飛機(jī)部件對(duì)接中激光跟蹤儀的應(yīng)用

（西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710089）

1 引言

部件對(duì)接是把構(gòu)成飛機(jī)結(jié)構(gòu)的各部件連接在一起，形成整個(gè)機(jī)身。部件對(duì)接包括機(jī)身段對(duì)接，機(jī)翼各段對(duì)接，機(jī)身與機(jī)翼的對(duì)接等，其中部件對(duì)接是飛機(jī)裝配工作中的一項(xiàng)重要內(nèi)容，協(xié)調(diào)關(guān)系復(fù)雜，且技術(shù)要求高、難度大，在很大程度上決定了飛機(jī)最終的性能和質(zhì)量。本文著重說明在部件對(duì)接中激光跟蹤儀的應(yīng)用。

不斷提高的飛機(jī)性能對(duì)現(xiàn)代飛機(jī)外形的要求也越來越高，對(duì)部件對(duì)接要求越來越精確，有些飛機(jī)調(diào)平誤差要求為±0.5 mm 以下，甚至有的飛機(jī)調(diào)平誤差要求不超過±0.2mm，所以對(duì)裝配定位和測(cè)量提出了更精確的要求。傳統(tǒng)的裝配定位仍大量采用剛性裝配工裝定位、劃線定位等用實(shí)物樣件傳遞模擬量的傳統(tǒng)手工裝配方法，部件對(duì)接方法包括水平測(cè)量法和在對(duì)接臺(tái)或?qū)榆噧?nèi)的對(duì)合法，存在大量的模擬量傳遞環(huán)節(jié)。由于各個(gè)環(huán)節(jié)的誤差積累，裝配最終的精度不易保證，已經(jīng)難以滿足大型飛機(jī)高準(zhǔn)確度制造需求。水平測(cè)量對(duì)接法中所使用的傳統(tǒng)光學(xué)儀器是水準(zhǔn)儀和經(jīng)緯儀。使用水準(zhǔn)儀和經(jīng)緯儀對(duì)飛機(jī)的安裝角和對(duì)稱性進(jìn)行測(cè)量，這種測(cè)量方法效率較低、人為誤差大且測(cè)量精度差。隨著數(shù)字化、自動(dòng)化、信息化等技術(shù)在飛機(jī)裝配中的廣泛應(yīng)用，數(shù)字化定位測(cè)量技術(shù)已成為當(dāng)今飛機(jī)裝配技術(shù)的發(fā)展方向，目前激光跟蹤系統(tǒng)定位是國(guó)際數(shù)字化測(cè)量技術(shù)中廣泛采用的一種重要技術(shù)。它具有高精度、高效率、實(shí)時(shí)跟蹤測(cè)量、安裝快捷、操作簡(jiǎn)便等特點(diǎn),適合大尺寸工件裝配測(cè)量，因此適用于飛機(jī)類產(chǎn)品空間點(diǎn)位的測(cè)量。

飛機(jī)裝配通常是在各部件分別安裝后再進(jìn)行總體裝配，在部裝的某些環(huán)節(jié)和總裝的整個(gè)過程中都需要進(jìn)行嚴(yán)格的檢測(cè)。在飛行器裝配過程中的測(cè)量誤差可能會(huì)導(dǎo)致很嚴(yán)重的后果，因此必須要確保測(cè)量的精確性。飛機(jī)具有外形尺寸及重量大、外部結(jié)構(gòu)特殊、部件之間相互位置關(guān)系要求嚴(yán)格等特點(diǎn)。激光跟蹤測(cè)量系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)性和實(shí)時(shí)性以及它的高精度性都能滿足飛機(jī)定位安裝、飛機(jī)外形尺寸的檢測(cè)、零部件的檢測(cè)和飛機(jī)的維修等項(xiàng)目的需要。

2 激光跟蹤測(cè)量系統(tǒng)介紹

激光跟蹤測(cè)量系統(tǒng)（Laser Tracker System）是二十世紀(jì)八十年代發(fā)展起來的一種移動(dòng)式的高精度大尺寸空間坐標(biāo)測(cè)量?jī)x器，特別適用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。它集合了激光干涉測(cè)距技術(shù)等各種先進(jìn)技術(shù)，對(duì)空間運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤并實(shí)時(shí)測(cè)量目標(biāo)的空間三維坐標(biāo)。各類激光跟蹤測(cè)量系統(tǒng)基本都是由激光跟蹤儀、控制器、用戶計(jì)算機(jī)、激光反射器及測(cè)量附件等組成。激光跟蹤儀是激光跟蹤測(cè)量系統(tǒng)中的核心組成部分。

系統(tǒng)工作時(shí)，由激光跟蹤儀的跟蹤頭發(fā)出的激光束射到安裝在定位點(diǎn)處的反射器（靶球）上，又從反射器（靶球）中心返回到跟蹤頭，當(dāng)目標(biāo)定位點(diǎn)移動(dòng)時(shí)，跟蹤頭調(diào)整光束方向重新對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)；檢測(cè)系統(tǒng)接收返回激光束，便能測(cè)算目標(biāo)的空間位置。激光跟蹤儀能夠靜態(tài)或動(dòng)態(tài)地跟蹤一個(gè)在空間中運(yùn)動(dòng)的點(diǎn)，同時(shí)確定目標(biāo)點(diǎn)的空間坐標(biāo)。激光跟蹤儀空間坐標(biāo)的結(jié)構(gòu)采用球坐標(biāo)，激光跟蹤系統(tǒng)可以由自帶的軟件將得到的球坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成直角坐標(biāo)系下（x，y，z）形式。

在飛機(jī)裝配工作中，根據(jù)飛機(jī)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、定位要求，借助激光蹤儀這個(gè)數(shù)字化測(cè)量工具輔助完成飛機(jī)零部件的定位和測(cè)量工作。激光跟蹤系統(tǒng)最早在我國(guó)的應(yīng)用就是應(yīng)用于航空制造領(lǐng)域，1996年上海飛機(jī)制造公司和沈陽(yáng)飛機(jī)制造集團(tuán)在我國(guó)第一次引進(jìn)了SMART310激光跟蹤系統(tǒng)?，F(xiàn)在激光跟蹤儀已作為飛機(jī)數(shù)字化裝配中的一種重要應(yīng)用形式。

3 使用激光跟蹤儀為對(duì)接大部件定位

飛機(jī)大部件對(duì)接中機(jī)翼與機(jī)身對(duì)合具有典型性，本小節(jié)以機(jī)翼與機(jī)身對(duì)合為例說明激光跟蹤儀如何完成定位。機(jī)翼與機(jī)身對(duì)合中需要確定關(guān)鍵參考點(diǎn)位置，關(guān)鍵參考點(diǎn)的確定對(duì)機(jī)翼、機(jī)身對(duì)合非常重要，不但影響對(duì)合精度，對(duì)跟蹤儀擺放位置也有一定影響。零件上關(guān)鍵參考點(diǎn)的位置為 OPT（Optical Tooling Point縮寫）點(diǎn)，即為激光跟蹤頭的反射中心。要在飛機(jī)圖紙上明確標(biāo)記機(jī)翼和機(jī)身對(duì)接部位關(guān)鍵參考點(diǎn)的位置，裝配前安裝激光跟蹤儀的反射球，校準(zhǔn) OPT位置。

機(jī)身與機(jī)翼的定位對(duì)接工作首先要建立裝配時(shí)統(tǒng)一的坐標(biāo)系。在裝配過程中，將部件的運(yùn)動(dòng)空間定義為裝配坐標(biāo)系，同時(shí)建立與部件固定連接的零部件坐標(biāo)系。零部件姿態(tài)和位置的變化是由預(yù)先確定的關(guān)鍵參考點(diǎn)坐標(biāo)在裝配坐標(biāo)系中坐標(biāo)的改變來描述的。

由于光是直線傳播，傳輸路徑不能被阻隔，在飛機(jī)大部件對(duì)接中，飛機(jī)部件本身的空間位置決定了放置在某一個(gè)固定位置上的激光跟蹤儀不可能同時(shí)監(jiān)測(cè)所有參考點(diǎn)坐標(biāo)，所以在裝配空間中可根據(jù)需要安裝多臺(tái)激光跟蹤儀，分別對(duì)應(yīng)監(jiān)測(cè)一些參考點(diǎn)，同時(shí)保證裝配坐標(biāo)系為同一坐標(biāo)系。

美國(guó)波音公司開發(fā)了波音737型飛機(jī)機(jī)翼與機(jī)身激光跟蹤儀自動(dòng)測(cè)量輔助裝配應(yīng)用程序。在這個(gè)自動(dòng)裝配過程中使用了兩臺(tái)激光跟蹤儀，放置在機(jī)身左右兩側(cè)下部靠近機(jī)翼的位置處，分別測(cè)量跟蹤機(jī)身上實(shí)際控制點(diǎn)和機(jī)翼上關(guān)鍵參考點(diǎn)，自動(dòng)測(cè)量輔助裝配應(yīng)用程序可以自動(dòng)形成機(jī)翼關(guān)鍵參考點(diǎn)測(cè)量值與理論點(diǎn)差值，裝配操作執(zhí)行機(jī)構(gòu)依據(jù)程序給出的偏差自動(dòng)調(diào)整機(jī)翼組件到達(dá)適合位置，最后完成機(jī)翼和機(jī)身裝配。

實(shí)際的裝配工作中也可以使用一臺(tái)激光跟蹤儀進(jìn)行定位安裝，此時(shí)每進(jìn)行一次裝配部件的移動(dòng)或者激光跟蹤儀的位置移動(dòng)，均需要使用激光跟蹤儀重新測(cè)量參考點(diǎn)坐標(biāo)，根據(jù)坐標(biāo)變化原理調(diào)整為統(tǒng)一坐標(biāo)系，所以使用一臺(tái)激光跟蹤儀進(jìn)行定位和測(cè)量工作，不僅繁瑣也會(huì)需要更多的時(shí)間。

4 使用激光跟蹤儀檢測(cè)對(duì)接效果

部件對(duì)接完成后，可使用激光跟蹤儀檢測(cè)對(duì)接效果。檢測(cè)測(cè)量前仍然和部件對(duì)接時(shí)工作一樣要先確定統(tǒng)一的坐標(biāo)系，保證測(cè)量到的飛機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸空間點(diǎn)都處在同一個(gè)坐標(biāo)系中，保證所測(cè)結(jié)構(gòu)部件處于靜止?fàn)顟B(tài)。使用激光跟蹤儀進(jìn)行云點(diǎn)采集，以機(jī)翼和機(jī)身對(duì)接工作為例，通過激光跟蹤儀采集對(duì)接后的機(jī)翼與機(jī)身不同部位的掃描式點(diǎn)云數(shù)據(jù)，在同一坐標(biāo)系中進(jìn)行拼接，得到完整的對(duì)接曲面點(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后擬合成曲面數(shù)字模型，把得到的測(cè)量結(jié)果與工程軟件中的理論數(shù)據(jù)比較，按照偏差數(shù)據(jù)計(jì)算測(cè)得到幾何元素間的相對(duì)位置，包括距離和角度關(guān)系，查看關(guān)鍵部位的特征符合情況，包括尺寸公差和幾何公差等。激光跟蹤儀掃描范圍大，采集數(shù)據(jù)速度快，數(shù)據(jù)采集量大，精度高，裝配工作中使用激光跟蹤儀實(shí)現(xiàn)飛機(jī)裝配過程的自動(dòng)化測(cè)量，大大提高測(cè)量效率。

5 結(jié)束語(yǔ)

在飛機(jī)部件對(duì)接的過程中，利用激光跟蹤儀檢測(cè)飛機(jī)部件位置，取代傳統(tǒng)定位方法，定位組件，使復(fù)雜的工裝設(shè)備得以簡(jiǎn)化，輔助完成部件快速精準(zhǔn)對(duì)接，檢測(cè)對(duì)接完成后的效果。激光跟蹤儀在飛機(jī)部件對(duì)接中作用效果明顯?，F(xiàn)在激光跟蹤儀在飛機(jī)工裝的定位安裝，飛機(jī)外形尺寸的檢測(cè)，零部件的檢測(cè)，飛機(jī)的維修中也已大量的應(yīng)用。如今飛機(jī)數(shù)字化裝配工作正在進(jìn)行飛機(jī)裝配大范圍測(cè)量技術(shù)的研究，探索現(xiàn)場(chǎng)裝配和檢測(cè)技術(shù)，相信在大尺寸的測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)，激光跟蹤儀的應(yīng)用將更加廣泛。

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