CN104330261A - 一种发动机大部件自动对接装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种发动机大部件自动对接装置，属于发动机装配技术领域。对接装置包括运动对接支架组件、姿态调整支架组件、图像测量组件、激光测距传感器组件、倾角传感器组件、步进电机组件以及计算机控制组件。通过上述各组件的合理设计、安装及配合，最终实现了在所述计算机控制组件对所述图像测量组件、激光测距传感器、角度传感器的测量数据进行采集、处理，并对所述步进电机运动组件进行运动控制，在所述姿态调整支架组件和运动对接支架组件上实现发动机大部件的两个子部件在空间六自由度的姿态自动调整和对接。本发明能满足发动机研制生产过程中对大部件进行高效精确对接的研制要求。

Description

一种发动机大部件自动对接装置

技术领域

本发明涉及发动机装配技术领域，具体涉及一种发动机大部件自动对接装置及对接方法。

背景技术

发动机大部件是由燃烧室和油箱这两个独立的子部件进行对接装配后形成，是发动机研制生产过程中的重要环节之一。现有对接装置是一种简单的机械对接工装，完全依靠人工目视和手动调节完成对接。

由于两个子部件的对接是空间三维运动加绕轴自转运动的六自由度姿态复合调整过程，同时还有对接精度高、一次成功等要求，目前大部件对接依靠简易支撑工装车，人工手动调节、人眼瞄准机械对接，不能实现自动化操作；简易对接装置对操作人员的熟练程度和从业经验有较高的要求，只有少量人员可以独立完成。简易对接装置精度较低，对两舱段水平、俯仰和偏摆的姿态无法精确辨识，对接的一次合格率较低，需要人工多次调整和试对接。

为了提升发动机大部件的对接装配技术水平和装配质量，急需发明一种发动机大部件的自动对接装置。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种发动机大部件自动对接装置，该装置支撑放置发动机的两个子部件，通过机电一体化控制自动调整部件的空间各向姿态，实现两个部件的高精度、高效、安全的自动对接功能。

为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的：一种发动机大部件自动对接装置，包括运动对接支架组件、姿态调整支架组件、图像测量组件、激光测距传感器组件、倾角传感器组件、步进电机组件和计算机，***设备为油箱和燃烧室；

所述图像测量组件为具有完成光学图像测量的摄像机和定位比较的靶标；

所述激光测距传感器组件具有完成距离测量功能的激光测距传感器；所述倾角传感器组件具有完成与重力方向角度测量的倾角传感器，通过图像测量组件、激光测距传感器组件和倾角传感器组件测量数据的组合由计算机确定所述发动机大部件的空间姿态；所述步进电机组件完成空间的轴向、横向、垂向以及自转共六个自由度的运动控制；所述油箱和燃烧室分别固定安装在运动对接支架组件和姿态调整支架组件上，所述运动对接支架组件只完成轴向运动控制，姿态调整支架组件完成横向、垂向及自转运动控制。

对接过程：

第一步：利用靶标十字圈图像数据计算部件横向、垂向平移量以及自转量偏差，控制运动机构完成调整运动，重复流程直至靶标十字在预期标定位置误差内；

第二步：利用倾角传感器数据计算部件垂向偏转角度与预期偏差量，控制垂向运动机构减小偏差，并重复第一步以修正垂向偏转调整带来的靶标十字偏移；

第三步：利用激光测距传感器数据计算部件横向偏转与预期角偏差，控制横向运动机构减小偏差，并重复第一步以修正横向偏转调整带来的靶标十字偏移；重复第一、二、三步，直至靶标十字、垂向偏转角以及横向偏转角均在对接预期值误差范围内；

第四步：轴向运动机构完成对接合拢运动。

进一步的，所述运动对接支架组件由导轨平板、高度调节螺栓、轴向导轨、燃烧室装卡机构、轴向驱动机构组成，导轨平板的下表面安装高度调节螺栓，上表面安装轴向导轨，燃烧室装卡机构的底部与轴向导轨滑动配合，轴向驱动机构固定安装在导轨平板上并能驱动燃烧室装卡机构沿轴向导轨水平移动；

进一步的，所述姿态调整支架组件包括横向滑轮运动驱动机构、横向运动电机组、横向运动滑块驱动机构、横向运动支架、导轨平板Ⅱ、横向移动凸导轨、横向运动凹导轨、滑块转轴，横向移动滑块，横向移动滑轮、垂向运动驱动机构、垂向运动支架、油箱卡环以及卡环旋转驱动机构；所述导轨平板Ⅱ上设有互相平行的横向移动凸导轨和横向运动凹导轨，横向运动支架的下表面分别连接横向移动滑块和横向移动滑轮，横向移动滑块通过滑块转轴与横向运动支架活动连接，横向移动滑轮能够绕垂直于滚动轴线的方向转动，横向移动滑块和横向移动滑轮分别与导轨平板Ⅱ上的横向移动凸导轨和横向运动凹导轨配合，横向运动电机组的两个电机分别与横向滑块运动驱动机构和控制横向滑轮运动驱动机构连接，横向滑块运动驱动机构和横向滑轮运动驱动机构在电机的驱动下分别驱动横向移动滑块和横向移动滑轮沿横向移动凸导轨横向运动凹导轨直线运动，当两者的移动量一致时，横向运动支架为横向移动，移动量不一致时，横向运动支架实现横向偏转运动；所述垂向运动驱动机构安装在垂向运动支架和横向运动支架之间，通过垂向运动电机组驱动垂向运动驱动机构在垂直方向的运动；所述卡环旋转驱动机构固定安装在垂向运动支架上，油箱卡环与卡环旋转驱动机构固定，通过旋转步进电机驱动卡环旋转驱动机构带动固定在油箱卡环上的油箱绕油箱轴线旋转；

进一步地，所述摄像机和靶标分别安装在燃烧室和油箱上，摄像机上安装分别安装一个倾角传感器和激光测距传感器，靶标上安装一个倾角传感器；垂向运动支架的下方安装两个激光测距传感器，摄像机以及上述传感器均与计算机连接，计算机发出步进电机的方向及转动调节控制指令，借助运动驱动机构相应调整部件的空间姿态，使两个部件的各向角度偏差不断减小，最终满足对接条件后实现对接。

有益效果：

1、本发明能够自动完成发动机大部件的对接，减轻劳动强度、提高工作效率、增强可靠性，最大限度减少质量安全隐患。

2、本发明依靠齐全完备的图像、距离、角度传感器、电动驱动机构以及控制软件，可实现部件在空间各向姿态的运动调整，从部件吊装放置至对接合拢的过程无需人工参与，实现全程自动对接。进一步地，基于传感器的高精度测量数据、电动驱动结构部件的精密运动以及控制软件的合理控制算法及流程，在不具备安装有显著降低对接定位难度的自导自适应等结构的条件下，可以实现0.15mm定位误差的高精度对接。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2本发明的姿态调整支架的结构示意图；

图3为本发明的控制功能框图；

图4为本发明的对接控制流程图。

1-姿态调整支架组件，101-垂向运动电机组，102-旋转步进电机，103-卡环旋转驱动机构，104-垂向运动支架，105-油箱卡环，106-油箱，107-垂向运动驱动机构，108-横向运动驱动机构，109-横向运动电机组，110-高度调节螺栓，111-横向运动支架，112-导轨平板Ⅰ，113-横向移动导轨，2-运动对接支架组件，201-轴向导轨，202-高度调节螺栓，203-导轨平板Ⅱ，204-轴向驱动机构，205-燃烧室装卡机构，206-燃烧室，207-轴向运动电机，3-计算机控制组件，31-计算机，4-传感器组件，41-摄像机，42-靶标,43-倾角传感器Ⅰ,44-倾角传感器Ⅱ,45-激光测距传感器Ⅰ，46-激光测距传感器Ⅱ，47-激光测距传感器Ⅲ，113-横向移动凸导轨，114-横向移动凹导轨，115-滑块转轴，116-横向移动滑块，117-横向移动滑轮，80-计算机三个激光测距传感器数据的RS232接口，81-计算机图像数据USB2.0接口，82-计算机两个倾角传感器数据的RS232接口，83-多轴运动控制PCI卡，84-对接控制软件。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

如附图1所示，本发明的一种发动机大部件自动对接装置，包括运动对接支架组件2、姿态调整支架组件1、传感器组件4和计算机31，其中，所述运动对接支架组件包括导轨平板203、高度调节螺栓202、燃烧室装卡机构205、轴向导轨201及轴向驱动机构204，所述轴向导轨201固定连接在导轨平板203的上表面，高度调节螺栓202安装在导轨平板203的下表面和地面之间；轴向运动电机207直接控制轴向驱动机构204，沿导轨201实现燃烧室206轴向位置调整，目的是完成对接合拢功能；特别的，由此限定燃烧室206只能沿轴向运动，而其余各向均能够保持固定，可以将燃烧室206的空间姿态确定为发动机两个部件对接中的姿态基准。导轨201决定了轴向的实际运动方向，导轨201直线度由精加工保证，导轨201水平度由高度调节螺栓202精细调整导轨平板203实现，通过标定以确定数值在允许误差范围内。

姿态调整支架组件1包括横向滑轮运动驱动机构108、横向运动电机组109、横向运动滑块驱动机构110、横向运动支架111、导轨平板Ⅱ112、横向移动凸导轨113、横向运动凹导轨114、滑块转轴115，横向移动滑块116，横向移动滑轮117、垂向运动驱动机构107、垂向运动支架104、油箱卡环105以及卡环旋转驱动机构103；所述导轨平板Ⅱ112上设有互相平行的横向移动凸导轨113和横向运动凹导轨114，横向运动支架111的下表面分别连接横向移动滑块116和横向移动滑轮117，横向移动滑块116通过滑块转轴115与横向运动支架111活动连接，横向移动滑轮117能够绕垂直于滚动轴线的方向转动，横向移动滑块116和横向移动滑轮117分别与导轨平板Ⅱ112上的横向移动凸导轨113和横向运动凹导轨114配合，横向运动电机组109的两个电机分别与横向滑块运动驱动机构110和控制横向滑轮运动驱动机构108连接，横向滑块运动驱动机构110和横向滑轮运动驱动机构108在电机的驱动下分别驱动横向移动滑块116和横向移动滑轮117沿横向移动凸导轨113横向运动凹导轨114直线运动，当两者的移动量一致时，横向运动支架111为横向移动，移动量不一致时，横向运动支架实现横向偏转运动；所述垂向运动驱动机构107安装在垂向运动支架104和横向运动支架111之间，通过垂向运动电机组驱动垂向运动驱动机构在垂直方向的运动；所述卡环旋转驱动机构103固定安装在垂向运动支架104上，油箱卡环105与卡环旋转驱动机构103固定，通过旋转步进电机102驱动卡环旋转驱动机构103带动固定在油箱卡环105上的油箱绕油箱轴线旋转；

传感器组件包括摄像机41、靶标42、倾角传感器44、激光测距传感器45以及倾角传感器43。

本发明实施例的姿态调整支架组件总的以附图标号1指示(包括图1和图2)，横向滑轮运动驱动机构108、横向运动电机组109、横向运动滑块驱动机构110、横向运动支架111、导轨平板112、横向移动凸导轨113、横向运动凹导轨114、滑块转轴115，横向移动滑块116，横向移动滑轮117、垂向运动驱动机构107、垂向运动支架104、油箱卡环105以及卡环旋转驱动机构103等组成。该支架组件用于放置油箱106并调整其空间姿态。横向滑块运动驱动机构110的运动可使横向移动滑块116沿横向移动凸导轨113实现精密直线运动，横向移动滑块116通过滑块转轴115与横向运动支架111连接，横向滑轮运动驱动机构108可使横向移动滑轮117沿横向移动凹导轨114实现直线运动，横向移动滑轮117可以绕自身轴转动，并和横向运动支架111连接，当横向运动电机组109的两个电机分别控制横向滑块运动驱动机构110运动和控制横向滑轮运动驱动机构110运动时，就可以使横向运动支架111实现横向偏转和平移运动，进而间接带动其上的油箱106实现横向偏转及平移运动调整；垂向运动电机组101直接控制垂向运动驱动机构107，实现油箱106垂向偏转及平移运动调整；旋转运动电机102直接控制卡环旋转驱动机构103，由卡环105旋转实现油箱106绕轴自转调整。从运动执行机构方面保证油箱106能以燃烧室206姿态为基准进行空间姿态自由调整。

如附图3所示，本发明实施例中分布安装了多个不同类型高精度传感器组件，实时测量油箱106的姿态数据，在燃烧室206对接端的一个基准面上安装摄像机支架，支架上安装摄像机41、激光测距传感器45以及倾角传感器43。摄像机41像素500万，图像数据通过USB2.0接口81传输至计算机31；激光测距传感器45测量精度为0.08mm，数据通过RS232第一串口80传输至计算机31；倾角传感器43测量精度为0.01°，数据通过RS232第四串口82传输至计算机31。在油箱106对接端的基准面上安装靶标支架，支架安装靶标42、倾角传感器44。靶标42为特殊材料制作的十字圈特征图形；倾角传感器44与倾角传感器43测量精度相同，数据通过RS232第五串口82传输至计算机31。在姿态调整支架组件1的导轨平板112上安装两个激光测距传感器46和47，传感器沿油箱轴向前后安装，分别对应油箱前后的两个基准面，测量传感器与两个基准面的距离值，数据通过RS232第二串口80、第三串口80传输至计算机31。特别的，所述传感器组件的安装结构精确，且具有微调结构，安装基准为发动机部件已知基准面，传感器组件自身定位由此可知，且通过标定得到确认和固化；也就是说，可以保证传感器的测量数据与部件本身之间有已知的预期参数关系。

如附图4所示，实现对接的步骤如下：

第一步，使运动对接支架2远离姿态调整支架组件1，保持吊装安全距离，然后通过吊装将燃烧室206放置在运动支架组件2装卡机构205上，将油箱106放置在姿态调整支架组件1的油箱装卡卡环105上，部件在卡环的支撑位置与规定相差不大于5mm误差；

第二步，计算机31连续采集摄像机41图像数据，软件84采用基于模糊算法的图像处理方法识别靶标42图像十字圈的存在与完整性，计算位置偏差，在流程52处发出运动指令相应调整油箱106进行横向左右平移、垂向升降平移及自旋转；

第三步，返回流程51处识别，重复直至靶标42图像十字圈全部进入摄像机41视野；

第四步，在流程53处，发出运动指令使燃烧室206轴向前进靠拢油箱106，计算机31连续采集激光测距传感器45数据，判断燃烧室206距离油箱106为10mm至8mm处停止运动，此位置称为对接调整点；调整点为靶标图像最佳位置，也是部件对接合拢前最小的安全距离，在调整点完成油箱106的与燃烧室206的姿态对正工作，然后沿轴向对接合拢；

第五步，在对接调整点在流程54处，软件84计算当前靶标42图像十字交点与摄像机41二维坐标系中标定的预期点位置偏差，在流程55处发出运动指令使油箱106横向和垂向平移相应调整，再返回流程54处计算偏差，重复直至靶标42图像十字交点在预期点误差内；

第六步，在流程56处，软件84计算当前靶标42图像十字线与摄像机41二维坐标轴的预期夹角偏差；

第七步，流程57处发出运动指令使油箱106自转运动以减小偏差；

第八步，重复流程54、流程55、流程56、流程57，直至靶标图像十字线整体在摄像机41中的预期十字线位置误差内；

第九步，在流程58处,软件84采集倾角传感器43和倾角传感器44的垂向平面内相对于重力的角度值，判断两个角度的差值是否在预期值误差内，否则在流程59处发出运动指令使油箱106在垂向俯仰运动以减小偏差；俯仰运动会导致靶标42图像十字线偏离预期，所以流程59后应回到流程54处；

第十步，重复流程54、流程55、流程56、流程57，直至靶标图像十字线整体在摄像机41中的预期十字线位置误差内，再次在流程58处计算角度差值，重复流程54、流程55、流程56、流程57、流程58、流程59，直至靶标图像十字线整体在摄像机41中的预期十字线位置误差内且垂向俯仰角度差在预期误差内；

第十一步，在流程60处，软件84采集激光测距传感器46和47的距离数据，由此得到油箱106当前的横向的偏转角，此偏转角应在预期误差内，否则在流程61处发出运动指令使油箱106横向左右运动以减小偏差；横向左右运动也会导致靶标42图像十字线偏离预期，所以流程61后应回到流程54处；

第十二步，重复流程54、流程55、流程56、流程57，直至靶标图像十字线整体在摄像机41中的预期十字线位置误差内，再次在流程60处进行横向偏转角计算，重复流程54、流程55、流程56、流程57、流程58、流程59、流程60、流程61，直至靶标图像十字线整体在摄像机41中的预期十字线位置误差内且垂向俯仰角度差和横向偏转角均在预期值误差内；；

第十三步，在流程62处，软件84发出运动指令使燃烧室206向油箱106运动靠近，完成部件的对接合拢。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种发动机大部件自动对接装置，其特征在于，包括运动对接支架组件、姿态调整支架组件、图像测量组件、激光测距传感器组件、倾角传感器组件、步进电机组件和计算机，***设备为油箱和燃烧室；

所述图像测量组件为具有完成光学图像测量的摄像机和定位比较的靶标；

所述激光测距传感器组件具有完成距离测量功能的激光测距传感器；所述倾角传感器组件具有完成与重力方向角度测量的倾角传感器，通过图像测量组件、激光测距传感器组件和倾角传感器组件测量数据的组合由计算机确定所述发动机大部件的空间姿态；所述步进电机组件完成空间的轴向、横向、垂向以及自转共六个自由度的运动控制；所述油箱和燃烧室分别固定安装在运动对接支架组件和姿态调整支架组件上，所述运动对接支架组件只完成轴向运动控制，姿态调整支架组件完成横向、垂向及自转运动控制。

2.如权利要求1所述的发动机大部件自动对接装置，其特征在于，对接过程如下：

第一步：利用靶标十字圈图像数据计算部件横向、垂向平移量以及自转量偏差，控制运动机构完成调整运动，重复流程直至靶标十字在预期标定位置误差内；

第二步：利用倾角传感器数据计算部件垂向偏转角度与预期偏差量，控制垂向运动机构减小偏差，并重复第一步以修正垂向偏转调整带来的靶标十字偏移；

第三步：利用激光测距传感器数据计算部件横向偏转与预期角偏差，控制横向运动机构减小偏差，并重复第一步以修正横向偏转调整带来的靶标十字偏移；重复第一、二、三步，直至靶标十字、垂向偏转角以及横向偏转角均在对接预期值误差范围内；

第四步：轴向运动机构完成对接合拢运动。

3.如权利要求1所述的发动机大部件自动对接装置，其特征在于，所述运动对接支架组件由导轨平板Ⅰ、高度调节螺栓、轴向导轨、燃烧室装卡机构、轴向驱动机构组成，导轨平板的下表面安装高度调节螺栓，上表面安装轴向导轨，燃烧室装卡机构的底部与轴向导轨滑动配合，轴向驱动机构固定安装在导轨平板上并能驱动燃烧室装卡机构沿轴向导轨水平移动。

4.如权利要求1或2所述的发动机大部件自动对接装置，其特征在于，所述姿态调整支架组件包括横向滑轮运动驱动机构、横向运动电机组、横向运动滑块驱动机构、横向运动支架、导轨平板Ⅱ、横向移动凸导轨、横向运动凹导轨、滑块转轴，横向移动滑块，横向移动滑轮、垂向运动驱动机构、垂向运动支架、油箱卡环以及卡环旋转驱动机构；所述导轨平板Ⅱ上设有互相平行的横向移动凸导轨和横向运动凹导轨，横向运动支架的下表面分别连接横向移动滑块和横向移动滑轮，横向移动滑块通过滑块转轴与横向运动支架活动连接，横向移动滑轮能够绕垂直于滚动轴线的方向转动，横向移动滑块和横向移动滑轮分别与导轨平板Ⅱ上的横向移动凸导轨和横向运动凹导轨配合，横向运动电机组的两个电机分别与横向滑块运动驱动机构和控制横向滑轮运动驱动机构连接，横向滑块运动驱动机构和横向滑轮运动驱动机构在电机的驱动下分别驱动横向移动滑块和横向移动滑轮沿横向移动凸导轨横向运动凹导轨直线运动，当两者的移动量一致时，横向运动支架为横向移动，移动量不一致时，横向运动支架实现横向偏转运动；所述垂向运动驱动机构安装在垂向运动支架和横向运动支架之间，通过垂向运动电机组驱动垂向运动驱动机构在垂直方向的运动；所述卡环旋转驱动机构固定安装在垂向运动支架上，油箱卡环与卡环旋转驱动机构固定，通过旋转步进电机驱动卡环旋转驱动机构带动固定在油箱卡环上的油箱绕油箱轴线旋转。

5.如权利要求1或2所述的发动机大部件自动对接装置，其特征在于，所述摄像机和靶标分别安装在燃烧室和油箱上，摄像机上安装分别安装一个倾角传感器和激光测距传感器，靶标上安装一个倾角传感器；垂向运动支架的下方安装两个激光测距传感器，摄像机以及上述传感器均与计算机连接，计算机发出步进电机的方向及转动调节控制指令，借助运动驱动机构相应调整部件的空间姿态，使两个部件的各向角度偏差不断减小，最终满足对接条件后实现对接。