一种大型结构件零位测量及调整的控制方法

摘要

本发明提出一种航天发动机大结构件零位测量及调整自动化的控制方法，可由主控，测量及调整三个系统相互配合实现；所述主控系统，用于调度测量系统和调整系统，实现整个装备的自动化运行，并将最终结果反馈给车间信息系统；所述测量系统，用于测量大结构件的特征位置，并提取出其轴线的空间位置，通过观测调整机构压头靶板得出压头的空间位置，并根据轴线空间位置计算出形成零位平面三个压头分别需要伸出的距离；所述调整系统，根据测量系统计算出的结果，驱动三个压头形成一组零位平面，通过整体升降机构控制和力位检测实现对大结构件零位平面的精确定位。

权利要求

1.一种大结构件零位测量及调整的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）分别标定调整机构3个压头升降空间直线轨迹；

2）分别标定3个压头顶点与对应靶板坐标之间的转换关系；

3）控制机器人带动3D扫描头，按照设定好的轨迹扫描结构件的特征位置，得到三维测量的点云数据；

4）从结构件特征位置的点云数据中拟合出结构件轴线的空间位置；

5）观测调整机构第一压头靶板的位置，得出第一压头顶点的空间位置，结合轴线的空间位置，得到形成零位平面的另外两个压头与零位平面的距离；

6）根据两个压头与零位平面的距离作为目标距离控制调整系统驱动压头动作，以调整结构件；

步骤6）具体如下：

在第二和第三压头伸出相应距离3个压头顶点形成零位平面后，调整系统令升降机构下压大结构件上端面；

通过力传感器检测到的压头压力到达阈值，且通过激光位移传感器检测到压头位置到达设定范围内时，控制升降机构停止下压，锁紧大结构件上端面；

步骤6）结束后，进行校验过程如下：

启动机器人带动3D扫描头按照设定好轨迹扫描结构件上端平面，形成其点云文件；拟合出结构件上端平面，并计算其与轴线的夹角是否满足工艺要求；

如果满足，则将含有夹角信息的调整结果上传至车间信息系统，系统整体复位；

如果不满足，调整机构返回，系统声光报警提示，返回步骤5）开始重新调整；如果连续三次都不合格，则认为调整失败，需人工复位系统并通知车间信息系统。

2.根据权利要求1所述的一种大结构件零位测量及调整的控制方法，其特征在于，步骤

5）具体如下：

调整系统整体下降到预压的位置，第一压头伸出一个到固定位置，观测第一压头、第二压头和第三压头靶板的位置并得到第一、第二和第三压头顶点的空间位置；

通过轴线和第一压头顶点的空间位置得出一组零位平面的空间位置，推算出第二和第三压头顶点到该平面的距离，并传送给调整系统。

3.一种大结构件零位测量及调整的控制系统，其特征在于，包括：主控系统、测量系统及调整系统；

所述主控系统，用于调度测量系统和调整系统，实现整个控制系统的自动化运行；

所述测量系统，用于测量结构件的特征位置，并提取出其轴线的空间位置，观测调整机构压头靶板的空间位置，并根据轴线空间位置计算出形成零位平面3个压头分别需要伸出的距离；

所述调整系统，包括调整机构和传感器；根据测量系统计算出的结果，驱动调整机构三个压头形成零位平面，通过调整机构控制和力位检测实现对结构件零位平面的定位。

4.根据权利要求3所述的一种大结构件零位测量及调整的控制系统，其特征在于，所述调整机构由三个压头和一套升降机构组成；

三个压头分别设有各自靶板，均可在双目视觉系统视场内观测，实现靶板与其压头同步升降；所述三个压头分别由三套伺服系统驱动，实现压头单独升降；

升降机构由一套伺服机构驱动，用于实现三个压头整体升降；压头与伺服系统之间配置力传感器和激光位移传感器，以检测压头与结构件上端平面是否完全接触。

说明书

一种大型结构件零位测量及调整的控制方法

技术领域

[0001] 本发明属于自动化装配领域，具体地说是一种可应用于航空航天发动机大型结构件自动化测量及调整的控制方法。

背景技术

[0002] 随着国内航空航天企业越来越重视对产品装配质量和装配效率的提高，其大结构件自动化测量及调整方法的逐渐成为热点研究问题。

[0003] 附图1中是某型号航天发动机中的一个大型结构件的简化模型。它涉及到的一个调整及装配任务是需要测量其底面圆1的和中间部分圆2并拟合出圆心建立起大结构件的轴线AB，需要将上端部件平面C调整至与轴线AB垂直的状态即零位状态，然后手动锁紧。传统的测量手段是采用激光跟踪仪方式，每台次的装配调整都需要操作人员使用激光跟踪仪的靶球附件逐一对特征位置进行跟踪测量，整个过程人工参与的工作量大，检测过程复杂，对操作者技能要求较高，测量记录过程繁琐，需耗费大量的时间。且在调整大结构件上端平面与轴线垂直的过程中，需要人工观察测量值并反复调整修正上端面的姿态，效率低下，故急需自动化控制方法提高测量及调整的装配效率以提高产能。

[0004] MetraScan是Creaform公司的一款强大的3D扫描系统，可通过多线激光实现对物体表面的扫描。C‑Track是Creaform公司的一个双目视觉传感器，可实时跟踪MetraScan扫描头并计算其在空间中的位置从而构建扫描部件的三维点云信息完成大结构件的逆向工作，也可实时跟踪粘贴有足够标记点的靶板位置从而反馈出靶板的在测量系统中的空间位置。扫描系统得到点云信息可导入到特征提取软件中进行实时处理，通过预编辑好的宏程序自动提取需要的特征数据并通过相应接口输入到控制系统中引导大结构件自动化调整及装配任务。

发明内容

[0005] 为了提高以上大结构件零位测量及调整过程效率，本发明提出一种航天发动机大结构件零位测量及调整自动化的控制方法。控制方法从功能上可由几个独立的模块的实现，每个模块都具有独立的功能，并且由主控系统来统一协调运行，从而实现了该工序自动化测量及调整的功能。

[0006] 本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种大结构件零位测量及调整的控制方法，包括以下步骤：

[0007] 1)分别标定调整机构3个压头升降空间直线轨迹；

[0008] 2)分别标定3个压头顶点与对应靶板坐标之间的转换关系；

[0009] 3)控制机器人带动3D扫描头，按照设定好的轨迹扫描结构件的特征位置，得到三维测量的点云数据；

[0010] 4)从结构件特征位置的点云数据中拟合出结构件轴线的空间位置；

[0011] 5)观测调整机构第一压头靶板的位置，得出第一压头顶点的空间位置，结合轴线的空间位置，得到形成零位平面的另外两个压头与零位平面的距离；

[0012] 6)根据两个压头与零位平面的距离作为目标距离控制调整系统驱动压头动作，以调整结构件。

[0013] 步骤5)具体如下：

[0014] 调整系统整体下降到预压的位置，第一压头伸出一个到固定位置，观测第一压头、第二压头和第三压头靶板的位置并得到第一、第二和第三压头顶点的空间位置；

[0015] 通过轴线和第一压头顶点的空间位置得出一组零位平面的空间位置，推算出第二和第三压头顶点到该平面的距离，并传送给调整系统。

[0016] 步骤6)具体如下：

[0017] 在第二和第三压头伸出相应距离3个压头顶点形成零位平面后，调整系统令升降机构下压大结构件上端面；

[0018] 通过力传感器检测到的压头压力到达阈值，且通过激光位移传感器检测到压头位置到达设定范围内时，控制升降机构停止下压，锁紧大结构件上端面。

[0019] 步骤6)结束后，进行校验过程如下：

[0020] 启动机器人带动3D扫描头按照设定好轨迹扫描结构件上端平面，形成其点云文件；拟合出结构件上端平面，并计算其与轴线的夹角是否满足工艺要求；

[0021] 如果满足，则将含有夹角信息的调整结果上传至车间信息系统，系统整体复位；

[0022] 如果不满足，调整机构返回，系统声光报警提示，返回步骤5)开始重新调整；如果连续三次都不合格，则认为调整失败，需人工复位系统并通知车间信息系统。

[0023] 一种大结构件零位测量及调整的控制系统，包括：主控系统、测量系统及调整系统；

[0024] 所述主控系统，用于调度测量系统和调整系统，实现整个控制系统的自动化运行；

[0025] 所述测量系统，用于测量结构件的特征位置，并提取出其轴线的空间位置，观测调整机构压头靶板的空间位置，并根据轴线空间位置计算出形成零位平面3个压头分别需要伸出的距离；

[0026] 所述调整系统，包括调整机构和传感器；根据测量系统计算出的结果，驱动调整机构三个压头形成零位平面，通过调整机构控制和力位检测实现对结构件零位平面的定位。

[0027] 所述调整机构由三个压头和一套升降机构组成；

[0028] 三个压头分别设有各自靶板，均可在双目视觉系统视场内观测，实现靶板与其压头同步升降；所述三个压头分别由三套伺服系统驱动，实现压头单独升降；

[0029] 升降机构由一套伺服机构驱动，用于实现三个压头整体升降；压头与伺服系统之间配置力传感器和激光位移传感器，以检测压头与结构件上端平面是否完全接触。

[0030] 本发明具有以下有益效果及优点：

[0031] 1.本发明旨在为企业集成研发一套适用于某航天发动机脉动装配生产线上，集自动测量及零部件姿态调整功能自动化的控制方法。

[0032] 2.本发明的应用可大大减少某型号航天发动机大结构件零位调整工序人员的工作量，减少了人员的使用，最大程度排除人为不确定因素。

[0033] 3.本发明的应用降低了航天发动机零位调整工序的节拍，提高了效率。

附图说明

[0034] 图1为零位测量及调整的大结构件的简化示意图。

[0035] 图2为控制方法实现的结构图。

[0036] 图3为零位调整方法的示意图。

[0037] 图4为控制方法执行流程图。

具体实施方式

[0038] 下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

[0039] 一种大型结构件零位测量及调整的控制方法，可由主控，测量及调整三个系统相互配合实现。大型结构件可以为航空、航天发动机大型结构零部件。

[0040] 所述主控系统，用于调度测量系统和调整系统，实现整个装备的自动化运行，并将最终结果反馈给车间信息系统。

[0041] 所述测量系统，由6自由度工业机器人系统和3D扫描及特征提取系统组成。用于测量大结构件的特征位置，并提取出其轴线的空间位置；观测调整机构压头靶板的空间位置，并根据轴线空间位置计算出形成零位平面3个压头分别需要伸出的距离。

[0042] 所述调整系统，由4套伺服系统和力位检测系统构成。用于根据测量系统计算出的结果，驱动三个压头形成零位平面。通过驱动整体升降机构控制和力位检测实现对大结构件零位平面的精确定位。

[0043] 所述的测量系统执行以下任务：

[0044] 1)分别标定调整机构3个压头升降空间直线轨迹(一次性的标定工作)。

[0045] 2)分别标定3个压头顶点与它们靶板坐标之间的系转换关系(一次性的标定工作)。

[0046] 3)启动测量机器人带动测量系统扫描头，按照设定好轨迹扫描大结构件的特征位置，得到三维测量的点云数据。

[0047] 4)采用特征提取软件从大结构件特征位置的点云数据中拟合出其轴线的空间位置。

[0048] 5)观测调整机构1#压头靶板的位置，推算出1#压头顶点的空间位置，结合轴线的空间位置，计算出形成零位平面的另外两个压头需要伸出的距离。

[0049] 6)调整结束后，启动测量机器人带动测量系统扫描头按照设定好轨迹扫描大结构件上端平面，形成其点云文件。

[0050] 7)采用特征提取软件拟合出大结构件上端平面，并计算其与轴线的夹角是否满足工艺要求。

[0051] 所述调整系统执行以下任务：

[0052] 1)调整机构整体下降到预压位置，1#压头伸出到一个固定位置。

[0053] 2)根据测量系统计算出的数据分别驱动2#和3#压头伺服机构伸出相应的距离，使得1#，2#和3#压头顶点形成一个零位平面。

[0054] 3)驱动机构带动3个压头整体缓慢下压，使三个压头均接触到大结构件的上端面。3个压头的配置力传感器均到达设定力的阀值且激光位移传感器检测的距离均在标定的范围内则认为三个压头形成的零位平面与大结构件上端平面重合，停止下压。

[0055] 4)调整机构复位。

[0056] 所述主控系统执行以下任务：

[0057] 1)检测测量系统是否完成标定，是否处于就绪状态；检测调整系统是否处于就绪状态。

[0058] 2)系统整体就绪后，启动测量系统执行大结构件的测量任务。

[0059] 3)测量任务执行完毕后，启动调整系统执行大结构件上端面的零位调整任务。

[0060] 4)零位调整任务后，系统整体复位。

[0061] 三维扫描采用Creaform公司的MetraScan三维扫描设备和C‑Track双目视觉系统。采用Polywoks软件从大结构件特征位置的点云数据中拟合出其轴线的空间位置。采用3套伺服系统分别驱动3个压头机构的升降，1套伺服系统驱动调整机构整体的升降。力位检测系统由3套力传感器和激光位移传感器构成。

[0062] 主控系统的主控制器由PLC实现。控制方法执行的流程如下：

[0063] 1.主控系统在完成初始化并检测到大结构件就位、安全防护正常、机器人系统就绪、测量系统就绪、3个压头下压轨迹及压头与靶板均标定完毕后，进入整体就绪状态；

[0064] 2.手动触发测量启动信号，机器人带动MetraScan完成大结构件特征位置的扫描；

[0065] 3.扫描得到的点云文件导入到Polyworks软件中，提取出相应的特征值得到大结构件的轴线空间位置；

[0066] 4.调整机构整体下降到预压的位置，1#压头伸出一个到固定位置，C‑TRACK分别观测1#压头、2#压头和3#压头靶板的位置并反推出1#、2#和3#压头顶点的空间位置；

[0067] 5.通过轴线和1#压头顶点的空间位置计算出一组零位平面的空间位置，推算出2#和3#压头顶点到该平面的距离，并传送给调整系统；

[0068] 6.调整系统在2#和3#压头伸出相应距离3个压头顶点形成零位平面后，令调整机构整体缓速下压大结构件上端面。

[0069] 7.在力位检测合格后，机构停止下压，人工锁紧大结构件上端面。

[0070] 8.手动触发复检启动信号，机器人带动MetraScan完成锁紧后的大结构件上端面特征的扫描；

[0071] 9.扫描得到的点云文件导入到Polyworks软件中，提取出上端平面空间位置并与计算出与大结构件轴线的角度；

[0072] 判断角度是否满足零位调整工序的工艺要求。如果合格则将调整结果上传至车间信息系统，系统整体复位；如果不合格调整机构返回，系统声光报警提示，返回到4步开始重新调整。如果连续三次都不合格，则认为调整失败，需人工复位系统并通知车间信息系统。

[0073] 本发明属于一种航天发动机大结构件零位测量及调整的控制方法。控制方法从功能上主要由主控系统，测量系统以及调整系统实现，如图2所示。

[0074] 主控系统的主控制器由PLC实现。主控制器通过Profinet总线与伺服系统通讯实现压头位置的移动信息的交互，与测量系统通讯实现测量机器人启停等控制指令发送及状态的检测。主控制器通过OPC接口与车间信息系统实现数据交互，完成工序装配信息的传递。

[0075] 测量系统主要由6自由度工业机器人系统和3D扫描及特征提取系统组成。3D扫描及特征提取系统由3D扫描系统及其特征提取软件实现。将3D扫描系统的扫描头安装在测量机器人上，测量机器人在通过Profinet总线接收主控系统启动信号后，到达预设好的扫描轨迹的起始点，采用扩展I/O模块通讯启动扫描仪开始对大结构件特征位置进行扫描。在到达扫描轨迹结束点时，机器人通过扩展I/O模块结束扫描任务，并将扫描得到点云文件导入特征提取软件Polyworks中进行特征提取和拟合，最终得出大结构件轴线的空间位置。

[0076] 调整系统主要由4套伺服系统和力位检测系统构成。在伺服系统中，其中3套伺服系统可分别驱动3个构成零位平面压头电缸，另1套伺服系统用来驱动3个压头整体升降的。力位检测系统由3个可检测压头接触力推拉力传感器和3个可检测压头到大结构件上端平面距离的激光位移传感器构成。在检测到3个压头的力都到达一定阀值并且激光位移传感器均到检测距离范围内后，系统可判断出形成零位平面的3个压头已与大结构件上端面完全接触，即3个压头形成的零位平面与大结构件上端面完全重合。这样整个调整过程结束，人工锁紧大结构件上端面即可。

[0077] 如图2所示，本发明的控制方法主要由主控系统，测量系统和调整系统实现。

[0078] 主控系统安装在单独的总控制室内，包含有PLC主控制器、低压控制电器、交换机和24V直流电源等。主控PLC采用西门子S7‑1500系列，具有3个RJ45网口与各系统之间依靠Profinet总线连接实现数据交互，其扩展的数字量与模拟量输入输出模块负责接收与发送主控系统的控制命令。主控制器与车间信息系统通讯的OPC接口由Kepware实现。

[0079] 为提高调整精度，调整系统的3套压头升降机构和1套整体升降机构均采用西门子V90伺服系统驱动实现。检测系统中的力传感器选择量程为1吨的配有4‑20mA模拟量输出接口的推拉力传感器实现，力检测的阀值设置为20kg。位置的检测激光位移传感器选择的量程为50±15mm(传感器检测端面距离压头顶点标准距离为50mm)，检测精度为0.03mm。

[0080] 为了实现大结构件特征的完整测量，测量系统中的6自由度工业机器人选择KUKAKRC4系列大臂展的机器人KR90 R3100。机器人控制器扩展配置倍福的I/O模块可实现与3D扫描系统进行通讯，完成整个测量及特征提取流程的自动化控制。机器人正常运行时处于AUT EXT外部自动模式，由主控PLC通过通讯总线给出运动位置及启动命令，机器人根据该命令执行相应动作，同时反馈机器人的运动状态和完成情况。

[0081] 3D扫描系统及特征提取系统硬件上包括MetraScan和C‑Track两部分。MetraScan作为测量的扫描头需要安装到测量机器人第六轴上，通过机器人行走预设定好的轨迹完成特征位置的扫描。扫描得到的格式为STL的点云文件导入到特征提取软件Polyworks中，通过与大结构件标准模型匹配提取出大结构件底面圆心A和中部的圆心B的特征，并形成大结构件的轴线AB的空间位置。C‑Track是一套双目视觉传感器，可实时跟踪MetraScan并计算其在空间中的位置从而构建扫描部件的三维点云信息完成大结构件的逆向工作。它还能实时观测3个压头靶板的空间位置，并通过已标定出的每个压头顶点与其靶板坐标系的关系推算出每个压头顶点的空间位置(靶板与压头同步升降)。这样利用经过1#压头顶点的空间位置并垂直于轴线AB平面的约束条件，就可计算出一组零位平面空间位置。再通过已标定出的2#和3#压头顶点升降的轨迹直线，就可推算出2#和3#压头到达零位平面需要向下移动的距离Δ2和Δ3，如附图3所示。最终，下降距离数据信息会通过Profinet总线被传送到调整系统并准备执行调整任务。

[0082] 本发明中，控制方法执行的流程图如附图4所示。

[0083] 1.主控系统在完成初始化并检测到大结构件就位、安全防护正常、机器人系统就绪、测量系统就绪、3个压头下压轨迹及压头与靶板均标定完毕后，进入整体就绪状态；

[0084] 2.手动触发测量启动信号，机器人带动MetraScan完成大结构件特征位置的扫描；

[0085] 3.扫描得到的点云文件导入到Polyworks软件中，提取出相应的特征值得到大结构件的轴线空间位置；

[0086] 4.调整机构整体下降到预压的位置，1#压头伸出一个到固定位置，C‑Track分别观测1#压头、2#压头和3#压头靶板的位置并反推出1#、2#和3#压头顶点的空间位置；

[0087] 5.通过轴线和1#压头顶点的空间位置计算出一组零位平面的空间位置，推算出2#和3#压头顶点到该平面的距离，并传送给调整系统；

[0088] 6.调整系统在2#和3#压头伸出相应距离3个压头顶点形成零位平面后，令调整机构整体缓速下压大结构件上端面。

[0089] 7.在力位检测合格后，机构停止下压，人工锁紧大结构件上端面。

[0090] 8.手动触发复检启动信号，机器人带动MetraScan完成锁紧后的大结构件上端面特征的扫描；

[0091] 9.扫描得到的点云文件导入到Polyworks软件中，提取出上端平面空间位置并与计算出与大结构件轴线的角度；

[0092] 10.判断角度是否满足零位调整工序的工艺要求。如果合格则将调整结果上传至车间信息系统，系统整体复位；如果不合格调整机构返回，系统声光报警提示，返回到4步开始重新调整。如果连续三次都不合格，则认为调整失败，需人工复位系统并通知车间信息系统。