復(fù)雜裝配環(huán)境中數(shù)字測量坐標(biāo)體系的構(gòu)建

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(1.上海大學(xué) 機(jī)電工程與自動化學(xué)院CIMS &機(jī)器人中心,上海 200072；2.歌美颯風(fēng)電(天津)有限公司,天津 300384)

1 激光跟蹤測量系統(tǒng)介紹

激光跟蹤測量系統(tǒng)具有測量精度高、測量距離大、便于攜帶等優(yōu)點(diǎn)[1]，在航空航天、汽車制造、船舶、極端制造、精密加工等行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。如何在復(fù)雜加工、裝配及環(huán)境影響等條件下準(zhǔn)確構(gòu)建起數(shù)字測量坐標(biāo)體系并保證其精度，是一個(gè)值得探討的問題。以大型船舶(制造及裝配工程周期長，現(xiàn)場條件復(fù)雜多變，關(guān)鍵部件精度要求高)的制造裝配過程為例，介紹利用激光跟蹤測量系統(tǒng)保證其精度的關(guān)鍵坐標(biāo)系的建立。

1.1 系統(tǒng)組成及特性

Leica公司的LTD840激光跟蹤儀硬件部分由跟蹤儀本體、激光跟蹤頭、反射器和跟蹤控制器組成。跟蹤頭內(nèi)部有一套激光干涉儀、兩套角度編碼器、電機(jī)以及光電接收器等；軟件部分是Leica公司開發(fā)的激光跟蹤儀專用軟件Metrolog XG for Leica[2]。

1.2 激光跟蹤測量原理

激光跟蹤是指應(yīng)用激光干涉儀、精密角度解碼器和光束導(dǎo)向伺服跟蹤機(jī)構(gòu)來完成動態(tài)三維坐標(biāo)測量[3]，對空間目標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo)測量[4]是通過測量出水平角、垂直角和斜距，然后按球坐標(biāo)原理得到空間點(diǎn)的三維坐標(biāo)。如圖1所示，在球坐標(biāo)測量系統(tǒng)中，設(shè)跟蹤器的旋轉(zhuǎn)中心為O點(diǎn)，被測靶標(biāo)的中心為P點(diǎn)。用兩個(gè)角度編碼器分別測量出P點(diǎn)的垂直角β和水平角α，用激光干涉儀測量O點(diǎn)到P點(diǎn)的距離d，則P點(diǎn)坐標(biāo)(x，y，z)由β、α和d計(jì)算得出。

(1)

圖1 激光跟蹤測量原理

通過空間齊次坐標(biāo)變換，將P點(diǎn)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到用戶自定義的坐標(biāo)系中。 而用戶自定義的坐標(biāo)系的建立是本文討論的重點(diǎn)。

2 數(shù)字測量坐標(biāo)體系構(gòu)建方法

在數(shù)字測量中，所有的被測特征的定義、測量過程的控制都是在一定的坐標(biāo)系下進(jìn)行的，常用的坐標(biāo)系一般為直角坐標(biāo)系，有時(shí)也會用圓柱坐標(biāo)和球坐標(biāo)體系等。下面是幾種常用的測量坐標(biāo)系的建立方法。

2.1 數(shù)字測量坐標(biāo)體系構(gòu)建的一般方法

2.1.1 3-2-1測量坐標(biāo)系的構(gòu)建

測量坐標(biāo)系的建立，最常用的就是3-2-1法，其建立過程見圖2。通過A面上的3點(diǎn)、B面(線)上的2點(diǎn)(投影到面上)和C面上的1點(diǎn)來完成測量坐標(biāo)系的虛擬數(shù)字定位。

圖2 3-2-1測量坐標(biāo)系構(gòu)建過程

2.1.2 一面二銷測量坐標(biāo)系的構(gòu)建

一面二銷是機(jī)械定位中最常見的一種方式，其數(shù)字測量坐標(biāo)系的構(gòu)建方法見圖3。

圖3 一面二銷坐標(biāo)系構(gòu)建過程

2.1.3 空間最佳擬合構(gòu)建測量坐標(biāo)系

在一些工件檢測檢具上，為了方便測量坐標(biāo)系的建立，常常會使用一些點(diǎn)或球作為基準(zhǔn)體系的構(gòu)建基礎(chǔ)，見圖4。

圖4 空間最佳擬合坐標(biāo)系構(gòu)建過程

這種方法要求測量至少3點(diǎn)以上的數(shù)據(jù)，多于3點(diǎn)可以提高坐標(biāo)系建立的精度，也是對基準(zhǔn)點(diǎn)的備用。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，為整體反映工件情況，同時(shí)保證坐標(biāo)系的精度，測量的基準(zhǔn)點(diǎn)應(yīng)約為6個(gè)。還應(yīng)考慮到基準(zhǔn)點(diǎn)的分布位置要均勻，保證基準(zhǔn)點(diǎn)不變形。

2.1.4 空間迭代構(gòu)建測量坐標(biāo)系

在夾具或檢具定位中，還有一種經(jīng)常使用的方法——六點(diǎn)定位，即通過空間的六點(diǎn)將工件在空間虛擬定位。這種基準(zhǔn)在測量坐標(biāo)系的構(gòu)建時(shí)常會使用到迭代法。迭代法就是首先在工件上尋找一些較容易控制精度的幾何特征來確定初基準(zhǔn)坐標(biāo)系，在初基準(zhǔn)坐標(biāo)系下測量基準(zhǔn)幾何特征，這樣測出的結(jié)果可能不準(zhǔn)，因此一般通過測出的幾何特征構(gòu)建新基準(zhǔn)坐標(biāo)系然后再次重測并重新確定基準(zhǔn)坐標(biāo)系來提高所確定基準(zhǔn)坐標(biāo)系的精度。經(jīng)過數(shù)次迭代后，通過對基準(zhǔn)點(diǎn)的再次測量來確定所建基準(zhǔn)坐標(biāo)系的精度。假設(shè)有基準(zhǔn)面A、B、C，采用空間迭代法構(gòu)建測量坐標(biāo)系的過程見圖5。

圖5 空間迭代坐標(biāo)系構(gòu)建過程

2.2 構(gòu)建過程中應(yīng)該注意的問題

1) 關(guān)注被測工件對測量精度的影響。圖樣上理論標(biāo)注的內(nèi)容與實(shí)際的被測工件很難做到完全相同，測量要以最后的裝配為根本，選取測量的基準(zhǔn)。尤其是要避免用短小基準(zhǔn)來測量及評定大尺寸，這樣會導(dǎo)致短小基準(zhǔn)的測量誤差直接影響后續(xù)測量與評定結(jié)果數(shù)據(jù)的復(fù)現(xiàn)性。

2) 注意構(gòu)建坐標(biāo)系的幾何特征的準(zhǔn)確性。所有用來建立測量坐標(biāo)系的幾何特征都應(yīng)該有幾何公差方面的要求，如果圖樣中沒有明確標(biāo)示這些幾何公差，則應(yīng)在具體測量時(shí)增設(shè)附加的測量，以便對所建基準(zhǔn)體系的精度做到心中有數(shù)，同時(shí)要注意幾何特征表面的清潔及去毛刺等。

3) 盡量減小影響測量精度的不確定度因素。工業(yè)現(xiàn)場，影響測量不確定度的因素主要有：環(huán)境因素，包括溫度變化、噪聲、振動等；人為因素，包括測量工藝、多工種同時(shí)工作的協(xié)調(diào)等。這些因素都會對測量的結(jié)果構(gòu)成一定的影響，在測量前及測量過程中應(yīng)盡可能控制這些因素。

4) 構(gòu)建的測量坐標(biāo)體系應(yīng)自檢。測量基準(zhǔn)要素時(shí)可能會因各種原因產(chǎn)生誤差，為保證坐標(biāo)系的正確性，坐標(biāo)系建立后需自檢。一般測量用坐標(biāo)原點(diǎn)、坐標(biāo)軸方向上的特征點(diǎn)等來驗(yàn)證。

3 機(jī)艙裝配定位測量坐標(biāo)體系構(gòu)建

本文研究對象為大型海上遠(yuǎn)洋鉆井船。與普通商用船舶不同的是，此類船實(shí)際上相當(dāng)于一個(gè)海上移動式的石油鉆井平臺。因此，在其鉆井作業(yè)過程中，船舶對于穩(wěn)定性、可靠性要求特別高。主要通過位于船艏的3個(gè)動力設(shè)備來保證高穩(wěn)定性及可靠性。因此，對于船艏動力部件的加工及裝配精度要求很高。

3.1 結(jié)構(gòu)簡介

動力設(shè)備主要由發(fā)動機(jī)主體與機(jī)艙兩部分組成(見圖6)，兩者分開制造，具有較高的裝配要求。

圖6 發(fā)動機(jī)主體及機(jī)艙鎖眼板、鎖眼、導(dǎo)軌

運(yùn)行過程中發(fā)動機(jī)主體可以在機(jī)艙內(nèi)上下移動，其底部密封圈部位向上移動到上環(huán)位置可以實(shí)現(xiàn)淺海航行，向下移動到下環(huán)位置可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定定位。發(fā)動機(jī)主體大致呈現(xiàn)為圓柱狀，在其圓柱形筒體四周均布三組裝配定位用的鎖眼(由船艏方向順時(shí)針依次設(shè)為0°、120°和240°)。

機(jī)艙壁由三部分焊接而成，分別為上、下環(huán)及頂部。其中上、下環(huán)對應(yīng)發(fā)動機(jī)主體的底部密封圈的移動位置。在桶壁四周的0°、120°、240°方向(與發(fā)動機(jī)主體對應(yīng))分別焊接三組與發(fā)動機(jī)主體裝配用的上、下兩個(gè)導(dǎo)軌、兩塊鎖眼板(一個(gè)艙壁上需安裝6塊鎖眼板，6塊導(dǎo)軌)。限于裝配精度要求，鎖眼板上的鎖眼若提前加工好再裝上去，不能保證能完全定位準(zhǔn)確；因此，須先安裝好鎖眼板，再對鎖眼進(jìn)行加工，以確保每個(gè)筒中6個(gè)鎖眼的位置度得到精確保證，確保裝配成功。

3.2 測量坐標(biāo)體系的構(gòu)建

發(fā)動機(jī)主體部分由精密機(jī)床加工，其精度由機(jī)床精度本身保證。而與之配合的機(jī)艙壁是由上環(huán)、下環(huán)及頂部三部分焊接而成，其焊接精度無法得到保證，但卻對最終裝配至關(guān)重要。因此，選取發(fā)動機(jī)主體作為整個(gè)裝配體系的基準(zhǔn)，再由此確定機(jī)艙的坐標(biāo)系建立方法，最終構(gòu)建起整個(gè)測量坐標(biāo)體系，見圖7。

3.2.1 發(fā)動機(jī)主體部分坐標(biāo)系的構(gòu)建

將發(fā)動機(jī)主體的軸線作為后續(xù)鎖眼加工設(shè)備的旋轉(zhuǎn)中心，構(gòu)建柱坐標(biāo)系，將軸線直接納入到坐標(biāo)體系當(dāng)中，方便后續(xù)加工設(shè)備的安裝。測量有裝配要求的密封圈處筒壁及鎖眼所在圓弧面至少三層位置，構(gòu)建圓柱模型，設(shè)定其中心軸線為Z軸。測量發(fā)動機(jī)船道方向的下鎖眼(0°)所在圓孔，投影到外端面得到鎖眼孔圓心，在測量軟件中作該圓心點(diǎn)與Z軸的垂直相交線，定垂線為X軸，交點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)建立坐標(biāo)系。與一般建系過程不同的是，這里的投影方向即X軸是通過測量軟件計(jì)算而得到的，因?yàn)殒i眼孔實(shí)際孔深(500 mm)相對于整個(gè)發(fā)動機(jī)筒體(6 700 mm)來說是短小尺寸，用作基準(zhǔn)影響后續(xù)的測量評定。最后建立的坐標(biāo)系一定要進(jìn)行自檢。

圖7 船舶動力部分坐標(biāo)體系構(gòu)建過程

3.2.2 機(jī)艙部分坐標(biāo)系的構(gòu)建

以發(fā)動機(jī)主體部分的坐標(biāo)系為依據(jù)，建立機(jī)艙部分的坐標(biāo)系，將兩部分坐標(biāo)系統(tǒng)一，便于后續(xù)測量及裝配。根據(jù)裝配要求，測量機(jī)艙的下環(huán)部分與上環(huán)部分，構(gòu)建圓柱模型，將其軸線設(shè)定為Z軸，借鑒空間迭代的思想將艙體均分為三部分(由船艏順時(shí)針依次為0°、120°、240°)，用鉛垂線做好標(biāo)記，作為導(dǎo)軌及鎖眼板的安裝位置。船艏(0°)方向上，測量距船底775 mm的鎖眼點(diǎn)位置，同樣，由測量軟件求出該點(diǎn)與Z軸的垂直相交線，以垂線為X軸，交點(diǎn)作為坐標(biāo)原點(diǎn)建立坐標(biāo)系。

3.2.3 復(fù)雜條件下坐標(biāo)體系的復(fù)現(xiàn)

由于船身尺寸大、現(xiàn)場環(huán)境條件惡劣，測量周期漫長，每次以這樣的方式建立坐標(biāo)系很費(fèi)時(shí)，影響工期，需要對建立的坐標(biāo)系進(jìn)行復(fù)現(xiàn)。采用傳統(tǒng)轉(zhuǎn)站無法實(shí)現(xiàn)長期間斷性測量，故而引用Bestfit建立坐標(biāo)系的方法。在機(jī)艙壁上貼上足夠數(shù)量的靶標(biāo)(基準(zhǔn)點(diǎn)主要集中在需要安裝導(dǎo)軌的三個(gè)角度)作為基準(zhǔn)點(diǎn)，記錄當(dāng)前坐標(biāo)系下每個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)的理論數(shù)值，后續(xù)測量以此為根據(jù)，測量相應(yīng)基準(zhǔn)點(diǎn)的實(shí)測值。由Bestfit建立坐標(biāo)系，既可保持坐標(biāo)系的統(tǒng)一又能縮短建系時(shí)間。

3.3 機(jī)艙裝配結(jié)果

在此坐標(biāo)系下通過機(jī)械調(diào)節(jié)裝置將導(dǎo)軌和鎖眼板分別安裝在機(jī)艙內(nèi)的0°、120°和240°方向的上下兩部位。然后，對鎖眼板上的鎖眼孔進(jìn)行精加工，精加工設(shè)備的坐標(biāo)系應(yīng)當(dāng)與所建坐標(biāo)系保持一致。加工完畢，對發(fā)動機(jī)主體及機(jī)艙內(nèi)與之配合的部位進(jìn)行測量得到其相應(yīng)的精度數(shù)據(jù)，見表1。

表1 發(fā)動機(jī)主體與機(jī)艙部位的最終測量結(jié)果

由表1可見，發(fā)動機(jī)主體部位與機(jī)艙內(nèi)有配合要求的部位的角度及孔徑關(guān)系滿足裝配的要求。通過大型龍門吊車將發(fā)動機(jī)主體裝配到船艏的機(jī)艙內(nèi)，裝配成功。

4 結(jié)論

針對船舶這類建造周期長、現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜的大型工件，采用數(shù)字測量方法來保證其裝配的準(zhǔn)確，坐標(biāo)系的構(gòu)建是最關(guān)鍵的工作。在復(fù)雜環(huán)境條件下，坐標(biāo)體系的構(gòu)建要根據(jù)具體的實(shí)際情況，綜合考慮多種影響因素和要求，采用多種坐標(biāo)系相結(jié)合的方式，構(gòu)建起合理的坐標(biāo)體系，才能保證測量結(jié)果的正確性。

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