CN117020246B - 一种大型筒体姿态调整方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于筒体找正技术领域，解决了大型筒体找正整个过程均在机床内完成，严重影响设备的利用率，人工找正非常困难的问题。提供了一种大型筒体姿态调整方法，包括以下步骤：S1：对筒体进行扫描，获取点云数据进行拟合生成大型筒体的重构模型；S2：建立包括底座工装夹具、调姿方向和理想筒体在内的大型筒体调姿的理想模型；S3：以重构模型和理想模型的中轴线重合作为机外预调，确定筒体实际位姿和理想位姿的差值；S4：将位姿差值转换为推动缸的推动参数，实现重构模型与理想模型的重叠校准。本发明通过大型结构测量技术、建模技术和多点协同移动技术，完成大型筒体的线下预调找正。
Description
技术领域
本发明属于筒体找正技术领域，具体涉及一种大型筒体姿态调整方法。
背景技术
铝合金筒体由圆筒体和两端框阻焊而成，筒体内径为φ2110mm，端框外径为φ2300mm，各类筒体长度2000mm~4800mm不等，最大质量3000kg以上，加工完成后筒壁厚度通常要求大于14mm，内圆圆度为0.3mm，端框端面与轴线的垂直度为0.08mm。
以上关键参数均由立车加工工序完成，操作过程涉及到工件的找正，目前主要采用钳工划线预估筒体偏差，立车参照加工线进行找正，整个过程均在机床内完成，严重影响设备的利用率，人工找正非常困难。
发明内容
本发明为了解决现有技术中存在的上述至少一个技术问题，提供了一种大型筒体姿态调整方法。
本发明采用如下的技术方案实现：一种大型筒体姿态调整方法，包括以下步骤：S1：对筒体进行扫描，获取点云数据进行拟合生成大型筒体的重构模型；S2：建立包括底座工装夹具、调姿方向和理想筒体在内的大型筒体调姿的理想模型；S3：以重构模型和理想模型的中轴线重合作为机外预调，确定筒体实际位姿和理想位姿的差值；S4：将位姿差值转换为推动缸的推动参数，实现重构模型与理想模型的重叠校准。
优选地，通过调整大型筒体重构模型圆周上的3个支撑点实现筒体位姿的调整，对筒体轴方向上的位姿差值进行计算，取3个支撑点中理论调整量最小的点作为实际调整支点，调整剩余两点；剩余两点在/>轴方向上的实际调整量为该点的理论调整量减去实际调整支点的理论调整量，即为筒体实际位姿和理想位姿在筒体/>轴方向上的差值；将筒体/>轴方向上的差值作为位姿差值转换伺服控制参数的数学模型的输入，输出推动缸的推动参数实现筒体/>轴方向上的位姿调整。
优选地，3个支撑点的理论调整量的计算步骤为：
将3个支撑点投影在点云空间下并定义为：，/>在圆周上等间隔设置，选取重构模型筒体圆周上处支撑点外任意一点，将其在点云空间下的投影定义为，过/>做圆心的延长线并交圆周于点/>；定义/>与/>的夹角为/>，/>与/>的夹角为/>，/>与/>的夹角为/>，将/>作为理论调整支点，则3个支撑点的相对/>的理论调整量的计算公式为：
式中，分别为3个支撑点的理论调整量；/>为筒体底部的直径；/>为重构模型中筒体中轴线的倾角。
优选地，3个支撑点的实际调整量的计算步骤为：
将上述3个支撑点的理论调整量进行对比，假设第三个支撑点对应的理论调整量最小，则以第三个支撑点作为实际调整支点，保持实际调整支点不动，调整剩余两点；
剩余两点的实际调整量的计算公式为：
式中，为第一个支撑点相对实际调整支点的实际调整量；/>为第二个支撑点相对实际调整支点的实际调整量；/>为筒体底部的直径；/>为重构模型中筒体中轴线的倾角。
优选地，在筒体轴方向上的位姿调整后，重构模型和理想模型的中轴线平行；
再对筒体轴方向上的位姿进行调整，筒体水平方向上的找正为三轴驱动；将理想模型的中轴线和重构模型的中轴线在水平基准面上的投影定义为/>和/>；在理想模型的底部圆周上定义等间距的3个调节点，3个调节点对应3个用于调节/>轴方向上位移的丝杠伸缩机构；3个调节点在水平基准面上的投影分别定义为：/>，以/>为圆心，将其中一个调节点的投影点与/>轴重合建立水平坐标系，将向量/>方向上的调整量作为总的调整量，计算向量/>方向的调整量即可求出筒体实际位姿和理想位姿在筒体/>轴方向上的差值；将向量/>方向的调整量作为位姿差值转换伺服控制参数的数学模型的输入，输出推动缸的推动参数实现筒体/>轴方向上的位姿调整。
优选地，连接两点，测出两点的直线距离定义为/>,直线/>与/>轴的夹角定义为，得到/>轴方向上的调整量/>和/>轴方向上的调整量/>与/>、/>的关系式：
设定与/>轴重合，在当前位置下，只需调整/>两个调节点对应的推动缸即可实现筒体的水平找正，设定向量/>；
求得轴方向上的调整量/>为：/>；
轴方向上的调整量/>为：/>；
联立上述式子可得：；/>，将最终求得的调整量带入位姿差值转换伺服控制参数的数学模型，输出推动缸的推动参数实现筒体/>轴方向上的位姿调整。
优选地，还包括步骤S5：待筒体方向上的调整完成后，重复步骤S1，并将拟合的中轴线与理想筒体的中轴线进行对比，若误差在许可范围内即完成大型筒体的姿态调整，若未满足要求，则重复步骤S3、S4进行计算和调整，直至误差落在许可范围内完成大型筒体的姿态调整。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明通过大型结构测量技术、建模技术和多点协同移动技术，完成大型筒体的线下预调找正；通过点云扫描建立筒体重构模型，与大型筒体调姿的理想模型的中轴线拟合校准，计算实际位姿和理想位姿的差值，将位姿差值转换为推动缸的推动参数，实现大型筒体的姿态调整。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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是本发明的所在圆的示意图；
图2是本发明的轴找正过程的示意图；
图3是本发明的所在圆的示意图；
图4是本发明的轴找正过程的示意图；
图5是本发明的大型筒体调姿的理想模型的三维示意图；
图6是本发明的大型筒体调姿的理想模型的主视图。
具体实施方式
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，完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其他实施方式，都属于本发明所保护的范围。
须知，本说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内，需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体与另外几个实体区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体之间存在任何实际的关系或者顺序。
本发明提供了一种实施例：
如图1至图6所示，一种大型筒体姿态调整方法，包括以下步骤：
S1：对筒体进行扫描，获取点云数据进行拟合生成大型筒体的重构模型；
S2：建立包括底座工装夹具、调姿方向和理想筒体在内的大型筒体调姿的理想模型；
S3：以重构模型和理想模型的中轴线重合作为机外预调，确定筒体实际位姿和理想位姿的差值；
S4：将位姿差值转换为推动缸的推动参数，实现重构模型与理想模型的重叠校准；
S5：待筒体方向上的调整完成后，重复步骤S1，并将拟合的中轴线与理想筒体的中轴线进行对比，若误差在许可范围内即完成大型筒体的姿态调整，若未满足要求，则重复步骤S3、S4进行计算和调整，直至误差落在许可范围内完成大型筒体的姿态调整。
步骤S1中，测量时激光扫描仪到达设定的初始检测高度后，绕筒体转动完成多点径向测量。之后通过处理某一高度的多点径向测量数据可以得到一个内圆的横截面，同时拟合出此横截面的圆心，完成一次测量。再移动至等间距的下一测量高度（比如每200mm一测），再次进行该横截面的多点径向测量，亦可得到这一高度的内圆横截面，并拟合圆心。得到多组具有空间坐标关系的圆心，通过最小二乘法求取拟合直线作为筒体中轴线。
本发明中，推动缸包括：大型筒体调姿装置在筒体的底部圆周处均布的3个用于调节轴方向上位移的丝杠升降机构1和3个用于调节/>轴方向上位移的丝杠伸缩机构2；推动缸可为电动缸或者手摇升降机。其中电动缸对应的位姿差值转换伺服控制参数的数学模型为现有技术，在此不做赘述，手摇升降机可根据计算的位姿差值调节转动的圈数控制螺杆的进给实现位姿的调整。
通过调整大型筒体重构模型圆周上的3个支撑点实现筒体位姿的调整，3个支撑点对应3个用于调节轴方向上位移的丝杠升降机构1；对筒体/>轴方向上的位姿差值进行计算，取3个支撑点中理论调整量最小的点作为实际调整支点，调整剩余两点；剩余两点在/>轴方向上的实际调整量为该点的理论调整量减去实际调整支点的理论调整量，即为筒体实际位姿和理想位姿在筒体/>轴方向上的差值；将筒体/>轴方向上的差值作为位姿差值转换伺服控制参数的数学模型的输入，输出推动缸的推动参数实现筒体/>轴方向上的位姿调整。
3个支撑点的理论调整量的计算步骤为：
将3个支撑点投影在点云空间下并定义为：，/>在圆周上等间隔设置，选取重构模型筒体圆周上处支撑点外任意一点，将其在点云空间下的投影定义为，过/>做圆心的延长线并交圆周于点/>；定义/>与/>的夹角为/>，/>与/>的夹角为/>，/>与/>的夹角为/>，将/>作为理论调整支点，则3个支撑点的相对/>的理论调整量的计算公式为：
式中，分别为3个支撑点的理论调整量；/>为筒体底部的直径；/>为重构模型中筒体中轴线的倾角。
3个支撑点的实际调整量的计算步骤为：
将上述3个支撑点的理论调整量进行对比，假设第三个支撑点对应的理论调整量最小，则以第三个支撑点作为实际调整支点，保持实际调整支点不动，调整剩余两点；
剩余两点的实际调整量的计算公式为：
式中，为第一个支撑点相对实际调整支点的实际调整量；/>为第二个支撑点相对实际调整支点的实际调整量；/>为筒体底部的直径；/>为重构模型中筒体中轴线的倾角。
在筒体轴方向上的位姿调整后，重构模型和理想模型的中轴线平行；再对筒体轴方向上的位姿进行调整，筒体水平方向上的找正为三轴驱动；将理想模型的中轴线和重构模型的中轴线在水平基准面上的投影定义为/>和/>；在理想模型的底部圆周上定义等间距的3个调节点，3个调节点对应3个用于调节/>轴方向上位移的丝杠伸缩机构2；3个调节点在水平基准面上的投影分别定义为：/>，以/>为圆心，将其中一个调节点的投影点与/>轴重合建立水平坐标系，将向量/>方向上的调整量作为总的调整量，计算向量方向的调整量即可求出筒体实际位姿和理想位姿在筒体/>轴方向上的差值；将向量/>方向的调整量作为位姿差值转换伺服控制参数的数学模型的输入，输出推动缸的推动参数实现筒体/>轴方向上的位姿调整。
理想模型的中轴线为，重构模型的中轴线为/>；连接/>两点，测出两点的直线距离定义为/>,直线/>与/>轴的夹角定义为/>，得到/>轴方向上的调整量/>和/>轴方向上的调整量/>与/>、/>的关系式：
设定与/>轴重合，在当前位置下，只需调整/>两个调节点对应的推动缸即可实现筒体的水平找正，设定向量/>；
求得轴方向上的调整量/>为：/>；
轴方向上的调整量/>为：/>；
联立上述式子可得：；/>，将最终求得的调整量带入位姿差值转换伺服控制参数的数学模型，输出推动缸的推动参数实现筒体/>轴方向上的位姿调整。
本发明通过大型结构测量技术、建模技术和多点协同移动技术，完成大型筒体的线下预调找正；通过点云扫描建立筒体重构模型，与大型筒体调姿的理想模型的中轴线拟合校准，计算实际位姿和理想位姿的差值，将位姿差值转换为推动缸的推动参数，实现大型筒体的姿态调整。
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，可轻易想到的变化或替换，都应该涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (1)
1.一种大型筒体姿态调整方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：对筒体进行扫描，获取点云数据进行拟合生成大型筒体的重构模型；
S2：建立包括底座工装夹具、调姿方向和理想筒体在内的大型筒体调姿的理想模型；
S3：以重构模型和理想模型的中轴线重合作为机外预调，确定筒体实际位姿和理想位姿的差值；
S4：将位姿差值转换为推动缸的推动参数，实现重构模型与理想模型的重叠校准；
S5：待筒体方向上的调整完成后，重复步骤S1，并将拟合的中轴线与理想筒体的中轴线进行对比，若误差在许可范围内即完成大型筒体的姿态调整，若未满足要求，则重复步骤S3、S4进行计算和调整，直至误差落在许可范围内完成大型筒体的姿态调整；
步骤S3、S4中，通过调整大型筒体重构模型圆周上的3个支撑点实现筒体位姿的调整，对筒体轴方向上的位姿差值进行计算，取3个支撑点中理论调整量最小的点作为实际调整支点，调整剩余两点；剩余两点在/>轴方向上的实际调整量为该点的理论调整量减去实际调整支点的理论调整量，即为筒体实际位姿和理想位姿在筒体/>轴方向上的差值；将筒体/>轴方向上的差值作为位姿差值转换伺服控制参数的数学模型的输入，输出推动缸的推动参数实现筒体/>轴方向上的位姿调整；
3个支撑点的理论调整量的计算步骤为：
将3个支撑点投影在点云空间下并定义为：，/>在圆周上等间隔设置，选取重构模型筒体圆周上处支撑点外任意一点，将其在点云空间下的投影定义为/>，过做圆心的延长线并交圆周于点/>；定义/>与/>的夹角为/>，/>与/>的夹角为/>，/>与/>的夹角为/>，将/>作为理论调整支点，则3个支撑点的相对/>的理论调整量的计算公式为：
式中，分别为3个支撑点的理论调整量；/>为筒体底部的直径；/>为重构模型中筒体中轴线的倾角；
3个支撑点的实际调整量的计算步骤为：
将上述3个支撑点的理论调整量进行对比，假设第三个支撑点对应的理论调整量最小，则以第三个支撑点作为实际调整支点，保持实际调整支点不动，调整剩余两点；
剩余两点的实际调整量的计算公式为：
式中，为第一个支撑点相对实际调整支点的实际调整量；/>为第二个支撑点相对实际调整支点的实际调整量；/>为筒体底部的直径；/>为重构模型中筒体中轴线的倾角；
在筒体轴方向上的位姿调整后，重构模型和理想模型的中轴线平行；
再对筒体轴方向上的位姿进行调整，筒体水平方向上的找正为三轴驱动；将理想模型的中轴线和重构模型的中轴线在水平基准面上的投影定义为/>和/>；在理想模型的底部圆周上定义等间距的3个调节点，3个调节点对应3个用于调节/>轴方向上位移的丝杠伸缩机构；3个调节点在水平基准面上的投影分别定义为：/>，以/>为圆心，将其中一个调节点的投影点与/>轴重合建立水平坐标系，将向量/>方向上的调整量作为总的调整量，计算向量/>方向的调整量即可求出筒体实际位姿和理想位姿在筒体/>轴方向上的差值；将向量/>方向的调整量作为位姿差值转换伺服控制参数的数学模型的输入，输出推动缸的推动参数实现筒体/>轴方向上的位姿调整；
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