一种大型器械工作面的安装调试方法、电子装置及介质

1.本技术实施例涉及机械结构部件测量与装调技术领域，具体而言，涉及一种大型器械工作面的安装调试方法、电子装置及介质。


背景技术：

2.随着我国基础设施建设日益加快，超大工程任务越来越常见。为应对超大工程的任务需求，大型机械设备的应用也日益广泛。提升机械制造及安装测量精度，是实现大型机械准确工作的基础。
3.大型机械设备工作表面的误差来源主要有机械加工误差、装配误差以及工作载荷引起的变形误差。这些误差都将引起设备的实际工作面位姿与理论位姿的偏差，轻则导致设备的工作精度下降，重则导致设备无法工作。
4.尤其对于户外大型设备，如大型工程机械，救援设备以及军用雷达装备等，由于这些设备的体积过大或高度过高，一般安装场地很难保证其工作面的安装精度，因此在具体安装时，需要反复测量工作面的实际位姿并进行相应的调整，增加了调试过程的复杂度。


技术实现要素：

5.本技术实施例提供一种大型器械工作面的安装调试方法、电子装置及介质，抵消了安装调试等微小偏差的影响，因此在实际安装过程中，只需要对装调环境下各测量点的实际位姿测量一次就能获得理想调整值，根据理想调整值进行装配调整，即可使工作面在工作工况下获得理想的位姿精度。
6.本发明通过下述技术方案实现：
7.本技术实施例的第一个方面提供了一种大型器械工作面的安装调试方法，包括以下步骤：
8.计算装调工况理论位姿与工作工况理论位姿的理论偏差值以及所述装调工况理论位姿与所述工作工况理论位姿的理论坐标变换矩阵；
9.获取工作面在装调工况下的实际位姿以及所述工作面在工作工况下的预期位姿；
10.根据所述理论偏差值、所述实际位姿、所述预期位姿以及所述理论坐标变换矩阵获取所述装调工况下的位姿调整偏差值；
11.基于所述位姿调整偏差值调整所述实际位姿。
12.可选地，所述计算装调工况理论位姿与工作工况理论位姿的理论偏差值以及所述装调工况理论位姿与所述工作工况理论位姿的理论坐标变换矩阵包括以下步骤：
13.基于预选取的测量点构建所述装调工况模型和所述工作工况模型；
14.根据所述装调工况模型计算装调工况理论位姿，根据所述工作工况模型计算工作工况理论位姿；
15.计算所述装调工况理论位姿与所述工作工况理论位姿的差值，得到所述理论偏差值；
16.计算所述装调工况理论位姿与所述工作工况理论位姿的转换关系，得到所述理论坐标变换矩阵。
17.可选地，所述位姿调整偏差值为：
18.abi
＝
t
t-1
(
eai-t
p
i-rbi
)；
19.其中，abi表示第i个所述测量点的位姿调整偏差值，
t
t表示理论坐标变换矩阵，
eai
表示第i个所述测量点的预期位姿，
t
pi表示第i个所述测量点的理论偏差值，
rbi
表示第i个所述测量点的实际位姿。
20.可选地，所述理论坐标变换矩阵由下式获取：
[0021][0022]
其中，t
0,n+1
(θ)表示坐标变换矩阵，为末端坐标系{o
n+1
}在{o0}中的相对位姿，表示{o
′
i-1
}相对于{o
i-1
}的位姿。
[0023]
可选地，所述基于所述位姿调整偏差值调整所述实际位姿包括以下步骤：
[0024]
根据所述位姿调整偏差值依次对所有的所述测量点进行位姿调整。
[0025]
可选地，所述基于所述位姿调整偏差值调整所述实际位姿包括以下步骤：
[0026]
获取大型器械的可调参数以及调节所述可调参数时所对应的实际位姿调整量；
[0027]
根据所述实际位姿调整量与所述位姿调整偏差值构建位姿调节模型：
[0028][0029]
其中，ci(x)表示第i个所述测量点的实际位姿调整量，n表示所述测量点的个数，ci＝fi(x)表示调节所述可调参数时第i个所述测量点的实际位姿调整量，x表示可调参数；
[0030]
基于最优化方法计算所述位姿调节模型，得到所述可调参数的参数值；
[0031]
基于所述参数值对所述可调参数进行调节。
[0032]
可选地，当所述测量点的坐标为三维坐标且所述可调参数为所述大型器械各运动副的角度或平移量时，所述位姿调节模型为：
[0033][0034][0035]
其中，e3表示3
×
3的单位矩阵，t
j-1,j
(θj)表示相邻两个构件之间旋转或平移θj时，两固定坐标系之间的坐标变换矩阵。
[0036]
可选地，当所述测量点的坐标为六维坐标且所述可调参数为所述大型器械各运动副的角度或平移量时，所述函数关系为：
[0037][0038][0039]
m2＝[e
3 0]3×6；
[0040]
m3＝[0 e3]3×6；
[0041]
j＝n(i)；
[0042]
m1、m2以及m3均表示乘子，由上述方程的系数所得，t
j-1,j
(θj)表示相邻两个构件之间旋转或平移θj时，两固定坐标系之间的坐标变换矩阵，e3表示3
×
3的单位矩阵。
[0043]
本技术实施例的第二个方面提供了一种电子装置，包括处理器和存储器；
[0044]
所述存储器，用于存储所述处理器可执行指令；
[0045]
所述处理器，被配置为执行如上所述的一种大型器械工作面的安装调试方法。
[0046]
本技术实施例的第三个方面提供了一种计算机可读存储介质，包括存储的计算机程序，所述计算机程序运行时执行如上所述的一种大型器械工作面的安装调试方法。
[0047]
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
[0048]
通过建立装调工况和工作工况的模型，可获得两种状态下的位姿差。根据叠加原理，这两种位姿差不受安装调试等微小偏差的影响。因此通过装配调试环境下的实际位姿值与理论位姿差结合，可获得工作状态下各测量点的位姿。通过工作状态下的理想位姿与理论位姿差相结合，可获得装调环境下的理想位姿值，理想位姿值与实际测量所得位姿值做差即可获得各测量点的调整值。基于这样的方案，抵消了安装调试等微小偏差的影响，因此在实际安装过程中，只需要对装调环境下各测量点实际位姿测得一次，就能获得理想调整值，根据理想调整值进行装配调整，即可使工作面在工作工况下获得理想的位姿精度，相对比现有技术的装调方案，可降低装调环境要求，减少对测量的要求和装调次数，提高装调效率。
附图说明
[0049]
为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对本技术实施例的描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图
获得其他的附图。
[0050]
图1是本发明安装调试方法流程图；
[0051]
图2是本发明运动副模型；
[0052]
图3是本发明中最优化问题的求解算法；
[0053]
图4是本发明实施例1的大型器械示意图；其中，a为调试工况侧视图；b为调试工况俯视图；c为工作工况侧视图。
[0054]
图5是本发明实施例1安装调试方法流程图
[0055]
图6是本发明大型器械不同工况示意图；
[0056]
图7是本发明大型器械不同工况仿真结果整体变形示意图；
[0057]
图8是本发明大型器械不同工况仿真测点结果示意图；
[0058]
图9测点调整前后位置示意图。
具体实施方式
[0059]
下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
[0060]
实施例1
[0061]
本技术实施例提供了一种大型器械工作面的安装调试方法，如图1所示，包括以下步骤：
[0062]
s1：计算装调工况理论位姿与工作工况理论位姿的理论偏差值以及装调工况理论位姿与工作工况理论位姿的理论坐标变换矩阵；具体地，包括：
[0063]
首先根据需要选取合适的测量点，其次在有限元仿真环境下分别建立工作工况和装调工况两种环境下的力学模型，并分别进行力学计算，以获得两种工况下的理论位姿，即：工作工况理论位姿
t
a(
t
a＝(
t
a1,
t
a2…
tan
)，
tan
表示第n个测量点在工作工况理论位姿中的坐标)和装调工况理论位姿
t
b(
t
b＝(
t
b1,
t
b2…
tbn
)，
tbn
表示第n个测量点在装调工况理论位姿中的坐标)；其中，理论位姿中每个测量点的坐标可以是三维坐标也可以是六自由度位姿；当测量点的坐标为三维坐标时，测量点在不同环境下的坐标分别为：
tai
＝(
taxi
,
tayi
,
tazi
)
t
和
tbi
＝(
tbxi
,
tbyi
,
tbzi
)
t
；当测量点的坐标为六自由度坐标时，测量点在不同环境下的坐标分别为：
tai
＝(
taxi
,
tayi
,
tazi
,
taαi
,
taβi
,
taγi
)
t
和
tbi
＝(
tbxi
,
tbyi
,
tbzi
,
tbαi
,
tbβi
,
tbγi
)
t
；
[0064]
然后通过对装调工况模型和工作工况模型直接做差，可获得两种状态下的理论位姿差值
t
p，
t
p＝
t
a-t
b；
[0065]
另外，考虑到大型器械的工作面在装调工况下和在工作工况下的位姿一般不同，因此，还需要求取测量点在不同工况下的理论坐标变换矩阵，具体地为：
[0066]
一般对于移动式大型装备，装调工况与工作工况仅通过旋转相应的角度实现，则理论坐标变换矩阵即为旋转矩阵；若装调工况和工作工况只有平移的关系，则理论坐标变换矩阵为平移矩阵；若两工况之间通过一系列平移和旋转组合实现状态切换，则理论坐标变换矩阵可按如下方式获取：
[0067]
如图2所示，假设装调工况与工作工况的两种姿态由一系列运动副完成，则在每一
构件两端运动副的几何中心分别建立固结于构件的连体坐标系{oi}和{o
′i}。其中，{oi}表示实际位姿的构件连体基，而{o
′i}则可以认为其为固结其上的辅助坐标系。根据转动关节的特性，相邻两构件之间的相对位姿用局部指数积公式可表示为：
[0068][0069]
其中，t
i-1,i
(θi)表示相邻两构件之间的相对位姿，表示{o
′
i-1
}相对于{o
i-1
}的位姿，仅取决于b
i-1
尺寸参数，表示{o
′
i-1
}相对于{o
i-1
}的运动，包括转动和平移，如图2所示，表示运动旋量在{o
′
i-1
}中的坐标，其中，ω表示转动副单位方向向量；q为轴线上任意一点在{oi}中的矢径，对于移动副来说为0，v为移动副移动方向单位矢量。
[0070]
最终得：
[0071][0072]
当运动副有n个时，姿态变换模型的局部指数积公式表示如下：
[0073][0074]
其中表示系统的关节输入向量，表示{o1}相对于{o0}的位姿，而为末端坐标系{o
n+1
}在{o0}中的相对位姿，则t
0,n+1
(θ)可表示两种姿态的变换关系，即变换矩阵
t
t。
[0075]
s2：获取工作面在装调工况下的实际位姿以及工作面在工作工况下的预期位姿；
[0076]
在装调环境下，经过初步装配，可获得工作面的初始状态。在该环境下，通过测量手段(如全站仪，激光跟踪仪，igps等)获得装调环境下测量点的实际位姿值rb，rb＝(rb1,rb2…
rbn
)；
[0077]
s3：根据理论偏差值、实际位姿、预期位姿以及理论坐标变换矩阵按下式获取装调工况下的位姿调整偏差值：
[0078]abi＝
t
t-1
(
eai-t
p
i-rbi
)；
[0079]
其中，abi表示第i个测量点的位姿调整偏差值，
t
t表示理论坐标变换矩阵，
eai
表示第i个测量点的预期位姿，
t
pi表示第i个测量点的理论偏差值，
rbi
表示第i个测量点的实际位姿。
[0080]
s4：基于位姿调整偏差值调整实际位姿，具体地为：
[0081]
根据s3计算得到的位姿调整偏差值依次对各个测量点直接进行相应的位姿调整，以获得理想的位姿值。
[0082]
在本技术实施例中，通过建立装调工况和工作工况的模型，可获得两种状态下的位姿差。根据叠加原理，这两种位姿差不受安装调试等微小偏差的影响。因此通过装配调试环境下的实际位姿值与理论位姿差结合，可获得工作状态下各测量点的位姿。通过工作状态下的理想位姿与理论位姿差相结合，可获得装调环境下的理想位姿值，理想位姿值与实
际测量所得位姿值做差即可获得各测量点的调整值。基于这样的方案，抵消了安装调试等微小偏差的影响，因此在实际安装过程中，只需要对装调环境下各测量点实际位姿测得一次，就能获得理想调整值，根据理想调整值进行装配调整，即可使工作面在工作工况下获得理想的位姿精度，相对比现有技术的装调方案，可降低装调环境要求，减少对测量的要求和装调次数，提高装调效率。
[0083]
实施例2
[0084]
本实施例与实施例1不同的是，本实施例并不对所有的测量点都进行位姿调整，而是对大型器械的局部参数进行调节。具体地为：
[0085]
在实际运用中，由于测量点的个数非常多，对所有的测量点进行位姿调节会浪费大量的调整时间，不仅降低工作效率还增加了工作人员的劳动强度，因此采用本实施的方案进行装调时，不需要对所有测量点进行调整，而只是调整局部参数，而这些被调整的参数往往不是各个测量点的位置，而是结构或展开机构的部分参数。将这些参数表示为可调参数x＝(x1,x2,
…
xm)。根据几何关系，能够获得可调参数x＝(x1,x2,
…
xm)与实际位姿调整量ci之间的关系，表示为：ci＝fi(x)。则装调问题变为如何使调整后的实际位姿调整量ci(x)与abi无限接近。
[0086]
考虑平面精度一般采用均匀测量点的均方根来衡量，则问题变为一个最优化问题：
[0087][0088]
利用最优化方法求解得可调整参数x＝(x1,x2,
…
xm)。
[0089]
在本技术实施例中，最优化算法主体采用粒子群算法(pso)，如图3所示，为避免算法陷入局部最优解，在pso算法的基础上结合最速下降法，减小求解陷入局部最优的概率。首先在调整量限制范围内随机生成粒子，计算每个粒子所代表调整量产生的综合差值。当不满足收敛条件时，更新每个粒子的速度和位置，然后计算粒子代表的综合差值，更新群体的全局最优位置，然后返回，评估粒子并的到全局最小综合误差，如此循环往复；当满足收敛条件时，记录下最优粒子的位置。然后在整个调整量空间内随机生成n个初始位置，以这n个初始位置为起点，采用最速下降法寻找n个最小综合差值的位置。判断是否有更小的综合误差值，若没有，则记录的最优位置即为最终的全局最优位置；若产生了更小的综合误差值，在该位置附近生成粒子，然后允许空间内补充随机的粒子，作pso算法的初始化粒子，重新进行以上步骤，直到最终能输出最优位置。
[0090]
此外也可通过相应的工具，如matlab提供的工具箱进行计算，最后获得最优解。
[0091]
特别地，当可调整参数恰好为各运动副的角度/平移量时。此时的可调参数x＝(x1,x2,
…
xm)＝(θ1,θ2,
…
θn)。由于测量点一般在某个构件上，因此实际位姿调整量可看作是各运动副运动的叠加效果。假设测量点i与基准坐标系{o0}中含有j个运动副，当测量点测量值为三维坐标时，则实际位姿调整量当测量点测量值为六维坐标时，实际位姿调整量
其中，m2＝[e
3 0]3×6，m3＝[0 e3]3×6，j为i的函数j＝n(i)，表示测量点i所属的构件位置。
[0092]
当测量点位置为三维位置坐标时，则优化问题可表示为：
[0093][0094]
其中，e3表示3
×
3的单位矩阵，t
j-1,j
(θj)表示相邻两个构件之间旋转或平移θj时，两固定坐标系之间的坐标变换矩阵。
[0095]
当测量点位置为六维位姿坐标时，则优化问题可表示为：
[0096][0097]
m1、m2以及m3均表示乘子，t
j-1,j
(θj)表示相邻两个构件之间旋转或平移θj时，两固定坐标系之间的坐标变换矩阵，e3表示3
×
3的单位矩阵。
[0098]
在本技术实施例中，基于各测量点的位姿与可调参数的关系建立一个最优化问题，通过求解即可寻找可调参数的最优解，使得各测量点的位姿调整值与理想调整值偏差最小，相比于实施例1中的方案，本实施例在具体实施时，不需要对所有的测量点都进行调整，不仅降低了工作人员的劳动强度还有效的增加了工作效率。
[0099]
实施例3
[0100]
本实施例提供了一种电子装置，包括处理器和存储器；
[0101]
存储器，用于存储处理器可执行指令；
[0102]
处理器，被配置为执行如实施例1或实施例2所提供的一种大型器械工作面的安装调试方法。
[0103]
实施例4
[0104]
本实施例提供了一种计算机可读存储介质，包括存储的计算机程序，计算机程序运行时执行如实施例1或实施例2所提供的一种大型器械工作面的安装调试方法。
[0105]
实施例5
[0106]
本实施例以具体的实例对本技术的方案进行说明，如图5所示：
[0107]
大型器械在调试工况为水平状态，在工作工况为倾斜一定角度的状态，大型器械包括5个并排设置且相互连接的子振面，相邻子振面之间通过转轴-限位装置的连接形式，通过调整限位装置的间距可调整相邻子振面之间的相对转角，转轴对面为限位装置，如图4所示，相邻子振面之间的转轴交替设置在临近子振面下表面和临近子振面的上表面位置。每个子阵面厚度为d，长度为l。
[0108]
5个子振面的相邻子振面之间的间隙x1,x2,x3,x4可调，记为x＝(x1,x2,x3,x4)，测量点设置在各子阵面上表面中线上，每个子振面上有5个测量点记为b1i，b2i，b3i，b4i，b5i,i＝1,2,3,4,5。装调工况下，子振面与水平面平行，工作工况下，子振面与水平面夹角，即起竖角度θ＝85
°
。
[0109]
具体地，如图6所示，先建立有限元求解模型，两种不同工况分别为水平装调工况和起竖工作工况。两种工况下受力也不相同，工作状态下除了受重力场还受水平风压。通过计算获得两种工况下各个测量点的理论位姿
t
a与
t
b。
[0110]
其中，坐标变换矩阵为旋转矩阵：
[0111][0112]
调整导致相邻子振面转角变化量为：
[0113][0114]
则：
[0115]c1i
＝(0 0 0)
t
；
[0116][0117][0118][0119][0120]
调整问题变为求解如下最优化问题：
[0121][0122]
根据装调环境下实际测量点的位姿rb，采用上述方法的流程，最终获得局部调整量的最优解
[0123]
通过进行相应的调整，再进行有限元仿真可获得各测量点的位姿值，调整前后的变形云图如图7和图8所示；各测量点及其相应的变形程度如图9所示，调整前后各测量点的坐标值如表1所示：
[0124]
表1测量点位置坐标
[0125][0126][0127]
下面对调整的效果进行量化评估。
[0128]
将测量点的坐标值结果按平面方程z＝ax+by+c拟合，结果如表2所示：
[0129]
表2拟合结果
[0130][0131]
一般用均方根(rmse)来表示工作面的平面度，rmse在采用方法后减少了37.32％，具有显著的效果。
[0132]
将调整后的测量点坐标与理论值做均方根差，调整前的均方根差为1167.98，调整后的均方根差为256.39，减少了78％。可见调整后工作面除了具有更好的平面度，同时具有更理想的位置。
[0133]
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。