基于數(shù)字化裝配的激光跟蹤儀測量應用研究

佟立杰

（西安航空職業(yè)技術(shù)學院航空維修工程學院，陜西西安710089）

目前，飛機制造過程中的零部件較多，并且內(nèi)外形較為復雜，結(jié)構(gòu)較為輕薄并且容易變形，從而導致飛機裝配的過程難度較大，并且所涉及到的范圍也比較廣。在傳統(tǒng)飛機裝配過程中，其裝配效率比較低，并且勞動過程中強度較高，以此使飛機裝配無法滿足裝配質(zhì)量需求，所以飛機裝配的數(shù)字化已經(jīng)發(fā)展成為了一個必然趨勢。數(shù)字化的飛機裝配的技術(shù)主要包括裝配設計、過程及生產(chǎn)管理方面的數(shù)字化。數(shù)字化的裝配過程指的是通過數(shù)字化設備有效提高裝配質(zhì)量及效率，其主要包括先進的測量定位技術(shù)、柔性化的數(shù)字化工裝技術(shù)、機器人輔助自動裝配技術(shù)等，這些技術(shù)與現(xiàn)代測量技術(shù)具有一定的關(guān)系?，F(xiàn)代測量技術(shù)是一種數(shù)字化裝配系統(tǒng)精度保障，并且為飛機裝配的質(zhì)量檢測和評價過程中提供了相應的標準。激光測量系統(tǒng)是在1997年第一面世，其根據(jù)定位孔和鉆鉚有效提高了飛機裝配精度。我國在飛機裝配過程中也廣泛使用空間測量技術(shù)，比如使用激光跟蹤儀及電子經(jīng)緯儀實現(xiàn)飛機裝配型架安裝過程中的輔助作用等，但是和國外相比，此種技術(shù)在數(shù)字化裝配過程中的使用還是有限的，并且沒有成為完整的體系。基于此，本文就對以數(shù)字化裝配的激光跟蹤儀測量使用進行全面的研究。

1 數(shù)字測量技術(shù)

數(shù)字測量技術(shù)在數(shù)字化制造技術(shù)中具有重要的地位，其貫穿數(shù)字化的設計和制造整個流程，從而成為一個封閉環(huán)。通過數(shù)字化定義和預裝配技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)設計更改次數(shù)的降低，并且能夠隨時隨地調(diào)節(jié)生產(chǎn)過程，以此有效提高制造質(zhì)量及效率[1]。比起傳統(tǒng)測量系統(tǒng)，數(shù)字化測量系統(tǒng)的主要優(yōu)勢為：其一，具有較大的測量范圍和較高的精度；其二，在測量過程中能夠利用編程進行控制；其三，通過數(shù)字化顯示測量結(jié)果，具有良好的可讀性；其四，測量得到的結(jié)果共享性良好[2]。所以，就要合理有效的使用先進的數(shù)字化測量技術(shù)和設備實現(xiàn)制造業(yè)的改造。在我國航天技術(shù)不斷發(fā)展的過程中，大象復雜結(jié)構(gòu)數(shù)字化檢測具有較大的需求，比如航天器部件制造裝配精密度的測量、火箭外形的測量、衛(wèi)星精密制造的裝配測量等[3]。圖1為火箭生產(chǎn)裝配測量的現(xiàn)場。

圖1 火箭生產(chǎn)裝配測量的現(xiàn)場

目前數(shù)字化測量系統(tǒng)的種類較多，激光跟蹤儀測量技術(shù)被廣泛應用到大部件制造及裝配檢測過程中。激光跟蹤儀屬于近期發(fā)展的大尺寸及高精度測量儀器，其主要包括光電探測及干涉測距等技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)目標點三維空間坐標的測量和跟蹤[4]。圖2為激光跟蹤儀的構(gòu)成。

圖2 激光跟蹤儀的構(gòu)成

2 光學的路徑干涉

光學路徑干涉分析主要包括動態(tài)及靜態(tài)兩種分析方式，本文使用激光跟蹤儀光學路徑檢測，屬于靜態(tài)檢測的范圍，較為容易?，F(xiàn)代，碰撞檢測方式主要包括空間分解及包圍盒層次方法兩種。一般來說，基于定位光學目標點的數(shù)字化設計系統(tǒng)主要是在型架裝配模型中創(chuàng)建OTP點之后，利用激光跟蹤儀數(shù)據(jù)點和所有的OTP點創(chuàng)建路線，利用人工觀察設站的方式實現(xiàn)合理的判斷。但是此種方法無法得到精準的結(jié)果，所以本文就設計了使用進程外應用方式，通過VB程序循環(huán)語句對其中的內(nèi)部函數(shù)進行控制，以此實現(xiàn)模塊空間分析[5]。此功能的主要流程如圖3所示。

圖3 設站點的檢測流程

3 激光跟蹤儀測量軟件

激光跟蹤儀測量軟件系統(tǒng)主要是利用激光跟蹤儀結(jié)構(gòu)實現(xiàn)激光跟蹤儀服務器的訪問，控制激光儀跟蹤儀實現(xiàn)參數(shù)的配置、測量、定時開激光、初始化、關(guān)激光等。本文將激光跟蹤儀測量軟件劃分成為通信模塊、任務執(zhí)行、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)處理、三維展示等多個不同的模塊[6]。軟件中的核心模塊就是任務執(zhí)行模塊，用戶利用其能夠?qū)崿F(xiàn)任務的制定，在任務表中對任務進行自動的存儲，每個任務都是通過制定任務的工作人員組成的。任務執(zhí)行模塊利用任務表將任務取出來并且執(zhí)行，從而能夠得到針對性的數(shù)據(jù)，最后刪除任務執(zhí)行模塊中已經(jīng)完成的任務[7]。圖4為將任務執(zhí)行模塊作為核心的活動圖。

圖4 將任務執(zhí)行模塊作為核心的活動圖

任務表能夠?qū)崿F(xiàn)軟件集成和擴展，如果實現(xiàn)特定任務制定模塊的開發(fā)，實現(xiàn)測量軟件擴大化的使用，假如外部及開發(fā)軟件的通信接口能夠?qū)崿F(xiàn)外部軟件任務的接受，那么在完成任務之后就能夠利用通信接口模塊將得到的數(shù)據(jù)發(fā)送給外部軟件中，以此實現(xiàn)軟件和軟件之間相互的集成，假如對待定的模塊進行開發(fā)能夠?qū)崿F(xiàn)腳本語言任務包的解析，以此能夠?qū)幊踢M行離線測量。數(shù)據(jù)存儲模塊是一種軟件存儲的核心內(nèi)容，其中主要有計算機、測量等多種數(shù)據(jù)，存儲模塊中的數(shù)據(jù)屬于外部發(fā)送數(shù)據(jù)[8]。圖5為將數(shù)據(jù)存儲模塊為中心的數(shù)據(jù)流動圖。

圖5 將數(shù)據(jù)存儲模塊為中心的數(shù)據(jù)流動圖

3.1 設計測量軟件模塊

3.1.1 任務執(zhí)行模塊

任務執(zhí)行模塊是一種激光跟蹤儀測量重要模塊，主要是通過激光跟蹤儀的使用和調(diào)用進行控制。其主要目的就是通過任務表得到任務，然后對激光跟蹤儀通信模塊中的數(shù)據(jù)進行調(diào)用，之后在存儲模塊將數(shù)據(jù)進行存儲，之后將執(zhí)行任務刪除。命令發(fā)送類對象利用相關(guān)對象通過控制跟蹤儀對激光跟蹤儀服務器發(fā)送相應的命令，之后通過跟蹤儀服務器執(zhí)行命令，最后返回到相應的數(shù)據(jù)模塊中，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的接收，還能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)分析，將數(shù)據(jù)在存儲模塊中存儲[9]。

3.1.2 同步觸發(fā)

同步觸發(fā)模塊主要是實現(xiàn)模塊調(diào)用，實現(xiàn)激光跟蹤儀的同步觸發(fā)，詳見圖6，制定串口通信協(xié)議之后就能夠發(fā)送串行數(shù)據(jù)，以此控制激光跟蹤儀信號，其主要是通過EMSCON實現(xiàn)觸發(fā)函數(shù)及串口通信進行設置。

圖6 同步觸發(fā)模塊的工作流程

3.1.3 通信模塊

通信模塊能夠?qū)⑷蝿漳K的類對象進行發(fā)送到激光跟蹤儀服務器中，還能夠?qū)⒏檭x服務器中的結(jié)果進行接收，并且將其交給任務執(zhí)行模塊消息接受類實現(xiàn)解析。此模塊主要包括C/S網(wǎng)絡模型實現(xiàn)設計[10]，圖7為模塊和跟蹤儀控制器的通信流程。

圖7 模塊和跟蹤儀控制器的通信流程

3.1.4 數(shù)據(jù)存儲

數(shù)據(jù)存儲模塊的主要目的就是實現(xiàn)用戶對外部數(shù)據(jù)的存儲，其主要有兩部分，其一為程序內(nèi)部使用樹形式構(gòu)成的數(shù)據(jù)，并且在GRM類中存儲，之后在界面中提供模型樹右鍵菜單，從而使用戶能夠?qū)ζ洳榭春蛣h除。其二為實現(xiàn)數(shù)據(jù)串行化，從而不僅能夠?qū)?shù)據(jù)通過讀寫文件方式保存及恢復[11]。

3.1.5 三維顯示

三維顯示模塊的主要目的就是通過三維視圖將數(shù)據(jù)在存儲模塊中存儲展現(xiàn)出來，利用OPENGL實現(xiàn)。它是一種圖形硬件結(jié)構(gòu)，其中具有多種函數(shù)實現(xiàn)封裝，能夠?qū)崿F(xiàn)三維顯示模塊的視圖操作，比如放大、全景、平移、縮小等。

3.1.6 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理模塊的主要目的就是實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)處理，其主要包括幾何關(guān)系計算、幾何元素擬合、坐標轉(zhuǎn)換等構(gòu)成[12]。

3.1.7 用戶接口

用戶接口的主要目的就是使用戶能夠?qū)崿F(xiàn)軟件人際交互，其主要包括硬件信息、記錄信息日志欄、操作按鈕等。

3.1.8 坐標系及轉(zhuǎn)換

坐標系并不是獨立模塊，其屬于在數(shù)據(jù)存儲模塊中的幾何元素，坐標轉(zhuǎn)換屬于數(shù)據(jù)處理的主要部分，所以坐標系管理在激光跟蹤儀測量中具有重要的作用。本文通過樹結(jié)構(gòu)實現(xiàn)坐標系的關(guān)系[13]，詳見圖8。

圖8 通信模塊的樹結(jié)構(gòu)坐標管理

3.2 軟件運行

圖9為軟件運行基本測量界面，其主要包括 模型樹操作區(qū)、基本命令操作區(qū)、點列表操作區(qū)、計算功能、視圖等操作區(qū)。其能實現(xiàn)激光跟蹤儀的控制，并且實現(xiàn)幾何元素的操作，將用戶操作的記錄進行顯示[14]。

圖9 軟件運行基本測量界面

圖10為軟件運行坐標系管理界面，其和基本測量界面并不相同，其中添加了坐標系管理按鈕，按鈕能夠創(chuàng)建坐標系，并且實現(xiàn)坐標的轉(zhuǎn)換?？梢酝ㄟ^幾何、姿態(tài)及六點的方式創(chuàng)建坐標系，并且還能夠修改坐標系[15]。

圖10 軟件運行坐標系管理界面

4 結(jié)束語

基于數(shù)字化裝配的激光跟蹤儀測量能夠有效提高工裝制造進度，還能夠提供裝配產(chǎn)品的合格性提供保障。傳統(tǒng)定位安裝實際過程中對于激光跟蹤儀放置位置都依賴工作人員的判斷及經(jīng)驗，進行反復的調(diào)試，從而導致測量的進度和效率都造成了嚴重的影響。在設計激光跟蹤儀測量軟件之后，能夠為工作人員提供科學的指導，從而有效提高工作效率。