數字化測量系統在某型機裝配中的應用

李斌

摘 要：闡述了面向飛機裝配過程的數字化測量系統相對于傳統測量系統具備的特點和優勢，對某型機機身段裝配中所用數字化測量設備的功能和作用進行介紹，詳細論述數字化測量軟件的轉站原理，環境的結構框架，探討了測量系統在機身段裝配站位的實際應用。

關鍵詞：數字化；測量；飛機裝配

1 面向飛機裝配的數字化測量系統特點

數字化測量系統是以測量檢測軟件為核心，以數字化測量設備為實施工具，能夠對待測對象實施快速、精確、自動化的測量，獲取其準確的空間形狀或位姿信息，并能夠對測量結果進行后期分析評估的一整套測量系統。在飛機裝配領域，相對于傳統測量系統，數字化測量系統主要特征包括

（1）測量范圍大、精度高。數字化測量設備通常采用有著極好的定向性和相干性的激光發射接收系統作為其測量單元，在滿足飛機裝配精度的前提下，測量設備能夠實現大空間測量。測量過程可通過編程控制，數字化測量設備采用機電伺服控制結構，結合其開放的可編程二次開發接口，能夠實現對測量工作的數字化控制。

（2）測量數據數字化，可讀性好。測量結果以數字量進行表征，可以直接顯示、加工和處理。

（3）測量數據具有良好共享性。數字化測量設備采用標準的以太網TCP/IP 接口，因此測量設備能夠很容易地實現與其他系統之間的數據通信，對組建柔性化的數字化裝配平臺有不可估量的積極意義

2 機身段測量系統

機身段測量系統主要包括與控制系統，主控系統網絡通信模塊和激光跟蹤儀測量系統，功能是在總裝站位組件對接測量，將激光跟蹤測量系統測量的基準點信息轉化為模型的位姿信息，并與產品數據集的數字模型進行比對，求出位姿誤差，并給出裝配件當前的位姿以及裝配件的位姿調整方向，另外測量系統還應用在系統件安裝，主起交點孔鏜孔加工，飛機水平測量點測量，組件下架前測量， 應用范圍廣泛如圖1所示。

激光跟蹤儀測量系統主要由跟蹤部、跟蹤儀控制機、應用處理機和靶標幾部分組成如圖2所示。跟蹤部是整個系統的主體，內部集成角編碼器、伺服馬達和激光干涉儀等元件；跟蹤儀控制機內部集成角編碼器脈沖的計數裝置和干涉儀脈沖計數裝置，驅動馬達的裝置也在其中；應用處理機用來存儲數據、執行轉換和其他功能；靶標是被激光跟蹤儀跟蹤的光學目標，它能使入射的激光束平行原路返回跟蹤儀。

以上測量系統應用方面首先是建站，建站的原理是利用總裝型架上的ERS1，ERS2，ERS3……ERSn建立激光跟蹤儀和飛機裝配坐標系下的關系，通過ERS點（至少3個）實現激光跟蹤儀當前坐標系和飛機坐標系的轉換，使得激光跟蹤儀測量值為裝配坐標系下的值，在各種位姿轉換的過程中，坐標轉換是重要的內容。因此，坐標轉換是數據處理系統的基礎功能， 由于飛機數字化裝配測量系統是通過測量裝配件的3個基準點位置而得到裝配件位姿的，而模型的各種變換都需要轉換矩陣，因此，需要了解如何通過3點變換前后的坐標求解坐標變換矩陣。

在解決其他問題之前，先要得到系統模型各種坐標轉換的轉換矩陣。根據激光跟蹤測量系統的系統需求，建立如下模型： 已知坐標系中的3 個基準點PA0，

3 機身段測量系統的應用

激光跟蹤測量系統是飛機數字化裝配測量系統的重要組成部分，其主要功能是負責激光跟蹤儀與計算機之間的通訊，激光跟蹤測量儀初始化，激光跟蹤測量儀回鳥巢，靜、動態數據采集等。

3.1激光跟蹤儀初始化

本系統是基于Leica AT901 激光跟蹤儀（技術參數如表1所示）， 激光跟蹤測量儀在開始測量之前，必須要使計算機和激光跟蹤測量儀進行通訊，服務配置當中要進行控制器IP的選擇，是的處理機連接上正確的跟蹤儀設備并對設備的當前狀況進行檢測，對跟蹤頭運動情況進行檢查，同時使出射激光回到鳥巢并和靶球建立光路聯系，以保證設備處于一個良好的工作狀態，這個過程就是激光跟蹤測量儀初始化的過程。

3.2激光跟蹤儀回鳥巢

激光跟蹤測量儀在測量過程中一般都要求光路要始終連續。但是在實際工程運用中，會由于種種非人為的原因和不可避免的外部干擾而頻繁出現測量過程中光路中斷的情況。因此，對于一般的干涉測量方式來說，測量軟件應該具備回鳥巢的功能，即引導光束回到初始位置。經常在建站使用，也有可能出現續光失敗，需要回鳥巢。

3.3激光跟蹤儀測量系統采集數據

激光跟蹤儀測量系統在組件調姿測量時讀取數據庫中測量孔的理論值作為測量名義值，系統建站后主控系統發送測量命令，由于在數字化理論模型中各個組件工藝球頭與每一個測量孔的位置是有一定的幾何關系，所以這種關系可以使得控制系統能夠根據當前球頭的位置算出測量孔的大概位置，激光跟蹤儀就可以直接追蹤到在測量孔布置好的靶球，完成測量后數據發給主控系統進行姿態評價等任務，建站調姿如圖4所示。

4 飛機裝配測量誤差補償

飛機裝配測量誤差主要由3 部分構成：零部件制造誤差、測量型架布置的測量點標定誤差、測量設備自身的測量誤差。

因此要獲得更為精確的測量數據，需要從3 方面進行誤差補償。飛機零部件制造誤差可通過合理的工藝安裝方法把誤差分散給予補償和減小。測量站位場標定誤差產生于坐標系統一過程中固定點安裝誤差，可通過坐標系統自校正的方法加以修正。對于測量設備自身的測量誤差，一般可由生產廠商在比較理想的實驗室條件下測試后提供。在實際工業測量現場，如果周圍環境情況惡劣，可采用“冗余測量法”加以處理，其核心思想是使用2 臺以上的設備對一點同時進行測量的方法加以校正。由于參與測量的測量設備都有各自的測量坐標系及測量坐標，當這些測量儀器對同一個點進行測量時，因為測量誤差的存在，測得的點坐標被映射到設計坐標系下時其點位并不重合，通過測量點進行加權平均，結合生產廠商提供的設備系統誤差參數，可達到減小測量誤差的目的。以該方法為基礎，在測量域內布設關鍵插值點進行測量，而后引入人工神經網絡等人工智能算法，進而獲得整個測量域誤差補償修正值。

5 結束語

飛機數字化裝配是現代飛機數字化制造的重要環節，而飛機數字化裝配測量系統平臺對于數字化裝配工作起著重要的作用。本文詳細地描述了飛機數字化裝配測量系統的工作原理及應用情況，并結合實際現場裝配情況進行了測量評價，并提出了誤差補償的方法，將會對后續測量系統起到重要輔助作用。