一种基于温度补偿的数字化工装飞机坐标系标定方法
技术领域
本申请涉及飞机数字化测量领域，具体是指一种基于温度补偿的数字化工装飞机坐标系的标定技术。
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，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。作为飞机数字化制造和检验的基准，数字化工装飞机坐标系要求具有长久稳定性，其中温度变化是影响长久稳定性的重要因素。对新一代飞机而言，数字化工装飞机坐标系的位姿偏离不能超过0.2mm。但是数字化工装都具有热胀冷缩特性，以某飞机的10米长数字化工装为例，10℃的温差对数字化工装飞机坐标系的偏离就超过了1.2mm，如果在标定数字化工装飞机坐标系时不做温度补偿，所标定的飞机坐标系将不具备温度稳定性，依据这样的数字化工装飞机坐标系所制造出来的飞机，将存在严重的质量问题。当前所采用的技术方案有：一是控制车间温度，使数字化工装处于相对恒温的环境；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为控制数字化工装飞机坐标系偏离，但是在实际操作过程中，上述技术方案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标定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标定方法。
本发明采用以下技术方案：
基于温度补偿的数字化工装飞机坐标系标定方法，其特征在于数字化工装飞机坐标系由ERS点群的坐标标定，ERS点群包括ERS基础点群和ERS增强点群，ERS基础点群包含3个ERS点，分别为ERS1、ERS2、ERS3，ERS增强点群包含ERS点的数量不限，ERS增强点群的数量由数字化工装的尺寸大小确定，尺寸较小时，可以不设置ERS增强点群，尺寸较大时，需要设置ERS增强点群，ERS基础点群和ERS增强点群均由ERS点组成，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，ERS点是数字化工装标定飞机坐标系的载体，基于温度补偿的数字化工装飞机坐标系标定方法，包含以下步骤：
步骤1定义ERS点群在CAD全局坐标系{C}的设计坐标
步骤2按照设计坐标在数字化工装上设置ERS点群；
步骤3记录数字化工装的热胀冷缩系数：C；
步骤4记录标定飞机坐标系{P}时的环境温度：WE；
步骤5定义标定{P}时的参考温度为：RF；
步骤6记录ERS点群在WE温度相对于测量设备坐标系{M}的实际坐标
步骤7求出RE与RF的差值
步骤8构建温度补偿系数δ：
步骤9定义工装坐标系{T}：{T}的原点设置在ERS1点，{T}的X向设为向量的指向，{T}的0XY面设为向量和向量所构成的平面，{T}的Z向设为向量经右手定则旋转到向量时大拇指的指向；
步骤10构建ERS基础点群经温度补偿后相对于{T}的拟合坐标包含以下步骤：
10-1求出向量的模量
10-2求出向量的模量
10-3求出向量与向量的夹角Θ：
10-4构建虚位移
10-5构建ERS基础点群经温度补偿后相对于{T}的拟合坐标
步骤11在RF温度,构建{T}相对于{P}的位姿包含以下步骤：
11-1构建{T}的X向在{P}的方向余弦：
将式10的结果代入式11，求出{T}的X向在{P}的方向余弦：
11-2构建{T}的Z向在{P}的方向余弦：
将式12的结果代入式13，求出{T}的Z向在{P}的方向余弦：
11-3构建{T}的Y向在{P}的方向余弦：
将式14的结果代入式15，求出{T}的Y向在{P}的方向余弦：
11-4在RF温度,构建{T}相对于{P}的位姿
步骤12在RF温度,构建{M}相对于{T}的位姿包含以下步骤：
12-1构建ERS基础点群所构成平面的法向量在{M}的方向余弦：
将式17的结果带入式18，求出ERS基础点群所构成平面的法向量在{M}的方向余弦：
12-2构建ERS基础点群在RF温度相对于{M}的补偿坐标：
12-3构建{M}在RF温度相对于{T}的补偿位姿
步骤13求出ERS点群在RF温度相对于飞机坐标系{P}的标定坐标
ERS点群设置在数字化工装中的高刚度结构上。
ERS基础点群中以向量和向量为邻边所构成的平行四边形以二维平面形式包络数字化工装，且的模量大于的模量。
ERS增强点群按照均匀间隔设置于数字化工装上，ERS基础点群和ERS增强点群以三维立体形式包络数字化工装。
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。
本发明技术与现有技术相比，具有以下优点和显著效益：
(1)实现了数字化工装低成本、高效率、高稳定的飞机坐标系标定。应用该申请专利所公开的方法，数字化工装在进行飞机坐标系标定时不需要恒温车间或者使用低热胀冷缩的材料。
(2)提高了数字化工装飞机坐标系标定的准确度。由于绝对的恒温和零热胀冷缩材料是不存在的，因此，现有的飞机坐标系标定方法存在一定的误差。基于该申请专利所公开的方法，在标定坐标系时，补偿了温度变化引起的坐标偏离，提高了标定准确度。
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标定示意图。
图中编号说明：1数字化工装、2ERS点、3激光跟踪仪、4飞机侧壁板
具体实施方式
图1为数字化工装飞机坐标系标定示意图，该数字化工装的长约6米，高约3.3米，宽约2.6米，材质为Q235，热胀冷缩系数C＝0.012mm/(m·℃)，所装配的对象为飞机侧壁板4。由于飞机侧壁板4被数字化工装1的矩形框架所包络，且矩形的长度大于高度，因此，将由多个ERS点2组成的ERS基础点群中的ERS1点设置于矩形框架的左下方，将ERS基础点群中的ERS2点设置于矩形框架的右下方，将ERS基础点群中的ERS3点布置于矩形框架的左上方。由于该数字化工装的尺寸较大，因此，还设置了ERS增强点群，使ERS增强点群中的ERS点的间距控制在1.5米左右，标定所采用的测量设备为非接触式的激光跟踪仪3。
图1所示，作为ERS点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，将孔轴线与端平面相交获得交点，再将交点沿孔轴线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。具体对如图所示的Leica960激光跟踪仪来说，该位移量为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标定方法，以下为具体步骤：
步骤1定义ERS点群在CAD全局坐标系{C}的设计坐标
步骤2按照设计坐标在数字化工装上设置ERS点群；
步骤3记录数字化工装的热胀冷缩系数：C；
步骤4记录标定飞机坐标系{P}时的环境温度：WE；
步骤5定义标定{P}时的参考温度为：RF；
步骤6记录ERS点群在WE温度相对于测量设备坐标系{M}的实际坐标
步骤7求出RE与RF的差值
步骤8构建温度补偿系数δ：
步骤9定义工装坐标系{T}：{T}的原点设置在ERS1点，{T}的X向设为向量的指向，{T}的0XY面设为向量和向量所构成的平面，{T}的Z向设为向量经右手定则旋转到向量时大拇指的指向；
步骤10构建ERS基础点群经温度补偿后相对于{T}的拟合坐标包含以下步骤：
10-1求出向量的模量
10-2求出向量的模量
10-3求出向量与向量的夹角Θ：
10-4构建虚位移
10-5构建ERS基础点群经温度补偿后相对于{T}的拟合坐标
步骤11在RF温度,构建{T}相对于{P}的位姿包含以下步骤：
11-1构建{T}的X向在{P}的方向余弦：
将式10的结果代入式11，求出{T}的X向在{P}的方向余弦：
11-2构建{T}的Z向在{P}的方向余弦：
将式12的结果代入式13，求出{T}的Z向在{P}的方向余弦：
11-3构建{T}的Y向在{P}的方向余弦：
将式14的结果代入式15，求出{T}的Y向在{P}的方向余弦：
11-4在RF温度,构建{T}相对于{P}的位姿
步骤12在RF温度,构建{M}相对于{T}的位姿包含以下步骤：
12-1构建ERS基础点群所构成平面的法向量在{M}的方向余弦：
将式17的结果带入式18，求出ERS基础点群所构成平面的法向量在{M}的方向余弦：
12-2构建ERS基础点群在RF温度相对于{M}的补偿坐标：
12-3构建{M}在RF温度相对于{T}的补偿位姿
步骤13求出ERS点群在RF温度相对于飞机坐标系{P}的标定坐标
ERS点群设置在数字化工装中的高刚度结构上。
ERS基础点群中以向量和向量为邻边所构成的平行四边形以二维平面形式包络数字化工装，且的模量大于的模量。
ERS增强点群按照均匀间隔设置于数字化工装上，ERS基础点群和ERS增强点群以三维立体形式包络数字化工装。
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。
