激光跟蹤儀應用功能提升

李蒙江，樂淑玲，王 璐，譚 斌，梁德平

(航空工業(yè)昌河飛機工業(yè)(集團)有限責任公司，江西 景德鎮(zhèn) 333002)

1 引 言

隨著激光測量技術(shù)的迅速發(fā)展和飛機裝配精度的不斷提高，模擬量傳遞與二維圖紙模式的傳統(tǒng)檢測手段嚴重制約著飛機制造業(yè)的發(fā)展，已無法適應飛機設(shè)計與生產(chǎn)的先進性要求[1-3]。當前，數(shù)字化激光測量技術(shù)已經(jīng)開始進入飛機制造領(lǐng)域，并成為一種趨勢，在裝配、檢測、校準等方面發(fā)揮著重要作用[4，5]。尤其是在傳統(tǒng)檢測方法無法滿足被測物體的檢測要求時，利用激光跟蹤儀靈活、高效的測量特點，可以很好地彌補傳統(tǒng)檢測手段的不足[6，7]。

目前，激光跟蹤儀一般用于飛機裝配夾具中定位件的調(diào)裝，通常需要在定位件上加工出定位孔，靶球吸附靶球座后將靶球座放入零件定位孔內(nèi)，通過實時測量靶球的位置對定位數(shù)據(jù)進行調(diào)裝。而對于某些不能加工定位孔的零件和飛機零件來說，其應用相對受限，尤其是在零件曲面外形和型面刻線等方面的檢測和校準應用不足。王巍[8]利用激光跟蹤儀對某型機機身桶段關(guān)鍵特性和關(guān)鍵對接點進行在線測量及數(shù)據(jù)分析，驗證了激光跟蹤儀系統(tǒng)在飛機產(chǎn)品測量中的應用情況。史懷璽[9]通過激光跟蹤儀對某型機尾端后梁接頭和頂肋關(guān)鍵特征點進行測量，利用SA軟件分析對接位置的關(guān)鍵特性，并對部件的協(xié)調(diào)關(guān)系進行擬合與評估，為后續(xù)尾梁的對接與質(zhì)檢提供數(shù)字依據(jù)。梅龍[10]運用激光跟蹤儀T-Probe附件對飛機鈑金劃銑零件的型面刻線進行檢測，大幅提升飛機鈑金件的檢測效率和精度。

針對零件刻線的檢測方法，考慮到經(jīng)濟問題，并不是所有激光跟蹤儀都能配備T-Probe附件。為提升激光跟蹤儀的應用范圍，本文以C919某縫翼工裝為實施例，提出利用激光跟蹤儀輔以自制測量筆對工裝卡板刻線的位置精確度進行檢測和分析，以解決傳統(tǒng)方法檢測卡板刻線精度低、檢測結(jié)果不穩(wěn)定且無數(shù)據(jù)支撐的問題。

2 測量儀器及系統(tǒng)組成

本研究采用的儀器是瑞典Leica公司生產(chǎn)的AT901-MR系列激光跟蹤儀，涉及附件包括Φ12.7mm反射靶球、Φ8mm靶球座和自制輔助測量工具(測量筆)，測量軟件為美國NRK公司開發(fā)的三維測量分析軟件SA (SpatialAnalyzer)。測量時，測量筆與激光跟蹤儀附件聯(lián)合使用，如圖1所示。測量筆由筆頭和筆桿兩部分組成，采用螺紋連接方式，目的是便于筆尖磨損后快速更換，節(jié)省成本。

圖1 測量筆與激光跟蹤儀附件組合使用狀態(tài)圖

3 測量原理

測量筆末端固定安裝靶球座，手持靶球引光至靶球座上，使測量筆筆尖與物體表面被測點保持定點接觸，記錄靶球位置的坐標值P1，輕微轉(zhuǎn)動測量筆角度，記錄靶球其余3個位置的坐標值P2～P4，在一個被測點上記錄靶球4個位置的坐標值，如圖2所示。

圖2 測量筆工作狀態(tài)示意圖

對測量數(shù)據(jù)進行處理，計算得到筆尖測量點的坐標值。計算方法如下：設(shè)靶球4個測量位置坐標為OTPi(xi,yi,zi)，其中i=1,2,3,4。設(shè)激光跟蹤儀測出的靶球中心點距筆尖測量點的距離為R，由于測量時筆尖與刻線上被測點保持定點接觸，測量筆小幅度轉(zhuǎn)動，因此可認為測量過程中R為定值。設(shè)筆尖測量點坐標為P(x,y,z)，根據(jù)球面方程可得：

(1)

(2)

(3)

(4)

上式中，分別用式(1)減去式(2)-式(4)式，可得：

(5)

4 測量應用與數(shù)據(jù)分析

4.1 表面刻線檢測

以C919某縫翼工裝為實施例，利用激光跟蹤儀設(shè)備及自制的測量筆檢測工裝卡板表面蒙皮邊緣刻線的位置是否正確。具體步驟如下：

(1)利用激光跟蹤儀在待測工裝上建立測量坐標系，TB點(建站基準點)選取飛機坐標系下坐標點，保持與數(shù)模中坐標系一致。

(2)安裝靶球座至測量筆末端，手持測量筆使筆尖與被測點保持定點接觸，被測點位于刻線兩端，每端各取一點，該點必須位于刻線上。

(3)手持靶球引光至靶球座上，手持測量筆使筆尖與被測點保持穩(wěn)定，激光跟蹤儀測量靶球位置，如圖3所示。

圖3 利用測量筆在工裝卡板刻線上進行測量取點

(4)輕微轉(zhuǎn)動測量筆角度，筆尖保持與被測點穩(wěn)定接觸，測量靶球其余3個位置的坐標，在一個被測點上記錄靶球4個位置的坐標值?？ò鍍蓚?cè)各有一條蒙皮邊緣刻線，每條刻線上需測取兩個點的坐標，因此共記錄了16個靶球位置坐標，如圖4所示。

圖4 卡板刻線上定點測取靶球坐標值測量報告

(5)將測得到的靶球坐標值代入方程組(5)中，利用Excel中的函數(shù)運算功能，只需輸入靶球4個測量位置OTPi的坐標值，便能自動解算出方程組的解，即可得卡板刻線上被測點P(x,y,z)的坐標值，如圖5所示。

圖5 通過Excel函數(shù)運算功能求取筆尖坐標值

為了簡化計算過程，可對激光跟蹤儀軟件進行二次開發(fā)，將解算方程組(5)編程至激光跟蹤儀的控制程序中，在靶球4個位置坐標測量完成后，直接解算筆尖坐標值。

4.2 測量數(shù)據(jù)分析

圖6為圖4中所測靶球坐標值通過圖5所示函數(shù)運算關(guān)系轉(zhuǎn)化成筆尖坐標值，分別對應P1至P4點，即刻線上被測點的坐標。

圖6 靶球坐標值轉(zhuǎn)化為筆尖坐標值

將刻線上被測點坐標輸入工裝數(shù)模中與理論刻線進行對比。由于卡板實際刻線存在一定深度(一般0.2mm深)，被測點(筆尖)不在卡板表面(處于刻線內(nèi))，而數(shù)模中的刻線貼合卡板表面，因此，需要將輸入數(shù)模中的被測點法向投影到卡板表面，將兩投影點進行連線并在各自端點處外插延伸到與理論刻線端頭平齊。外插延伸的原因是被測點未取在卡板刻線的最端頭，而是取在接近刻線端頭的位置，目的是為了測量時取點位置精度和保證測量數(shù)據(jù)的有效性。最后，利用軟件的測量功能得到實測刻線與理論刻線偏差數(shù)據(jù)，如圖7所示。

圖7 刻線上被測點在數(shù)模中的位置坐標

圖8為實測卡板刻線a′(P1點與P2點的連線)與理論刻線a的對比圖。從圖中可以看出，實測刻線的兩端頭與理論刻線端頭的距離分別為0.01mm和0.024mm，且兩條刻線呈現(xiàn)相互交叉狀態(tài)。但實測刻線在有效長度內(nèi)與理論刻線的偏差很小，滿足圖紙刻線公差±0.2mm的要求。因此，可以認為卡板刻線a′在工裝中的實際位置是滿足設(shè)計要求的，是合格的刻線。

圖8 實測刻線a′與理論刻線a的偏差

圖9為實測卡板刻線b′(P3點與P4點的連線)與理論刻線b的對比圖。從圖中可以看出，實測刻線的兩端頭與理論刻線端頭的距離分別為0.329mm和0.52mm，實測刻線在有效長度內(nèi)與理論刻線的偏差超出0.2mm，且刻線右上端(靠近卡板型面)的偏差大于左下端的偏差。因此，可以認為卡板刻線b′在工裝中的實際位置是不滿足設(shè)計要求的，是不合格的刻線。

圖9 實測刻線b′與理論刻線b的偏差

5 結(jié)論與展望

利用激光跟蹤儀和自制輔助測量筆對工裝卡板刻線位置進行檢測是一種高效準確且可行的方法，能夠改善卡板刻線檢測精度低、檢測結(jié)果不穩(wěn)定的問題，并且檢測結(jié)果有數(shù)據(jù)支撐，直觀可信，該檢測方法的優(yōu)點在于：

(1)被測物體表面無需加工靶球座定位孔，利用測量筆可直接在被測物體表面提取坐標點；

(2)測量筆無需標定，測量筆的制造誤差和形位公差對測量結(jié)果的精度無影響，測量結(jié)果精度高；

(3)測量方法操作簡單，工作環(huán)境適應性強，可對大空間尺寸物體進行測量；

(4)可以直接在工裝上對卡板刻線的最終使用狀態(tài)進行檢測，省去傳統(tǒng)檢測過程中需要拆回卡板，先找正測量基準再檢測刻線的過程，可以避免因中間工序產(chǎn)生誤差給刻線的檢測精度造成的影響；

(5)可以直接在工裝使用場地進行檢測，無需將卡板運至檢測單位進行檢測，可以降本提效。

生產(chǎn)實踐表明，該檢測方法不僅可以實現(xiàn)物體表面刻線的檢測，還可以在不使用靶球座的條件下直接提取被測物體表面點的坐標，為零件曲面外形的檢測提供了一種有效的檢測手段。