[发明专利]一种基于干涉预分析的航空发动机稳健调姿安装方法

权利要求书

1.一种基于干涉预分析的航空发动机稳健调姿安装方法，其特征在于：

发动机安装测量装置包括发动机自动安装调姿结构以及相机；所述发动机自动安装调姿结构包括调姿定位器、导轨、支撑滑台、调姿动平台、运输调姿平台；所述运输调姿平台上表面固定安装调姿定位器；调姿定位器的上端安装调姿动平台；所述调姿动平台表面设置导轨，安装在调姿动平台上表面的支撑滑台能够沿导轨滑动；所述相机包括前扫描相机、后扫描相机；所述前扫描相机与旋转支臂相连，采集发动机机身发动机舱内形点云；旋转支臂的另一端与可翻转立柱的顶端相连；所述可翻转立柱的底部以通过90度转动关节安装在运输调姿平台表面；所述后扫描相机包括分别位于运输调姿平台左右两端的两台后扫描相机用于采集发动机的外表面的点云；

发动机安装测量装置的安装方法包括以下步骤：

步骤一：模拟进给扫描发动机外形；发动机及运输调姿平台就位至发动机舱后部之前，后扫描相机打开，发动机模拟进给，获取发动机外形点云数据；具体方法过程包括步骤S11至S12：

S11发动机从初始位置沿导轨匀速移动，按预设的间隔时间触发扫描，共测量得到发动机M个截面的左右两个后扫描相机点云并同时记录每个扫描所对应的发动机位置增量d_i；设提前标定的左右两个后扫描相机测量坐标系与运输调姿平台坐标系的转换关系分别为^PT_{bC_1}、^PT_{bC_2}，通过下式将扫描点云转换至运输调姿平台坐标系下

S12测量后发动机回退至初始位置，将所有M个截面点云沿导轨方向的坐标减去d_i，合并即得到发动机在初始位置处外形完整点云^Pp^engine：

步骤二：发动机舱内壁扫描:发动机就位至机身发动机舱后方以准备安装，前扫描相机可翻转立柱旋转至垂直状态，采集机身发动机舱内壁点云；具体过程为：

通过调节旋转支臂旋转带动前扫描相机移动，直至前扫描相机对发动机舱内壁实现360度扫描；依据运输调姿平台坐标系与前扫描相机可翻转立柱末端坐标系的转换关系^PT_fV，前扫描相机可翻转立柱末端坐标系与零角度处前扫描相机的测量坐标系的转换关系^fVT_{fC_0}，将零角度处相机坐标系的测量数据转换至运输调姿平台坐标系下除零角度外其他各角度ω处前扫描相机可翻转立柱末端坐标系与前扫描相机的测量坐标系转换关系^fVT_{fC_ω}，则角度ω处测量数据转换到平台坐标系为最终发动机舱扫描数据为

步骤三：前扫描相机可翻转立柱旋转至水平状态；

步骤四：发动机安装干涉预分析方法；具体包括步骤S41至S46；

S41：根据发动机与发动机舱配合间隙分布情况，将机身发动机舱所有点云划分为N个分段，由于不同位置处的发动机外形在推进中到达的位置不同，因此对第i个分段，将其自身及后部i-1个分段点云全部沿插入方向的法平面投影，共得到N个二维平面带状点集

S42：基于Canny算子提取上述带状点云的外轮廓点集，得到

S43：将发动机点云沿插入方向划分为N个分段，沿插入方向的法平面投影，记为

S44：基于Canny算子提取上述带状点云的内轮廓点集，得到

S45：计算第i段结构点云的有向最小距离：具体过程为：

首先计算二者质心O_i，然后对中任一点计算其在中的最近点及对应有向距离d_i,j

(1)式中sgn为符号函数，d_i,j为正距离时表明存在间隙，d_i,j为负距离时表明出现干涉；根据计算得到的所有K个点与的有向距离d_i,j(j＝1,2,…,K)，排序得到的有向最小距离min(d_i,j)；若min(d_i,j)大于预设的间隙安全阈值，则表明发动机第i段结构在推进中是安全的，否则存在碰撞风险；

S46：重复S45，完成所有N段结构推进中安全性分析；若所有N段结构点云的有向最小距离均大于间隙安全阈值，则表明该位姿下推进发动机是安全无干涉的；否则需要进行步骤五；

步骤五：无干涉位姿优化与调姿驱动量计算方法：

S51：设发动机点云微调位姿ξ＝(t_x,t_y,t_z,ω_x,ω_y,ω_z)，则微调后点云在运输调姿平台的坐标变换为：

^Pp^engine(ξ)＝R^Pp^engine+T (2)

(2)式中，T＝[t_x t_y t_z]^T为平移变量，R为以小旋量表示的旋转矩阵

将变换后点云沿插入方向划分为N个分段，沿插入方向的法平面投影，记为

S52：基于Canny算子提取上述带状点云的内轮廓点集，得到

S53：基于豪斯多夫距离模型计算各分段对应投影点间最大距离点集PA、PB豪斯多夫距离模型计算投影点间最大距离如下：

H(PA,PB)＝max(h(PA,PB),h(PB,PA)) (3)

(3)式中为单向豪斯多夫距离计算准则；

S54：建立如下使各段点云间隙最小值最大化的位姿寻优方程：

通过优化方法进行解算式(4)，若求解到目标函数f(ξ)大于预设间隙安全阈值，则表明寻找到可安全推进的位姿ξ，基于并联机构运动学原理，计算每个定位器的驱动量；设定位器i末端球铰坐标为其运动矢量计算为

基于上述调姿量调姿后即可确保安全插入；

若求解到目标函数f(ξ)不大于预设间隙安全阈值，表明发动机舱或发动机外形存在大的偏差，插入不可避免会干涉，需要进行修配。