标系的转换关系

以试验台坐标系为全局坐标系，已知基准特征在全局坐标系中的坐标为B_1-0、B_2-0、B_3-0、B_4-0，结合便携式坐标测量机B的局部坐标系下测得的坐标B_1-1、B_2-1、B_3-1、B_4-1计算便携式坐标测量机B的局部坐标系到全局坐标系的位移矩阵和旋转矩阵得到转换关系3。通过转换关系1、转换关系2和转换关系3可将三台便携式坐标测量机测得的坐标转换成全局坐标系下的坐标。

S6:获得装配件基准特征的位置信息

使用任意的便携式坐标测量机测量圆筒中已知理论坐标的基准特征a、b、c、d，这些特征须尽可能均匀分布在圆筒上，保证这些特征能准确表征圆筒坐标系的位置，通过S3)中的转换关系可得基准特征在便携式坐标测量机B的局部坐标系下的坐标a₁、b₁、c₁、d₁。

S7:计算便携式坐标测量机坐标(局部坐标系)与装配件坐标(局部坐标系)的转换关系

已知各基准特征在圆筒局部坐标系下的理论坐标a₀、b₀、c₀、d₀，结合便携式坐标测量机测得对应基准特征在便携式坐标测量机B局部坐标系下的实际坐标a₁、b₁、c₁、d₁，计算便携式坐标测量机B的坐标(局部坐标系)与圆筒的坐标(局部坐标系)之间的转换关系4。

S8:计算理想位置装配件坐标(局部坐标系)与全局坐标系坐标的转换关系

装配件安装在理想位置时，其各点在装配件局部坐标系下坐标和在全局坐标系下的坐标均可知，在装配件上任意选取3个点w₁、w₂、w₃，根据其在装配件局部坐标系下坐标w_1-2、w_2-2、w_3-2和在全局坐标系下的坐标w_1-0、w_2-0、w_3-0计算装配件局部坐标系到全局坐标系的平移矩阵和旋转矩阵，得到转换关系5。

S9：获取定位标准座位置信息

三台便携式坐标测量机分别测量对应的定位标准座，获取定位标准座在各便携式坐标测量机局部坐标系下的坐标n₁、n₂、n₃，通过对应的转换关系(转换关系1/2)可获得各定位标准座在便携式坐标测量机B局部坐标系下的坐标n_1-1、n_2-1、n_3-1，再通过转换关系4可获得各定位标准座在装配件局部坐标系下的坐标n_1-2、n_2-2、n_3-2，经转换关系5可获得各定位标准座在全局坐标系下的理论坐标n_1-0、n_2-0、n_3-0；各便携式坐标测量机B局部坐标系下的坐标n_1-1、n_2-1、n_3-1经转换关系3可得定位标准座在全局坐标系下的实际坐标n_1-3、n_2-3、n_3-3。

S10：计算装配件的装配精度

根据定位标准座在全局坐标系下的理论坐标n_1-0、n_2-0、n_3-0和实际坐标n_1-3、n_2-3、n_3-3，用最小二乘法拟合出的实际位置，计算圆筒在全局坐标系下的实际位置相对于理论位置的偏差，即在全局坐标系下X轴、Y轴、Z轴方向的位移偏差和绕三个坐标轴的角度偏差，从而获得装配精度。

S11：判断装配精度是否满足要求

根据试验要求的装配精度判断此刻装配精度是否满足要求，如若精度满足要求，则装配结束；如若精度不满足要求，则依据调控向量对圆筒进行调控，具体操作步骤为：

1.分别将便携式坐标测量机的测头固定在对应的定位标准座上。

2.由便携式坐标测量机实时输出定位标准座的坐标信息，并根据转换关系计算各定位标准座在全局坐标系下的实际位置n’_1-3、n’_2-3、n’_3-3，结合理论位置n_1-0、n_2-0、n_3-0计算装配精度，专用电脑上实时显示需调控的位移和旋转角度。

3.根据显示的调控向量对圆筒的位置进行调整，直至装配精度满足要求。

4.取消便携式坐标测量机的测头与定位标准座间的固定，并卸下固定在圆筒上的定位标准座，装配完成。

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，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种三点式结构装配精度实时监测装置，其特征在于包括：三台便携式坐标测量机，与三套便携式坐标测量机数据通信的上位机，所述的上位机内运行有数据分析模块；

所述三套便携式坐标测量机获取公共基准特征的坐标、环境中基准特征的位置信息以及装配件基准特征的位置信息并输出；

所述数据分析模块接收三套便携式坐标测量机传送的数据信息计算局部坐标系与全局坐标系的转换关系从而获得装配件的装配精度；

其中每台便携式坐标测量机包括基座(2)，所述基座(2)内设置有用于定位的高精度锥形孔(3-1)，所述基座(2)上固定连接有开关式磁力座(4-1)，所述开关式磁力座(4-1)上固定连接有底座(5)，所述底座(5)上安装有一台便携式坐标测量机(7)，所述便携式坐标测量机(7)的端部固定连接有球形测头(8)，该便携式坐标测量机还包括定位标准座(9-10)，所述定位标准座(9-10)与装配件相连接，其中在基座(2)的左右两侧分别设置有三个高精度锥形孔(3-1)；

一种三点式结构装配精度实时监测装置的监测方法，其特征在于包括：

建立三台便携式坐标测量机(7)移动前后位置的转换关系，在装配件上安装定位标准座(9-10)，其中每个定位标准座(9-10)至少有一台便携式坐标测量机(7)与之对应；

获取公共基准特征的坐标：设三台便携式坐标测量机编号为A、B、C，建立两组转换关系从而控制三台便携式坐标测量机(7)的坐标系统一，则需建立AB和BC的转换关系，需分别用便携式坐标测量机A和便携式坐标测量机B测量公共基准特征AB₁、AB₂、…、AB_n得到基准特征在便携式坐标测量机A的局部坐标系下的坐标AB_1-1、AB_2-1、…、AB_n-1和在便携式坐标测量机B的局部坐标系下的坐标AB_1-2、AB_2-2、…、AB_n-2，其中n≥3同理得到便携式坐标测量机B和便携式坐标测量机C的公共基准特征BC₁、BC₂、…、BC_n在便携式坐标测量机B的局部坐标系下的坐标BC_1-1、BC_2-1、…、BC_n-1和在便携式坐标测量机C的局部坐标系下的坐标BC_1-2、BC_2-2、…、BC_n-2；

计算三台便携式坐标测量机的坐标系转换关系：根据三台便携式坐标测量机测得的两组公共基准特征的坐标，计算两两便携式坐标测量机的局部坐标系之间的转换关系；由坐标AB_1-1、AB_2-1、…、AB_n-1和坐标AB_1-2、AB_2-2、…、AB_n-2计算便携式坐标测量机A的局部坐标系到便携式坐标测量机B的局部坐标系的位移矩阵和旋转矩阵，得到转换关系1；由坐标BC_1-1、BC_2-1、…、BC_n-1和坐标BC_1-2、BC_2-2、…、BC_n-2计算便携式坐标测量机C的局部坐标系到便携式坐标测量机B的局部坐标系的位移矩阵和旋转矩阵、得到转换关系2；

获取环境中基准特征的位置信息：读取选定环境的基准特征的理论位置，使用任意的便携式坐标测量机测量各基准特征，通过获取的转换关系获得基准特征在便携式坐标测量机B的局部坐标系下的坐标b_1-1、b_2-1、…、b_n-1，其中n≥3；

计算局部坐标系与全局坐标系的转换关系：以环境坐标系为全局坐标系，已知基准特征在全局坐标系中的坐标为b_1-0、b_2-0、…、b_n-0，结合便携式坐标测量机B的局部坐标系下测得的坐标b_1-1、b_2-1、…、b_n-1计算便携式坐标测量机B的局部坐标系到全局坐标系的位移矩阵和旋转矩阵得到转换关系3，通过转换关系1、转换关系2和转换关系3可将三台便携式坐标测量机测得的坐标转换成全局坐标系下的坐标；

获得装配件基准特征的位置信息，通过坐标系转换关系获得基准特征在便携式坐标测量机B的局部坐标系下的坐标m_1-1、m_2-1、…、m_n-1，其中n≥3；

计算便携式坐标测量机坐标与装配件坐标的转换关系4；

计算理想位置装配件坐标与全局坐标系坐标的转换关系5；

获取定位标准座位置信息：三台便携式坐标测量机分别测量对应的定位标准座、获取定位标准座在各便携式坐标测量机局部坐标系下的坐标n₁、n₂、n₃，通过对应的转换关系转换关系1和转换关系2获得各定位标准座在便携式坐标测量机B局部坐标系下的坐标n_1-1、n_2-1、n_3-1，再通过转换关系4获得各定位标准座在装配件局部坐标系下的坐标n_1-2、n_2-2、n_3-2，根据转换关系5获得各定位标准座在全局坐标系下的理论坐标n_1-0、n_2-0、n_3-0；各便携式坐标测量机B局部坐标系下的坐标n_1-1、n_2-1、n_3-1经转换关系3获得定位标准座在全局坐标系下的实际坐标n_1-3、n_2-3、n_3-3；

计算装配件的装配精度：根据定位标准座在全局坐标系下的理论坐标n_1-0、n_2-0、n_3-0和实际坐标n_1-3、n_2-3、n_3-3，用最小二乘法拟合出的实际位置，计算装配件在全局坐标系下的实际位置相对于理论位置的偏差，即在全局坐标系下X轴、Y轴、Z轴方向的位移偏差和绕三个坐标轴的角度偏差，从而获得装配精度；

根据试验要求的装配精度判断此刻装配精度是否满足要求，如精度满足要求，则装配结束；如精度不满足要求，则依据调控向量对装配件进行调控。

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