一種視覺圖像引導的航空發(fā)動機數(shù)控安裝方法
【專利摘要】一種視覺圖像引導的航空發(fā)動機數(shù)控安裝方法，屬于安裝自動化【技術領域】。其特征是根據(jù)航空發(fā)動機數(shù)控安裝系統(tǒng)中位姿監(jiān)測平臺測得的航空發(fā)動機與發(fā)動機安裝艙的相對位置信息，操作數(shù)控電動架車對其進行水平和豎直方向軸心位置的初始對準，然后利用多軸調(diào)姿平臺對航空發(fā)動機進行軸心位置與軸線偏移角度的精確對準，進而在位姿監(jiān)測平臺的實時監(jiān)測引導下進行航空發(fā)動機的全程自動精密安裝作業(yè)，實現(xiàn)航空發(fā)動機的自動化數(shù)控安裝。本發(fā)明的效果和益處是將先進的圖像識別測量技術與精密的數(shù)字控制技術相結合應用到航空發(fā)動機安裝工作中，提高了安裝效率和安裝質量。
【專利說明】一種視覺圖像引導的航空發(fā)動機數(shù)控安裝方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于安裝自動化【技術領域】，涉及一種視覺圖像引導的航空發(fā)動機數(shù)控安裝方法。
【背景技術】
[0002]由于航空發(fā)動機體積和自重大、安裝空間狹小，且外部結構復雜又不允許有任何的碰撞，由此給現(xiàn)代飛機發(fā)動機的高精度、高效率制造和維修帶來了極大的困難和挑戰(zhàn)。目前我國航空發(fā)動機的安裝作業(yè)仍采用傳統(tǒng)的人工安裝模式，主要存在以下不足之處:(I)安裝過程檢測依靠人工經(jīng)驗，技術手段落后且易產(chǎn)生反復的誤操作；(2)發(fā)動機調(diào)姿精度低，難以實現(xiàn)發(fā)動機安裝時位姿的精密調(diào)整；(3)安裝設備機動性差，需要利用人力或拖車將其拖運到安裝位置；(4)自動化程度差，需要多名安裝人員協(xié)同操作，安裝效率低。
[0003]本發(fā)明申報人已申請專利:(I) 一種飛機發(fā)動機安裝作業(yè)用數(shù)控電動架車，申請?zhí)枮?01310097888.0 ； (2) 一種飛機發(fā)動機安裝用多軸調(diào)姿平臺，申請?zhí)枮?01310098161.4 ；
[3]一種基于圖像傳感技術的空間目標特征識別裝置，申請?zhí)枮?01310086688.5。雖然數(shù)控電動架車提供了航空發(fā)動機的自動化安裝手段，但缺少針對數(shù)控電動架車有效的數(shù)控安裝方法，使得發(fā)動機自動化安裝工作的開展難以順利進行。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有大尺寸航空發(fā)動機安裝存在的對準困難、安裝精度低、自動化程度低等問題，提供一種航空發(fā)動機自動化數(shù)控安裝方法，從而實現(xiàn)飛機發(fā)動機的安全、準確、高效的數(shù)字化安裝作業(yè)。
[0005]本發(fā)明的技術方案是:一種航空發(fā)動機5數(shù)控安裝系統(tǒng)，由數(shù)控電動架車1、多軸調(diào)姿平臺2、位姿監(jiān)測平臺3——空間目標特征識別裝置、監(jiān)視攝像頭4、數(shù)字控制系統(tǒng)組成，可同時在分別安裝左右航空發(fā)動機5時使用。
[0006]本發(fā)明各部分機構布置如下:(I)數(shù)控電動架車I位于發(fā)動機安裝艙6的后方；
(2)多軸調(diào)姿平臺2位于數(shù)控電動架車I上；(3)位姿監(jiān)測平臺3位于發(fā)動機安裝艙6內(nèi)部的前方；(4)監(jiān)視攝像頭4位于數(shù)控電動架車I的前方兩側。
[0007]飛機發(fā)動機安裝作業(yè)用數(shù)控電動架車1，包括多軸調(diào)姿平臺2、長軸進給機構、車體轉動機構、液壓支腿、電動車，而多軸調(diào)姿平臺2包括縱向平移機構、水平轉臺機構、升降俯仰機構?？蓪崿F(xiàn)航空發(fā)動機5X、Y、Z軸方向的位移調(diào)整和A、B、C軸方向的轉動調(diào)整，其中X、Y、Z、B、C軸為數(shù)控調(diào)控，A軸為人工調(diào)控，而液壓支腿可實現(xiàn)數(shù)控電動架車IZ軸方向的液壓升降，采用電力驅動進行駕駛。
[0008]位姿監(jiān)測平臺3采用高速的圖像識別測量技術，用于采集航空發(fā)動機5和發(fā)動機安裝艙6的相對位置數(shù)據(jù)信息:航空發(fā)動機5與發(fā)動機安裝艙6兩軸線B軸方向偏移角度Θ b與C軸方向偏移角度Θ。、軸心Y軸方向偏移量y與Z軸方向偏移量z。
[0009]監(jiān)視攝像頭4用于監(jiān)視安裝過程中航空發(fā)動機5和發(fā)動機安裝艙6的安裝間隙，一旦小于容許的最小安裝間隙λ時，立刻發(fā)出報警信號起到安全保護的作用。
[0010]航空發(fā)動機5安裝前的軸心對準工作分為粗對準和精對準:(I)安裝前根據(jù)位姿監(jiān)測平臺3提供的航空發(fā)動機5相對位置信息，操作電動車進行航空發(fā)動機5與發(fā)動機安裝艙6的水平對準，并使數(shù)控電動架車I與發(fā)動機安裝艙6大致平行，然后操作液壓支腿進行其豎直對準，位置誤差控制在ε ^以內(nèi)；(2)操作多軸調(diào)姿平臺2進行航空發(fā)動機5與發(fā)動機安裝艙6兩軸線B軸方向偏移角度△ 9)3與(:軸方向偏移角度△ Θ。的對準，角度誤差控制在C1以內(nèi)，然后進行軸心Y軸方向偏移量Ay與Z軸方向偏移量Az的對準，位置誤差控制在ε i以內(nèi)。
[0011]航空發(fā)動機5的安裝作業(yè)是不斷實現(xiàn)航空發(fā)動機5機頭端面軸心法向量和與之相切發(fā)動機安裝艙6所在平面內(nèi)軸心法向量的重合過程，利用數(shù)控電動架車I的長軸進給機構和多軸調(diào)姿平臺2的升降俯仰機構對航空發(fā)動機5機頭端面軸心法向量的X軸方向偏移量X、Z軸方向偏移量z與B軸方向偏移角度Θ b進行聯(lián)動調(diào)姿控制，可實現(xiàn)兩法向量的重合，從而完成航空發(fā)動機5的安裝工作。
[0012]其中，為了實現(xiàn)航空發(fā)動機5機頭端面軸心法向量的位移控制，多軸調(diào)姿平臺2的升降俯仰機構對航空發(fā)動機5Z軸方向的偏移量z需要進行變量轉換，其計算公式如下:
[0013]Z = hz+h 9 + δ + Δ
[0014]式中:hz——平臺豎直升降的高度
[0015]he——平臺擺動而 引起的高度變化
[0016]δ —變形而引起的高度變化
[0017]Δ—許用自動安裝位置誤差
[0018]數(shù)控電動架車I調(diào)姿機構的變形量對于Z軸方向的偏移量ζ影響較大，在調(diào)姿時將變形引起的高度值S進行補償。將△設定為許用自動安裝位置誤差，△ e設定為許用自動安裝角度誤差，兩者須同時滿足缺一不可，一旦安裝偏差超出許用自動安裝誤差，安裝工作暫時停止，進行重新調(diào)整與定位，再繼續(xù)執(zhí)行自動安裝工作。
[0019]航空發(fā)動機5數(shù)控安裝方法的步驟如下:
[0020](I)駕駛數(shù)控電動架車I位于發(fā)動機安裝艙6的后方，位姿監(jiān)測平臺3監(jiān)測航空發(fā)動機5和發(fā)動機安裝艙6的相對位置信息,操作電動車進行航空發(fā)動機5與發(fā)動機安裝艙6的水平對準，并使數(shù)控電動架車I與發(fā)動機安裝艙6大致平行，然后操作液壓支腿進行其豎直對準，位置誤差控制在ε ^以內(nèi)，然后固定液壓支腿，完成粗對準工作；
[0021](2)根據(jù)位姿監(jiān)測平臺3測得的相對位置數(shù)據(jù)信息，操作多軸調(diào)姿平臺2進行航空發(fā)動機5與發(fā)動機安裝艙6兩軸線B軸方向偏移角度Λ Θ b與C軸方向偏移角度Λ Θ。的對準，角度誤差控制在ξ工以內(nèi)，然后進行軸心Y軸方向偏移量Λ y與Z軸方向偏移量Λ ζ的對準，位置誤差控制在ε i以內(nèi)，完成精對準工作；
[0022](3)數(shù)字控制系統(tǒng)規(guī)劃安裝軌跡，利用數(shù)控電動架車I長軸進給機構和多軸調(diào)姿平臺2升降俯仰機構的聯(lián)動控制進行自動安裝，位姿監(jiān)測平臺3實時監(jiān)測安裝位置偏移量并反饋給數(shù)字控制系統(tǒng)以不斷調(diào)整復位，設定Λ為許用自動安裝位置誤差，A0為許用自動安裝角度誤差，一旦安裝偏差超出允許誤差則停止自動安裝，利用數(shù)控電動架車I調(diào)姿機構重新進行對準定位，再繼續(xù)執(zhí)行自動安裝工作；
[0023](4)監(jiān)視攝像頭4全程實時輔助監(jiān)視航空發(fā)動機5與發(fā)動機安裝艙6在安裝過程中的安裝間隙，一旦小于容許的最小安裝間隙λ，立刻發(fā)出報警信號，停止數(shù)控電動架車I的所有安裝工作，重新檢查調(diào)整；
[0024](5)航空發(fā)動機5安裝完成后，收回液壓支腿，數(shù)控電動架車I各調(diào)姿機構復位，駕駛數(shù)控電動架車I撤出安裝現(xiàn)場，位姿監(jiān)測平臺3移出發(fā)動機安裝艙6，完成整個安裝工作。
[0025]本發(fā)明的效果和益處是:(I)采用圖像識別測量技術在線測量航空發(fā)動機安裝時的相對位置信息，實現(xiàn)安裝過程的實時監(jiān)測，監(jiān)測精度高；(2)采用數(shù)字控制技術進行航空發(fā)動機的多自由度自動化數(shù)字安裝，調(diào)姿精度高；(3)將圖像識別測量技術與數(shù)字控制技術相結合，實現(xiàn)航空發(fā)動機的數(shù)字化安裝，提高了安裝效率和安裝質量。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0026]圖1是航空發(fā)動機數(shù)控安裝系統(tǒng)的結構示意圖。
[0027]圖1中:1數(shù)控電動架車、2多軸調(diào)姿平臺、3位姿監(jiān)測平臺、4監(jiān)視攝像頭、5航空發(fā)動機、6發(fā)動機安裝艙。
[0028]圖2是航空發(fā)動機的軸心對準示意圖:(a)為軸心對準的主視圖；(b)為軸心對準的側視圖；(C)為軸心對準的俯視圖。
[0029]圖3是航空發(fā)動機安裝軌跡的示意圖。
[0030]圖4是航空發(fā)動機數(shù)控調(diào)姿的示意圖。
[0031]圖5是數(shù)字控制系統(tǒng)的工作流程圖。
【具體實施方式】
[0032]以下結合技術方案和附圖詳細敘述本發(fā)明的【具體實施方式】。
[0033]如圖1所示，航空發(fā)動機5數(shù)控安裝系統(tǒng)由數(shù)控電動架車1、多軸調(diào)姿平臺2、位姿監(jiān)測平臺3、監(jiān)視攝像頭4、數(shù)字控制系統(tǒng)組成，可同時在分別安裝左右航空發(fā)動機5時使用。
[0034]本發(fā)明各部分機構布置如下:(I)數(shù)控電動架車I位于發(fā)動機安裝艙6的后方；
(2)多軸調(diào)姿平臺2位于數(shù)控電動架車I上；(3)位姿監(jiān)測平臺3位于發(fā)動機安裝艙6內(nèi)部的前方，即發(fā)動機安裝艙6的另一側；(4)監(jiān)視攝像頭4位于數(shù)控電動架車I的前方兩側，每側放置兩個監(jiān)視攝像頭4。
[0035]數(shù)控電動架車I從上至下包括多軸調(diào)姿平臺2、長軸進給機構、車體轉動機構、液壓支腿、電動車底盤，而多軸調(diào)姿平臺2從上至下包括縱向平移機構、水平轉臺機構、升降俯仰機構。長軸進給機構、縱向平移機構可分別實現(xiàn)航空發(fā)動機5X、Y軸方向位移的數(shù)控調(diào)整，升降俯仰機構可實現(xiàn)航空發(fā)動機5Ζ軸方向位移和B軸方向俯仰轉動的數(shù)控調(diào)整，水平轉臺機構可實現(xiàn)航空發(fā)動機5C軸方向轉動的數(shù)控調(diào)整，車體轉動機構可實現(xiàn)航空發(fā)動機5Α軸方向轉動的人工調(diào)整，這六軸機構作為數(shù)控電動架車I的調(diào)姿機構，液壓支腿可實現(xiàn)數(shù)控電動架車IZ軸方向的液壓升降，數(shù)控電動架車I采用電力驅動進行駕駛。
[0036]位姿監(jiān)測平臺2由圖像采集卡、計算機和工業(yè)相機組成，自身具有自動化調(diào)姿功能以方便圖像的采集和位置量的計算，擁有高速的圖像識別處理和幾何計算能力，用于測量航空發(fā)動機5和發(fā)動機安裝艙6的相對位置數(shù)據(jù)信息:航空發(fā)動機5與發(fā)動機安裝艙6兩軸線B軸方向偏移角度9)3與(:軸方向偏移角度Θ。、軸心Y軸方向偏移量7與Z軸方向偏移量ζ。
[0037]監(jiān)視攝像頭4用于監(jiān)視安裝過程中航空發(fā)動機5和發(fā)動機安裝艙6的安裝間隙，一旦小于容許的最小安裝間隙λ = 5mm，立刻發(fā)出報警信號，停止工作并檢查調(diào)整，起到安全保護的作用。
[0038]如圖2所示，航空發(fā)動機5安裝前需要進行軸心對準工作，其對準工作分為粗對準和精對準:(I)安裝前根據(jù)位姿監(jiān)測平臺3提供的航空發(fā)動機5相對位置信息，操作電動車進行航空發(fā)動機5與發(fā)動機安裝艙6的水平對準，并使數(shù)控電動架車I與發(fā)動機安裝艙6大致平行，然后操作液壓支腿進行其豎直對準，使得航空發(fā)動機5的軸心與發(fā)動機安裝艙6的軸心位置誤差控制在ε ^ = ±50mm以內(nèi)；(2)操作多軸調(diào)姿平臺2進行航空發(fā)動機5與發(fā)動機安裝艙6兩軸線B軸方向偏移角度△ 9)3與(:軸方向偏移角度△ Θ。的對準，角度誤差控制在^1= ±0.2’以內(nèi)，然后進行軸心Y軸方向偏移量Ay與Z軸方向偏移量Az的對準，位置誤差控制在ε i = ±2mm以內(nèi)。
[0039]如圖3和圖4所示，對準完成后進行航空發(fā)動機5的安裝工作，航空發(fā)動機5的安裝是不斷實現(xiàn)航空發(fā)動機5機頭端面軸心法向量和與之相切發(fā)動機安裝艙6所在平面內(nèi)軸心法向量的重合過程，利用數(shù)控電動架車I的長軸進給機構和多軸調(diào)姿平臺2的升降俯仰機構對航空發(fā)動機5機頭端面軸心法向量的X軸方向偏移量X、Z軸方向偏移量ζ與B軸方向偏擺角度9b進行聯(lián) 動調(diào)姿控制，可實現(xiàn)兩法向量的重合，完成航空發(fā)動機5的安裝工作。但實際安裝軌跡和理論安裝軌跡有一定的偏差，它取決于其調(diào)姿位置、機構變形和安裝偏差二方面因素。
[0040]其中O1為多軸調(diào)姿平臺2對于航空發(fā)動機5的調(diào)姿軸心，O2為航空發(fā)動機5機頭端面軸心，為了實現(xiàn)航空發(fā)動機5機頭端面軸心法向量的位移控制，多軸調(diào)姿平臺2中的升降俯仰機構對航空發(fā)動機5Z軸方向的偏移量ζ需要進行變量轉換，其計算公式如下:
[0041 ] z = hz+h 9 + δ + Δ
[0042]式中:hz——平臺豎直升降的高度
[0043]he——平臺擺動而引起的高度變化(he = O1O2Sin Θ b)
[0044]δ —變形而引起的高度變化
[0045]Δ —許用自動安裝位置誤差
[0046]由于航空發(fā)動機5載荷較大,調(diào)姿機構的變形量對于Z軸方向偏移量ζ的控制影響較大，應考慮在控制范圍內(nèi)，在調(diào)姿時將變形引起的高度值δ進行補償。此外設定Δ ^ Imm時為許用自動安裝位置誤差，Λ 0 < I’時為許用自動安裝角度誤差，兩者需要同時滿足才可進行自動安裝，缺一不可，否則安裝工作暫時停止，需要重新進行調(diào)整與定位，再繼續(xù)執(zhí)行自動安裝工作。
[0047]如圖5所示，數(shù)字控制系統(tǒng)的工作流程按照順序分為位姿監(jiān)測平臺測量、獲取相對位置信息、安裝軌跡規(guī)劃、數(shù)控電動架車調(diào)姿，誤差要求分析。
[0048]航空發(fā)動機5數(shù)控安裝方法的步驟如下:
[0049](I)通過電動車駕駛數(shù)控電動架車I位于發(fā)動機安裝艙6的后方，位姿監(jiān)測平臺3監(jiān)測航空發(fā)動機5和發(fā)動機安裝艙6的相對位置，操作電動車進行航空發(fā)動機5與發(fā)動機安裝艙6的水平對準，并使數(shù)控電動架車I與發(fā)動機安裝艙6大致平行，然后操作液壓支腿進行其豎直對準，位置誤差控制在±50mm以內(nèi)，然后固定液壓支腿，完成粗對準工作；
[0050](2)根據(jù)位姿監(jiān)測平臺3測得的相對位置數(shù)據(jù)信息:航空發(fā)動機5與發(fā)動機安裝艙6兩軸線B軸方向偏移角度Λ 9)3與(:軸方向偏移角度Λ Θ。、軸心原點Y軸方向偏移量Ay與Z軸方向偏移量，操作多軸調(diào)姿平臺2的縱向平移機構和水平轉臺機構及升降俯仰機構進行航空發(fā)動機5與發(fā)動機安裝艙6兩軸線B軸方向偏移角度△ Θ b與C軸方向偏移角度Λ Θ。的對準，角度誤差控制在C1 = ±0.2’以內(nèi)，然后進行軸心Y軸方向偏移量Ay與Z軸方向偏移量Az的對準，位置誤差控制在ε I = ±2mm以內(nèi)，完成精對準工作；
[0051](3)數(shù)字控制系統(tǒng)規(guī)劃安裝軌跡，利用數(shù)控電動架車I長軸進給機構和多軸調(diào)姿平臺2升降俯仰機構的聯(lián)動控制進行自動安裝，位姿監(jiān)測平臺3實時監(jiān)測安裝位置偏移量并反饋給數(shù)字控制系統(tǒng)以不斷調(diào)整復位，設定Λ ≤ Imm為許用自動安裝位置誤差，
為許用自動安裝角度誤差，一旦安裝偏差超出允許誤差則停止自動安裝，利用數(shù)控電動架車I的調(diào)姿機構重新進行對準定位，再繼續(xù)執(zhí)行自動安裝工作；
[0052](4)監(jiān)視攝像頭4全程實時輔助監(jiān)視航空發(fā)動機5與發(fā)動機安裝艙6在安裝過程中的安裝間隙，一旦小于容許最小安裝間隙λ = 5mm，立刻發(fā)出報警信號，停止數(shù)控電動架車I的所有安裝工作，重新檢查調(diào)整；
[0053](5)航空發(fā)動機5安裝完成后，收回液壓支腿，數(shù)控電動架車I各調(diào)姿機構復位，駕駛數(shù)控電動架車I撤出安裝現(xiàn)場，位姿監(jiān)測平臺3移出發(fā)動機安裝艙6，完成整個安裝工作。
【權利要求】
1.一種視覺圖像引導的航空發(fā)動機數(shù)控安裝方法，其特征在于: 1)軸心對準工作分為粗對準和精對準:a.安裝前根據(jù)位姿監(jiān)測平臺(3)提供的航空發(fā)動機(5)相對位置信息，操作電動車進行航空發(fā)動機(5)與發(fā)動機安裝艙(6)的水平對準，并使數(shù)控電動架車(I)與發(fā)動機安裝艙(6)大致平行，然后操作液壓支腿進行其豎直對準，位置誤差控制在Stl以內(nèi)；b.操作多軸調(diào)姿平臺(2)進行航空發(fā)動機(5)與發(fā)動機安裝艙(6)兩軸線B軸方向偏移角度Λ 9)3與(:軸方向偏移角度Λ Θ。的對準，角度誤差控制在ζι以內(nèi)，然后進行軸心Y軸方向偏移量Ay與Z軸方向偏移量Az的對準，位置誤差控制在S1以內(nèi)； 2)安裝工作是不斷實現(xiàn)航空發(fā)動機(5)機頭端面軸心法向量和與之相切發(fā)動機安裝艙(6)所在平面內(nèi)軸心法向量的重合過程，利用數(shù)控電動架車(I)長軸進給機構和多軸調(diào)姿平臺(2)升降俯仰機構對航空發(fā)動機(5)機頭端面軸心法向量的X軸方向偏移量χ、Ζ軸方向偏移量ζ與B軸方向偏移角度Θ b進行聯(lián)動調(diào)姿控制，實現(xiàn)兩法向量的重合，從而完成航空發(fā)動機(5)的安裝工作； 3)監(jiān)視攝像頭(4) 全程實時輔助監(jiān)視航空發(fā)動機(5)與發(fā)動機安裝艙(6)在安裝過程中的安裝間隙，小于容許的最小安裝間隙λ時，立刻發(fā)出報警信號，停止數(shù)控電動架車(I)的所有安裝工作，重新檢查調(diào)整； 4)航空發(fā)動機(5)安裝完成后，收回液壓支腿，數(shù)控電動架車(I)各調(diào)姿機構復位，駕駛數(shù)控電動架車(I)撤出安裝現(xiàn)場，位姿監(jiān)測平臺(3)移出發(fā)動機安裝艙(6)，完成整個安裝工作。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種視覺圖像引導的航空發(fā)動機數(shù)控安裝方法，其特征在于Z軸方向的偏移量z需要進行變量轉換，其計算公式如下:
z = hz+h 9 + δ + Δ 式中:hz—平臺豎直升降的高度 he—平臺擺動而引起的高度變化 δ—變形而引起的高度變化 Δ——許用自動安裝位置誤差 在安裝調(diào)姿時將變形引起的高度值S進行補償，將△設定為許用自動安裝位置誤差，Δ θ設定為許用自動安裝角度誤差，兩者須同時滿足缺一不可，一旦安裝偏差超出許用自動安裝誤差，安裝工作暫時停止，進行重新調(diào)整與定位，再繼續(xù)執(zhí)行自動安裝工作。
【文檔編號】G05B19/18GK103970067SQ201410208528
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年5月16日 優(yōu)先權日:2014年5月16日
【發(fā)明者】高航, 盛賢君, 趙哲, 孫怡, 姜濤, 劉學術, 劉國, 李明偉 申請人:大連理工大學