CN115673704A

CN115673704A - 基于虚拟现实指导的多级大型高速回转装备装配系统、方法、计算机设备和存储介质

Info

Publication number: CN115673704A
Application number: CN202211234546.4A
Authority: CN
Inventors: 刘永猛; 李佳毫; 孙传智; 谭久彬
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2022-10-10
Filing date: 2022-10-10
Publication date: 2023-02-03

Abstract

基于虚拟现实指导的多级大型高速回转装备装配系统、方法、计算机设备和存储介质，虚拟现实指导装配技术领域，解决多级大型高速回转装备装配的装配效率和准确性低问题。本发明的系统包括：数据采集模块用于测量多级大型高速回转装备表面数据，并将表面数据传输至数据处理模块和虚拟现实指导模块，表面数据包括轴向跳动数据和径向跳动数据；数据处理模块根据表面数据，获取多级大型高速回转装备的最优装配相位，并将最优装配相位传输至虚拟现实指导模块；虚拟现实指导模块用于根据表面数据，建立多级大型高速回转装备的虚拟模型；还用于显示表面数据和最优装配相位。本发明适用于多级大型高速回转装备的装配。

Description

基于虚拟现实指导的多级大型高速回转装备装配系统、方法、计算机设备和存储介质

技术领域

本申请涉及虚拟现实指导装配技术领域，尤其涉及多级大型高速回转装备的虚拟现实指导装配。

背景技术

旋转部件因其高强度的刚性被普遍用于航空工业，尤其是在发动机转子制造中。为了保持可制造性和可维护性，航发核心机中的高压涡轮和高压压气机均是作为单个大型高速回转装备零件的组件制造成的，作为回转体，评判其装配质量的主要参数之一便是同轴度。由于各级大型高速回转装备之间由开口的止动结构实现配合，可用来评测同轴度的截面在组装后被遮盖，致使对连接面表面质量的测量难以进行。同时，由于单个零件存在几何误差，其在组装过程中通过止口面逐级传播并累加，导致了整个航发多级大型高速回转装备装配体的装配误差。

航发的装配质量直接影响着其在高速运行中的稳定性，装配不当导致的多级大型高速回转装备过度对准和不平衡可能会致使工作过程中产生复杂的噪音和振动，因此多级大型高速回转装备装配质量的提升对其结构性能优化至为关键。通常，组件的类型、组装顺序、数据选择等都会对产品的组装质量产生很大影响。每个单级大型高速回转装备组件都具有特殊的特性，可以将其调整到最合适的方向，以满足最终装配体的最佳同轴度性能。

目前航空发动机大型高速回转装备同轴度测量流程智能化程度较低，且同轴度测量装置对操作人员的使用经验需求较高，对于操作人员不友好，且发动机装配中常需要手动标记装配位置，导致整体效率低下，并且基于经验的装配准确性也较低，从而亟需一种针对多级大型高速回转装备智能化的装配系统。

发明内容

本发明目的是为了解决现有多级大型高速回转装备装配的装配效率和准确性低的问题，提供了基于虚拟现实指导的多级大型高速回转装备装配系统、方法、计算机设备和存储介质。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明一方面，提供一种基于虚拟现实指导的多级大型高速回转装备装配系统，所述系统包括：数据采集模块、数据处理模块和虚拟现实指导模块；

所述数据采集模块用于测量多级大型高速回转装备表面数据，并将所述表面数据传输至所述数据处理模块和所述虚拟现实指导模块，所述表面数据包括轴向跳动数据和径向跳动数据；

所述数据处理模块根据所述表面数据，获取多级大型高速回转装备的最优装配相位，并将所述最优装配相位传输至所述虚拟现实指导模块；

所述虚拟现实指导模块用于根据所述表面数据，建立多级大型高速回转装备的虚拟模型；

还用于显示所述表面数据和所述最优装配相位。

进一步地，所述数据采集模块包括传感器探头，所述传感器探头用于采集所述表面数据。

进一步地，所述虚拟现实指导模块还用于根据所述虚拟模型，获取需要采集表面数据的位置信息，并显示所述需要采集表面数据的位置信息。

进一步地，所述虚拟现实指导模块包括虚拟模型处理单元和虚拟现实指导软件单元；

所述虚拟模型处理单元用于建立多级大型高速回转装备的虚拟模型，还用于根据所述虚拟模型，获取需要采集表面数据的位置信息；

所述虚拟现实指导软件单元用于显示所述表面数据、所述需要采集表面数据的位置信息和所述最优装配相位。

进一步地，所述根据所述表面数据，获取多级大型高速回转装备的最优装配相位，具体包括：

步骤1、根据所述表面数据，获取若干组大型高速回转装备的定位误差和定向误差，所述若干组大型高速回转装备的定位误差和定向误差包括每安装完成一级大型高速回转装备时对应的定位误差和定向误差；

步骤2、根据所述若干组大型高速回转装备的定位误差和定向误差和误差传递矩阵，获取同轴度累积偏差；

步骤3、根据所述同轴度累积偏差和最优同轴度的计算公式，获取多级大型高速回转装备的最优装配相位。

进一步地，步骤1中，所述根据所述表面数据，获取若干组大型高速回转装备的定位误差和定向误差，具体包括：根据所述表面数据，利用最小二乘法拟合圆心位置，获取若干组大型高速回转装备的定位误差和定向误差。

第二方面，本发明提供一种基于虚拟现实指导的多级大型高速回转装备装配方法，所述方法包括：

步骤1、放置多级大型高速回转装备，数据采集模块测量所述多级大型高速回转装备的表面数据，并将所述表面数据发送至虚拟现实指导模块，所述表面数据包括轴向跳动数据和径向跳动数据；

步骤2、虚拟现实指导模块根据所述表面数据，建立多级大型高速回转装备的虚拟模型；根据所述虚拟模型，判断是否需要采集表面数据，如果需要，获取需要采集表面数据的位置信息，执行步骤3；否则，完成所述多级大型高速回转装备的测量，将完成测量的多级大型高速回转装备的表面数据发送至数据处理模块，执行步骤5；

步骤3、所述虚拟现实指导软件单元显示所述需要采集表面数据的位置信息；

步骤4、数据采集模块根据所述需要采集表面数据的位置信息，测量所述大型高速回转装备的表面数据，获取表面数据，并将所述表面数据发送至所述虚拟现实指导模块，返回步骤2；

步骤5、所述数据处理模块根据所述完成测量的多级大型高速回转装备的表面数据，获取多级大型高速回转装备的最优装配相位，并将所述最优装配相位传输至所述虚拟现实指导模块；

步骤6、所述虚拟现实指导模块显示所述表面数据和所述最优装配相位。

进一步地，步骤5中，所述所述数据处理模块根据所述完成测量的多级大型高速回转装备的表面数据，获取多级大型高速回转装备的最优装配相位，具体包括：

步骤5.1、根据所述表面数据，利用最小二乘法拟合圆心位置，获取若干组大型高速回转装备的定位误差和定向误差，所述若干组大型高速回转装备的定位误差和定向误差包括每安装完成一级大型高速回转装备时对应的定位误差和定向误差；

步骤5.2、根据所述若干组大型高速回转装备的定位误差和定向误差和误差传递矩阵，获取同轴度累积偏差；

步骤5.3、根据所述同轴度累积偏差和最优同轴度的计算公式，获取多级大型高速回转装备的最优装配相位。

第三方面，本发明提供一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，当所述处理器运行所述存储器存储的计算机程序时执行如上文所述的一种基于虚拟现实指导的多级大型高速回转装备装配方法的步骤。

第四方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有多条计算机指令，所述多条计算机指令用于使计算机执行如上文所述的一种基于虚拟现实指导的多级大型高速回转装备装配方法。

本发明的有益效果：

针对航发中存在的这类问题，结合虚拟现实技术，提出一种基于虚拟现实指导的多级大型高速回转装备装配系统和方法。

本发明的系统基于大型高速回转装备测量装置，使用虚拟现实指导模块如混合现实眼镜下达指令使得工作站PC自动对装配流程中数据进行采集，处理数据后对真实场景进行预测与指导，提升装配效率与质量；

本发明的系统建立了最优装配相位的获取模块和显示模块，提高了多级大型高速回转装备的装配智能化，进而提高了该装配的效率和准确性。

本发明适用于多级大型高速回转装备的装配。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，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3级大型高速回转装备示意图；

图2为虚拟现实指导装配系统整体架构。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

实施方式一、一种基于虚拟现实指导的多级大型高速回转装备装配系统，所述系统包括：数据采集模块、数据处理模块和虚拟现实指导模块；

还用于显示所述表面数据和所述最优装配相位。

本实施方式的系统基于大型高速回转装备测量装置，使用虚拟现实指导模块如混合现实眼镜下达指令使得工作站PC自动对装配流程中数据进行采集，处理数据后对真实场景进行预测与指导，提升装配效率与质量；

本实施方式的系统建立了最优装配相位的获取模块和显示模块，提高了多级大型高速回转装备的装配智能化，进而提高了该装配的效率和准确性。

实施方式二，本实施方式是对实施方式一所述的一种基于虚拟现实指导的多级大型高速回转装备装配系统的进一步限定，本实施方式中，对所述数据采集模块，做了进一步限定，具体包括：

所述数据采集模块包括传感器探头，所述传感器探头用于采集所述表面数据。

本实施方式中，将传感器探头包括于本发明的系统里，进而提升装配的智能化程度，并利用传感器探头完成了基于虚拟现实指导的多级大型高速回转装备装配系统的数据支持，提高了装配效率和准确性。

实施方式三，本实施方式是对实施方式一所述的一种基于虚拟现实指导的多级大型高速回转装备装配系统的进一步限定，本实施方式中，对所述虚拟现实指导模块，做了进一步限定，具体包括：

所述虚拟现实指导模块还用于根据所述虚拟模型，获取需要采集表面数据的位置信息，并显示所述需要采集表面数据的位置信息。

本实施方式中，虚拟现实指导模块可以发现用于获取最优装配相位的多级大型高速回转装备表面数据是否缺失，由于表面数据的完整程度越高，最优装配相位的准确性越高，所以本实施方式的虚拟现实指导模块可以提升多级大型高速回转装备的装配准确性。

实施方式四，本实施方式是对实施方式三所述的一种基于虚拟现实指导的多级大型高速回转装备装配系统的进一步限定，本实施方式中，对所述虚拟现实指导模块，做了进一步限定，具体包括：

所述虚拟现实指导模块包括虚拟模型处理单元和虚拟现实指导软件单元；

本实施方式中，将虚拟现实指导模块分为两个单元并行实现相应功能，提升系统的工作效率，进而提升总的装配效率。

实施方式五，本实施方式是对实施方式一所述的一种基于虚拟现实指导的多级大型高速回转装备装配系统的进一步限定，本实施方式中，对所述根据所述表面数据，获取多级大型高速回转装备的最优装配相位，做了进一步限定，具体包括：

本实施方式中，给出了数据处理模块中用于获取最优装配相位功能的具体获取方法，该方法可以由计算设备自动化完成计算，实现系统的智能化，进而提高多级大型高速回转装备的装配效率，并且该计算方法无需依靠人工经验获取，还提高了系统的装配准确性。

施方式六，本实施方式是对实施方式五所述的一种基于虚拟现实指导的多级大型高速回转装备装配系统的进一步限定，本实施方式中，对步骤1中，所述根据所述表面数据，获取若干组大型高速回转装备的定位误差和定向误差，做了进一步限定，具体包括：

根据所述表面数据，利用最小二乘法拟合圆心位置，获取若干组大型高速回转装备的定位误差和定向误差。

本实施方式中，给出了大型高速回转装备的定位误差和定向误差的获取方法，该方法同样可以由计算设备自动化完成计算，实现系统的智能化，进而提高多级大型高速回转装备的装配效率，并且该计算方法无需依靠人工经验获取，还提高了系统的装配准确性。

实施方式七，本实施方式是本发明系统的一种实施例，具体包括：

本实施例的系统分为数据采集模块、数据处理模块和虚拟现实指导模块，系统整体架构如图2；

数据采集模块包含大型高速回转装备测量装置和工控机，负责进行测量流程中大型高速回转装备表面数据(如轴向跳动数据、径向跳动数据)的采集，并将数据传输至数据处理模块；

数据处理模块部署于计算机中，处理数据采集模块的轴向和径向跳动数据，首先根据最小二乘法拟合圆心位置得到第一级大型高端回转装备的定位误差，根据拟合出的接触表面分析倾斜得到定向误差，随后放置接下来的每一级，得到放置之后的多级大型高端回转装备的定向与定位误差，最后经过误差传递关系得到各级的定向误差和定位误差，根据同轴度计算公式分别设置三级大型高速回转装备的各级角度仿真可得到最优的装配相位，3级大型高速回转装备示意图如图1；

3级转子总装的误差传递矩阵：

T_0-3＝T_0-1Alocation T_{0-1Aorientation} T_1A-1B T_{1B-2Blocation} T_{1B-2Borientation} T_2B-2CT_2C-3location T_{2C-3orientation}

式中O，O_1A分别为转子A的下表面中心，转子A的上表面圆心；

O_1B，O_2B分别为转子B的下表面中心，转子B的上表面圆心；

O_2C，O₃分别为转子C的下表面中心，转子C的上表面圆心；

O₁，O₂分别为转子A，B组装后的接触表面圆心，转子B，C组装后的接触表面圆心；

T_0-1Alocation为O到O_1A的平移变换矩阵；

T_{0-1Aorientation}为O到O_1A的旋转变换矩阵；

T_1A-1B为O_1A到O_1B的变换矩阵；

T_{1B-2Blocation}为O_1B到O_2B的平移变换矩阵；

T_{1B-2Borientation}为O_1B到O_2B的旋转变换矩阵；

T_2B-2C为O_2B到O_2C的变换矩阵；

T_2C-3location为O_2C到O₃的平移变换矩阵；

T_{2C-3orientation}为O_1B到O_2B的旋转变换矩阵。

根据该误差传递关系和采集到的单第一级盘的定位与定向误差、第一级盘与第二级盘的定位与定向误差和第一二三级盘的定位与定向误差进行数学运算可以得到当前堆叠装配时的转子偏移量、转子偏心角、转子实际高度、转子实际平面的垂直度、转子测量面半径和转子理想中心到拟合最低点M方向的矢量的夹角。

用dx_0-n、dy_0-n分别表示n级转子完成组装后在X轴、Y轴方向上的同轴度累积偏差，以以上述得到的数据作为算法计算和优化的标准数据，对实际装配进行指导。

装配后X轴、Y轴方向上的同轴度累积偏差[dx_0-n dy_0-n]^T如下：

式中，e_i为第i个转子的偏移量；

θ_ei为第i个转子的偏心角；

z_i为第i个转子高度；

h_i为第i个转子实际平面的垂直度；

r_i为第i个转子测量面半径；

θ_ri为第i个转子绕Z轴的装配角；

θ_li为X轴与第i个转子理想中心到拟合最低点M方向的矢量的夹角。

根据行业标准定义，3级转子装配后的最优同轴度c为：

在计算机中根据上述公式进行三级大型高速回转装备不同转角的仿真，可得到最优的每级大型高速回转装备的相位，将其传递到虚拟现实指导模块；

例如：

如测得数据分析后z_i＝70mm，r_i＝100mm，e_i＝0.005mm，θ_i＝0°，θ_li＝0°，h_i＝0.005mm，并定义第一级转子的装配角θ_r1＝0°；

第二级转子的装配角为165°、第三级转子的装配角为56°时，装配同轴度有最小值，为4.7μm；当第二级转子、第三级转子的装配角均为0°时，装配同轴度为最大，达40.6μm。

虚拟现实指导模块包括虚拟模型处理单元和虚拟现实指导软件；

虚拟模型处理单元接收数据采集模块的数据，建立虚拟模型，并实时分析实际模型的数据采样情况，得到实际模型仍需采集表面数据的位置，将结果发送到虚拟现实指导软件。

虚拟现实指导软件进行指导，接收虚拟模型处理单元的结果，在混合现实眼镜中进行虚拟大型高速回转装备模型表面数据采集状态的显示，虚拟大型高速回转装备模型与指导装配信息显示界面的位置在真实模型的右侧，在眼镜中实时显示数据处理模块虚拟模型的轴向和径向采集情况，并根据虚拟模型处理单元的反馈手动调节传感器位置的信息，显示在眼镜中，指导现实中的传感器探头应调节的位置，补全虚拟装备模型的表面数据；

表面数据全部采集后，接收数据处理模块的处理结果，在混合现实眼镜中显示三级大型高速回转装备的最优装配相位，操作人员进行更改，完成指导装配。

本实施例的系统能够解决多级大型高速回转装备测量装置对于操作人员经验需求高且智能化程度较低的问题。

施方式八，一种基于虚拟现实指导的多级大型高速回转装备装配方法，所述方法包括：

本实施方式中的方法是基于本发明的系统实现的，实现基于本发明系统对多级大型高速回转装备的装配方法，以实现对多级大型高速回转装备装配的智能化，进而提供装配的效率和准确性。

施方式九，本实施方式是对实施方式八所述的一种基于虚拟现实指导的多级大型高速回转装备装配方法的进一步限定，本实施方式中，对步骤5中，所述所述数据处理模块根据所述完成测量的多级大型高速回转装备的表面数据，获取多级大型高速回转装备的最优装配相位，，做了进一步限定，具体包括：

实施方式十，本实施方式是本发明方法的一种实施例，具体包括：

以三级大型高速回转装备的装配为例，打开数据采集模块的大型高速回转装备测量装置和虚拟现实指导软件；

放置第一级大型高速回转装备，虚拟现实指导软件中点击“测量第一级大型高速回转装备”按钮，信号传输至数据采集模块和虚拟模型处理单元；

根据虚拟模型处理单元分析虚拟模型得到的结果，得到模型表面仍需采集的位置，显示在眼镜的虚拟现实指导软件；

根据虚拟现实指导软件的虚拟模型的位置指示信息，调节数据采集模块中大型高速回转装备测量装置的传感器探头位置，将采集得到的数据继续传输至数据处理模块和虚拟模型处理单元，虚拟模型处理单元传输处理结果反馈更新虚拟现实指导软件中的虚拟模型表面采集情况；

重复以上操作，直到在虚拟现实软件的指导下测量完成三级大型高速回转装备的测量；

数据处理模块处理三级大型高速回转装备的表面数据，根据同轴度优化算法，得到最优的装配相位，发送此时预测的最优装配相位的各级大型高速回转装备的装配相位到虚拟现实指导软件；

虚拟现实指导软件显示各级装配相位，现场调节最优的装配相位，得到最优的装配效果，完成指导装配。

本实施方式的基于虚拟现实的辅助装配的多级大型高速回转装备装配方法，该方法基于大型高速回转装备测量装置，使用混合现实眼镜下达指令使得工作站PC自动对装配流程中数据进行采集，处理数据后对真实场景进行预测与指导，提升装配效率与质量。

本发明针对多级大型高速回转装备测量装置操作经验需求高、智能化程度较低的问题，提出基于虚拟现实的多级大型高速回转装备测量装置指导装配系统，对于使用该设备较少的操作人员较为友好，可以使操作人员在指导下完成测量任务。

Claims

1.一种基于虚拟现实指导的多级大型高速回转装备装配系统，其特征在于，所述系统包括：数据采集模块、数据处理模块和虚拟现实指导模块；

还用于显示所述表面数据和所述最优装配相位。

2.根据权利要求1所述的一种基于虚拟现实指导的多级大型高速回转装备装配系统，其特征在于，所述数据采集模块包括传感器探头，所述传感器探头用于采集所述表面数据。

3.根据权利要求1所述的一种基于虚拟现实指导的多级大型高速回转装备装配系统，其特征在于，所述虚拟现实指导模块还用于根据所述虚拟模型，获取需要采集表面数据的位置信息，并显示所述需要采集表面数据的位置信息。

4.根据权利要求3所述的一种基于虚拟现实指导的多级大型高速回转装备装配系统，其特征在于，所述虚拟现实指导模块包括虚拟模型处理单元和虚拟现实指导软件单元；

5.根据权利要求1所述的一种基于虚拟现实指导的多级大型高速回转装备装配系统，其特征在于，所述根据所述表面数据，获取多级大型高速回转装备的最优装配相位，具体包括：

6.根据权利要求5所述的一种基于虚拟现实指导的多级大型高速回转装备装配系统，其特征在于，步骤1中，所述根据所述表面数据，获取若干组大型高速回转装备的定位误差和定向误差，具体包括：根据所述表面数据，利用最小二乘法拟合圆心位置，获取若干组大型高速回转装备的定位误差和定向误差。

7.一种基于虚拟现实指导的多级大型高速回转装备装配方法，其特征在于，所述方法包括：

8.根据权利要求7所述的一种基于虚拟现实指导的多级大型高速回转装备装配方法，其特征在于，步骤5中，所述所述数据处理模块根据所述完成测量的多级大型高速回转装备的表面数据，获取多级大型高速回转装备的最优装配相位，具体包括：

9.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，其特征在于，当所述处理器运行所述存储器存储的计算机程序时执行权利要求7至8中任一项所述的方法的步骤。

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质中存储有多条计算机指令，所述多条计算机指令用于使计算机执行权利要求7至8中任一项所述的方法。