通过优选与构造测量点提高零组件局部位姿精度的方法
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，在满足基本的整体精度前提下还需要满足更高的局部精度。例如，用于提升飞机升力的襟翼，它不是一个固定的零组件，而是一个含有运动机构的活动零组件，当飞机起飞时，为了增大飞机的升力，襟翼要从机翼伸出来，以增加机翼的受力面积，飞机平飞时，为了减少飞机的阻力，襟翼要缩进机翼里，飞机降落时，为了增大飞机的升力，又需要将襟翼从机翼伸出来。由此可见，襟翼不仅需要满足气动外形的整体精度，更需要满足其伸缩机构运动的局部精度，一般而言，局部精度要远高于整体精度，并且需要优先满足局部精度。
为了满足飞机零组件在调姿定位装配过程中的局部精度，需要在飞机零组件局部设置不少于四个精度较高的测量点，在其它区域设置不少于一个精度较低的测量点，用局部测量点的坐标来评价零组件的局部精度，用含有局部测量点和非局部测量点的坐标来评价零组件的整体精度。为了实现飞机零组件调姿定位的局部精度，当前所采用的技术方案有：一是通过对零组件局部结构的校形，以满足局部精度，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；二是设置局部保形工装，通过高刚度的保形工装来控制零组件局部的变形，该方法不仅成本很高，而且由于保型架伴随着零组件，使得零组件调姿定位的实施空间受到很大影响。
发明内容
为了使零组件在调姿定位过程中满足整体精度前提下保证较高的局部精度，发明了提升零组件调姿定位局部精度的测量点优选与构造方法，在不对零组件局部进行校形和保形的前提下，通过对零组件上测量点坐标数据的分析，通过测量点的优选与构造来提高零组件调姿定位的局部精度。
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局部位姿精度的方法，其特征在于零组件上设置有n个测量点，n≥5，n个测量点中包含有m个δ公差测量点和p个η公差测量点，n＝m+p，n＞m≥4，η＞δ，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，提高零组件局部调姿定位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m个δ公差的初始点相对于参考坐标系{R}的坐标集A1：
步骤2获取p个η公差的初始点相对于参考坐标系{R}的坐标集B1：
步骤3构建固连在零组件上的局部坐标系{D}，获取初始点相对于局部坐标系{D}的坐标，包含以下步骤：
3-1以m个δ公差的初始点的形心设为局部坐标系{D}的原点；
3-2以原点为起点，分别以m个δ公差的初始点为终点，得到m个矢量，以矢量中模数最大的矢量作为局部坐标系{D}的x向；
3-3将其余m-1个矢量分别与x向的矢量做叉积，得到的新的m-1个矢量，以新的m-1个矢量中模数最大的矢量作为局部坐标系{D}的z向；
3-4将右手的四指从z向转到x向，大拇指的指向为局部坐标系{D}的y向；
3-5获取n个测量点的初始点相对于局部坐标系{D}的坐标集a1：
步骤4调姿定位前，构建矩阵方程F(x y z α β γ)，求解六个未知量[x y z α βγ]：
求出：
其中，c表示余弦函数cos，s表示正弦函数sin，x、y、z表示局部坐标系{D}的原点相对于参考坐标系{R}的线坐标分量，α、β、γ表示局部坐标系{D}的三个方向相对于参考坐标系{R}的角坐标分量；
步骤5获取m个δ公差的目标点相对于参考坐标系{R}的坐标及其公差集A2：
步骤6获取p个η公差的目标点相对于参考坐标系{R}的坐标及其公差集B2：
步骤7构建p个η公差测量点的有效判据，其中dij为两个η公差的初始点的实际长度，Dij为两个η公差的目标点的理论长度：
找出所有不满足式10判据要求的第j个η公差测量点，并将第j个η公差测量点剔除掉，其中，1≤i≤m＜j≤n；
步骤8将满足步骤7的η公差测量点筛选出来，组成有效η公差测量点，将m个δ公差测量点与有效η公差测量点组成有效测量点，获取有效测量点的初始点相对于局部坐标系{D}的坐标集c1：
获取有效测量点对应的目标点相对于参考坐标系{R}的坐标集C2：
步骤9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cos，s表示sin。 式13；
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10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11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CT：
步骤12求出有效η公差测量点的构造点与目标点的位置偏离值：
其中，Δkx、Δky、Δkz分别表示有效η公差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13构造有效η公差测量点的优选判据：
步骤14将满足式18的有效η公差测量点筛选出来，组成优选有效η公差测量点，将m个δ公差测量点与优选有效η公差测量点组成优选有效测量点，获取优选有效测量点的初始点相对于局部坐标系{D}的坐标集d1：
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D2：
步骤15当优选有效η公差测量点的数量占有效η公差测量点的数量的二分之一及以上时，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DT：
步骤16当优选有效η公差测量点的数量占有效η公差测量点的数量的不足二分之一时，构建含有三个未知量的函数min(A B Γ)，并求解函数取得最小值时未知量的解：
其中，c表示cos，s表示sin。
式22；
其中，c表示余弦函数cos，s表示正弦函数sin，A、B、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17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18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
通过优选与构造测量点提高零组件局部位姿精度的方法，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局部位姿精度的方法，其特征在于任意两个δ公差的初始点之间的长度未超过该两点对应的目标点及其公差所涵盖的长度范围。
通过优选与构造测量点提高零组件局部位姿精度的方法，其特征在于优选有效测量点需包络整个零组件的二分之一及以上。
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局部精度。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，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是飞机襟翼及其测量点在调姿定位前后的位姿示意。
图2是基于设置在飞机襟翼上的m个δ公差测量点构建的局部坐标系示意。
图3是不符合有效判据的η公差测量点的示意。
图4是飞机襟翼上有效测量点的构造点与目标点在参考坐标系下的匹配示意。
图5是飞机襟翼上第i个δ公差测量点和第j个有效η公差测量点分别对应的构造点与目标点的偏离示意。
图中编号说明：1襟翼盒段、2襟翼交点、3机翼后梁、4后梁交点、5调姿定位前的襟翼、6调姿定位后的襟翼、7η公差初始点、8δ公差初始点、9η公差目标点、10δ公差目标点、11不符合有效性判据的η公差测量点、12η公差构造点与目标点的匹配、13δ公差构造点与目标点的匹配、14第i个δ公差构造点、15第i个δ公差目标点、16第i个δ公差测量点的公差盒、17第j个η公差构造点、18第j个η公差目标点、19第j个η公差测量点的公差盒
具体实施方式
如图1所示，本实施方案中的零组件为飞机襟翼，飞机襟翼由襟翼盒段1和襟翼交点2组成，飞机襟翼经调姿定位后安装在机翼后梁3的后梁交点4上。飞机襟翼为了实现结构的轻量化，占飞机襟翼大部分的襟翼盒段1常采用轻质的蜂窝材料，刚度较弱，受力时容易变形；占飞机襟翼小部分的襟翼交点2常采用钛合金等高刚度材料，受力时不易变形，以保证飞机襟翼伸缩运动过程中的不变形和稳定性。因此，飞机襟翼的调姿定位过程，需要在满足基本的整体精度下尽可能的提升局部精度。
图1左侧为调姿定位前的襟翼5，图1右侧为调姿定位后的襟翼6。在调姿定位前的襟翼5上，设置有15个η公差初始点7和8个δ公差初始点8；在调姿定位后的襟翼6上，设置有15个η公差目标点9和8个δ公差目标点10。其中，η公差初始点7和δ公差初始点8相对于参考坐标系{R}的坐标由测量设备获得；η公差目标点9和δ公差目标点10相对于参考坐标系{R}的坐标及公差，由设计给定。
由于飞机襟翼的变形等因素，调姿定位前的襟翼5上的初始点(含15个η公差初始点7和8个δ公差初始点8)的内部位置关系与调姿定位后的襟翼6的内部位置关系肯定不一致，调姿定位前的襟翼5上的部分初始点不能包络在调姿定位后的襟翼6相对应目标点的公差盒(如图3所示)范围内。
调姿定位前，在不对飞机襟翼进行校形或者保形的前提下，通过本发明所公开的方法，将飞机襟翼上的全部的δ公差初始点8包络在调姿定位后相对应的δ公差目标点10的公差盒16(如图5左所示)范围内，使飞机襟翼在调姿定位过程中满足襟翼交点2的局部精度，同时，将飞机襟翼上的部分η公差初始点7包络在相对应的η公差目标点9的公差盒19(如图5右所示)范围内，使飞机襟翼在调姿定位过程中满足基本的整体精度。
通过优选与构造测量点提高零组件局部位姿精度的方法，其特征在于零组件上设置有n个测量点，n≥5，n个测量点中包含有m个δ公差测量点和p个η公差测量点，n＝m+p，n＞m≥4，η＞δ，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，提高零组件局部调姿定位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m个δ公差的初始点相对于参考坐标系{R}的坐标集A1：
步骤2获取p个η公差的初始点相对于参考坐标系{R}的坐标集B1：
步骤3构建固连在零组件上的局部坐标系{D}，获取初始点相对于局部坐标系{D}的坐标，包含以下步骤：
3-1以m个δ公差的初始点的形心设为局部坐标系{D}的原点；
3-2以原点为起点，分别以m个δ公差的初始点为终点，得到m个矢量，以矢量中模数最大的矢量作为局部坐标系{D}的x向；
3-3将其余m-1个矢量分别与x向的矢量做叉积，得到的新的m-1个矢量，以新的m-1个矢量中模数最大的矢量作为局部坐标系{D}的z向；
3-4将右手的四指从z向转到x向，大拇指的指向为局部坐标系{D}的y向；
3-5获取n个测量点的初始点相对于局部坐标系{D}的坐标集a1：
如图2所示是基于设置在飞机襟翼上的m个δ公差测量点构建的局部坐标系{D}；
步骤4调姿定位前，构建矩阵方程F(x y z α β γ)，求解六个未知量[x y z α βγ]：
求出：
其中，c表示余弦函数cos，s表示正弦函数sin，x、y、z表示局部坐标系{D}的原点相对于参考坐标系{R}的线坐标分量，α、β、γ表示局部坐标系{D}的三个方向相对于参考坐标系{R}的角坐标分量；
步骤5获取m个δ公差的目标点相对于参考坐标系{R}的坐标及其公差集A2：
步骤6获取p个η公差的目标点相对于参考坐标系{R}的坐标及其公差集B2：
步骤7构建p个η公差测量点的有效判据，其中dij为两个η公差的初始点的实际长度，Dij为两个η公差的目标点的理论长度：
找出所有不满足式10判据要求的第j个η公差测量点，并将第j个η公差测量点剔除掉，其中，1≤i≤m＜j≤n；
如图3所示，找出了两个不符合有效性判据的η公差测量点11，这两个点分布在襟翼翼盒1的两个尖角处，将这两个点剔除掉；
步骤8将满足步骤7的η公差测量点筛选出来，组成有效η公差测量点，将m个δ公差测量点与有效η公差测量点组成有效测量点，获取有效测量点的初始点相对于局部坐标系{D}的坐标集c1：
获取有效测量点对应的目标点相对于参考坐标系{R}的坐标集C2：
步骤9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cos，s表示sin。 式13；
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10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11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CT：
如图4所示是襟翼翼盒1上有效测量点的构造点与目标点在参考坐标系{R}下的匹配，包含了η公差构造点与目标点的匹配12，以及δ公差构造点与目标点的匹配13；
步骤12求出有效η公差测量点的构造点与目标点的位置偏离值：
其中，Δkx、Δky、Δkz分别表示有效η公差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5所示是飞机襟翼上第i个δ公差测量点和第j个有效η公差测量点分别对应的构造点与目标点的偏离示意，其中，图5左所示为在第i个δ公差测量点的公差盒16内，包络了第i个δ公差构造点14和第i个δ公差目标点15；图5右所示为在第j个η公差测量点的公差盒19内，包络了第j个η公差构造点17和第j个η公差目标点18；
步骤13构造有效η公差测量点的优选判据：
步骤14将满足式18的有效η公差测量点筛选出来，组成优选有效η公差测量点，将m个δ公差测量点与优选有效η公差测量点组成优选有效测量点，获取优选有效测量点的初始点相对于局部坐标系{D}的坐标集d1：
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D2：
步骤15当优选有效η公差测量点的数量占有效η公差测量点的数量的二分之一及以上时，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DT：
步骤16当优选有效η公差测量点的数量占有效η公差测量点的数量的不足二分之一时，构建含有三个未知量的函数min(A B Γ)，并求解函数取得最小值时未知量的解：
其中，c表示cos，s表示sin。
式22；
其中，c表示余弦函数cos，s表示正弦函数sin，A、B、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17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18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
通过优选与构造测量点提高零组件局部位姿精度的方法，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局部位姿精度的方法，其特征在于任意两个δ公差的初始点之间的长度未超过该两点对应的目标点及其公差所涵盖的长度范围。
通过优选与构造测量点提高零组件局部位姿精度的方法，其特征在于优选有效测量点需包络整个零组件的二分之一及以上。
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局部精度。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，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。
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