一种液氧煤油火箭发动机大部件对接自动测量方法技术

本发明专利技术涉及一种液氧煤油火箭发动机大部件对接自动测量方法，包括以下步骤：将测量系统与搬运机器人系统进行统一标定，建立全局坐标系；对工件进行三维扫描，从点云数据中提取得到全局坐标系下特征点坐标值；基于涡轮泵目标位姿解算出机器人末端工具目标位姿。该方法克服了由于产品轮廓不规则、尺寸差异较大而产生的对接基准测量困难和由此导致的对接自动化程度低下的问题，实现了液氧煤油火箭发动机基于特征点三维测量的全自动高精度对接。方法应用于发动机涡轮泵与推力室对接过程各大部件位姿的测量，是一种可自动完成特征点三维测量并根据测量结果引导搬运机器人完成对接的方法。

【技术实现步骤摘要】
一种液氧煤油火箭发动机大部件对接自动测量方法
本专利技术涉及一种液氧煤油火箭发动机大部件对接自动测量方法，应用于液氧煤油火箭发动机涡轮泵和推力室对接过程各部件位姿的测量，是一种可自动完成特征点三维测量并根据测量结果引导搬运机器人完成对接的方法。
技术介绍
液体火箭发动机是航天弹、箭、星、船、器的“心脏”，被誉为航天发展的基石。液氧煤油火箭发动机是我国新一代运载火箭长征5、长征6、长征7的主动力装置，具有大推力、高性能、高可靠性、绿色环保等优点。在火箭发动机制造过程中，其主体不是整体加工，而是通过分段制造，然后再在总装环节把各大型构件装配连接在一起。大部件对接是发动机总装过程的首个环节，其对接效果直接影响后续装配工作乃至产品最终质量。但目前装配手段主要是由操作人员使用工装、标准模板、样件、量规等工具并结合工艺补偿的方式来保证结构件间的协调对接，这种对接方式基准定位困难、调节难度大、精度低、受人为因素影响大，导致制造周期长、可靠性差。随着国内航天航空企业越来越重视对产品装配质量和装配效率的提高，大部件自动对接装备研制逐渐成为热点研究问题。其中高精度的测量方法更是实现大部件自动化对接的核心要素。但由于航天航空器大部件尺寸通常非常大且测量基准分散，通常使用的高精度测量方法如激光跟踪仪、室内GPS等需要操作人员使用靶球逐一对基准点进行测量，过程繁琐，测量效率低，难以实现自动化测量。为实现自动测量，众多厂商研究采用多个视觉传感器组建定制化视觉测量系统实现大型物体三维空间尺寸测量的方法，但由于系统内部传感器众多，导致系统标定工作众多、使用繁琐、不易维护，且系统昂贵，难以得到推广。MetraScan与C-Track是一种典型的三维测量设备。其中MetraScan是creaform公司的一个三维光学扫描头，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，可实时跟踪MetraScan，并利用三角测距法计算MetraScan在空间中的位置，从而构建扫描部件的三维点云信息。但此类三维扫描设备大多用于三维逆向建模以及工件表面加工误差分析等场合，对于产品轮廓不规则、尺寸差异较大类型产品对接基准点的自动测量，并基于基准点间约束关系引导机器人完成对接操作等方面应用仍有欠缺。
技术实现思路
要解决的技术问题为了避免现有技术的不足之处，本专利技术提出一种液氧煤油火箭发动机大部件对接自动测量方法，一种基于三维扫描设备、六轴工业机器人以及数据处理软件实现液氧煤油火箭发动机大型部件特征点三维测量并能够引导搬运机器人完成大部件对接操作的新方法。该方法克服了由于产品轮廓不规则、尺寸差异较大而产生的对接基准测量困难和由此导致的对接自动化程度低下的问题，达到液氧煤油火箭发动机基于特征点三维测量的全自动高精度对接的目的。技术方案一种液氧煤油火箭发动机大部件对接自动测量方法，其特征在于：搬运机器人夹持调姿部件涡轮泵与静止部件推力室的对接测量，步骤如下：步骤1：将测量系统与对接工业机器人系统进行统一标定，建立全局坐标系：1、在测量坐标系下使对接工业机器人分别绕一轴和二轴做圆周运动得到圆O1与圆O2；2、分别提取两个圆O1与圆O2过圆心的法线F1与F2作为全局坐标系的Z轴与Y轴；3、将F1与F2的公垂线F3与F1的交点向下偏移1100mm得到全局坐标系原点P1；步骤2：采用测量工业机器人带动扫描头执行扫描轨迹，扫描轨迹采用示教器示教方式确定，实现对涡轮泵与静止部件推力室进行三维测量得到点云数据，从点云数据中提取得到全局坐标系下特征点坐标值：1、建立特征部位三维模型，使用Polyworks软件抽取点云文件中各特征部位特征点数据，并分别保存为：涡轮泵特征点集{P1}，{P1}是涡轮泵对接约束条件所定义的特征点本，含有5个特征点：推力室摇摆轴线端点E、推力室摇摆轴线端点F、推力室轴线端点B、推力室轴线端点A、推力室接口点I；推力室特征点集{P2}，{P2}是涡轮泵对接约束条件所定义的特征点，含有6个特征点：涡轮泵中部法兰圆心点H、涡轮泵轴线端点C、涡轮泵底部法兰圆心点G、涡轮泵轴线端点CC、涡轮泵对接点接口点J；2、利用点云数据向三维模型对齐时的变换矩阵R，求取特征点集{P1}与{P2}在全局坐标系下的特征点集{P1'}与{P2'}，其计算公式为：{P1'}＝R1-1·{P1}{P2'}＝R2-1·{P2}其中R1是PolyWork软件中推力室点云数据向模型数据对齐的齐次矩阵，R2是PolyWork软件中涡轮泵点云数据向模型数据对齐的齐次矩阵；步骤3、基于涡轮泵目标位姿解算出对接机器人末端工具目标位姿：1、在全局坐标系下求取对接机器人工具坐标系表征点：坐标系原点Pm，x轴任意点Pmx，z轴任意点Pmz；2、通过约束{P1}与{P2}特征点间位姿关系得到对接机器人工具坐标系目标位姿表征点Pm’、Pmz’、Pmx’；3、利用Pmz’-Pm’建立对接机器人目标位置工具坐标系Z轴，Pmx’-Pm’建立对接机器人目标位置工具坐标系X轴，Pm’作为搬运机器人目标坐标值；步骤4：搬运机器人夹持涡轮泵按照所计算Pm’进行调姿定位，完成对接动作。所述三维扫描采用creaform公司的MetraScan三维扫描设备和C-Track双目视觉系统。有益效果本专利技术提出的一种液氧煤油火箭发动机大部件对接自动测量方法，包括以下步骤：将测量系统与搬运机器人系统进行统一标定，建立全局坐标系；对工件进行三维扫描，从点云数据中提取得到全局坐标系下特征点坐标值；基于涡轮泵目标位姿解算出机器人末端工具目标位姿。该方法克服了由于产品轮廓不规则、尺寸差异较大而产生的对接基准测量困难和由此导致的对接自动化程度低下的问题，实现了液氧煤油火箭发动机基于特征点三维测量的全自动高精度对接。方法应用于发动机涡轮泵与推力室对接过程各大部件位姿的测量，是一种可自动完成特征点三维测量并根据测量结果引导搬运机器人完成对接的方法。本专利技术具有以下有益效果及优点：1.通过坐标系标定将测量坐标系与搬运机器人坐标系统一，特征点提取后通过逆变换即可得到特征点在搬运机器人基坐标系下的坐标，方便进行下一步的对接指导作业。2.在统一坐标系下，基于涡轮泵目标位姿解算出机器人末端工具目标位姿，进而推算出搬运机器人TCS(ToolControlSystem)控制变量，从而实现对接动作，该方法设计简单容易实现，计算速度快具有很强实的实时性。附图说明图1：测量系统结构图；图2：测量方法流程图；图3：坐标系统一标定原理图；图4：位姿约束原理图图5：搬运机器人夹持调姿部件涡轮泵与静止部件推力室的对接测量示意图图6：涡轮泵特征点集{P1}，{P1}是涡轮泵发的特征点示意图具体实施方式现结合实施例、附图对本专利技术作进一步描述：图1所示是测量系统结构图，硬本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种液氧煤油火箭发动机大部件对接自动测量方法，其特征在于：搬运机器人夹持调姿部件涡轮泵与静止部件推力室的对接测量，步骤如下：/n步骤1：将测量系统与对接工业机器人系统进行统一标定，建立全局坐标系：/n1、在测量坐标系下使对接工业机器人分别绕一轴和二轴做圆周运动得到圆O

【技术特征摘要】
1.一种液氧煤油火箭发动机大部件对接自动测量方法，其特征在于：搬运机器人夹持调姿部件涡轮泵与静止部件推力室的对接测量，步骤如下：
步骤1：将测量系统与对接工业机器人系统进行统一标定，建立全局坐标系：
1、在测量坐标系下使对接工业机器人分别绕一轴和二轴做圆周运动得到圆O1与圆O2；
2、分别提取两个圆O1与圆O2过圆心的法线F1与F2作为全局坐标系的Z轴与Y轴；
3、将F1与F2的公垂线F3与F1的交点向下偏移1100mm得到全局坐标系原点P1；
步骤2：采用测量工业机器人带动扫描头执行扫描轨迹，扫描轨迹采用示教器示教方式确定，实现对涡轮泵与静止部件推力室进行三维测量得到点云数据，从点云数据中提取得到全局坐标系下特征点坐标值：
1、建立特征部位三维模型，使用Polyworks软件抽取点云文件中各特征部位特征点数据，并分别保存为：涡轮泵特征点集{P1}，{P1}是涡轮泵对接约束条件所定义的特征点本，含有5个特征点：推力室摇摆轴线端点E、推力室摇摆轴线端点F、推力室轴线端点B、推力室轴线端点A、推力室接口点I；推力室特征点集{P2}，{P2}是涡轮泵对接约束条件所定义的特征点，含有6个特征点：涡轮泵中部法兰圆心点H、涡轮泵轴线端点C、涡轮泵底部法兰圆心点G、涡轮泵轴线端点CC、...

【专利技术属性】
技术研发人员：谭永华，许艺峰，杜劲松，王继长，安然，闫明辉，李万鹏，郭锐，张飞飞，周长军，岳婷，
申请(专利权)人：西安航天发动机有限公司，中国科学院沈阳自动化研究所，
类型：发明
国别省市：陕西;61