CN113405453A - 一种基于温度补偿的数字化工装飞机坐标系恢复方法 - Google Patents

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巴晓甫
耿育科
骆佩君
刘若璇
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Abstract

本发明公开了一种基于温度补偿的数字化工装飞机坐标系恢复方法，依据数字化工装飞机坐标系标定时的参考温度和ERS点群坐标，结合再次恢复时的环境温度和ERS点群坐标，构建温度补偿系数及环境温度与参考温度下ERS点群坐标的补偿关系，求出ERS点群在参考温度时相对于测量设备坐标系的拟合坐标，通过最小二乘法，求出参考温度下的测量设备坐标系与飞机坐标系的变换关系，对标定的数字化工装飞机坐标系进行补偿，恢复基于温度补偿的数字化工装飞机坐标系，提高了数字化工装飞机坐标系的恢复准确度。

Description

一种基于温度补偿的数字化工装飞机坐标系恢复方法
技术领域
本申请涉及飞机数字化测量领域，具体是指基于温度补偿的数字化工装飞机坐标系的恢复技术。
背景技术
数字化工装飞机坐标系是飞机数字化装配和检验的基准，要求具有稳定性。在数字化工装交付使用前，数字化工装上设置有测量点群——ERS点群，数字化工装用ERS点群坐标来标定飞机坐标系。数字化工装在使用和定检时，需要依据标定的ERS点群坐标再次恢复数字化工装飞机坐标系。
绝大多数的飞机装配车间都不是恒温车间，环境温度变化导致数字化工装热胀冷缩，ERS点发生位置偏离，再次恢复的数字化工装飞机坐标系与标定的飞机坐标系存在位姿差异，使得飞机装配基准发生偏离。以某新一代大型飞机装配为例，数字化工装的长度为30米，年平均环境温差超过10℃，要求数字化工装飞机坐标系恢复时的偏离不能超过0.2mm。实际上，10℃温差对10米长的数字化工装飞机坐标系的偏离就超过了1.2mm，如果在恢复数字化工装飞机坐标系时不做温度补偿，所制造出的飞机，将存在严重的质量问题。
当前所采用的保持数字化工装飞机坐标系稳定性的方法有：一是控制车间温度，使数字化工装置于恒温车间；二是采用热胀冷缩系数较小的材料来制造数字化工装，如采用殷钢。上述技术方案的出发点均为控制数字化工装的变形，但是在实际操作过程中，上述技术方案都存在成本过高的问题，可操作性不强，可推广性不大。
发明内容
为了解决数字化工装飞机坐标系再次恢复时温度稳定性差的问题，发明了基于温度补偿的数字化工装飞机坐标系恢复方法。
本发明采用以下技术方案：
一种基于温度补偿的数字化工装飞机坐标系恢复方法，其特征在于数字化工装飞机坐标系由ERS点群的坐标恢复，ERS点群由3个及以上的ERS点组成，ERS点群包络数字化工装，包含以下步骤：
步骤1获取数字化工装飞机坐标系{P}的标定温度：RF；
步骤2获取ERS点群在RF温度相对于{P}的标定坐标
Figure BDA0003058486730000021
Figure BDA0003058486730000022
步骤3记录恢复{P}时的环境温度：RE；
步骤4记录数字化工装的热胀冷缩系数：C；
步骤5记录ERS点群在RE温度相对于测量设备坐标系{M}的实际坐标
Figure BDA0003058486730000023
Figure BDA0003058486730000024
步骤6求出RE与RF的差值
Figure BDA0003058486730000025
Figure BDA0003058486730000026
步骤7构建温度补偿系数δ：
Figure BDA0003058486730000027
步骤8构建ERS点群经温度补偿后相对于{M}的拟合坐标
Figure BDA0003058486730000028
Figure BDA0003058486730000029
步骤9在RF温度，构建含有六个未知量的函数min(X Y Z A Β Γ)，求解函数取得最小值时未知量的解：
Figure BDA0003058486730000031
Figure BDA0003058486730000032
其中，c表示cos，s表示sin式6；
求解得：
Figure BDA0003058486730000033
步骤10在RF温度，构建{M}相对于{P}的位姿
Figure BDA0003058486730000034
Figure BDA0003058486730000035
步骤11求出ERS点群相对于{P}的补偿坐标
Figure BDA0003058486730000036
Figure BDA0003058486730000037
步骤12基于温度补偿后的数字化工装飞机坐标系{P}由ERS点群的补偿坐标
Figure BDA0003058486730000038
恢复。
Figure BDA0003058486730000039
的获得包括一次性测量获得和多次测量获得，分多次测量获得时，每次测量获得的ERS点数量不少于3个。
ERS点是通过球面拟合、圆面拟合、三棱镜拟合、或者柱面和平面综合拟合后所获得的几何点。
测量设备为坐标测量设备，包括接触式的坐标测量设备和非接触式的坐标测量设备。
本发明技术与现有技术相比，具有以下优点和显著效益：
(1)解决了数字化工装飞机坐标系在温度变化下再次恢复时的稳定性问题。在不需要恒温车间和低热胀冷缩材料的前提下，通过补偿方法实现了数字化工装ERS点群坐标的稳定性，具有显著的经济效益。
(2)提高了数字化工装飞机坐标系在温度变化下再次恢复的准确度。由于绝对的恒温和热胀冷缩系数为零的材料并不存在，因此，现有的数字化工装飞机坐标系再次恢复时总是存在一定的误差。依据本方法再次恢复数字化工装飞机坐标系时，通过构建温度补偿系数，对标定的数字化工装飞机坐标系进行补偿，提高了再次恢复数字化工装飞机坐标系的准确度。
以下结合实施例附图对本申请做进一步详细描述：
附图说明
图1是基于温度补偿的数字化工装飞机坐标系恢复示意图。
图中编号说明：1数字化工装、2ERS点、3激光跟踪仪、4飞机下壁板、5工装支链
具体实施方式
图1为基于温度补偿的数字化工装飞机坐标系再次恢复的示意图，该数字化工装由四个工装支链5组成，总长约4.5米，高约2米，宽约3米。9个ERS点2设置在数字化工装的底盘上，并包络数字化工装1，底盘材质为钢结构，热胀冷缩系数C为0.013mm/(m·℃)，所装配的对象为飞机下壁板4，测量设备采用了非接触式的激光跟踪仪3。
图1所示ERS点2的载体是一种带有精确内孔和精确外端面的如手指头大小的圆柱体。通过拟合精确内孔的孔轴线和拟合精确外端面的端平面，将孔轴线与端平面的交点沿远离圆柱体的方向偏移一定的位移量，该偏移后的交点为ERS点2。图1所示采用的激光跟踪仪型号为Leica960，偏离的位移量为12.7mm。
以图1所示的数字化工装为例，详细说明基于温度补偿的数字化工装飞机坐标系恢复方法，以下为具体步骤：
步骤1获取数字化工装飞机坐标系{P}的标定温度：RF；
步骤2获取ERS点群在RF温度相对于{P}的标定坐标
Figure BDA0003058486730000051
Figure BDA0003058486730000052
步骤3记录恢复{P}时的环境温度：RE；
步骤4记录数字化工装的热胀冷缩系数：C；
步骤5记录ERS点群在RE温度相对于测量设备坐标系{M}的实际坐标
Figure BDA0003058486730000053
Figure BDA0003058486730000054
步骤6求出RE与RF的差值
Figure BDA0003058486730000055
Figure BDA0003058486730000056
步骤7构建温度补偿系数δ：
Figure BDA0003058486730000057
步骤8构建ERS点群经温度补偿后相对于{M}的拟合坐标
Figure BDA0003058486730000058
Figure BDA0003058486730000059
步骤9在RF温度，构建含有六个未知量的函数min(X Y Z A Β Γ)，求解函数取得最小值时未知量的解：
Figure BDA0003058486730000061
Figure BDA0003058486730000062
其中，c表示cos，s表示sin式6；
求解得：
Figure BDA0003058486730000063
步骤10在RF温度，构建{M}相对于{P}的位姿
Figure BDA0003058486730000064
Figure BDA0003058486730000065
步骤11求出ERS点群相对于{P}的补偿坐标
Figure BDA0003058486730000066
Figure BDA0003058486730000067
步骤12基于温度补偿后的数字化工装飞机坐标系{P}由ERS点群的补偿坐标
Figure BDA0003058486730000068
恢复。
基于温度补偿的数字化工装飞机坐标系恢复方法，其特征在于
Figure BDA0003058486730000069
的获得包括一次性测量获得和多次测量获得，分多次测量获得时，每次测量获得的ERS点数量不少于3个。
ERS点是通过球面拟合、圆面拟合、三棱镜拟合、或者柱面和平面综合拟合后所获得的几何点。
测量设备为坐标测量设备，包括接触式的坐标测量设备和非接触式的坐标测量设备。

Claims (4)

1.一种基于温度补偿的数字化工装飞机坐标系恢复方法，其特征在于数字化工装飞机坐标系由ERS点群的坐标恢复，ERS点群由3个及以上的ERS点组成，ERS点群包络数字化工装，包含以下步骤：
步骤1获取数字化工装飞机坐标系{P}的标定温度：RF；
步骤2获取ERS点群在RF温度相对于{P}的标定坐标
Figure FDA0003058486720000011
Figure FDA0003058486720000012
步骤3记录恢复{P}时的环境温度：RE；
步骤4记录数字化工装的热胀冷缩系数：C；
步骤5记录ERS点群在RE温度相对于测量设备坐标系{M}的实际坐标
Figure FDA0003058486720000013
Figure FDA0003058486720000014
步骤6求出RE与RF的差值
Figure FDA0003058486720000015
Figure FDA0003058486720000016
步骤7构建温度补偿系数δ：
Figure FDA0003058486720000017
步骤8构建ERS点群经温度补偿后相对于{M}的拟合坐标
Figure FDA0003058486720000018
Figure FDA0003058486720000019
Figure FDA0003058486720000021
步骤9在RF温度，构建含有六个未知量的函数min(X Y Z A Β Γ)，求解函数取得最小值时未知量的解：
Figure FDA0003058486720000022
求解得：
Figure FDA0003058486720000023
步骤10在RF温度，构建{M}相对于{P}的位姿
Figure FDA0003058486720000024
Figure FDA0003058486720000025
步骤11求出ERS点群相对于{P}的补偿坐标
Figure FDA0003058486720000026
Figure FDA0003058486720000027
步骤12基于温度补偿后的数字化工装飞机坐标系{P}由ERS点群的补偿坐标
Figure FDA0003058486720000028
恢复。
2.根据权利要求1所述的一种基于温度补偿的数字化工装飞机坐标系恢复方法，其特征在于
Figure FDA0003058486720000029
的获得包括一次性测量获得和多次测量获得，分多次测量获得时，每次测量获得的ERS点数量不少于3个。
3.根据权利要求1所述的一种基于温度补偿的数字化工装飞机坐标系恢复方法，其特征在于所述的ERS点是通过球面拟合、圆面拟合、三棱镜拟合、或者柱面和平面综合拟合后所获得的几何点。
4.根据权利要求1所述的一种基于温度补偿的数字化工装飞机坐标系建立方法，其特征在于所述测量设备为坐标测量设备，包括接触式的坐标测量设备和非接触式的坐标测量设备。
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