一种视觉图像引导的航空发动机数控安装方法
【专利摘要】一种视觉图像引导的航空发动机数控安装方法，属于安装自动化【技术领域】。其特征是根据航空发动机数控安装系统中位姿监测平台测得的航空发动机与发动机安装舱的相对位置信息，操作数控电动架车对其进行水平和竖直方向轴心位置的初始对准，然后利用多轴调姿平台对航空发动机进行轴心位置与轴线偏移角度的精确对准，进而在位姿监测平台的实时监测引导下进行航空发动机的全程自动精密安装作业，实现航空发动机的自动化数控安装。本发明的效果和益处是将先进的图像识别测量技术与精密的数字控制技术相结合应用到航空发动机安装工作中，提高了安装效率和安装质量。
【专利说明】一种视觉图像引导的航空发动机数控安装方法
【技术领域】
[0001]本发明属于安装自动化【技术领域】，涉及一种视觉图像引导的航空发动机数控安装方法。
【背景技术】
[0002]由于航空发动机体积和自重大、安装空间狭小，且外部结构复杂又不允许有任何的碰撞，由此给现代飞机发动机的高精度、高效率制造和维修带来了极大的困难和挑战。目前我国航空发动机的安装作业仍采用传统的人工安装模式，主要存在以下不足之处:(I)安装过程检测依靠人工经验，技术手段落后且易产生反复的误操作；(2)发动机调姿精度低，难以实现发动机安装时位姿的精密调整；(3)安装设备机动性差，需要利用人力或拖车将其拖运到安装位置；(4)自动化程度差，需要多名安装人员协同操作，安装效率低。
[0003]本发明申报人已申请专利:(I) 一种飞机发动机安装作业用数控电动架车，申请号为201310097888.0 ； (2) 一种飞机发动机安装用多轴调姿平台，申请号为201310098161.4 ；
[3]一种基于图像传感技术的空间目标特征识别装置，申请号为201310086688.5。虽然数控电动架车提供了航空发动机的自动化安装手段，但缺少针对数控电动架车有效的数控安装方法，使得发动机自动化安装工作的开展难以顺利进行。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是针对现有大尺寸航空发动机安装存在的对准困难、安装精度低、自动化程度低等问题，提供一种航空发动机自动化数控安装方法，从而实现飞机发动机的安全、准确、高效的数字化安装作业。
[0005]本发明的技术方案是:一种航空发动机5数控安装系统，由数控电动架车1、多轴调姿平台2、位姿监测平台3——空间目标特征识别装置、监视摄像头4、数字控制系统组成，可同时在分别安装左右航空发动机5时使用。
[0006]本发明各部分机构布置如下:(I)数控电动架车I位于发动机安装舱6的后方；
(2)多轴调姿平台2位于数控电动架车I上；(3)位姿监测平台3位于发动机安装舱6内部的前方；(4)监视摄像头4位于数控电动架车I的前方两侧。
[0007]飞机发动机安装作业用数控电动架车1，包括多轴调姿平台2、长轴进给机构、车体转动机构、液压支腿、电动车，而多轴调姿平台2包括纵向平移机构、水平转台机构、升降俯仰机构。可实现航空发动机5X、Y、Z轴方向的位移调整和A、B、C轴方向的转动调整，其中X、Y、Z、B、C轴为数控调控，A轴为人工调控，而液压支腿可实现数控电动架车IZ轴方向的液压升降，采用电力驱动进行驾驶。
[0008]位姿监测平台3采用高速的图像识别测量技术，用于采集航空发动机5和发动机安装舱6的相对位置数据信息:航空发动机5与发动机安装舱6两轴线B轴方向偏移角度Θ b与C轴方向偏移角度Θ。、轴心Y轴方向偏移量y与Z轴方向偏移量z。
[0009]监视摄像头4用于监视安装过程中航空发动机5和发动机安装舱6的安装间隙，一旦小于容许的最小安装间隙λ时，立刻发出报警信号起到安全保护的作用。
[0010]航空发动机5安装前的轴心对准工作分为粗对准和精对准:(I)安装前根据位姿监测平台3提供的航空发动机5相对位置信息，操作电动车进行航空发动机5与发动机安装舱6的水平对准，并使数控电动架车I与发动机安装舱6大致平行，然后操作液压支腿进行其竖直对准，位置误差控制在ε ^以内；(2)操作多轴调姿平台2进行航空发动机5与发动机安装舱6两轴线B轴方向偏移角度△ 9)3与(:轴方向偏移角度△ Θ。的对准，角度误差控制在C1以内，然后进行轴心Y轴方向偏移量Ay与Z轴方向偏移量Az的对准，位置误差控制在ε i以内。
[0011]航空发动机5的安装作业是不断实现航空发动机5机头端面轴心法向量和与之相切发动机安装舱6所在平面内轴心法向量的重合过程，利用数控电动架车I的长轴进给机构和多轴调姿平台2的升降俯仰机构对航空发动机5机头端面轴心法向量的X轴方向偏移量X、Z轴方向偏移量z与B轴方向偏移角度Θ b进行联动调姿控制，可实现两法向量的重合，从而完成航空发动机5的安装工作。
[0012]其中，为了实现航空发动机5机头端面轴心法向量的位移控制，多轴调姿平台2的升降俯仰机构对航空发动机5Z轴方向的偏移量z需要进行变量转换，其计算公式如下:
[0013]Z = hz+h 9 + δ + Δ
[0014]式中:hz——平台竖直升降的高度
[0015]he——平台摆动而 引起的高度变化
[0016]δ —变形而引起的高度变化
[0017]Δ—许用自动安装位置误差
[0018]数控电动架车I调姿机构的变形量对于Z轴方向的偏移量ζ影响较大，在调姿时将变形引起的高度值S进行补偿。将△设定为许用自动安装位置误差，△ e设定为许用自动安装角度误差，两者须同时满足缺一不可，一旦安装偏差超出许用自动安装误差，安装工作暂时停止，进行重新调整与定位，再继续执行自动安装工作。
[0019]航空发动机5数控安装方法的步骤如下:
[0020](I)驾驶数控电动架车I位于发动机安装舱6的后方，位姿监测平台3监测航空发动机5和发动机安装舱6的相对位置信息,操作电动车进行航空发动机5与发动机安装舱6的水平对准，并使数控电动架车I与发动机安装舱6大致平行，然后操作液压支腿进行其竖直对准，位置误差控制在ε ^以内，然后固定液压支腿，完成粗对准工作；
[0021](2)根据位姿监测平台3测得的相对位置数据信息，操作多轴调姿平台2进行航空发动机5与发动机安装舱6两轴线B轴方向偏移角度Λ Θ b与C轴方向偏移角度Λ Θ。的对准，角度误差控制在ξ工以内，然后进行轴心Y轴方向偏移量Λ y与Z轴方向偏移量Λ ζ的对准，位置误差控制在ε i以内，完成精对准工作；
[0022](3)数字控制系统规划安装轨迹，利用数控电动架车I长轴进给机构和多轴调姿平台2升降俯仰机构的联动控制进行自动安装，位姿监测平台3实时监测安装位置偏移量并反馈给数字控制系统以不断调整复位，设定Λ为许用自动安装位置误差，A0为许用自动安装角度误差，一旦安装偏差超出允许误差则停止自动安装，利用数控电动架车I调姿机构重新进行对准定位，再继续执行自动安装工作；
[0023](4)监视摄像头4全程实时辅助监视航空发动机5与发动机安装舱6在安装过程中的安装间隙，一旦小于容许的最小安装间隙λ，立刻发出报警信号，停止数控电动架车I的所有安装工作，重新检查调整；
[0024](5)航空发动机5安装完成后，收回液压支腿，数控电动架车I各调姿机构复位，驾驶数控电动架车I撤出安装现场，位姿监测平台3移出发动机安装舱6，完成整个安装工作。
[0025]本发明的效果和益处是:(I)采用图像识别测量技术在线测量航空发动机安装时的相对位置信息，实现安装过程的实时监测，监测精度高；(2)采用数字控制技术进行航空发动机的多自由度自动化数字安装，调姿精度高；(3)将图像识别测量技术与数字控制技术相结合，实现航空发动机的数字化安装，提高了安装效率和安装质量。
【专利附图】
【附图说明】
[0026]图1是航空发动机数控安装系统的结构示意图。
[0027]图1中:1数控电动架车、2多轴调姿平台、3位姿监测平台、4监视摄像头、5航空发动机、6发动机安装舱。
[0028]图2是航空发动机的轴心对准示意图:(a)为轴心对准的主视图；(b)为轴心对准的侧视图；(C)为轴心对准的俯视图。
[0029]图3是航空发动机安装轨迹的示意图。
[0030]图4是航空发动机数控调姿的示意图。
[0031]图5是数字控制系统的工作流程图。
【具体实施方式】
[0032]以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的【具体实施方式】。
[0033]如图1所示，航空发动机5数控安装系统由数控电动架车1、多轴调姿平台2、位姿监测平台3、监视摄像头4、数字控制系统组成，可同时在分别安装左右航空发动机5时使用。
[0034]本发明各部分机构布置如下:(I)数控电动架车I位于发动机安装舱6的后方；
(2)多轴调姿平台2位于数控电动架车I上；(3)位姿监测平台3位于发动机安装舱6内部的前方，即发动机安装舱6的另一侧；(4)监视摄像头4位于数控电动架车I的前方两侧，每侧放置两个监视摄像头4。
[0035]数控电动架车I从上至下包括多轴调姿平台2、长轴进给机构、车体转动机构、液压支腿、电动车底盘，而多轴调姿平台2从上至下包括纵向平移机构、水平转台机构、升降俯仰机构。长轴进给机构、纵向平移机构可分别实现航空发动机5X、Y轴方向位移的数控调整，升降俯仰机构可实现航空发动机5Ζ轴方向位移和B轴方向俯仰转动的数控调整，水平转台机构可实现航空发动机5C轴方向转动的数控调整，车体转动机构可实现航空发动机5Α轴方向转动的人工调整，这六轴机构作为数控电动架车I的调姿机构，液压支腿可实现数控电动架车IZ轴方向的液压升降，数控电动架车I采用电力驱动进行驾驶。
[0036]位姿监测平台2由图像采集卡、计算机和工业相机组成，自身具有自动化调姿功能以方便图像的采集和位置量的计算，拥有高速的图像识别处理和几何计算能力，用于测量航空发动机5和发动机安装舱6的相对位置数据信息:航空发动机5与发动机安装舱6两轴线B轴方向偏移角度9)3与(:轴方向偏移角度Θ。、轴心Y轴方向偏移量7与Z轴方向偏移量ζ。
[0037]监视摄像头4用于监视安装过程中航空发动机5和发动机安装舱6的安装间隙，一旦小于容许的最小安装间隙λ = 5mm，立刻发出报警信号，停止工作并检查调整，起到安全保护的作用。
[0038]如图2所示，航空发动机5安装前需要进行轴心对准工作，其对准工作分为粗对准和精对准:(I)安装前根据位姿监测平台3提供的航空发动机5相对位置信息，操作电动车进行航空发动机5与发动机安装舱6的水平对准，并使数控电动架车I与发动机安装舱6大致平行，然后操作液压支腿进行其竖直对准，使得航空发动机5的轴心与发动机安装舱6的轴心位置误差控制在ε ^ = ±50mm以内；(2)操作多轴调姿平台2进行航空发动机5与发动机安装舱6两轴线B轴方向偏移角度△ 9)3与(:轴方向偏移角度△ Θ。的对准，角度误差控制在^1= ±0.2’以内，然后进行轴心Y轴方向偏移量Ay与Z轴方向偏移量Az的对准，位置误差控制在ε i = ±2mm以内。
[0039]如图3和图4所示，对准完成后进行航空发动机5的安装工作，航空发动机5的安装是不断实现航空发动机5机头端面轴心法向量和与之相切发动机安装舱6所在平面内轴心法向量的重合过程，利用数控电动架车I的长轴进给机构和多轴调姿平台2的升降俯仰机构对航空发动机5机头端面轴心法向量的X轴方向偏移量X、Z轴方向偏移量ζ与B轴方向偏摆角度9b进行联 动调姿控制，可实现两法向量的重合，完成航空发动机5的安装工作。但实际安装轨迹和理论安装轨迹有一定的偏差，它取决于其调姿位置、机构变形和安装偏差二方面因素。
[0040]其中O1为多轴调姿平台2对于航空发动机5的调姿轴心，O2为航空发动机5机头端面轴心，为了实现航空发动机5机头端面轴心法向量的位移控制，多轴调姿平台2中的升降俯仰机构对航空发动机5Z轴方向的偏移量ζ需要进行变量转换，其计算公式如下:
[0041 ] z = hz+h 9 + δ + Δ
[0042]式中:hz——平台竖直升降的高度
[0043]he——平台摆动而引起的高度变化(he = O1O2Sin Θ b)
[0044]δ —变形而引起的高度变化
[0045]Δ —许用自动安装位置误差
[0046]由于航空发动机5载荷较大,调姿机构的变形量对于Z轴方向偏移量ζ的控制影响较大，应考虑在控制范围内，在调姿时将变形引起的高度值δ进行补偿。此外设定Δ ^ Imm时为许用自动安装位置误差，Λ 0 < I’时为许用自动安装角度误差，两者需要同时满足才可进行自动安装，缺一不可，否则安装工作暂时停止，需要重新进行调整与定位，再继续执行自动安装工作。
[0047]如图5所示，数字控制系统的工作流程按照顺序分为位姿监测平台测量、获取相对位置信息、安装轨迹规划、数控电动架车调姿，误差要求分析。
[0048]航空发动机5数控安装方法的步骤如下:
[0049](I)通过电动车驾驶数控电动架车I位于发动机安装舱6的后方，位姿监测平台3监测航空发动机5和发动机安装舱6的相对位置，操作电动车进行航空发动机5与发动机安装舱6的水平对准，并使数控电动架车I与发动机安装舱6大致平行，然后操作液压支腿进行其竖直对准，位置误差控制在±50mm以内，然后固定液压支腿，完成粗对准工作；
[0050](2)根据位姿监测平台3测得的相对位置数据信息:航空发动机5与发动机安装舱6两轴线B轴方向偏移角度Λ 9)3与(:轴方向偏移角度Λ Θ。、轴心原点Y轴方向偏移量Ay与Z轴方向偏移量，操作多轴调姿平台2的纵向平移机构和水平转台机构及升降俯仰机构进行航空发动机5与发动机安装舱6两轴线B轴方向偏移角度△ Θ b与C轴方向偏移角度Λ Θ。的对准，角度误差控制在C1 = ±0.2’以内，然后进行轴心Y轴方向偏移量Ay与Z轴方向偏移量Az的对准，位置误差控制在ε I = ±2mm以内，完成精对准工作；
[0051](3)数字控制系统规划安装轨迹，利用数控电动架车I长轴进给机构和多轴调姿平台2升降俯仰机构的联动控制进行自动安装，位姿监测平台3实时监测安装位置偏移量并反馈给数字控制系统以不断调整复位，设定Λ ≤ Imm为许用自动安装位置误差，
为许用自动安装角度误差，一旦安装偏差超出允许误差则停止自动安装，利用数控电动架车I的调姿机构重新进行对准定位，再继续执行自动安装工作；
[0052](4)监视摄像头4全程实时辅助监视航空发动机5与发动机安装舱6在安装过程中的安装间隙，一旦小于容许最小安装间隙λ = 5mm，立刻发出报警信号，停止数控电动架车I的所有安装工作，重新检查调整；
[0053](5)航空发动机5安装完成后，收回液压支腿，数控电动架车I各调姿机构复位，驾驶数控电动架车I撤出安装现场，位姿监测平台3移出发动机安装舱6，完成整个安装工作。
【权利要求】
1.一种视觉图像引导的航空发动机数控安装方法，其特征在于: 1)轴心对准工作分为粗对准和精对准:a.安装前根据位姿监测平台(3)提供的航空发动机(5)相对位置信息，操作电动车进行航空发动机(5)与发动机安装舱(6)的水平对准，并使数控电动架车(I)与发动机安装舱(6)大致平行，然后操作液压支腿进行其竖直对准，位置误差控制在Stl以内；b.操作多轴调姿平台(2)进行航空发动机(5)与发动机安装舱(6)两轴线B轴方向偏移角度Λ 9)3与(:轴方向偏移角度Λ Θ。的对准，角度误差控制在ζι以内，然后进行轴心Y轴方向偏移量Ay与Z轴方向偏移量Az的对准，位置误差控制在S1以内； 2)安装工作是不断实现航空发动机(5)机头端面轴心法向量和与之相切发动机安装舱(6)所在平面内轴心法向量的重合过程，利用数控电动架车(I)长轴进给机构和多轴调姿平台(2)升降俯仰机构对航空发动机(5)机头端面轴心法向量的X轴方向偏移量χ、Ζ轴方向偏移量ζ与B轴方向偏移角度Θ b进行联动调姿控制，实现两法向量的重合，从而完成航空发动机(5)的安装工作； 3)监视摄像头(4) 全程实时辅助监视航空发动机(5)与发动机安装舱(6)在安装过程中的安装间隙，小于容许的最小安装间隙λ时，立刻发出报警信号，停止数控电动架车(I)的所有安装工作，重新检查调整； 4)航空发动机(5)安装完成后，收回液压支腿，数控电动架车(I)各调姿机构复位，驾驶数控电动架车(I)撤出安装现场，位姿监测平台(3)移出发动机安装舱(6)，完成整个安装工作。
2.根据权利要求1所述的一种视觉图像引导的航空发动机数控安装方法，其特征在于Z轴方向的偏移量z需要进行变量转换，其计算公式如下:
z = hz+h 9 + δ + Δ 式中:hz—平台竖直升降的高度 he—平台摆动而引起的高度变化 δ—变形而引起的高度变化 Δ——许用自动安装位置误差 在安装调姿时将变形引起的高度值S进行补偿，将△设定为许用自动安装位置误差，Δ θ设定为许用自动安装角度误差，两者须同时满足缺一不可，一旦安装偏差超出许用自动安装误差，安装工作暂时停止，进行重新调整与定位，再继续执行自动安装工作。
【文档编号】G05B19/18GK103970067SQ201410208528
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2014年5月16日 优先权日:2014年5月16日
【发明者】高航, 盛贤君, 赵哲, 孙怡, 姜涛, 刘学术, 刘国, 李明伟 申请人:大连理工大学