CN114963993B - 一种航天发动机基本面姿态测量与零位调整量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及航天发动机装配领域，具体地说是一种航天发动机基本面姿态测量与零位调整量方法，具体为：步骤一：建立测量坐标系T_CO；步骤二：建立初始电缸坐标系T_L1O，并将T_L1O的原点标定到压头位置得到电缸坐标系T_L1；步骤三：在T_CO下跟踪并提取所有调整电缸压头的轴线；步骤四：在T_CO下提取静止体的基准轴线；步骤五：使激光测距传感器与基本面距离相等，读取调整电缸压头上的动态靶板坐标值并计算当前基本面与静止体基准轴线夹角；步骤六：以最低的调整电缸压头位置及工件轴线为基准计算与工件轴线垂直的垂直平面，获得调整电缸的零位调整量；步骤七：控制各个调整电缸压头同步向下运动直到压力传感器发出信号，步骤八：零位确认。本发明缩减了基本面测量与调整时间。

Description

一种航天发动机基本面姿态测量与零位调整量方法

技术领域

本发明涉及航天发动机装配领域，具体地说是一种航天发动机基本面姿态测量与零位调整量方法。

背景技术

航天发动机装配时对发动机轴线与常平座基本面的夹角有严格要求，其中轴线与基本面垂直的位姿称为零位，发动机装配过程中对零位要求十分严格，传统装配方法利用工装及人工调整装配角度，每次调整过后采用激光跟踪仪对基本面姿态进行测量，若不满足要求则再次进行手动调节，调节过程中只能根据当前角度凭经验调节，每次位姿测量及调整零位的时间都要进行数小时，对生产效率影响较大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种航天发动机基本面姿态测量与零位调整量方法，大大缩减了航天发动机安装基本面的测量与调整时间。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种航天发动机基本面姿态测量与零位调整量方法，包括多个调整电缸，各个调整电缸上安装带反光标识的动态靶板、力传感器以及激光测距传感器，装配设备上设有带反光标识的固定靶板，包括如下步骤：

步骤一：以固定靶板为基准建立双目视觉系统的测量坐标系T_CO；

步骤二：利用调整电缸上安装的反光标识动态靶板在双目视觉坐标系下建立初始电缸坐标系T_L1O，并将初始电缸坐标系T_L1O的原点标定到调整电缸压头位置得到电缸坐标系T_L1；

步骤三：在测量坐标系T_CO下跟踪调整电缸的移动轨迹，并提取所有调整电缸压头的轴线；

步骤四：在双目视觉系统的测量坐标系T_CO下提取静止体的基准轴线；

步骤五：控制各个调整电缸向下移动，直到所有激光测距传感器与当前基本面距离相等时为止，系统读取各个调整电缸压头上的动态靶板坐标值并计算当前基本面与静止体基准轴线夹角；

步骤六：以最低的调整电缸压头位置及工件轴线为基准计算与工件轴线垂直的垂直平面，并计算其余各个调整电缸到所述垂直平面的距离，获得其余各个调整电缸的零位调整量；

步骤七：根据步骤六中获得的零位调整量控制各个调整电缸压头同步向下运动，直到各个压力传感器发出信号使系统控制调整电缸停止，此时达到基准面与活动体轴线垂直的零位状态；

步骤八：采用步骤五中的基本面与静止体基准轴线夹角检测方法检测当前基准面与静止体基准轴线夹角，若满足零位要求则结束调整，若不满足要求则回到步骤六进一步进行调整。

步骤二中，构建电缸坐标系T_L1流程具体为：使用三维扫描设备获取调整电缸压头上的动态靶板靶点，并利用所述动态靶板上的四个点P₁P₂P₃P₄建立动态坐标系T_L1O，并在所述动态坐标系T_L1O下获取该调整电缸压头的三维数据，提取该调整电缸压头圆心在所述动态坐标系T_L1O下的坐标

最后将所述动态坐标系T_L1O的原点偏移到

构建电缸坐标系T_L1。

步骤三中，调整电缸压头轴线的提取过程如下：让调整电缸压头移动一段距离并获得该调整电缸压头的移动轨迹点集{P₁P₂…P_n}，采用最小二乘法对轨迹点进行拟合，从而提取出该调整电缸压头轴线l₁＝[a₁ b₁ c₁]^T。

步骤三中，采用最小二乘法对轨迹点进行拟合的过程如下：

假设所求取的直线方程为l＝A+dD，则未知直线求取方法为：

(1)、对所有轨迹数据点求平均值：

令

(2)、令

(3)、令

(4)、列出方程式f＝D^TSD；

(5)、求解S的特征值与特征向量，S对应最小特征值的特征向量就是D的值。

步骤四中，静止体基准轴线获取过程如下：利用三维扫描仪扫描静止体圆柱结构的上下两个断面获得圆C₁与圆C₂，提取圆C₁与圆C₂的圆心O₁与O₂，则基准轴线

步骤五中，当前基本面与静止体基准轴线夹角计算过程如下：

(1)、调整电缸压头调整到位，此时所有激光测距传感器与基本面距离相等，系统读取所有调整电缸压头当前位置；

(2)、利用其中三个调整电缸压头位置点P_Y1,P_Y2,P_Y3计算调整电缸压头所形成平面的法线：

l_plane＝(P_Y2-P_Y1)×(P_Y3-P_Y1)；

此法线同时也是当前基本面法线；

(3)、当前基准面与基准轴线的夹角为：

本发明的优点与积极效果为：

本发明能够准确获得各个调整电缸的零位调整量，并精确控制航天发动机安装基本面的调整，大大缩减了航天发动机安装基本面的测量与调整时间。

附图说明

图1为本发明的工作状态示意图，

图2为图1中航天发动机装配时的零位定义示意图，

图3为图1中的调整电缸示意图，

图4为图3中的调整电缸压头坐标系标定过程示意图，

图5为调整电缸压头零位调整量计算示意图，

图6为基准线获取方法示意图，

图7为压头轴线提取示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详述。

如图1～6所示，本发明装置包括多个调整电缸，各个调整电缸上安装带反光标识的动态靶板、力传感器以及激光测距传感器，且如图3所示，激光位移传感器安装要求保证激光发射面距离调整电缸压头顶点的距离为定值d，在装配设备上合适位置布置带反光标识的固定靶板。所述调整电缸、带反光标识的靶板、力传感器以及激光测距传感器均为本领域公知技术。

关于零位定义通常是指：具有活动轴的大型结构件其活动轴两端结合后需要有一个初始状态，将这个初始状态就定义为该设备的零位状态，如图2所示，本发明零位状态定义如下：活动轴上端存在一个机加的活动基本面，活动轴下端为多段圆柱与锥形复合结构的静止体，当活动体轴线与基本面垂直时定义该状态为零位状态。

本发明包括如下步骤：

步骤一：以固定靶板为基准建立双目视觉系统的测量坐标系T_CO，此为本领域公知技术。

步骤二：利用调整电缸上安装的反光标识动态靶板在双目视觉坐标系下建立初始电缸坐标系T_L1O，并将初始电缸坐标系T_L1O的原点标定到调整电缸压头位置得到电缸坐标系T_L1，具体为：

如图3～4所示，首先获取调整电缸压头与动态坐标系的关系，使用三维扫描设备(本实施例使用creamform公司的c-track与MetroScan)获取调整电缸压头上的动态靶板靶点，并利用动态靶板上的四个点P₁ P₂ P₃ P₄建立动态坐标系T_L1O，并在所述动态坐标系T_L1O下获取该调整电缸压头的三维数据，提取该调整电缸压头圆心在所述动态坐标系T_L1O下的坐标

(本实施例使用polywork软件实现)，最后将所述动态坐标系T_L1O的原点偏移到

构建电缸坐标系T_L1。

以任一调整电缸压头为例，进一步详述构建流程：

(1)、如图4所示，在测量坐标系T_CO下获取动态靶板上P₁ P₂ P₃ P₄四点坐标，计算向量：

(2)、利用向量

作为动态坐标系T_L1O的Z轴，

作为动态坐标系T_L1O的Y轴，P₁作为动态坐标系T_L1O的原点构建坐标系：

(3)、利用该调整电缸压头圆心在所述动态坐标系T_L1O下的坐标

构建平移矩阵：

则该调整电缸的电缸坐标系T_L1＝T_L1O×Trans；

其他调整电缸压头也按照此方法标定。

步骤三：在测量坐标系T_CO下跟踪调整电缸的移动轨迹，并提取所有调整电缸压头的轴线。

调整电缸压头轴线的提取过程如下：

让调整电缸压头移动一段距离，并利用双目跟踪仪获得该调整电缸压头的移动轨迹点集{P₁P₂…P_n}，采用最小二乘法对轨迹点进行拟合，从而提取出轴线l₁＝[a₁ b₁ c₁]^T。

采用最小二乘法对轨迹点进行拟合的过程如下：

假设所求取的直线方程为l＝A+dD，则未知直线求取方法为：

(1)、对所有轨迹数据点求平均值：

令

(2)、令

(3)、令

其中I是单位矩阵。

(4)、列出方程式f＝D^TSD；

(5)、求解S的特征值与特征向量，S对应最小特征值的特征向量就是D的值；

提取的压头轴线如图7所示。

同理提取其他调整电缸的轴线l₂＝[a₂ b₂ c₂]^T，l₃＝[a₃ b₃ c₃]^T，l₄＝[a₄ b₄ c₄]^T。

步骤四：在双目视觉系统的测量坐标系T_CO下提取静止体的基准轴线。

静止体基准轴线获取过程如下：

如图6所示，利用三维扫描仪扫描静止体圆柱结构的上下两个断面获得圆C₁与圆C₂，提取圆C₁与圆C₂的圆心O₁与O₂，则基准轴线

步骤五：利用控制系统控制各个调整电缸向下移动，直到所有激光测距传感器与当前基本面距离相等时为止，此时各个调整电缸压头形成的平面就与基本面平行，这时系统通过读取各个调整电缸压头上的动态靶板坐标值就可以计算出当前基本面与静止体基准轴线夹角。

具体如下：

(1)、如图1所示，调整电缸压头调整到位，此时所有激光测距传感器与当前基本面距离相等，系统读取所有调整电缸压头当前位置；

(2)、利用其中三个调整电缸压头位置点P_Y1,P_Y2,P_Y3计算调整电缸压头所形成平面的法线：

l_plane＝(P_Y2-P_Y1)×(P_Y3-P_Y1)；

此法线同时也是当前基本面法线；

(3)、当前基准面与基准轴线的夹角为：

上式中，·是向量点乘乘积是一个数，×是向量叉乘乘积是一个向量，数学意义不同。

步骤六：根据步骤五确定最低的调整电缸压头位置，并以最低的调整电缸压头位置及工件轴线为基准计算与工件轴线垂直的垂直平面，计算其余各个调整电缸到所述垂直平面的距离，此距离即为其余各个调整电缸的零位调整量。

假设2号调整电缸位置最低，其余各个调整电缸零位调整量获得过程为：

(1)、如图5所示，读取2号调整电缸压头当前位置O₂，并以2号调整电缸压头当前位置O₂和基准轴线l_TLS构建与基准轴线垂直的平面P_zero＝(O₂-X)·l_TLS；其中X表示平面上的点是一个变量。

(2)、计算其他调整电缸压头运动轴线与平面P_zero的交点，以1号调整电缸压头为例，通过双目视觉系统读取当前1号调整电缸压头的位置为O₁，则1号调整电缸压头轴线l₁与平面P_zero的交点为：

(3)、1号调整电缸压头所需调整距离为d₁＝O₁'-O₁；

按照上述步骤(2)与步骤(3)，计算其他压头调整距离。

步骤七：利用各个调整电缸的同步运动功能，让各个调整电缸压头保持同步向下运动步骤六中获得的零位调整量，直到各个压力传感器数据大于阈值并发出信号使系统控制调整电缸停止，此时达到基准面与活动体轴线垂直的零位状态。

步骤八：采用步骤五中的基本面与静止体基准轴线夹角检测方法检测当前基准面与静止体基准轴线夹角，若满足零位要求则结束调整，若不满足要求则回到步骤六进一步进行调整。

Claims (6)

1.一种航天发动机基本面姿态测量与零位调整量方法，其特征在于：包括多个调整电缸，各个调整电缸上安装带反光标识的动态靶板、力传感器以及激光测距传感器，装配设备上设有带反光标识的固定靶板，包括如下步骤：

步骤一：以固定靶板为基准建立双目视觉系统的测量坐标系T_CO；

步骤二：利用调整电缸上安装的反光标识动态靶板在双目视觉坐标系下建立初始电缸坐标系T_L1O，并将初始电缸坐标系T_L1O的原点标定到调整电缸压头位置得到电缸坐标系T_L1；

步骤三：在测量坐标系T_CO下跟踪调整电缸的移动轨迹，并提取所有调整电缸压头的轴线；

步骤四：在双目视觉系统的测量坐标系T_CO下提取静止体的基准轴线；

步骤五：控制各个调整电缸向下移动，直到所有激光测距传感器与当前基本面距离相等时为止，系统读取各个调整电缸压头上的动态靶板坐标值并计算当前基本面与静止体基准轴线夹角；

步骤六：以最低的调整电缸压头位置及工件轴线为基准计算与工件轴线垂直的垂直平面，并计算其余各个调整电缸到所述垂直平面的距离，获得其余各个调整电缸的零位调整量；

步骤七：根据步骤六中获得的零位调整量控制各个调整电缸压头同步向下运动，直到各个压力传感器发出信号使系统控制调整电缸停止，此时达到基本面与活动体轴线垂直的零位状态；

步骤八：采用步骤五中的基本面与静止体基准轴线夹角检测方法检测当前基本面与静止体基准轴线夹角，若满足零位要求则结束调整，若不满足要求则回到步骤六进一步进行调整。

2.根据权利要求1所述的航天发动机基本面姿态测量与零位调整量方法，其特征在于：步骤二中，构建电缸坐标系T_L1流程具体为：使用三维扫描设备获取调整电缸压头上的动态靶板靶点，并利用所述动态靶板上的四个点P₁ P₂ P₃ P₄建立初始电缸坐标系T_L1O，并在所述初始电缸坐标系T_L1O下获取该调整电缸压头的三维数据，提取该调整电缸压头圆心在所述初始电缸坐标系T_L1O下的坐标

最后将所述初始电缸坐标系T_L1O的原点偏移到

构建电缸坐标系T_L1。

3.根据权利要求1所述的航天发动机基本面姿态测量与零位调整量方法，其特征在于：步骤三中，调整电缸压头轴线的提取过程如下：让调整电缸压头移动一段距离并获得该调整电缸压头的移动轨迹点集{P₁ P₂…P_n}，采用最小二乘法对轨迹点进行拟合，从而提取出该调整电缸压头轴线l₁＝[a₁ b₁ c₁]^T。

4.根据权利要求3所述的航天发动机基本面姿态测量与零位调整量方法，其特征在于：步骤三中，采用最小二乘法对轨迹点进行拟合的过程如下：

假设所求取的直线方程为l＝A+dD，则未知直线求取方法为：

(1)、对所有轨迹数据点求平均值：

令

(2)、令

(3)、令

(4)、列出方程式f＝D^TSD；

(5)、求解S的特征值与特征向量，S对应最小特征值的特征向量就是D的值。

5.根据权利要求1所述的航天发动机基本面姿态测量与零位调整量方法，其特征在于：步骤四中，静止体基准轴线获取过程如下：利用三维扫描仪扫描静止体圆柱结构的上下两个断面获得圆C₁与圆C₂，提取圆C₁与圆C₂的圆心O₁与O₂，则基准轴线

6.根据权利要求1所述的航天发动机基本面姿态测量与零位调整量方法，其特征在于：步骤五中，当前基本面与静止体基准轴线夹角计算过程如下：

(1)、调整电缸压头调整到位，此时所有激光测距传感器与基本面距离相等，系统读取所有调整电缸压头当前位置；

(2)、利用其中三个调整电缸压头位置点P_Y1,P_Y2,P_Y3计算调整电缸压头所形成平面的法线：

l_plane＝(P_Y2-P_Y1)×(P_Y3-P_Y1)；

此法线同时也是当前基本面法线；

(3)、当前基本面与基准轴线的夹角为：

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