激光跟蹤儀在飛機大部件對接時的應用

張康 航空工業(yè)西安飛機工業(yè)（集團）有限責任公司

引言：現(xiàn)代飛機制造中，尤其對于飛機大部件對接，由于協(xié)調(diào)關(guān)系復雜，對接精度要求高，因此在對接面的尺寸由組件工裝保證的前提下，對大部件對接時的位置精度提出了很高的要求?，F(xiàn)場裝配時，為了確保對接時大部件的姿態(tài)，借助激光跟蹤儀輔助大部件姿態(tài)調(diào)整成為一項關(guān)鍵技術(shù)，通過激光跟蹤儀測量-大部件姿態(tài)調(diào)整將大部件姿態(tài)盡可能趨近于理論位置，進而確保對接工作順利完成，并滿足對接后的要求。

一、大部件對接以及水平測量點概述

飛機的大部件指由多個相鄰的組件或部件連接形成的飛機大型結(jié)構(gòu)件，飛機的裝配大致可以分為組件裝配、部件裝配和總裝3個階段，而大部件對接是飛機總裝階段的一項主要的工作。

水平測量點是指在部件裝配時使用特定工具或工裝在飛機表面規(guī)定的位置上制出的記號，如沖點、小孔、特制鉚釘、螺釘?shù)龋ㄟ^水平測量點對飛機進行水平測量可以檢測飛機大部件之間的相對幾何關(guān)系和自身幾何變形情況。

二、激光跟蹤儀測量原理概述

激光跟蹤儀是移動式光學三坐標測量設備，主要由跟蹤儀和目標點組成，測量機通過捕捉目標點的反射光，確定目標點相對于跟蹤儀的坐標。

激光跟蹤儀具有可移動特性，為了使激光跟蹤儀在不同位置具有相同的測量坐標系，每次移動激光跟蹤儀后必須對其進行轉(zhuǎn)站操作。在實際測量中，使用地標點進行激光跟蹤儀的轉(zhuǎn)站，原理如下。

假設跟蹤儀在初始測量坐標系下對地標點的測量值為P測量，對地標點的理論值為P理論，那么必然存在一個旋轉(zhuǎn)變換矩陣R和一個平移變換矩陣T，使得 R×P（測量）+T=P理論。

理論上，只要有不在同一直線上的3個點就可以確定旋轉(zhuǎn)變換矩陣R和平移變換矩陣T的值(R，T)。實際上，測量存在誤差，3個或多個測量點P測量經(jīng)過變換(R，T)后不可能完全等于P理論，需要利用最小二乘擬合方法尋找一組最佳的(R，T)，使變換后各點與理論點的距離之和最小，即：

激光跟蹤儀的轉(zhuǎn)站計算就是利用最小二乘擬合方法求解最佳的(R，T)的過程。轉(zhuǎn)站算法由激光跟蹤儀的內(nèi)部函數(shù)提供，測量軟件通過調(diào)用生產(chǎn)廠家提供的二次開發(fā)接口函數(shù)實現(xiàn)轉(zhuǎn)站。轉(zhuǎn)站后，自動彈出的轉(zhuǎn)站報告顯示了該次轉(zhuǎn)站各點相對于理論值的偏差，即轉(zhuǎn)站誤差。由于該誤差是由激光跟蹤儀在當前位置測量所得地標點數(shù)據(jù)直接與地標點理論值進行計算所得，不是在前面轉(zhuǎn)站數(shù)據(jù)的基礎上進行計算所得，因而不存在多次轉(zhuǎn)站間的誤差累積，同時轉(zhuǎn)站也不會對地標點的理論值產(chǎn)生影響。又由于每次轉(zhuǎn)站都與地標點的理論值進行比較計算，給出轉(zhuǎn)站誤差報告，相當于每次轉(zhuǎn)站都是在對地標點理論位置進行復核。

三、利用激光跟蹤測量技術(shù)輔助大部件對接

飛機機身完成對接后，要求機身上水平測量點的位置度公差為3.0mm，水平測量點是在部件裝配型架上使用特定的工具制出的標記，依據(jù)工裝制出的水平測量點的位置度公差為0.3mm（通過工裝保證），之后通過以下方法對大部件進行調(diào)姿，最終保證兩個部件對接后其水平測量點滿足精度要求（精度為3mm）。

（一）大部件下架前

大部件下架前，在工裝型架上定位安裝4個工藝測量點P1 、P2、P3 、P4 （一般是在同一截面上的4個點），然后利用工裝上的OTP點建立飛機坐標系，并使用激光跟蹤儀逐一測量出4個工藝測量點的坐標(P1 : X1 ,Y1 ,Z1 ; P2 : X2 ,Y2 ,Z2 ; P3 : X3 ,Y3 ,Z3 ; P4 :X4,Y4 ,Z4 )，測量完成后，將部件及測量數(shù)據(jù)交付給對接站位。

（二）大部件對接時（調(diào)姿）

部件到達對接站位后，利用地標點建立飛機坐標系，然后對大部件的工藝測量點P進行測量，如圖1所示，實測坐標為(P1 : x1 ,y1,z1 ; P2 : x2 ,y2 ,z2 ; P3 : x3 ,y3 ,z3 ; P4 :x4 ,y4 ,z4 )，測量完成。

圖1 大部件對接

四、對接后的誤差分析

（一）工裝定位誤差

在工裝上，要求水平測量點的打點誤差小于0.3mm，因此水平測量點相對于部件位置的誤差不超過0.3mm。

（二）測量誤差

激光跟蹤儀測量精度為10+5μm/m，即假設測量距離為10m，由于廠房內(nèi)實際場地位置的限制，一般測量距離不超過10m，測量誤差為：

（三）地標點的變化誤差

地標點嵌入在混凝土地面中，混凝土的熱膨脹系數(shù)為0.8-1.2×10-5μm/m/℃。按此計算，在距離為10 m，溫度變化10℃時，混凝土可變形0.8～1.2mm。實際測量時，溫度變化不會超過5℃，轉(zhuǎn)站距離不會超過10m，因此混凝土變形引起的最大誤差量為0.4～0.6mm。

（四）調(diào)姿誤差

因為在大部件姿態(tài)調(diào)整之后要保證工藝測量點的坐標值滿足式1，所以調(diào)姿誤差不會超過1mm。

綜合考慮各因素的影響，確定最大對接誤差為1.96mm，能夠滿足大部件對接后對水平測量點位置度的要求。

五、現(xiàn)場實施

（一）機頭調(diào)姿

機頭到達對接站位后，先對機身大部件位置進行粗調(diào)，之后根據(jù)地標點建立飛機坐標系，在飛機坐標系下測量4個工藝測量點的坐標如下。

表1 工藝測量點坐標（調(diào)姿前）

將以上數(shù)據(jù)代入式1，不能滿足式1的要求，繼續(xù)將以上數(shù)據(jù)代入式2得：

按以上計算數(shù)據(jù)對機頭的姿態(tài)進行調(diào)整，調(diào)整后再次測量工藝測量點坐標如下。

表2 工藝測量點坐標（調(diào)姿后）

將調(diào)整姿態(tài)后的測量數(shù)據(jù)代入式1，得：ε=1.655451＜2，完成機頭的調(diào)姿。

（二）中機身調(diào)姿

中機身調(diào)姿與機頭調(diào)姿方法相同，最終要求工藝測量點的坐標滿足，完成中機身調(diào)姿。

（三）中機身與機頭對接后

中機身與機頭對接后，在飛機坐標系下再次對水平測量點進行測量，測量結(jié)果如下。

表4 水平測量點坐標（對接后）

綜上所述，使用此種方法進行大部件對接，能夠保證水平測量點的位置度在3mm以內(nèi)，滿足大部件對接的要求，因此使用激光跟蹤儀輔助大部件對接工作能夠滿足對接的精度要求。

六、結(jié)束語

激光跟蹤儀輔助大部件姿態(tài)調(diào)整技術(shù)是大部件對接中的一項的關(guān)鍵技術(shù)，通過激光跟蹤儀測量輔助大部件姿態(tài)調(diào)整，保證了大部件對接時的姿態(tài)，進而使對接完成后滿足對接精度要求。通過之后的數(shù)據(jù)積累以及算法優(yōu)化，可以進一步提高對接精度，為日后更高精度的飛機裝備生產(chǎn)奠定了基礎。