本發(fā)明涉及了一種齒套零件軸線位姿調整方法，涉及齒套零件裝配測量，具體涉及一種基于電渦流測距的直升機齒套零件軸線位姿調整方法。

背景技術：

1、直升機升力系統(tǒng)裝配主要涉及主減速器、自動傾斜器和主槳轂三大部件的對接裝配，其中主槳轂內腔中間段與主減速器軸之間依靠漸開線花鍵嚙合連接，配合精度較高。目前的裝配模式是工人通過行車吊起主槳轂，反復觀察后再推動其與主減速器軸的對接，吊裝入位的過程難以精準控制部件運動，容易損傷零件且裝配效率低。

2、近年來，隨著飛機自動化裝配相關技術的快速發(fā)展，國內外科研人員研制了先進的調姿定位機構，滿足航空航天領域的現(xiàn)代化生產要求。而在升力系統(tǒng)自動化對接裝配過程中，簡單通過夾具夾持或工裝定位的方式無法保證主槳轂裝配時的位姿精度要求，往往還需要通過高精度的測量方法獲取待裝配零件的位姿信息，用于指導調姿機構進行位姿調整。

3、目前國內相關研究在一定程度上滿足了飛機自動化裝配過程中的位姿測量要求，如論文《大型飛機裝配中的高精度測量技術研究進展》中提到了一種飛機裝配大空間測量場高精度測量方法，其測量原理是通過如激光跟蹤儀、igps(室內gps)的先進數(shù)字化測量設備，測量目標零件上安裝的靶標，得到飛機設計坐標系下多個點的空間位置信息，進而解算出飛機裝配的空間位姿信息，該方法需要在零件表面的合適位置安裝測量靶標，且需要保持測量設備和靶標之間的光路暢通。由于主槳轂缺少外部基準參照且存在遮擋的情況，導致此類利用靶標的測量方法不適用。如公開號為cn112815850a，名稱為《一種圓柱體位姿測量方法及裝置》的專利申請，公開了一種用于測量圓柱體位姿的測量方法和裝置，該方法中，通過在待測圓柱體周圍布置三個線激光位移傳感器并使其數(shù)值移動，獲取不同高度待測圓柱體測量界面的相關參數(shù)，計算出圓柱體的姿態(tài)傾斜量，該方法中，針對外圓柱面的測量不會受到傳感器尺寸的限制，雖然避免了產品旋轉，但需要的傳感器數(shù)量較多增加了成本，而且激光在被測表面受到污染或遮擋時無法保證測量準確。對于升力系統(tǒng)齒套零件內部往往在裝配前配合面涂抹了潤滑脂，激光、視覺等非接觸光學傳感器會受到干擾導致示數(shù)錯誤，難以滿足測量精度要求，而且對零件內部內圓弧面和齒形輪廓空間狹小，對傳感器尺寸和測量裝置也有很高的要求。

4、電渦流位移傳感器具有微米級的測量精度、測量精度不受被測表面潤滑脂等影響和非接觸測量的特點，然而電渦流位移傳感器一般用于平面或近似平面的金屬導體測量時，通常能夠保持很好的測量精度。而升力系統(tǒng)中齒套零件的待測特征是大曲率的內圓弧面，同時零件的初始姿態(tài)傾斜，導致電渦流傳感器伸入零件內部進行回轉掃描時，其探頭的軸線相對內圓弧面輪廓被測點的法線矢量存在偏移，以上因素都會不同程度地制約電渦流測量的精度。為保證能夠精準可靠的對主槳轂內部的內圓弧面特征進行測量，如何在補償傳感器測量誤差后精準提取輪廓信息，并快速解算出零件的裝配位姿也就變得尤為重要。

技術實現(xiàn)思路

1、為了解決背景技術中存在的問題，本發(fā)明所提供一種基于電渦流測距的直升機齒套零件軸線位姿調整方法。本發(fā)明所要解決的技術問題是校正電渦流位移傳感器探頭相對內圓弧面特征發(fā)生偏移時的測量誤差，精準提取油脂覆蓋下的內圓弧面特征輪廓，解算出齒套零件的軸線位姿，本發(fā)明方法能夠保證測量精度的同時提高測量效率。

2、本發(fā)明采用的技術方案是：

3、本發(fā)明的基于電渦流測距的直升機齒套零件裝配位姿調整方法，包括：

4、步驟1)搭建包括電渦流位移傳感器的齒套零件位姿測量系統(tǒng)并建立測量坐標系。

5、步驟2)在測量坐標系下，在齒套零件位姿測量系統(tǒng)的電渦流位移傳感器進行直升機的齒套零件的內圓弧面特征測量時進行測量誤差校正，進而建立電渦流校正模型。

6、步驟3)使用齒套零件位姿測量系統(tǒng)的電渦流位移傳感器對齒套零件上的被測點進行回轉掃描測量，進而獲得被測點的測量距離和偏移量，將被測點的測量距離和偏移量輸入電渦流校正模型進行處理后獲得被測點的真實提離距離，根據電渦流位移傳感器的回轉半徑、齒套零件上的各個被測點之間的等間隔角度以及被測點的真實提離距離確定被測點在測量坐標系中的坐標。

7、步驟4)使用電渦流位移傳感器對齒套零件進行粗測，根據被測點在測量坐標系中的坐標獲取齒套零件的軸線傾斜角度信息，進而獲得齒套零件在粗測階段的位姿信息。

8、步驟5)根據齒套零件在粗測階段的位姿信息以及目標裝配位姿，使用調姿設備粗略調整電渦流位移傳感器的回轉軸線與齒套零件的軸線之間的相對位姿，使得齒套零件的位姿調整至接近目標裝配位姿。

9、步驟6)使用電渦流位移傳感器對粗略調整后的齒套零件進行精測，從而獲得齒套零件的兩處內圓弧面的橢圓截面輪廓在測量坐標系中的圓心坐標。

10、步驟7)根據齒套零件的兩處內圓弧面的橢圓截面輪廓的圓心坐標解算出齒套零件的軸線的空間位姿，最終將齒套零件的軸線的空間位姿調整至目標裝配位姿，完成齒套零件的裝配位姿調整。

11、所述的步驟1)中，齒套零件位姿測量系統(tǒng)還包括運動控制機構和懸臂工裝，運動控制機構至少具備4個自由度，包括空間直角坐標方向的3個平動自由度和繞豎直方向的回轉自由度，運動控制機構的末端法蘭與懸臂工裝相連接，末端法蘭上開設有一個定位銷孔；懸臂工裝包括橫梁和縱梁，運動控制機構的末端法蘭連接至橫梁的一端的上表面，末端法蘭的徑向平行于橫梁的長度方向，橫梁的下表面設有沿自身長度方向的滑槽，縱梁的頂端滑動安裝在橫梁的滑槽中，縱梁沿著滑槽移動進而調整縱梁和末端法蘭之間的懸臂長度；縱梁上設有防止彎曲變形的加強筋，縱梁的底端開設有用于安裝電渦流位移傳感器的通孔，電渦流位移傳感器包括傳感器探頭、傳感器連接線纜和傳感器固定螺母，傳感器探頭通過傳感器固定螺母安裝在縱梁的通孔中，傳感器探頭通過傳感器連接線纜連接至外部的傳感器處理裝置，傳感器探頭的朝向平行于橫梁的長度方向；末端法蘭上的定位銷孔的中心對稱點至傳感器探頭的頭部之間的直線距離作為電渦流位移傳感器的回轉半徑r。

12、齒套零件位姿測量系統(tǒng)的測量坐標系以運動控制機構的基座底面中心作為原點o，以電渦流位移傳感器安裝后沿著其軸線的測量方向為x軸，以豎直向上的方向為z軸，建立右手直角坐標系o-xyz。

13、所述的步驟2)具體如下：

14、步驟2.1)通過運動控制機構帶動電渦流位移傳感器移動至齒套零件中，齒套零件的內表面中以等間隔角度設有若干被測點；將電渦流位移傳感器的傳感器探頭進行對中處理，通過運動控制機構帶動傳感器探頭在齒套零件中沿測量坐標系的x軸和y軸步進移動，確定電渦流位移傳感器的量程，使得電渦流位移傳感器在移動時均位于量程范圍內，同時將傳感器探頭的軸線與當前測量的被測點的法線矢量重合。

15、步驟2.2)采用電渦流位移傳感器測量齒套零件的內圓弧面特征，改變傳感器探頭相對被測點在平面xoy中的提離距離h和偏移量δ，提離距離即傳感器探頭表面相對被測點的真實距離，此時由于曲面和偏移的影響，傳感器探頭的測量距離h不等于真實提離距離，對同一個內圓弧面特征在m種提離距離下的n種偏移量進行標定，獲得m×n種傳感器探頭的測量距離h(m,n)與傳感器提離距離h(m，n)，其中，m＝1、2、…、m，n＝1、2、…、n。

16、步驟2.3)針對每種偏移量，將當前偏移量下的所有m種提離距離h和測量距離h做二階多項式擬合，從而獲得偏移量的二階多項式擬合結果，偏移量的二階多項式擬合結果為h(m，n)＝aε(n)·h(m，n)2+bε(n)·h(m，n)+cε(n)，根據二階多項式擬合結果獲得第n種偏移量的第一多項式參數(shù)aε(n)、第二多項式參數(shù)bε(n)和第三多項式參數(shù)cε(n)。

17、步驟2.4)針對每種偏移量，對當前偏移量的第一多項式參數(shù)aε(n)、第二多項式參數(shù)bε(n)和第三多項式參數(shù)cε(n)做二階多項式擬合，從而獲得第一多項式參數(shù)aε(n)、第二多項式參數(shù)bε(n)和第三多項式參數(shù)cε(n)的二階多項式擬合結果，第一多項式參數(shù)aε(n)的二階多項式擬合結果aε′(n)，aε′(n)＝aε0·t(n)2+aε1·t(n)+aε2，第二多項式參數(shù)bε(n)的二階多項式擬合結果bε′(n)，bε′(n)＝bε0·t(n)2+bε1·t(n)+bε2，第三多項式參數(shù)cε(n)的二階多項式擬合結果cε′(n)，cε′(n)＝cε0·t(n)2+cε1·t(n)+cε2，從而獲得第一中間校正參數(shù)aε0、第二中間校正參數(shù)aε1、第三中間校正參數(shù)aε2、第四中間校正參數(shù)bε0、第五中間校正參數(shù)bε1、第六中間校正參數(shù)bε2、第七中間校正參數(shù)cε0、第八中間校正參數(shù)cε1和第九中間校正參數(shù)cε2，其中，t(n)為第n種偏移量的偏移距離。

18、步驟2.5)在后續(xù)使用電渦流位移傳感器對齒套零件的內圓弧面特征進行回轉掃描測量時，獲取傳感器探頭的測量距離h，同時根據傳感器探頭相對被測點在平面xoy中的偏移量δ以及步驟2.4)中的九個中間校正參數(shù)δ，建立電渦流校正模型，根據電渦流校正模型可獲得電渦流校正后的真實提離距離h。

19、所述的步驟2.5)中，電渦流校正模型具體如下：

20、h＝aε′(n)·h2+bε′(n)·h+cε′(n)

21、aε′(n)＝aε0·δ2+aε1·δ+aε2

22、bε′(n)＝bε0·δ2+bε1·δ+bε2

23、cε′(n)＝cε0·δ2+cε1·δ+cε2

24、其中，h為傳感器探頭相對被測點在平面xoy中的真實提離距離。

25、所述的步驟3)具體為，在齒套零件的軸線位姿測量中，通過運動控制機構帶動傳感器探頭進行回轉掃描，同步獲取傳感器探頭的測量數(shù)據，包括傳感器探頭的測量距離h以及相對被測點在平面xoy中的偏移量δ，將傳感器探頭的測量數(shù)輸入電渦流校正模型中進行處理，電渦流校正模型處理后輸出傳感器探頭相對被測點在平面xoy中的真實提離距離h；根據傳感器探頭相對被測點在平面xoy中的真實提離距離h、傳感器探頭的回轉半徑r和各個被測點之間的等間隔角度θ，確定被測點在測量坐標系中的坐標，具體如下：

26、

27、其中，xi和yi分別為第i個被測點在測量坐標系中的x軸和y軸坐標，i＝1、2、...、i，i為齒套零件的內圓弧面在測量坐標系中的截面上的被測點的總數(shù)量，1＝360/θ。

28、被測點是指在坐標系o-xyz中，由電渦流位移傳感器測得的，齒套零件的內圓弧面特征上均勻分布的離散點的三維坐標(xi，yi，zi)，其中，i為離散點的序號；zi坐標是由運動控制機構的末端法蘭位置和懸臂工裝在z軸方向上的幾何尺寸共同決定，末端法蘭位置隨著運動控制機構運動而改變，可以直接讀取，幾何尺寸是固定長度，通過測量獲得。

29、所述的步驟4)具體如下：

30、步驟4.1)在齒套零件的粗測階段，傳感器探頭繞著齒套零件的回轉軸旋轉一圈，齒套零件的回轉截面與測量坐標系xoy平行，一般情況下齒套零件處于傾斜狀態(tài)，齒套零件的回轉截面與齒套零件的內圓柱面相交為一個橢圓輪廓。

31、對橢圓輪廓的截面上的1個被測點進行橢圓擬合，進而獲得橢圓輪廓的各項系數(shù)(aγ，bγ，cγ，dγ，eγ，fγ)，從而確定橢圓；橢圓除代數(shù)方程表示以外，還可以通過圓心坐標(xci，yci)、橢圓的長半軸ra、短半軸rb、長軸與x軸夾角β這五個幾何參數(shù)唯一確定。

32、具體的，可以根據采用直接最小二乘法的橢圓代數(shù)擬合，使下列目標函數(shù)j最小，得到橢圓的代數(shù)方程的各項系數(shù)(aγ，bγ，cγ，dγ，eγ，fγ)：

33、

34、其中，aγ、bγ、cγ、dγ、eγ和fγ分別為橢圓的代數(shù)方程的第一、第二、第三、第四和第五系數(shù)。

35、步驟4.2)根據齒套零件的內圓弧面的曲率半徑r和橢圓輪廓的幾何參數(shù)獲得齒套零件的輪廓橢圓所在的截面與經過橢圓輪廓的中心的正圓截面之間的夾角從而獲取齒套零件的軸線傾斜角度信息，此時只能獲取齒套零件的傾斜程度，但無法對其進行調整。

36、步驟4.3)根據齒套零件的軸線傾斜角度信息和橢圓輪廓的短軸方向向量確定齒套零件的軸線方向的方向向量以及軸線上的橢圓輪廓的圓心的坐標cc＝(xci，yci，zci)，s1、s2和s3分別為齒套零件的軸線方向的方向向量在測量坐標系的x、y和z軸方向上的投影，xci、yci和zci分別為橢圓輪廓的圓心cc在測量坐標系中的x、y和z軸坐標，電渦流位移傳感器回轉軸線與測量坐標系的z軸平行，電渦流位移傳感器的回轉軸線的單位矢量為橢圓輪廓的短軸方向向量根據橢圓的幾何參數(shù)得到，最終確定齒套零件的軸線在測粗階段的位姿信息。

37、所述的步驟6)具體為，使用電渦流位移傳感器的傳感器探頭沿著豎直回轉軸線方向移動，選取齒套零件中的上下兩處的內圓弧面與平面xoy平行的橢圓截面輪廓，對每個橢圓截面輪廓進行橢圓最小二乘擬合，得到每個橢圓截面輪廓的圓心位置，對每個橢圓截面輪廓的圓心添加其所在截面的z坐標，得到兩個橢圓截面輪廓的圓心的空間坐標c1＝(x11，y11，z11)和c2＝(x22，y22，z22)，其中，x11、y11和z11分別為第一個橢圓截面輪廓的圓心在測量坐標系中的x、y和z軸坐標，x22、y22和z22分別為第二個橢圓截面輪廓的圓心在測量坐標系中的x、y和z軸坐標。由空間幾何理論可知，兩個橢圓截面輪廓的圓心的空間坐標連接形成的直線lc理論上應和齒套零件的軸線重合。

38、所述的步驟7)具體為，齒套零件的軸線屬于空間直線，方向與方向向量相同，根據齒套零件的兩處內圓弧面的橢圓截面輪廓的圓心坐標，確定齒套零件的軸線的空間方程如下：

39、

40、p＝s1/s3

41、q＝s2/s3

42、其中，x、y和z分別為齒套零件的軸線上的一點在測量坐標系中的x、y和z軸坐標；p和q分別為第一和第二方向向量參數(shù)；x0和y0分別為齒套零件的軸線與測量坐標系的xoy平面的交點c0的x和y軸坐標，z0＝0；s1、s2和s3分別為齒套零件的軸線方向的方向向量在測量坐標系的x、y和z軸方向上的投影。

43、對于內圓柱面特征的軸線測量要求而言，需要確定軸線的方向，圓柱沿著軸線上下移動和繞著自身軸線轉動都不會對軸線的測量結果造成影響，因此簡化軸線方程，將軸線經過點設置在測量坐標系的xoy平面上即z0＝0，設p＝s1/s3和q＝s2/s3，可獲得軸線空間方程的簡化表達。

44、將齒套零件的兩處內圓弧面的橢圓截面輪廓的圓心坐標輸入齒套零件的空間方程中進行處理后獲得齒套零件的軸線與測量坐標系的xoy平面的交點c0的坐標以及齒套零件的軸線方向的方向向量具體如下：

45、

46、其中，x11、y11和z11分別為第一個橢圓截面輪廓的圓心c1在測量坐標系中的x、y和z軸坐標，x22、y22和z22分別為第二個橢圓截面輪廓的圓心c2在測量坐標系中的x、y和z軸坐標。

47、將齒套零件的軸線與測量坐標系的xoy平面的交點c0的坐標以及齒套零件的軸線方向的方向向量作為齒套零件的軸線的位姿參數(shù)，進而確定齒套零件的軸線的空間位姿。

48、本發(fā)明的電子設備，包括：相互耦接的存儲器和處理器，其中，所述存儲器存儲有程序數(shù)據，所述處理器調用所述程序數(shù)據以執(zhí)行如上述所述的方法。

49、本發(fā)明的計算機可讀存儲介質，其上存儲有程序數(shù)據，所述程序數(shù)據被處理器執(zhí)行時實現(xiàn)如上述所述的方法。

50、本發(fā)明的有益效果是：

51、1、本發(fā)明通過電渦流位移傳感器繞著回轉軸線對齒套零件內部的內圓弧面特征進行回轉掃描，獲取齒套零件表面的點云信息。在粗測階段通過傳感器回轉截面與被測零件相交得到橢圓輪廓，初步求解出零件傾斜角度和粗測軸線位姿信息進行調整后，進入精測階段獲得兩處平行截面與被測零件相交的橢圓輪廓，通過圓心坐標計算得到軸線位姿信息，避免單次測量的精度低和多次反復測量的效率低問題。

52、2、本發(fā)明通過電渦流位移傳感器輔助運動控制機構對零件進行回轉掃描，并處理掃描獲取的點云數(shù)據解算零件軸線位姿。應用本發(fā)明可以測量任意尺寸的具有內圓弧面特征的金屬材料零件的空間位姿，與現(xiàn)有需要安裝和粘貼靶標的測量方式相比，測量過程不接觸被測零件，因此避免了對零件表面的損傷，同時對大批量測量的產品來說，取消了靶標安裝或粘貼過程，提高了測量效率。相比激光傳感器提取輪廓或工業(yè)相機拍照的測量方式，電渦流傳感器不受被測表面油脂的干擾。

53、總之，本發(fā)明方法旨在滿足無靶標、非接觸及不受油脂干擾的前提下，校正內圓弧面特征的電渦流測量誤差，提高齒套零件裝配位姿的測量精度和效率，并可用于齒套零件自動化裝配過程中零件軸線位姿的高精度測量和調整。