王軍杰　方憶湘　靳江艷　劉平

（河北科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河北　石家莊　050018）

基于激光跟蹤儀的飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)艙罩后段上蓋組件測(cè)量應(yīng)用

王軍杰方憶湘靳江艷劉平

（河北科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河北石家莊050018）

飛機(jī)制造過程中，零組件、部件的外形精度和質(zhì)量直接影響飛機(jī)氣動(dòng)性的精度質(zhì)量。以某型號(hào)通用飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)罩艙后段上蓋組件為典型研究對(duì)象，應(yīng)用激光跟蹤測(cè)量技術(shù)，針對(duì)其外形進(jìn)行測(cè)量，對(duì)測(cè)量過程中涉及的測(cè)量方法和激光跟蹤儀站位設(shè)置等關(guān)鍵問題進(jìn)行了研究和探討。最終完成飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)罩艙后段上蓋組件的測(cè)量

激光跟蹤儀；發(fā)動(dòng)機(jī)艙罩；組件；測(cè)量

通用航空飛機(jī)通常采用由零件、組合件、板件、段件（部件的可分段裝配組件）到部件并經(jīng)部件對(duì)接形成整個(gè)飛機(jī)產(chǎn)品的制造與裝配的方法［1］。零組件、部件外形的精度控制，對(duì)保證飛機(jī)產(chǎn)品裝配協(xié)調(diào)及其幾何外形非常重要。近年來，隨著飛機(jī)產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造技術(shù)的發(fā)展，尤其是基于模型的定義技術(shù)（MBD）在各類飛機(jī)產(chǎn)品研發(fā)中的應(yīng)用，傳統(tǒng)的零組件、部件外形測(cè)量方法已難于適應(yīng)現(xiàn)代飛機(jī)制造的要求。而以激光跟蹤儀為代表的數(shù)字化測(cè)量設(shè)備，在零組件、部件外形測(cè)量中發(fā)揮了愈來愈重要的作用。

1　激光跟蹤測(cè)量技術(shù)

激光跟蹤儀為集激光干涉測(cè)距技術(shù)、光電檢測(cè)技術(shù)、精密機(jī)械技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代數(shù)值計(jì)算理論等于一體的新型測(cè)量?jī)x器［2］，通過數(shù)字化設(shè)計(jì)模型提取的理論數(shù)據(jù)與測(cè)量獲取數(shù)據(jù)的比對(duì)評(píng)價(jià)，實(shí)現(xiàn)零組件、部件外形的精確測(cè)量。激光跟蹤儀是基于球坐標(biāo)系的空間坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的靜態(tài)坐標(biāo)測(cè)量和動(dòng)態(tài)軌跡跟蹤。目前使用的LeicaAT901-LR激光跟蹤儀的測(cè)量范圍已達(dá)160m，測(cè)量精度達(dá)到15μm+6μm/m。激光跟蹤儀測(cè)量原理如圖1所示，即通過測(cè)量一個(gè)長(zhǎng)度和兩個(gè)角度（一個(gè)方位角、一個(gè)高度角）來確定被測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)：設(shè)跟蹤器的旋轉(zhuǎn)中心和被測(cè)靶鏡的中心分別為O點(diǎn)和P點(diǎn)。兩個(gè)角度編碼器可分別測(cè)量出P點(diǎn)的水平方位角α和垂直方位角β，激光干涉儀可測(cè)得O點(diǎn)到P點(diǎn)的距離D，那么P點(diǎn)坐標(biāo)（X，Y，Z）可由下列公式計(jì)算得出：

圖1　激光跟蹤儀測(cè)量原理

2　基于激光跟蹤儀的典型零組件外形測(cè)量

某發(fā)動(dòng)機(jī)艙罩后段上蓋組件如圖2所示，根據(jù)設(shè)計(jì)要求對(duì)其外形進(jìn)行測(cè)量并進(jìn)行分析。

2.1測(cè)量任務(wù)分析

測(cè)量任務(wù)分析主要包括該發(fā)動(dòng)機(jī)艙罩后段上蓋組件采用的測(cè)量方式，測(cè)量對(duì)象和對(duì)應(yīng)測(cè)量對(duì)象處的公差要求，然后設(shè)置相應(yīng)激光跟蹤儀的站位，完成該發(fā)動(dòng)機(jī)艙罩后段上蓋組件的測(cè)量。

2.1.1測(cè)量方式

該發(fā)動(dòng)機(jī)艙罩后段上蓋組件外形由于其剛度不夠，在型架上組裝完后會(huì)產(chǎn)生一定的變形，因此測(cè)量方式主要采用架下測(cè)量，即在組裝完成后先在架上測(cè)量合格后，然后取下并在型架下再進(jìn)行檢測(cè)。架下測(cè)量采用粗定位和精確定位兩步完成測(cè)量坐標(biāo)系到裝配坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)化。

2.1.2測(cè)量對(duì)象及公差要求

該發(fā)動(dòng)機(jī)艙罩后段上蓋組件的測(cè)量對(duì)象是其整個(gè)外形，公差要求是整個(gè)外形的公差要求是1.5mm，且超出誤差范圍內(nèi)的點(diǎn)不得超過總數(shù)的8%，最大超出點(diǎn)的誤差不大超過要求的120%，即最大超差點(diǎn)的誤差應(yīng)在±1.8mm內(nèi)。

2.1.3站位設(shè)置

Leica AT901 LR激光跟蹤儀的測(cè)量范圍已達(dá)160m，測(cè)量精度達(dá)到15μm+6μm/m。同時(shí)考慮到激光跟蹤儀布站原則，激光跟蹤儀設(shè)置在該發(fā)動(dòng)機(jī)艙罩后段上蓋組件的中間，距離為2.5mm左右處。

2.2測(cè)量方案實(shí)施

2.2.1粗定位

將該發(fā)動(dòng)機(jī)艙罩后段上蓋組件stp格式的CAD模型導(dǎo)入到計(jì)算機(jī)測(cè)量軟件中。此CAD模型包含零組件及部件的MBD數(shù)字化定義模型。在此CAD模型上選取六個(gè)特征點(diǎn)如圖2所示，此六個(gè)特征點(diǎn)應(yīng)盡量包括該曲面的所有特征，且要限制住此型面的六個(gè)自由度。然后在設(shè)置好的激光跟蹤儀站位下，測(cè)量此六個(gè)特征點(diǎn)，通過最小二乘法完成該發(fā)動(dòng)機(jī)艙罩后段的初步對(duì)齊。

2.2.2精定位

六點(diǎn)粗定位后，該發(fā)動(dòng)機(jī)艙罩后段上蓋組件在激光跟蹤儀下的測(cè)量坐標(biāo)系已經(jīng)初步轉(zhuǎn)化到裝配坐標(biāo)系下，結(jié)合該組件的自身特點(diǎn)，對(duì)其關(guān)鍵測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量。因組件一般較小，考慮測(cè)量效率和測(cè)量準(zhǔn)確度，一般直接通過掃描其外形，測(cè)量出外形的OTP點(diǎn)如圖所示，然后將掃描測(cè)量出來的OTP點(diǎn)云和數(shù)模CAD模型通過最小二乘法進(jìn)行迭代擬合，最終完成該發(fā)動(dòng)機(jī)艙罩后段上蓋組件的精確定位，完成基準(zhǔn)的統(tǒng)一。同時(shí)最佳擬合完成后，將掃描測(cè)量出來的OTP點(diǎn)的偏差值顯示出來。

圖2　某發(fā)動(dòng)機(jī)艙罩后段上蓋組件

2.3測(cè)量報(bào)告與分析

測(cè)量報(bào)告如圖3所示，可見有8個(gè)測(cè)量點(diǎn)超差。原則上每個(gè)OTP點(diǎn)的超差值不得超過其公差的20%，并且超差總數(shù)少于8%的屬于合格產(chǎn)品。而此組件外形只有一個(gè)點(diǎn)的誤差為-2mm，超出公差要求的±1.5mm的20%，對(duì)此點(diǎn)進(jìn)行分析由于其外形周圍只有此點(diǎn)超差，可判定是測(cè)量因素造成的。最終通過測(cè)量分析該發(fā)動(dòng)機(jī)艙罩后段上蓋組件外形合格。

圖3　測(cè)量報(bào)告

3　結(jié)語

本文應(yīng)用激光跟蹤測(cè)量技術(shù)，以某型號(hào)通用飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)艙罩后段上蓋組件為典型研究對(duì)象，研究了組件外形測(cè)量中的主要技術(shù)問題，實(shí)現(xiàn)了組件外形的測(cè)量。通過分析該組件外形的測(cè)量方式、跟蹤儀站位設(shè)置等問題，給出了測(cè)量方案，實(shí)現(xiàn)了組件外形的測(cè)量。實(shí)際應(yīng)用表明，采用上述技術(shù)和方法能夠精確、高效的完成組件外形測(cè)量。后續(xù)研究將進(jìn)一步深化數(shù)字化測(cè)量技術(shù)在工程實(shí)際中的應(yīng)用，減少測(cè)量誤差，提高裝配效率和裝配質(zhì)量。

［1］ 胡問鳴.通用飛機(jī).第1版.北京:航空工業(yè)出版社，2008: 3-8

［2］ 王彥喜，閔俊，劉剛.激光跟蹤儀在飛機(jī)型架裝配中的應(yīng)用［J］.航空制造技術(shù)，2010（19）:92-97.

V262.4；V260.5

A

1003-5168（2015）11-035-02

王軍杰（1988-）男，漢族，河北邢臺(tái)人，現(xiàn)為河北科技大學(xué)在讀碩士研究生，主要研究方向?yàn)閿?shù)字化測(cè)量。

方憶湘為通訊作者。