基于激光跟蹤儀的機(jī)身桶段測量技術(shù)研究

王 巍，李 昂，M D H E L A L MI A H

（沈陽航空航天大學(xué)航空航天工程學(xué)部，遼寧 沈陽110000）

隨著數(shù)字化制造技術(shù)的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，傳統(tǒng)飛機(jī)產(chǎn)品的研制過程發(fā)生了根本性的變革，大幅度地提高了飛機(jī)設(shè)計(jì)與制造的技術(shù)水平。因此，在測量整機(jī)產(chǎn)品和大尺寸件時(shí)對(duì)測量技術(shù)、測量設(shè)備提出了更高的要求[1]。傳統(tǒng)的測量技術(shù)已難以滿足飛機(jī)制造中快速、高效、高精度檢測要求，數(shù)字化測量技術(shù)已成為打通飛機(jī)復(fù)雜零件與大尺寸零部件設(shè)計(jì)、制造、裝配、檢測一體化流程，提升檢測效率與水平的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[2]。基于激光跟蹤儀等數(shù)字化測量設(shè)備建立飛機(jī)數(shù)字化測量系統(tǒng)，制定相應(yīng)的測量計(jì)劃和技術(shù)規(guī)范，對(duì)飛機(jī)產(chǎn)品進(jìn)行在線測量與質(zhì)量控制，已成為提高飛機(jī)產(chǎn)品檢測效率與質(zhì)量的重要手段。

1 激光跟蹤儀測量場

激光跟蹤儀是一種新型的大尺寸空間坐標(biāo)測量儀器，它集干涉測距自動(dòng)跟蹤、精密機(jī)械、計(jì)算機(jī)軟件及控制技術(shù)為一體，能夠?qū)丶\(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行連續(xù)動(dòng)態(tài)跟蹤及三維坐標(biāo)實(shí)時(shí)測量，具有測量精度高、實(shí)時(shí)快速、操作簡單等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空航天等工業(yè)制造領(lǐng)域[3]。在飛機(jī)裝配現(xiàn)場，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)飛機(jī)部件上所有關(guān)鍵特征和關(guān)鍵對(duì)接點(diǎn)的測量，需要轉(zhuǎn)換激光跟蹤儀的站位或多臺(tái)激光跟蹤儀協(xié)同工作，通過激光跟蹤儀轉(zhuǎn)站技術(shù)，構(gòu)建覆蓋整個(gè)裝配空間的測量場。

1.1 激光跟蹤儀測量場的組成

激光跟蹤儀測量場主要由飛機(jī)裝配坐標(biāo)系、ERS點(diǎn)和飛機(jī)測量坐標(biāo)系三部分組成。

（1）飛機(jī)裝配坐標(biāo)系是飛機(jī)裝配系統(tǒng)中的唯一的基礎(chǔ)坐標(biāo)系，通常和飛機(jī)設(shè)計(jì)坐標(biāo)系重合，或者具有明確的相對(duì)關(guān)系[4]。這樣，飛機(jī)產(chǎn)品的的數(shù)字化測量結(jié)果可以直接和它的三維數(shù)模進(jìn)行比較。在機(jī)身桶段測量中，可以通過測量布置在裝配現(xiàn)場上的ERS點(diǎn)和飛機(jī)產(chǎn)品上的基準(zhǔn)點(diǎn)的坐標(biāo)，采用最佳擬合的方法確立飛機(jī)裝配坐標(biāo)系與飛機(jī)設(shè)計(jì)坐標(biāo)系的相對(duì)位置關(guān)系。

（2）ERS（Enhanced Referenced System，增強(qiáng)的參考系統(tǒng)）點(diǎn)是裝配坐標(biāo)系的參考基準(zhǔn)，被合理地布置在飛機(jī)裝配和測量現(xiàn)場的地基或者平臺(tái)上。ERS點(diǎn)的位置是固定的，即其在裝配坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值是一定的。因此，ERS點(diǎn)的作用等同于裝配坐標(biāo)系，它是裝配坐標(biāo)系的物化顯示，是整個(gè)裝配系統(tǒng)的測量基準(zhǔn)。在統(tǒng)一的裝配坐標(biāo)系下，可以建立不同站位下激光跟蹤儀之間的相對(duì)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)多個(gè)站位下激光跟蹤儀的協(xié)同運(yùn)動(dòng)；還可以通過比較飛機(jī)零部件在裝配坐標(biāo)系下的實(shí)際位姿和理論位姿，實(shí)現(xiàn)對(duì)飛機(jī)零部件定位精度和各部件之間的裝配準(zhǔn)確度的評(píng)價(jià)[5]。

（3）飛機(jī)測量坐標(biāo)系是飛機(jī)裝配坐標(biāo)系與激光跟蹤儀測量坐標(biāo)系的統(tǒng)一。每一臺(tái)激光跟蹤儀自身都定義了一個(gè)測量坐標(biāo)系，測量坐標(biāo)系的原點(diǎn)一般在激光跟蹤頭的中心位置，并隨著激光跟蹤儀站位的移動(dòng)而改變。因此，在測量開始時(shí)測量坐標(biāo)系與裝配坐標(biāo)系的位置關(guān)系是不確定的，不同站位下激光跟蹤儀的測量結(jié)果也不存在關(guān)聯(lián)[6]。為了融合不同站位下的測量結(jié)果，需要通過測量飛機(jī)產(chǎn)品全部的基準(zhǔn)點(diǎn)和多個(gè)ERS點(diǎn)的實(shí)際坐標(biāo)，確定每個(gè)站位下的測量坐標(biāo)系到裝配坐標(biāo)系之間的相對(duì)位置關(guān)系，即建立統(tǒng)一的飛機(jī)測量坐標(biāo)系。此時(shí)所有測量站位下的測量值都將轉(zhuǎn)換到同一坐標(biāo)系下。

1.2 建立飛機(jī)測量坐標(biāo)系

建立飛機(jī)測量坐標(biāo)系的常用方法有三種：

（1）最佳擬合法：通過對(duì)兩組空間坐標(biāo)點(diǎn)的三維坐標(biāo)進(jìn)行分析，將其中一組數(shù)據(jù)進(jìn)行平移和旋轉(zhuǎn)，基于最小二乘算法計(jì)算出兩組數(shù)據(jù)最小化相對(duì)誤差的平方和以達(dá)到尋找數(shù)據(jù)的最佳函數(shù)匹配。

（2）JUMP儀器法：當(dāng)飛機(jī)產(chǎn)品基準(zhǔn)點(diǎn)空間距離較遠(yuǎn)，超出激光跟蹤儀測量范圍時(shí)，需要對(duì)激光跟蹤儀進(jìn)行轉(zhuǎn)站，使用JUMP儀器法建立坐標(biāo)系。首先，利用激光跟蹤儀對(duì)第一測量站位下的基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，完成后將設(shè)備轉(zhuǎn)移到下一站位，利用JUMP儀器功能對(duì)第二個(gè)測量站位下的基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。然后，通過測量ERS點(diǎn)完成兩個(gè)站位之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移，在第二測量站位下得到所有飛機(jī)產(chǎn)品基準(zhǔn)點(diǎn)的測量值。最后，將轉(zhuǎn)站后的飛機(jī)基準(zhǔn)點(diǎn)測量值與理論值利用最佳擬合法建立飛機(jī)測量坐標(biāo)系。

利用ASP.NET與SQL Server設(shè)計(jì)開發(fā)學(xué)習(xí)平臺(tái)。學(xué)習(xí)平臺(tái)包括課程管理、資源管理、練習(xí)考試、選課評(píng)教、教師管理、學(xué)生管理、日志管理等模塊。日志管理模塊通過Log4j記錄學(xué)生進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)時(shí)產(chǎn)生的日志數(shù)據(jù)。選課評(píng)價(jià)模塊中，學(xué)生能夠自行選課和退課，并可以對(duì)教師進(jìn)行評(píng)價(jià)和評(píng)分，讓好的老師脫穎而出，不好的淘汰。學(xué)習(xí)平臺(tái)上的資源主要是按照知識(shí)點(diǎn)錄制的短視頻，方便學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行查漏補(bǔ)缺，也便于教師對(duì)資源進(jìn)行更新和管理，教師可以利用知識(shí)點(diǎn)資源構(gòu)建課程。

（3）束調(diào)整法：是針對(duì)測量產(chǎn)品基準(zhǔn)點(diǎn)分布在不同方向的位置，實(shí)現(xiàn)多站位下對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)的采集方法。通過對(duì)多個(gè)站位下ERS點(diǎn)的測量值進(jìn)行束調(diào)整，計(jì)算激光跟蹤儀轉(zhuǎn)站的位置和角度，得到基準(zhǔn)點(diǎn)測量值間的最小擬合誤差，將多個(gè)站位下的ERS點(diǎn)擬合在最后一個(gè)站位上，從而實(shí)現(xiàn)所有飛機(jī)基準(zhǔn)點(diǎn)的測量值統(tǒng)一到一個(gè)測量站位下。統(tǒng)一站位后的基準(zhǔn)點(diǎn)測量值可以與基準(zhǔn)點(diǎn)理論值進(jìn)行最佳擬合建立飛機(jī)測量坐標(biāo)系。

1.3 轉(zhuǎn)站

激光跟蹤儀測量站位的轉(zhuǎn)換，簡稱轉(zhuǎn)站。對(duì)于機(jī)身桶段這種大尺寸測量件，需要多個(gè)站位下的測量坐標(biāo)系才能反映其全部關(guān)鍵特性的位置坐標(biāo)，所以激光跟蹤儀要進(jìn)行轉(zhuǎn)站。由空間幾何原理可以知道，兩個(gè)空間坐標(biāo)系需要建立聯(lián)系，至少需要不在同一直線上三點(diǎn)的空間坐標(biāo)（兩個(gè)坐標(biāo)系下），這樣才能得到空間兩個(gè)坐標(biāo)原點(diǎn)間的空間關(guān)系[7]。因此，激光跟蹤儀可以通過測量不共線的三個(gè)以上的ERS點(diǎn)，運(yùn)用剛性點(diǎn)匹配算法來求出不同站位下的測量坐標(biāo)系之間、測量坐標(biāo)系與裝配坐標(biāo)系之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)，將多個(gè)站位下測量坐標(biāo)系的測量值轉(zhuǎn)換到同一個(gè)坐標(biāo)系下。

2 激光跟蹤儀在某型飛機(jī)前機(jī)身桶段測量中的應(yīng)用

按照標(biāo)準(zhǔn)的測量計(jì)劃，使用激光跟蹤儀對(duì)飛機(jī)大部件進(jìn)行在線測量，已成為提高飛機(jī)大部件檢測效率與產(chǎn)品質(zhì)量的重要手段。現(xiàn)結(jié)合某型飛機(jī)前機(jī)身桶段關(guān)鍵特性和關(guān)鍵對(duì)接點(diǎn)的在線測量和數(shù)據(jù)分析過程，介紹基于激光跟蹤儀的飛機(jī)數(shù)字化測量技術(shù)在飛機(jī)產(chǎn)品檢測中具體的應(yīng)用情況。

（1）布置ERS點(diǎn)

ERS點(diǎn)作為整個(gè)測量系統(tǒng)的基準(zhǔn)，一旦布置完成則不能移動(dòng)。因此，ERS點(diǎn)最好布置在穩(wěn)定不動(dòng)的地基或平臺(tái)上，避免其受到振動(dòng)、熱變形等因素的影響。在機(jī)身桶段測量中ERS點(diǎn)應(yīng)該具有一定的數(shù)量，能夠覆蓋整個(gè)測量場，并且要避免所有ERS點(diǎn)都布置在同一條直線上。ERS點(diǎn)的布置要分散，保證激光跟蹤儀在測量場中的每個(gè)站位都能拾取到足夠的ERS點(diǎn)，同時(shí)每個(gè)站位能夠拾取到的ERS點(diǎn)所組成的包絡(luò)面需完全包含此站位所測量的內(nèi)容。

（2）建立飛機(jī)測量坐標(biāo)系

在不同站位測量全部7個(gè)機(jī)身基準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)，并且測量裝配現(xiàn)場所布置ERS點(diǎn)的位置。利用機(jī)身基準(zhǔn)點(diǎn)理論坐標(biāo)與其測量值在軟件中進(jìn)行最佳擬合，建立飛機(jī)測量坐標(biāo)系。機(jī)身基準(zhǔn)點(diǎn)位置如圖1所示。

圖1 機(jī)身基準(zhǔn)點(diǎn)位置圖

已知七個(gè)理論基準(zhǔn)點(diǎn)為pi=（xi，yi，z）i，i=1、2、3...7，實(shí)際測量點(diǎn)為p′i=（xi，yi，z）iT，i=1、2、3...7，利用最小二乘法求解目標(biāo)函數(shù)：使得理論坐標(biāo)系與測量坐標(biāo)系有最優(yōu)解R與T.

機(jī)身基準(zhǔn)點(diǎn)理的論值為：

基于測量系統(tǒng)軟件，在最小二乘擬合算法的基礎(chǔ)上對(duì)各個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)在設(shè)計(jì)制造基準(zhǔn)方向加入權(quán)重比例系數(shù)，保證在各個(gè)方向的裝配準(zhǔn)確度，如圖2所示。

圖2 最佳擬合法建立飛機(jī)測量坐標(biāo)系

（3）某機(jī)前機(jī)身關(guān)鍵特性和關(guān)鍵對(duì)接點(diǎn)測量

某機(jī)前機(jī)身由上壁板組件、左側(cè)壁板組件、右側(cè)壁板組件、下壁板組件、機(jī)身隔框、機(jī)身艙門（包括兩個(gè)登機(jī)和一個(gè)貨艙門）、地板組件等部分組成。關(guān)鍵特性一般定位在協(xié)調(diào)部位[8]，某機(jī)前機(jī)身關(guān)鍵特性和關(guān)鍵對(duì)接點(diǎn)包括：機(jī)身基準(zhǔn)點(diǎn)、蒙皮端部外形、帶板外形、機(jī)身內(nèi)部滾動(dòng)軸承、機(jī)身對(duì)稱孔、座椅滑軌孔、長桁上表面、艙門框蒙皮端面輪廓等。某機(jī)前機(jī)身關(guān)鍵特性和關(guān)鍵對(duì)接點(diǎn)位置如圖3所示。

圖3 某機(jī)前機(jī)身關(guān)鍵特性和關(guān)鍵對(duì)接點(diǎn)

由于機(jī)身桶段過大，在測量一些關(guān)鍵部位隱藏的洞腔和孔位點(diǎn)時(shí)，激光跟蹤儀展現(xiàn)出極大的局限性[9]。利用激光跟蹤儀和T-CAM攝像頭相結(jié)合實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的駐機(jī)定位（6個(gè)自由度的跟蹤），可以有效解決這一問題，大幅度地縮短產(chǎn)品的檢測周期。使用激光跟蹤儀測量時(shí)，T-Cam能夠隨時(shí)跟蹤目標(biāo)設(shè)備，并獲取其位置參數(shù)（x，y，z）和定位參數(shù)（俯仰，搖擺，自轉(zhuǎn)），這六個(gè)測量參數(shù)確定了目標(biāo)設(shè)備與激光跟蹤儀的關(guān)系[10]。目前最常用的目標(biāo)設(shè)備是T-Probe，其具有尺寸小、重量輕、使用方便且精度高等優(yōu)點(diǎn)。在8.5 m范圍內(nèi)，T-probe測量結(jié)果的空間長度誤差不超過60μm.

在對(duì)機(jī)身基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行測量時(shí)要采用面線交點(diǎn)法間接測量。在基準(zhǔn)點(diǎn)導(dǎo)孔所在的平面上取3點(diǎn)測量，確定基準(zhǔn)點(diǎn)偏置平面。基準(zhǔn)點(diǎn)所在孔兩側(cè)平面可能存在階差，測量時(shí)選點(diǎn)應(yīng)保證在同一平面上。利用標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)接套在基準(zhǔn)點(diǎn)所在孔軸線上取兩點(diǎn)進(jìn)行測量。最后，采用面線交點(diǎn)法得到基準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)。

在測量蒙皮端部外形等關(guān)鍵特性時(shí)，由于受到空間限制，需要在測量過程中使用標(biāo)準(zhǔn)的轉(zhuǎn)接套。對(duì)轉(zhuǎn)接套的使用需要注意以下幾點(diǎn)：測量開始前應(yīng)對(duì)轉(zhuǎn)接套數(shù)量、種類進(jìn)行核實(shí)；使用轉(zhuǎn)接套前應(yīng)確保轉(zhuǎn)接套完整，潔凈，無損傷；使用轉(zhuǎn)接套測量時(shí)要確保通用球座與轉(zhuǎn)接套之間，轉(zhuǎn)接套與產(chǎn)品之間緊密貼合、不晃動(dòng)。

（4）轉(zhuǎn)站

在跟蹤儀轉(zhuǎn)站前后分別測量ERS點(diǎn)的坐標(biāo)值，以第一個(gè)站位下測得的坐標(biāo)值為“理論值”，第二個(gè)站位下測得的坐標(biāo)值為“測量值”，用最佳擬合的方法實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)站前后坐標(biāo)系的定位轉(zhuǎn)化。由轉(zhuǎn)站的原理可知，轉(zhuǎn)站時(shí)引入的誤差將影響到飛機(jī)測量坐標(biāo)系中的每一個(gè)測量點(diǎn)。因此，在這里產(chǎn)生的誤差是必須首先控制的。除設(shè)備系統(tǒng)誤差、環(huán)境參數(shù)、操作規(guī)范性等因素外，ERS的布局是影響轉(zhuǎn)站精度的主要因素。以某型飛機(jī)前機(jī)身桶段測量為例，激光跟蹤儀站位變換后，需至少拾取4個(gè)ERS點(diǎn)以建立包絡(luò)面。基準(zhǔn)擬合允許誤差為0.76 mm，轉(zhuǎn)站誤差應(yīng)低于0.122 mm.每次轉(zhuǎn)站測量前均需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行溫度、材料補(bǔ)償和標(biāo)尺校正。

（5）數(shù)據(jù)分析

利用CATIA軟件宏命令功能將測量結(jié)果提供的.TXT文件導(dǎo)入CATIA數(shù)模。測量數(shù)據(jù)導(dǎo)入后，利用測量結(jié)果在CATIA軟件內(nèi)構(gòu)建基準(zhǔn)面。利用TA1，TA2，TA3，TA4建立面TA并與理論面重合；過TB1，TB2兩點(diǎn)建立與面TA向垂直的面TB并與理論面重合；過TC1建立與TA和TB均垂直的面TC并與理論面重合。利用CATIA軟件的測量功能計(jì)算出基準(zhǔn)點(diǎn)的偏移量，某架前機(jī)身基準(zhǔn)點(diǎn)偏移量如表1所示。

表1 某架前機(jī)身基準(zhǔn)點(diǎn)偏移量

基準(zhǔn)面擬合后，在CATIA數(shù)模內(nèi)選取測量得到的關(guān)鍵特性和關(guān)鍵對(duì)接點(diǎn)，并利用軟件的測量功能計(jì)算測量結(jié)果到產(chǎn)品數(shù)模的點(diǎn)面距離并記錄數(shù)值，減掉工具球半徑及球座和轉(zhuǎn)接套的偏置量，得到實(shí)際偏差數(shù)值。如果是需要采用面線交點(diǎn)法間接測量的關(guān)鍵特性和關(guān)鍵對(duì)接點(diǎn)，則要在基準(zhǔn)面擬合后，在CATIA數(shù)模內(nèi)選取機(jī)身對(duì)應(yīng)的測量點(diǎn)組合利用面上三點(diǎn)確定投影平面，利用軸線兩點(diǎn)建立的軸線向投影平面投影，將投影點(diǎn)沿軸線方向偏移工具球半徑，求出關(guān)鍵特性和關(guān)鍵對(duì)接點(diǎn)的測量值。

3 結(jié)束語

本文介紹了激光跟蹤儀工作原理和基于激光跟蹤儀的機(jī)身桶段測量技術(shù)，總結(jié)了激光跟蹤儀在大型飛機(jī)機(jī)身桶段關(guān)鍵特性在線測量中的應(yīng)用。在我國大飛機(jī)產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展的今天，對(duì)大型機(jī)身桶段測量的要求不斷提高，數(shù)字化測量技術(shù)在機(jī)身桶段測量中的作用越來越重要。基于激光跟蹤儀數(shù)字化測量技術(shù)，制定準(zhǔn)確高效的測量計(jì)劃，對(duì)關(guān)鍵特性點(diǎn)進(jìn)行在線測量，合理控制誤差范圍，對(duì)測量結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析并快速生成產(chǎn)品的測量報(bào)告。相較于傳統(tǒng)的測量方法，可以極大地提高測量效率、縮短產(chǎn)品的檢測周期，提高測量精度進(jìn)而提高飛機(jī)裝配質(zhì)量，對(duì)于快速提升我國飛機(jī)數(shù)字化制造水平具有重要意義。

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