一種用于飛機數(shù)字化裝配的自動化測量方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于飛機數(shù)字化裝配的自動化測量方法，通過測量準備工作，確定各個坐標系與裝配坐標系的轉(zhuǎn)化關(guān)系，將飛機坐標系下各個檢測點在飛機坐標系下的理論坐標值轉(zhuǎn)化到裝配坐標系下，得到各個檢測點在裝配坐標系下的理論坐標值，以檢測點在裝配坐標系下的理論坐標值作為激光掃描儀的初始指光點，進行自動搜索，獲得各個檢測點在裝配坐標系下實際坐標值。本發(fā)明的自動化測量方法實現(xiàn)飛機部件數(shù)字化測量，克服了飛機空間尺寸大，待測量檢測點分布區(qū)域廣，部分檢測點人工引光困難，而裝配過程中檢測點又需要多次測量的問題，實現(xiàn)了反射鏡一次人工安裝，多次自動化測量，節(jié)省了人力和測量時間，大大提高測量和裝配效率。
【專利說明】一種用于飛機數(shù)字化裝配的自動化測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種飛機制造領(lǐng)域，尤其涉及一種用于飛機數(shù)字化裝配的自動化測量方法。
【背景技術(shù)】
[0002]飛機制造不同于一般的機械制造，飛機具有嚴格的氣動外形與準確度的要求，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，空間十分緊湊，零件和連接件的數(shù)量巨大，而且這些零件形狀復(fù)雜、尺寸大、剛度小、易變形，必須使用大量復(fù)雜的裝配夾具/型架來保證裝配的準確度，飛機產(chǎn)品的最終品質(zhì)在很大程度上取決于裝配的質(zhì)量，這是飛機制造區(qū)別于一般機械制造最顯著的特點。在飛機制造過程中，裝配和安裝工作在飛機制造中占有極其重要的地位，其勞動量占整個飛機制造總勞動量的50?60%，而且裝配和安裝工作的機械化和自動化程度相對比較低，手工勞動比重大，生產(chǎn)率低。同時，飛機裝配是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，協(xié)作面廣、管理困難、質(zhì)量要求高、技術(shù)難度大。因此，提高飛機裝配和安裝的技術(shù)水平，對縮短產(chǎn)品的制造周期、提高產(chǎn)品的質(zhì)量有非常重要的作用，在飛機研制和生產(chǎn)過程中具有重大的意義。
[0003]隨著激光跟蹤儀技術(shù)和計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，基于激光掃描的自動化測量技術(shù)已經(jīng)趨于成熟，測量精度越來越高。近年來，基于激光跟蹤儀的跟蹤測量方式在飛機數(shù)字化裝配領(lǐng)域中受到了廣泛應(yīng)用。
[0004]激光跟蹤儀的跟蹤測量過程中需要光線跟蹤，在測量時，需要操作人員把靶球移動到需要測量的靶球座上。在整個測量過程中，激光光線始終跟蹤靶球位置，激光頭隨靶球運動而轉(zhuǎn)動，定位靶球位置之后，就可以得到測量點的三維直角坐標值。
[0005]以上方法在一定程度上提高了飛機測量的自動化程度，但采用人工引光方式，需要人工干預(yù)，自動化程度低，且由于飛機空間尺寸大，待測量檢測點分布區(qū)域廣，部分檢測點人工引光困難，從而無法實現(xiàn)跟蹤測量，可測點的位置受到限制，降低了測量效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種用于飛機數(shù)字化裝配的自動化測量方法。
[0007]—種用于飛機數(shù)字化裝配的自動化測量方法，包括:
[0008]( I)測量準備工作，如下:
[0009](a)在飛機數(shù)字化裝配系統(tǒng)中，將數(shù)控定位器的零點位置設(shè)定為數(shù)控定位器的光柵讀數(shù)為零時數(shù)控定位器支撐球窩中心在裝配坐標系下的坐標，
[0010](b)飛機部件的檢測點上安裝激光跟蹤儀測量用反射鏡，
[0011](C)設(shè)定激光跟蹤儀的安裝位置，測量公共觀測點在激光跟蹤儀的測量坐標系中的坐標值，并對公共觀測點在測量坐標系中的坐標值與在裝配坐標系中的坐標值進行點匹配轉(zhuǎn)站計算，使激光跟蹤儀的測量坐標系與公共觀測點所標識的裝配坐標系一致；
[0012](2)由飛機數(shù)學模型獲取飛機坐標系下工藝球頭球心坐標的設(shè)計值，獲取裝配坐標系下數(shù)控定位器支撐球窩中心的坐標值，并根據(jù)飛機坐標系下工藝球頭球心坐標的設(shè)計值和裝配坐標系下數(shù)控定位器支撐球窩中心的坐標值計算將飛機坐標系下的坐標值轉(zhuǎn)化為裝配坐標系下的坐標值的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矩陣；
[0013](3)從飛機數(shù)學模型中獲取各個檢測點在飛機坐標系下的坐標值，并根據(jù)所述旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矩陣，將各個檢測點在飛機坐標系下的坐標值轉(zhuǎn)化到裝配坐標系下，得到各個檢測點在裝配坐標系下的理論坐標值；
[0014](4)對于每個檢測點，激光跟蹤儀根據(jù)該檢測點在裝配坐標系下的理論坐標值，進行自動搜索反射鏡，測量得到該檢測點在裝配坐標系下的精確坐標值，完成自動化測量。
[0015]所述的檢測點包括姿態(tài)檢測點和形狀檢測點，所述的姿態(tài)測量點用來確定飛機部件的位置和姿態(tài)，為不易產(chǎn)生變形的點(通常為機械剛度高的結(jié)構(gòu)件，一般選擇機加框上的孔位)，所述的形狀檢測點，分布在飛機部件的邊緣(機械剛度弱的零件，容易變形的位置的點)，用于評價飛機的變形情況。檢測點的個數(shù)和位置根據(jù)裝配工藝要求和飛機部件的大小及形狀設(shè)定。
[0016]步驟(C)中激光跟蹤儀的安裝位置根據(jù)經(jīng)驗設(shè)定。
[0017]所述的公共觀測點為裝配坐標系的地標，用于確定裝配坐標系，不在飛機部件上，實際應(yīng)用中根據(jù)測量環(huán)境選定。
[0018]本發(fā)明的用于飛機數(shù)字化裝配的自動化測量方法首先通過相關(guān)準備工作，使激光跟蹤儀的測量坐標系與裝配坐標系一致，將數(shù)控定位器設(shè)備的零點位置設(shè)定為數(shù)控定位器的光柵讀數(shù)為零時支撐球窩中心在裝配坐標系下的坐標，確定了數(shù)控定位器的局部坐標系與裝配坐標系下的轉(zhuǎn)換關(guān)系。且利用數(shù)控定位器支撐球窩中心與工藝球頭球心的一致性確定飛機坐標系與裝配坐標系的轉(zhuǎn)化關(guān)系，從而將飛機坐標系下各個檢測點在飛機坐標系下的理論坐標值轉(zhuǎn)化到裝配坐標系下，得到各個檢測點在裝配坐標系下的理論坐標值，以檢測點在裝配坐標系下的理論坐標值作為激光掃描儀的初始指光位置，整個過程中不需要人工引光，避免人工干預(yù)，且通過坐標轉(zhuǎn)化，得到的初始指光位置與檢測點實際位置差別不大，大大降低了搜索范圍，提高了搜索效率。
[0019]所述步驟(2)中根據(jù)飛機坐標系下工藝球頭球心坐標的設(shè)計值和裝配坐標系下數(shù)控定位器支撐球窩中心的坐標值，采用最小二乘擬合方法確定飛機部件在裝配坐標系下的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矩陣。
[0020]所述步驟(2)中裝配坐標系下數(shù)控定位器支撐球窩中心的坐標值為定位器的零點位置和數(shù)控定位器的光柵讀數(shù)之和。由于測量坐標系與裝配坐標系一致，因此只需將裝配坐標系下，定位器設(shè)備零點位置加上光柵讀數(shù)即得到數(shù)控定位器支撐球窩中心的在裝配坐標系下的坐標值。
[0021 ] 所述步驟(2)中通過以下步驟確定飛機部件在裝配坐標系下的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移向量:
[0022](2-1)根據(jù)飛機坐標系下工藝球頭球心坐標的設(shè)計值和裝配坐標系下數(shù)控定位器
的坐標值，建立以下最小二乘關(guān)系式:
【權(quán)利要求】
1.一種用于飛機數(shù)字化裝配的自動化測量方法，其特征在于，包括: (1)測量準備工作，如下: (a)在飛機數(shù)字化裝配系統(tǒng)中，將數(shù)控定位器的零點位置設(shè)定為數(shù)控定位器的光柵讀數(shù)為零時，數(shù)控定位器支撐球窩中心在裝配坐標系下的坐標， (b)飛機部件的檢測點上安裝激光跟蹤儀測量用反射鏡， (C)設(shè)定激光跟蹤儀的安裝位置，測量公共觀測點在激光跟蹤儀的測量坐標系中的坐標值，并對公共觀測點在測量坐標系中的坐標值與在裝配坐標系中的坐標值進行點匹配轉(zhuǎn)站計算，使激光跟蹤儀的測量坐標系與公共觀測點所標識的裝配坐標系一致； (2)由飛機數(shù)學模型獲取飛機坐標系下工藝球頭球心坐標的設(shè)計值，獲取裝配坐標系下數(shù)控定位器支撐球窩中心的坐標值，并根據(jù)飛機坐標系下工藝球頭球心坐標的設(shè)計值和裝配坐標系下數(shù)控定位器支撐球窩中心的坐標值計算將飛機坐標系下的坐標值轉(zhuǎn)化為裝配坐標系下的坐標值的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矩陣； (3)從飛機數(shù)學模型中獲取各個檢測點在飛機坐標系下的坐標值，并根據(jù)所述旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矩陣，將各個檢測點在飛機坐標系下的坐標值轉(zhuǎn)化到裝配坐標系下，得到各個檢測點在裝配坐標系下的理論坐標值； (4)對于每個檢測點，激光跟蹤儀根據(jù)該檢測點在裝配坐標系下的理論坐標值，進行自動搜索反射鏡，測量得到該檢測點在裝配坐標系下的精確坐標值,完成自動化測量。
2.如權(quán)利要求1所述 的用于飛機數(shù)字化裝配的自動化測量方法，其特征在于，所述步驟(2)中根據(jù)飛機坐標系下工藝球頭球心坐標的設(shè)計值和裝配坐標系下數(shù)控定位器支撐球窩中心的坐標值，采用最小二乘擬合方法確定飛機部件在裝配坐標系下的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矩陣。
3.如權(quán)利要求2所述的用于飛機數(shù)字化裝配的自動化測量方法，其特征在于，所述步驟(2)中裝配坐標系下數(shù)控定位器支撐球窩中心的坐標值為定位器的零點位置和數(shù)控定位器的光柵讀數(shù)之和。
4.如權(quán)利要求3所述的用于飛機數(shù)字化裝配的自動化測量方法，其特征在于，所述步驟(2)中通過以下步驟確定飛機部件在裝配坐標系下的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移向量: (2-1)根據(jù)飛機坐標系下工藝球頭球心坐標的設(shè)計值和裝配坐標系下數(shù)控定位器的坐標值，建立以下最小二乘關(guān)系式:
5.如權(quán)利要求4所述的用于飛機數(shù)字化裝配的自動化測量方法，其特征在于，所述步驟(3)根據(jù)公式:
Pdi = RPci+T, 將第i個檢測點在飛機坐標系下的坐標值Pa轉(zhuǎn)化到裝配坐標系下，得到各個檢測點在裝配坐標系下的理論坐標值pDi，1=1, 2，……η，η為檢測點的個數(shù)。
6.如權(quán)利要求5所述的用于飛機數(shù)字化裝配的自動化測量方法，其特征在于，所述步驟(4)如下: 激光跟蹤儀以該 檢測點在裝配坐標系下的理論坐標值作為初始指光位置，利用反射鏡搜索功能，從初始指光位置開始，進行自動搜索，當接收到檢測點的反射光時，停止搜索并測量得到檢測點在裝配坐標系下的坐標值。
7.如權(quán)利要求6所述的用于飛機數(shù)字化裝配的自動化測量方法，其特征在于，所述步驟(4)中的自動搜索為渦旋式自動搜索。
【文檔編號】B64F5/00GK103991555SQ201410113451
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2014年3月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月25日
【發(fā)明者】王青, 程亮, 竇亞冬, 柯映林, 李江雄, 俞慈君, 黃鵬, 袁菲菲 申請人:浙江大學