[發明專利]一種航天發動機裝配過程中動態實時測量方法

有效

• 申請號: 201310580978.5
• 申請日: 2013-11-18
• 公開（公告）號: CN103604368A
• 公開（公告）日: 2014-02-26
• 發明（設計）人: 呂傳景;陳小婭;向彥君;王繼長;陳少斌;閆明輝
• 申請（專利權）人: 鄭州辰維科技股份有限公司;西安航天發動機廠
• 主分類號: G01B11/00
• 分類號: G01B11/00;G01B11/27;G01B11/02
• 代理公司: 鄭州天陽專利事務所(普通合伙) 41113
• 代理人: 王逢伍

1.一種航天發動機裝配過程中動態實時測量方法，其特征在于，包括以下步驟：

①.對發動機噴管中心軸線進行測量：

在發動機噴管端圓上布設至少5個第一攝影測量標志，在發動機噴管上部的圓柱部分段上布設至少7個第二攝影測量標志，采用MPS工業攝影測量系統，測量出所有布設的攝影測量標志的三維坐標，分別用端圓上的攝影標志點擬合一個圓，得到端圓圓心；再用圓柱部分段上的攝影測量標志擬合一個圓柱，得到圓柱的軸線；連接端圓圓心及圓柱軸線，得到發動機噴管的中心軸線；

②.對發動機噴管上部彎管中心位置進行測量：

在上部彎管的端圓上布置至少5個第三攝影測量標志，采用MPS工業攝影測量系統測量出所有布設的攝影測量標志的三維坐標，用端圓攝影標志點擬合一個圓，得到端圓圓心即為彎管中心；

③.建立發動機噴管基準坐標系：

以發動機噴管中心軸線、上部彎管中心形成一個基準平面，以基準平面建立其基準坐標系，以彎管中心點到發動機噴管中心軸線的投影點作為坐標系原點，以發動機噴管中心軸線為Z軸，指向彎管端圓中心為X軸，根據右手坐標系法則大拇指所指方向為Y軸，建立起發動機噴管的基準坐標系；

④.對連接管中心軸線進行測量：

在連接管端圓上布設至少5個第四攝影測量標志，在連接管的圓柱相同厚度部分布設至少7個第五攝影測量標志，采用MPS工業攝影測量系統的單相機靜態測量，測量出所有布設的攝影測量標志的三維坐標，分別用端圓上的攝影標志點擬合一個圓，得到端圓圓心；再用圓柱部分段上的攝影標志點擬合一個圓柱，得到圓柱的軸線，連接端圓圓心及圓柱軸線，得到連接管的中心軸線；

⑤.對連接管上部彎管中心位置進行測量：

采用與步驟②相同的測量方法，在上部彎管的端圓上布置至少5個第六攝影測量標志，采用MPS工業攝影測量系統測量出所有布設的攝影測量標志的三維坐標，用端圓攝影標志點擬合一個圓，得到端圓圓心即為彎管中心；

⑥.建立連接管基準坐標系：

采用與步驟③相同的方法建立連接管基準坐標系，發動機噴管基準坐標系與連接管基準坐標系建立后，當要測量發動機噴管與連接管中心軸線平行度，則只需看兩基準坐標系的Z軸是否平行即可；當需測量發動機噴管與連接管上部彎管中心等高，則只需看連接管坐標系原點在發動機噴管坐標系下的Z軸坐標是否為0，且必須保證其Y軸坐標為0，即保證發動機噴管及連接管的基準平面是共面的；

⑦.對發動機噴管及連接管的基準坐標系進行轉換：

當發動機噴管及連接管的基準坐標系建立好以后，在發動機噴管及連接管的管身上布設至少10個第七攝影測量標志，并分別以各自的基準坐標系為準，測量出所有攝影標志點在各自基準坐標系下的三維坐標，無論發動機噴管或連接管在裝配時如何相對運動，管身上的攝影測量標志與各自的基準坐標系間的空間位置關系是固定不變的，則可以用這些攝影測量標志的三維坐標來代替基準坐標系，當進行裝配時，只要測量出這些攝影測量標志的三維坐標，通過坐標系轉換分別得到發動機噴管及連接管的基準坐標系，然后解算出其中心軸線關系及上部端圓中心點位之間的高度差；兩個右手空間直角坐標系進行轉換時，存在三個平移量、三個旋轉量和一個尺度因子，將建立的基準坐標系O-XYZ先縮放k倍，再旋轉坐標（εx，εy，εz），最后平移坐標（X₀，Y₀，Z₀）后，轉換到被測量的坐標系o-xyz中，點P在O-XYZ中的坐標為（X，Y，Z），在o-xyz中的坐標為（x，y，z），則有：

xyz=kRTX-X0Y-Y0Z-Z0]]>--（式1）

同理也有：

XYZ=1kRxyz+X0Y0Z0]]>--（式2）

式中R為旋轉矩陣，其中關鍵的環節是構造旋轉矩陣，繞X、Y、Z測量坐標軸的旋轉矩陣分別表示為：

Rx(ϵx)=1000cosϵx-sinϵx0sinϵxcosϵxRy(ϵy)=cosϵy0sinϵy010-sinϵy0cosϵyRz(ϵz)=cosϵz-sinϵz0sinϵzcosϵz0001]]>--（式3）

旋轉矩陣的構造按Kardan旋轉進行，其要點是三個連動的旋轉軸中不出現同名軸，首先繞X軸旋轉εx，此時Z軸到達OYZ與OYz兩面的交線位置，其次繞旋轉后的Y軸旋轉εy，使Z軸最終到達z軸，最后繞z軸旋轉εz，最終使X、Y軸分別與x、y軸重合。則旋轉矩陣R為：

R=Rx(ϵx)·Ry(ϵy)·Rz(ϵz)=a1a2a3b1b2b3c1c2c3]]>--（式4）

式中R矩陣的諸參數為：

a1=cosϵycosϵz,a2=-cosϵysinϵz,a3=sinϵyb1=cosϵxsinϵz+sinϵxsinϵycosϵz,b2=cosϵxcosϵz-sinϵxsinϵysinϵz,b3=-sinϵxcosϵyc1=sinϵxsinϵz-cosϵxsinϵycosϵz,c2=sinϵxcosϵz+cosϵxsinϵysinϵz,c3=cosϵxcosϵy]]>

⑧.裝配測量：

將MPS工業攝影測量系統的多相機實時動態測量中的各相機安置在至少兩臺相機能共同觀測到發動機噴管及連接管管身上的約一半的攝影測量標志的位置，按照裝配的實際工況，至少需要4臺相機組成多相機系統才能完成裝配時的實時測量，在裝配實時測量過程中，由MPS多相機系統控制4臺相機進行實時測量，獲得攝影測量標志的三維坐標，通過公共點轉換、坐標系轉換實時解算出發動機噴管與連接管的中心軸線之間的平行度數據、彎管中心點之間的高差數據；

⑨.發動機噴管與連接管防撞數據測量及信號輸出：

為了實現在裝配過程中預防發動機噴管與連接管發生碰撞，首先確定出發動機噴管與連接管在實際裝配中最有可能發生碰撞的部位，然后在發動機噴管管身及連接管管身的易干擾部位各布置一個攝影測量標志，在第⑧步中安置相機位置時，應保證至少有其中兩臺相機能觀測到干擾部位的攝影測量標志，在裝配實時測量時會同時測量出干擾部位的兩個攝影測量標志的三維坐標，然后計算出兩個攝影測量攝影標志點的空間距離，設兩點P₁(x₁、y₁、z₁)、P₂(x₂、y₂、z₂)，則兩點間的空間距離根據空間點距離公式5可得：

d=(x1-x2)2+(y1-y2)2+(z1-z2)2]]>--（式5）

設定好該距離的最小值閾值，實現防撞提醒及必要的信號輸出。