通过优选与构造测量点提高零组件整体位姿精度的方法
技术领域
本申请涉及飞机数字化测量领域，具体是指飞机零组件调姿定位工艺中的数字化测量及数据处理技术。
背景技术
零组件的调姿，是指零组件绕坐标系XYZ三个轴的转动；零组件的定位，是指零组件绕坐标系XYZ三个轴的移动。通过调姿定位，能够唯一确定飞机零组件的位置和姿态，实现飞机零组件的高精度装配。
飞机是由大量的零组件经调姿定位装配而成的。一些零组件在调姿定位装配时，只需要关注整体精度，例如，外部零组件调姿定位的整体精度决定了飞机的气动外形，内部零组件调姿定位的整体精度决定了飞机的结构重心，这两个精度指标都是飞机设计和制造的核心要求。
为了满足飞机零组件在调姿定位装配过程中的整体精度，需要在飞机零组件上设置不少于四个测量点，用测量点的坐标来评价零组件的整体精度，测量点的坐标偏离反应了整体精度的偏离。为了实现飞机零组件调姿定位的整体精度，通常要解决以下两个方面的问题：一方面，飞机零组件由于刚度较弱，在调姿定位过程中，容易发生超出设计要求的变形，导致设置在零组件上的测量点也容易发生位置偏离，导致零组件的整体精度评价不准确，影响飞机的制造质量；另一方面，如果飞机零组件没有发生超出设计要求的变形，但是小变形是必然的，如何使零组件上全部或者大部分的测量点在调姿定位后，相应的测量点都处于理想的坐标及其公差范围内，也相当困难。为了解决上述问题，当前采用的技术方案为：一是通过对零组件的校形使测量点处于准确的位置，这种方法虽然可行，但是效率较低，成本较高，而且大部分情况下只能校正部分测量点的位置，对提高整体精度虽有作用但作用有限；二是设置零组件的保形工装，将零组件固定在保形工装上，通过高刚度的保形工装来控制零组件的变形，该方法不仅成本高，而且由于保型架一直伴随着零组件，使得零组件调姿定位的实施空间受到很大影响。
发明内容
针对零组件及其测量点在调姿定位过程中容易发生位置偏离而影响整体精度的问题，发明了提升零组件调姿定位整体精度的测量点优选与构造方法，在不对零组件进行校形和保形的前提下，通过对零组件上测量点位置坐标数据的分析、处理、优化和构造，来提高零组件调姿定位的整体精度。
本发明采用以下技术方案：
通过优选与构造测量点提高零组件整体位姿精度的方法，其特征在于零组件上设置有n个测量点，n≥4，测量点在零组件调姿定位前称之为初始点，在调姿定位后称之为目标点，所有测量点具有相同的位置公差，提高零组件调姿定位整体精度的测量点优选与构造方法，包含以下步骤：
步骤1测量获取测量点的初始点相对于参考坐标系{R}的坐标集A1：
步骤2获取测量点的目标点相对于参考坐标系{R}的理论坐标及其公差集A2：
其中，δ表示目标点的坐标公差；
步骤3构建测量点的有效判据，其中dij为两个初始点的实际长度，Dij为两个目标点的理论长度，为两个目标点所允许的长度范围：
找出不满足式6判据要求的第j个测量点，并将第j个测量点剔除掉，其中i≠j，1≤i≤n，1≤j≤n；
步骤4按步骤3判据,从所有测量点中筛选出有效测量点，获取有效测量点的初始点相对于参考坐标系{R}的坐标集B1：
获取有效测量点的目标点相对于参考坐标系{R}的坐标集B2：
步骤5构建含有六个未知量的函数min(x y z α β γ)，并求解函数取得最小值时未知量的解：
其中，c表示余弦函数cos，s表示正弦函数sin，x、y、z表示有效测量点构成的形心化坐标的原点相对于参考坐标系{R}的线坐标分量，α、β、γ表示有效测量点构成的形心化坐标的三个方向相对于参考坐标系{R}的角坐标分量；
求解得：
步骤6构建零组件有效测量点调姿定位前后的变换矩阵T：
其中，c表示余弦函数cos，s表示正弦函数sin；
步骤7通过变换矩阵T，将有效测量点的初始点变换为有效测量点的构造点，获得有效测量点的构造点相对于参考坐标系{R}的坐标集BT：
步骤8求解有效测量点的构造点与目标点的位置偏离：
其中，Δlx、Δly、Δlz分别表示有效测量点的构造点与目标点的位置偏离在参考坐标系{R}的三个坐标分量；
步骤9构造有效测量点的优选判据：
步骤10按步骤9判据,从有效测量点中筛选出优选有效测量点，获取优选有效测量点的初始点相对于参考坐标系{R}的坐标集C1：
获取优选有效测量点的目标点相对于参考坐标系{R}的坐标集C2：
步骤11构建含有六个未知量的函数min(X Y Z A Β Γ)，并求解函数取得最小值时未知量的解：
其中，c表示余弦函数cos，s表示正弦函数sin，X、Y、Z表示优选有效测量点构成的形心化坐标的原点相对于参考坐标系{R}的线坐标分量，A、Β、Γ表示优选有效测量点构成的形心化坐标的三个方向相对于参考坐标系{R}的角坐标分量；
求解得：
步骤12构建零组件调姿定位前后的修正变换矩阵TC：
其中，c表示余弦函数cos，s表示正弦函数sin；
步骤13通过修正变换矩阵TC，将优选有效测量点的初始点修正变换为优选有效测量点的构造点，获得优选有效测量点的构造点相对于参考坐标系{R}的坐标集CT：
通过优选与构造测量点提高零组件整体位姿精度的方法，其特征在于零组件在调姿定位前的位姿是随机的，调姿定位后的位姿是确定的。
通过优选与构造测量点提高零组件整体位姿精度的方法，其特征在于测量点需包络零组件。
通过优选与构造测量点提高零组件整体位姿精度的方法，其特征在于优选有效测量点需包络零组件的三分之二以上。
与现有技术相比，本发明具有以下优点和显著效益：
(1)提高了零组件调姿定位的整体精度。应用该申请所公开的方法优先和构造出来的测量点，具有调姿定位前后的位置关系不变性，由于作为基准的测量点具有了不变性和稳定性，使得所评价的零组件的精度具备了准确性。
(2)提高了零组件调姿定位的工作效率，通过零组件上测量点坐标数据的分析和变换，对测量点进行优选与构造，相关工作由基于本申请所公开方法所完成，相比现在的零组件校形和保形而言，极大的提高了调姿定位的效率。
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是飞机壁板及其测量点在调姿定位前后的位姿示意。
图2是不符合有效判据测量点的示意。
图3是飞机壁板上测量点的构造点与目标点在参考坐标系{R}下的匹配示意。
图4是飞机壁板上第i个测量点的构造点与目标点的偏离示意。
图5是飞机壁板上优选测量点的修正构造点与目标点的匹配示意。
图中编号说明：1蒙皮、2长桁、3调姿定位前的飞机壁板、4调姿定位后的飞机壁板、5初始点、6目标点、7第j个测量点、8第i个测量点的公差盒、9第i个构造点、10第i个目标点
具体实施方式
本实施方案中的零组件为飞机壁板，飞机壁板由蒙皮1和长桁2组成。其中，蒙皮1的材质为碳纤维增强体树脂基复合材料，长桁2的材质为铝合金，两种通过螺接组装为飞机壁板。
参考图1所示，飞机壁板上设置有20个测量点。图1左侧为调姿定位前的飞机壁板3和初始点5，图1右侧为调姿定位后的飞机壁板4和目标点6，由于飞机壁板的变形等因素，飞机壁板上的20个初始点的位置关系与目标点的位置关系肯定不一致，即：调姿定位前的飞机壁板3上的20个初始点5与调姿定位后的飞机壁板4上的20个目标点6不能相对应的重合，或者调姿定位前的飞机壁板3上的部分初始点5不能包络在相对应目标点6的公差盒范围内。
调姿定位前，在不对飞机壁板进行校形或者保形的前提下，通过本发明所公开的方法，将调姿定位前的飞机壁板3上的全部或者大部分初始点5包络在相对应目标点6的公差盒8范围内，使飞机壁板在调姿定位过程中满足整体装配精度。
通过优选与构造测量点提高零组件整体位姿精度的方法，其特征在于零组件上设置有n个测量点，n≥4，测量点在零组件调姿定位前称之为初始点，在调姿定位后称之为目标点，所有测量点具有相同的位置公差，提高零组件调姿定位整体精度的测量点优选与构造方法，包含以下步骤：
步骤1测量获取测量点的初始点相对于参考坐标系{R}的坐标集A1：
步骤2获取测量点的目标点相对于参考坐标系{R}的理论坐标及其公差集A2：
其中，δ表示目标点的坐标公差；
步骤3构建测量点的有效判据，其中dij为两个初始点的实际长度，Dij为两个目标点的理论长度，为两个目标点所允许的长度范围：
找出不满足式6判据要求的第j个测量点，并将第j个测量点剔除掉，其中i≠j，1≤i≤n，1≤j≤n；
如图2所示，找出不满足式6判据要求的第j个测量点7，并将第j个测量点7剔除掉；
步骤4按步骤3判据,从所有测量点中筛选出有效测量点，获取有效测量点的初始点相对于参考坐标系{R}的坐标集B1：
获取有效测量点的目标点相对于参考坐标系{R}的坐标集B2：
步骤5构建含有六个未知量的函数min(x y z α β γ)，并求解函数取得最小值时未知量的解：
其中，c表示余弦函数cos，s表示正弦函数sin，x、y、z表示有效测量点构成的形心化坐标的原点相对于参考坐标系{R}的线坐标分量，α、β、γ表示有效测量点构成的形心化坐标的三个方向相对于参考坐标系{R}的角坐标分量；
求解得：
步骤6构建零组件有效测量点调姿定位前后的变换矩阵T：
其中，c表示余弦函数cos，s表示正弦函数sin；
步骤7通过变换矩阵T，将有效测量点的初始点变换为有效测量点的构造点，获得有效测量点的构造点相对于参考坐标系{R}的坐标集BT：
图3为飞机壁板测量点中的第i个构造点9与第i个目标点10在参考坐标系{R}下进行匹配；
步骤8求解有效测量点的构造点与目标点的位置偏离：
其中，Δlx、Δly、Δlz分别表示有效测量点的构造点与目标点的位置偏离在参考坐标系{R}的三个坐标分量；
如图4所示为飞机壁板上第i个构造点9与第i个目标点10的偏离示意，第i个构造点9处于第i个目标点10的公差盒8内；
步骤9构造有效测量点的优选判据：
步骤10按步骤9判据,从有效测量点中筛选出优选有效测量点，获取优选有效测量点的初始点相对于参考坐标系{R}的坐标集C1：
获取优选有效测量点的目标点相对于参考坐标系{R}的坐标集C2：
步骤11构建含有六个未知量的函数min(X Y Z A Β Γ)，并求解函数取得最小值时未知量的解：
其中，c表示余弦函数cos，s表示正弦函数sin，X、Y、Z表示优选有效测量点构成的形心化坐标的原点相对于参考坐标系{R}的线坐标分量，A、Β、Γ表示优选有效测量点构成的形心化坐标的三个方向相对于参考坐标系{R}的角坐标分量；
求解得：
步骤12构建零组件调姿定位前后的修正变换矩阵TC：
其中，c表示余弦函数cos，s表示正弦函数sin；
步骤13通过修正变换矩阵TC，将优选有效测量点的初始点修正变换为优选有效测量点的构造点，获得优选有效测量点的构造点相对于参考坐标系{R}的坐标集CT：
如图5所示为飞机壁板上优选测量点的修正构造点与目标点的匹配示意。
通过优选与构造测量点提高零组件整体位姿精度的方法，其特征在于零组件在调姿定位前的位姿是随机的，调姿定位后的位姿是确定的。
通过优选与构造测量点提高零组件整体位姿精度的方法，其特征在于测量点需包络零组件。
通过优选与构造测量点提高零组件整体位姿精度的方法，其特征在于优选有效测量点需包络零组件的三分之二以上。
与现有技术相比，本发明具有以下优点和显著效益：
(1)提高了零组件调姿定位的整体精度。应用该申请所公开的方法优先和构造出来的测量点，具有调姿定位前后的位置关系不变性，由于作为基准的测量点具有了不变性和稳定性，使得所评价的零组件的精度具备了准确性。
(2)提高了零组件调姿定位的工作效率，通过零组件上测量点坐标数据的分析和变换，对测量点进行优选与构造，相关工作由基于本申请所公开方法所完成，相比现在的零组件校形和保形而言，极大的提高了调姿定位的效率。
