測量技術(shù)在大尺寸產(chǎn)品裝配中的應(yīng)用

張云恩

摘 要：隨著電子技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，測量輔助裝配工藝開始廣泛應(yīng)用，尤其是在飛機(jī)、大型核電設(shè)備等大尺寸產(chǎn)品的裝配中，高精度大尺寸測量更是其中的核心技術(shù)。大尺寸測量需要建立專門的測量場，這就難免引入各種誤差，對測量的準(zhǔn)確性造成嚴(yán)重的影響。本文介紹了大尺寸測量技術(shù)的基本原理，闡述了大尺寸測量在大型產(chǎn)品裝配中的應(yīng)用，并對其測量不確定度的評價進(jìn)行了簡要的分析。本文的研究可為大尺寸測量技術(shù)的應(yīng)用及不確定度分析提供良好的思路。

關(guān)鍵詞：大尺寸;測量;不確定度

隨著我國國力的提升，國家對各類大型高科技項目的投入力度越來越大，大飛機(jī)、運(yùn)載火箭、高鐵、核電等國家重點(diǎn)項目紛紛落地，對我國的裝配技術(shù)提出了巨大的挑戰(zhàn)。由于大型設(shè)備的體積龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、零件眾多，因此裝配難度極大，其中最為關(guān)鍵的難點(diǎn)之一就是大尺寸測量技術(shù)的應(yīng)用[1]。當(dāng)前，數(shù)字化測量技術(shù)的提出為大型產(chǎn)品的高效裝配提供了全新的思路，但大尺寸測量場的建立又帶來了測量不確定度的評價等新的問題。本文根據(jù)大尺寸測量原理，對大尺寸測量技術(shù)在大型產(chǎn)品裝配的應(yīng)用中的關(guān)鍵問題進(jìn)行了探討。

1數(shù)字化測量概述

在數(shù)字化測量的概念提出來之前，傳統(tǒng)的大型裝備裝配過程一般采用專門設(shè)計的工裝和特殊工藝補(bǔ)償機(jī)制來調(diào)整零部件之間的位置關(guān)系，通過模線模板和光學(xué)儀器來評價裝配質(zhì)量[2]。這種方案不僅測量精度低，在操作難度和檢測效率方面也有著很大的缺陷，已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代大型裝備的高效組裝需求。數(shù)字化測量系統(tǒng)的問題，使這一問題得到了較好的解決，室內(nèi)GPS、激光跟蹤儀等技術(shù)的應(yīng)用大大提高了裝配精度的效率[3]。例如，美國波音公司早在上世紀(jì)末研發(fā)的IGPS測量系統(tǒng)在測量長度為30m的構(gòu)件時測量精度高達(dá)0.127mm，飛機(jī)裝配精度在0.25mm以內(nèi)。到目前為止，該系統(tǒng)的測量精度已提升至±0.1mm以內(nèi)?？梢姡蟪叽鐪y量技術(shù)在當(dāng)前的大型裝備制造領(lǐng)域中扮演著重要的角色。

2大尺寸測量的基本原理

對于大型裝備的組裝而言，所涉及到的多種定位儀器、精密機(jī)床、智能機(jī)器人等設(shè)備必須協(xié)調(diào)一致，相互配合，才能實(shí)現(xiàn)大尺寸部件的精確定位和對接。不同儀器系統(tǒng)之間的準(zhǔn)確配合是建立在統(tǒng)一坐標(biāo)系統(tǒng)的基礎(chǔ)之上的，各儀器通過統(tǒng)一的坐標(biāo)來感知對方的位置，實(shí)現(xiàn)對同一對象的協(xié)同操作。

激光跟蹤測量儀是大尺寸裝配中常用的輔助測量設(shè)備。首先在待裝配的零件上安裝一個光學(xué)反射棱鏡，激光跟蹤測量儀通過對棱鏡的跟蹤測量即可知道零件當(dāng)前的位置，以及各零件之間的位置關(guān)系，通過坐標(biāo)的分析可以快速評價出裝配精度等參數(shù)。由于大尺寸零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此基于光學(xué)原理的測量設(shè)備有時候很難持續(xù)提供良好的光路，因此通常會采用多臺激光測量設(shè)備協(xié)同工作來達(dá)到對測點(diǎn)持續(xù)跟蹤測量的目的。為了使不同的儀器可以相互配合，測量場的建立是前提，測量場的作用是為各儀器提供統(tǒng)一的坐標(biāo)系，因而形成相互的參照，順序完成裝配任務(wù)。所以，大尺寸測量場的建立是大尺寸裝配工藝的重要組成部分，測量場的精度則對產(chǎn)品的裝配精度產(chǎn)生重大影響。

3大尺寸測量場的建立

在大尺寸數(shù)字測量場中，通常有四種坐標(biāo)系統(tǒng)，即裝配坐標(biāo)系、測量坐標(biāo)系、設(shè)備坐標(biāo)系以及部件坐標(biāo)系[4]。其中最為關(guān)鍵是裝配坐標(biāo)系，它是其它坐標(biāo)系統(tǒng)的基準(zhǔn)，在整個裝配過程中起到統(tǒng)一的基準(zhǔn)作用。測量坐標(biāo)系是激光跟蹤儀本身建立的獨(dú)立坐標(biāo)系;設(shè)備坐標(biāo)系和部件坐標(biāo)系則由其它各類設(shè)備或部件自行建立;這些坐標(biāo)系統(tǒng)需要采用特定的算法與裝配坐標(biāo)系統(tǒng)聯(lián)系起來，形成固定的換算關(guān)系，從而將坐標(biāo)統(tǒng)一起來。大尺寸測量場的建立實(shí)際上是對整個裝配系統(tǒng)進(jìn)行了一次數(shù)字化集成，使各設(shè)備成為一個統(tǒng)一的有機(jī)整體，確立了相互之間固定的幾何關(guān)系，在進(jìn)行了統(tǒng)一的標(biāo)定之后，即可開始協(xié)同工作。大尺寸測量場還要以為裝配誤差的評價提供可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，以掌握裝配質(zhì)量，并輔助裝配工藝的持續(xù)改進(jìn)。

4測量場不確定度來源

在測量過程中，某個測點(diǎn)所測得的值有很多種可能性，在這些可能的值中，其標(biāo)準(zhǔn)差就是這里所說的“不確定度”，這種不確定度的物理意義是實(shí)際值的集合的離散程度，因此通常用不確定度來描述測量的誤差程度。同理，大尺寸測量場中所測的值也具有這種不確定性，為了描述測量場的精度，本文也采用了不確定度的概念。對于測量場而言，其不確定度是多種不確定度綜合作用的結(jié)果，包括測量不確定度、制造不確定度和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換不確定度。測量不確定度是指同樣條件下多次測量的可能值的標(biāo)準(zhǔn)差，制造不確定度則是零件的尺寸誤差造成的位置偏離程度，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換不確定度主要由參考點(diǎn)的不確定引起，通過測量場中的測值進(jìn)行轉(zhuǎn)換后，所求的標(biāo)準(zhǔn)差即為坐標(biāo)轉(zhuǎn)換不確定度。無論是哪種不確定度成分，其值越小越好，代表整個測量系統(tǒng)的穩(wěn)定性越好，可靠性越高。

5大尺寸測量場的不確定度估計

5.1轉(zhuǎn)站誤差與測量場誤差

激光跟蹤測量儀在測量時本身會存在測量誤差，在轉(zhuǎn)站過程中對將已有的誤差傳遞給下一個環(huán)節(jié)，因此，對激光跟蹤測量儀的轉(zhuǎn)站誤差和測量場的測量誤差進(jìn)行準(zhǔn)確估計，是實(shí)現(xiàn)大尺寸測量場測量不確定度評定的前提。

在裝配過程中，各臺激光跟蹤儀是依照自身的坐標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行測量的，得到的測量值也是基于自身坐標(biāo)系統(tǒng)的，因此要通過“轉(zhuǎn)站”的辦法與裝配坐標(biāo)系統(tǒng)建立轉(zhuǎn)換關(guān)系。由于激光跟蹤儀在測量時無法避免地引入測量誤差，這造成了轉(zhuǎn)站后的參數(shù)也具有一定的誤差，稱為轉(zhuǎn)站誤差。顯然，轉(zhuǎn)站誤差作為測量場誤差的重要組成部分，在很大程度上決定了大尺寸測量場的總體精度。但是轉(zhuǎn)站參數(shù)的理論值無法確定，所以轉(zhuǎn)站誤差也就無法通過簡單的對比來求得。

根據(jù)激光跟蹤儀的測量原理，所謂轉(zhuǎn)站可以認(rèn)為是一組基準(zhǔn)點(diǎn)實(shí)測值與理論值匹配的過程，在理想情況下，基站點(diǎn)的理論坐標(biāo)被認(rèn)為是不變的，這就將轉(zhuǎn)站誤差的問題轉(zhuǎn)換為激光跟蹤儀對基準(zhǔn)點(diǎn)的測量精度問題。

5.2測量場的不確定度估計

我們假定測量誤差服從正態(tài)分布。如果測量誤差為零時，兩組基準(zhǔn)點(diǎn)之間實(shí)現(xiàn)完全匹配，兩組坐標(biāo)形成了嚴(yán)格的一一對應(yīng)關(guān)系。然而，轉(zhuǎn)站誤差是一個綜合性的誤差，它由角度誤差、位置誤差和測量誤差共同決定，因而從數(shù)學(xué)上無法得到一個固定的解，也就無法得到一一對應(yīng)的解析解。顯然，這就將轉(zhuǎn)站誤差的求解變成了最小二乘擬合的數(shù)值計算問題了。

通過數(shù)學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)站誤差的估計主要取決于參與轉(zhuǎn)站的基準(zhǔn)點(diǎn)的測量誤差矩陣及其配置矩陣，兩者通過加權(quán)后構(gòu)成了轉(zhuǎn)站誤差的大小，而測量場的誤差又主要取決于轉(zhuǎn)站誤差。在后者不變的條件下，轉(zhuǎn)站誤差與基站點(diǎn)測量誤差成正比例關(guān)系;同理，當(dāng)前者不變時，轉(zhuǎn)站誤差只取決于基站點(diǎn)的分布。

6結(jié)語：

大尺寸產(chǎn)品裝配過程中涉及的不確定度問題是一個復(fù)雜的數(shù)學(xué)問題，本文的研究是在進(jìn)行了一些合理的假設(shè)的前提進(jìn)行的，基本具有合理性，但也存在一定的局限性。隨著精密儀器的精度不斷提高，測量的誤差必然會逐步減小，同時數(shù)學(xué)理論本身也在不斷的發(fā)展完善之中，這些發(fā)展趨勢都為大尺寸測量技術(shù)的進(jìn)步提供了重要保障。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊再華，易旺民，閆榮鑫.大型航天器裝配精度檢測技術(shù)發(fā)展綜述[J].宇航計測技術(shù)，2018，38（05）：16-23.

[2]趙子越，甘曉川，馬驪群.激光跟蹤儀與室內(nèi)GPS的協(xié)同測量組網(wǎng)方法[J].測控技術(shù)，2019，38（07）：79-83+88.