數(shù)字化測量系統(tǒng)在某型機(jī)裝配中的應(yīng)用

李斌

摘 要：闡述了面向飛機(jī)裝配過程的數(shù)字化測量系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)測量系統(tǒng)具備的特點和優(yōu)勢，對某型機(jī)機(jī)身段裝配中所用數(shù)字化測量設(shè)備的功能和作用進(jìn)行介紹，詳細(xì)論述數(shù)字化測量軟件的轉(zhuǎn)站原理，環(huán)境的結(jié)構(gòu)框架，探討了測量系統(tǒng)在機(jī)身段裝配站位的實際應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化；測量；飛機(jī)裝配

1 面向飛機(jī)裝配的數(shù)字化測量系統(tǒng)特點

數(shù)字化測量系統(tǒng)是以測量檢測軟件為核心，以數(shù)字化測量設(shè)備為實施工具，能夠?qū)Υ郎y對象實施快速、精確、自動化的測量，獲取其準(zhǔn)確的空間形狀或位姿信息，并能夠?qū)y量結(jié)果進(jìn)行后期分析評估的一整套測量系統(tǒng)。在飛機(jī)裝配領(lǐng)域，相對于傳統(tǒng)測量系統(tǒng)，數(shù)字化測量系統(tǒng)主要特征包括

（1）測量范圍大、精度高。數(shù)字化測量設(shè)備通常采用有著極好的定向性和相干性的激光發(fā)射接收系統(tǒng)作為其測量單元，在滿足飛機(jī)裝配精度的前提下，測量設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)大空間測量。測量過程可通過編程控制，數(shù)字化測量設(shè)備采用機(jī)電伺服控制結(jié)構(gòu)，結(jié)合其開放的可編程二次開發(fā)接口，能夠?qū)崿F(xiàn)對測量工作的數(shù)字化控制。

（2）測量數(shù)據(jù)數(shù)字化，可讀性好。測量結(jié)果以數(shù)字量進(jìn)行表征，可以直接顯示、加工和處理。

（3）測量數(shù)據(jù)具有良好共享性。數(shù)字化測量設(shè)備采用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)TCP/IP 接口，因此測量設(shè)備能夠很容易地實現(xiàn)與其他系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通信，對組建柔性化的數(shù)字化裝配平臺有不可估量的積極意義

2 機(jī)身段測量系統(tǒng)

機(jī)身段測量系統(tǒng)主要包括與控制系統(tǒng)，主控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信模塊和激光跟蹤儀測量系統(tǒng)，功能是在總裝站位組件對接測量，將激光跟蹤測量系統(tǒng)測量的基準(zhǔn)點信息轉(zhuǎn)化為模型的位姿信息，并與產(chǎn)品數(shù)據(jù)集的數(shù)字模型進(jìn)行比對，求出位姿誤差，并給出裝配件當(dāng)前的位姿以及裝配件的位姿調(diào)整方向，另外測量系統(tǒng)還應(yīng)用在系統(tǒng)件安裝，主起交點孔鏜孔加工，飛機(jī)水平測量點測量，組件下架前測量， 應(yīng)用范圍廣泛如圖1所示。

激光跟蹤儀測量系統(tǒng)主要由跟蹤部、跟蹤儀控制機(jī)、應(yīng)用處理機(jī)和靶標(biāo)幾部分組成如圖2所示。跟蹤部是整個系統(tǒng)的主體，內(nèi)部集成角編碼器、伺服馬達(dá)和激光干涉儀等元件；跟蹤儀控制機(jī)內(nèi)部集成角編碼器脈沖的計數(shù)裝置和干涉儀脈沖計數(shù)裝置，驅(qū)動馬達(dá)的裝置也在其中；應(yīng)用處理機(jī)用來存儲數(shù)據(jù)、執(zhí)行轉(zhuǎn)換和其他功能；靶標(biāo)是被激光跟蹤儀跟蹤的光學(xué)目標(biāo)，它能使入射的激光束平行原路返回跟蹤儀。

以上測量系統(tǒng)應(yīng)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(jī)裝配坐標(biāo)系下的關(guān)系，通過ERS點（至少3個）實現(xiàn)激光跟蹤儀當(dāng)前坐標(biāo)系和飛機(jī)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，使得激光跟蹤儀測量值為裝配坐標(biāo)系下的值，在各種位姿轉(zhuǎn)換的過程中，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換是重要的內(nèi)容。因此，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換是數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的基礎(chǔ)功能， 由于飛機(jī)數(shù)字化裝配測量系統(tǒng)是通過測量裝配件的3個基準(zhǔn)點位置而得到裝配件位姿的，而模型的各種變換都需要轉(zhuǎn)換矩陣，因此，需要了解如何通過3點變換前后的坐標(biāo)求解坐標(biāo)變換矩陣。

在解決其他問題之前，先要得到系統(tǒng)模型各種坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換矩陣。根據(jù)激光跟蹤測量系統(tǒng)的系統(tǒng)需求，建立如下模型： 已知坐標(biāo)系中的3 個基準(zhǔn)點PA0，

3 機(jī)身段測量系統(tǒng)的應(yīng)用

激光跟蹤測量系統(tǒng)是飛機(jī)數(shù)字化裝配測量系統(tǒng)的重要組成部分，其主要功能是負(fù)責(zé)激光跟蹤儀與計算機(jī)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(tài)數(shù)據(jù)采集等。

3.1激光跟蹤儀初始化

本系統(tǒng)是基于Leica AT901 激光跟蹤儀（技術(shù)參數(shù)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(jī)和激光跟蹤測量儀進(jìn)行通訊，服務(wù)配置當(dāng)中要進(jìn)行控制器IP的選擇，是的處理機(jī)連接上正確的跟蹤儀設(shè)備并對設(shè)備的當(dāng)前狀況進(jìn)行檢測，對跟蹤頭運(yùn)動情況進(jìn)行檢查，同時使出射激光回到鳥巢并和靶球建立光路聯(lián)系，以保證設(shè)備處于一個良好的工作狀態(tài)，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(xù)。但是在實際工程運(yùn)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(xiàn)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(yīng)該具備回鳥巢的功能，即引導(dǎo)光束回到初始位置。經(jīng)常在建站使用，也有可能出現(xiàn)續(xù)光失敗，需要回鳥巢。

3.3激光跟蹤儀測量系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)

激光跟蹤儀測量系統(tǒng)在組件調(diào)姿測量時讀取數(shù)據(jù)庫中測量孔的理論值作為測量名義值，系統(tǒng)建站后主控系統(tǒng)發(fā)送測量命令，由于在數(shù)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(guān)系，所以這種關(guān)系可以使得控制系統(tǒng)能夠根據(jù)當(dāng)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(shù)據(jù)發(fā)給主控系統(tǒng)進(jìn)行姿態(tài)評價等任務(wù)，建站調(diào)姿如圖4所示。

4 飛機(jī)裝配測量誤差補(bǔ)償

飛機(jī)裝配測量誤差主要由3 部分構(gòu)成：零部件制造誤差、測量型架布置的測量點標(biāo)定誤差、測量設(shè)備自身的測量誤差。

因此要獲得更為精確的測量數(shù)據(jù)，需要從3 方面進(jìn)行誤差補(bǔ)償。飛機(jī)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(bǔ)償和減小。測量站位場標(biāo)定誤差產(chǎn)生于坐標(biāo)系統(tǒng)一過程中固定點安裝誤差，可通過坐標(biāo)系統(tǒng)自校正的方法加以修正。對于測量設(shè)備自身的測量誤差，一般可由生產(chǎn)廠商在比較理想的實驗室條件下測試后提供。在實際工業(yè)測量現(xiàn)場，如果周圍環(huán)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(shè)備對一點同時進(jìn)行測量的方法加以校正。由于參與測量的測量設(shè)備都有各自的測量坐標(biāo)系及測量坐標(biāo)，當(dāng)這些測量儀器對同一個點進(jìn)行測量時，因為測量誤差的存在，測得的點坐標(biāo)被映射到設(shè)計坐標(biāo)系下時其點位并不重合，通過測量點進(jìn)行加權(quán)平均，結(jié)合生產(chǎn)廠商提供的設(shè)備系統(tǒng)誤差參數(shù)，可達(dá)到減小測量誤差的目的。以該方法為基礎(chǔ)，在測量域內(nèi)布設(shè)關(guān)鍵插值點進(jìn)行測量，而后引入人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等人工智能算法，進(jìn)而獲得整個測量域誤差補(bǔ)償修正值。

5 結(jié)束語

飛機(jī)數(shù)字化裝配是現(xiàn)代飛機(jī)數(shù)字化制造的重要環(huán)節(jié)，而飛機(jī)數(shù)字化裝配測量系統(tǒng)平臺對于數(shù)字化裝配工作起著重要的作用。本文詳細(xì)地描述了飛機(jī)數(shù)字化裝配測量系統(tǒng)的工作原理及應(yīng)用情況，并結(jié)合實際現(xiàn)場裝配情況進(jìn)行了測量評價，并提出了誤差補(bǔ)償?shù)姆椒?，將會對后續(xù)測量系統(tǒng)起到重要輔助作用。