王 巍，李 昂，M D H E L A L MI A H

（沈陽航空航天大學(xué)航空航天工程學(xué)部，遼寧 沈陽110000）

隨著數(shù)字化制造技術(shù)的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，傳統(tǒng)飛機產(chǎn)品的研制過程發(fā)生了根本性的變革，大幅度地提高了飛機設(shè)計與制造的技術(shù)水平。因此，在測量整機產(chǎn)品和大尺寸件時對測量技術(shù)、測量設(shè)備提出了更高的要求[1]。傳統(tǒng)的測量技術(shù)已難以滿足飛機制造中快速、高效、高精度檢測要求，數(shù)字化測量技術(shù)已成為打通飛機復(fù)雜零件與大尺寸零部件設(shè)計、制造、裝配、檢測一體化流程，提升檢測效率與水平的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[2]?；诩す飧檭x等數(shù)字化測量設(shè)備建立飛機數(shù)字化測量系統(tǒng)，制定相應(yīng)的測量計劃和技術(shù)規(guī)范，對飛機產(chǎn)品進行在線測量與質(zhì)量控制，已成為提高飛機產(chǎn)品檢測效率與質(zhì)量的重要手段。

1 激光跟蹤儀測量場

激光跟蹤儀是一種新型的大尺寸空間坐標(biāo)測量儀器，它集干涉測距自動跟蹤、精密機械、計算機軟件及控制技術(shù)為一體，能夠?qū)丶\動目標(biāo)進行連續(xù)動態(tài)跟蹤及三維坐標(biāo)實時測量，具有測量精度高、實時快速、操作簡單等特點，廣泛應(yīng)用于航空航天等工業(yè)制造領(lǐng)域[3]。在飛機裝配現(xiàn)場，為了實現(xiàn)對飛機部件上所有關(guān)鍵特征和關(guān)鍵對接點的測量，需要轉(zhuǎn)換激光跟蹤儀的站位或多臺激光跟蹤儀協(xié)同工作，通過激光跟蹤儀轉(zhuǎn)站技術(shù)，構(gòu)建覆蓋整個裝配空間的測量場。

1.1 激光跟蹤儀測量場的組成

激光跟蹤儀測量場主要由飛機裝配坐標(biāo)系、ERS點和飛機測量坐標(biāo)系三部分組成。

（1）飛機裝配坐標(biāo)系是飛機裝配系統(tǒng)中的唯一的基礎(chǔ)坐標(biāo)系，通常和飛機設(shè)計坐標(biāo)系重合，或者具有明確的相對關(guān)系[4]。這樣，飛機產(chǎn)品的的數(shù)字化測量結(jié)果可以直接和它的三維數(shù)模進行比較。在機身桶段測量中，可以通過測量布置在裝配現(xiàn)場上的ERS點和飛機產(chǎn)品上的基準(zhǔn)點的坐標(biāo)，采用最佳擬合的方法確立飛機裝配坐標(biāo)系與飛機設(shè)計坐標(biāo)系的相對位置關(guān)系。

（2）ERS（Enhanced Referenced System，增強的參考系統(tǒng)）點是裝配坐標(biāo)系的參考基準(zhǔn)，被合理地布置在飛機裝配和測量現(xiàn)場的地基或者平臺上。ERS點的位置是固定的，即其在裝配坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值是一定的。因此，ERS點的作用等同于裝配坐標(biāo)系，它是裝配坐標(biāo)系的物化顯示，是整個裝配系統(tǒng)的測量基準(zhǔn)。在統(tǒng)一的裝配坐標(biāo)系下，可以建立不同站位下激光跟蹤儀之間的相對關(guān)系，實現(xiàn)多個站位下激光跟蹤儀的協(xié)同運動；還可以通過比較飛機零部件在裝配坐標(biāo)系下的實際位姿和理論位姿，實現(xiàn)對飛機零部件定位精度和各部件之間的裝配準(zhǔn)確度的評價[5]。

（3）飛機測量坐標(biāo)系是飛機裝配坐標(biāo)系與激光跟蹤儀測量坐標(biāo)系的統(tǒng)一。每一臺激光跟蹤儀自身都定義了一個測量坐標(biāo)系，測量坐標(biāo)系的原點一般在激光跟蹤頭的中心位置，并隨著激光跟蹤儀站位的移動而改變。因此，在測量開始時測量坐標(biāo)系與裝配坐標(biāo)系的位置關(guān)系是不確定的，不同站位下激光跟蹤儀的測量結(jié)果也不存在關(guān)聯(lián)[6]。為了融合不同站位下的測量結(jié)果，需要通過測量飛機產(chǎn)品全部的基準(zhǔn)點和多個ERS點的實際坐標(biāo)，確定每個站位下的測量坐標(biāo)系到裝配坐標(biāo)系之間的相對位置關(guān)系，即建立統(tǒng)一的飛機測量坐標(biāo)系。此時所有測量站位下的測量值都將轉(zhuǎn)換到同一坐標(biāo)系下。

1.2 建立飛機測量坐標(biāo)系

建立飛機測量坐標(biāo)系的常用方法有三種：

（1）最佳擬合法：通過對兩組空間坐標(biāo)點的三維坐標(biāo)進行分析，將其中一組數(shù)據(jù)進行平移和旋轉(zhuǎn)，基于最小二乘算法計算出兩組數(shù)據(jù)最小化相對誤差的平方和以達到尋找數(shù)據(jù)的最佳函數(shù)匹配。

（2）JUMP儀器法：當(dāng)飛機產(chǎn)品基準(zhǔn)點空間距離較遠，超出激光跟蹤儀測量范圍時，需要對激光跟蹤儀進行轉(zhuǎn)站，使用JUMP儀器法建立坐標(biāo)系。首先，利用激光跟蹤儀對第一測量站位下的基準(zhǔn)點進行數(shù)據(jù)采集，完成后將設(shè)備轉(zhuǎn)移到下一站位，利用JUMP儀器功能對第二個測量站位下的基準(zhǔn)點進行數(shù)據(jù)采集。然后，通過測量ERS點完成兩個站位之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移，在第二測量站位下得到所有飛機產(chǎn)品基準(zhǔn)點的測量值。最后，將轉(zhuǎn)站后的飛機基準(zhǔn)點測量值與理論值利用最佳擬合法建立飛機測量坐標(biāo)系。

利用ASP.NET與SQL Server設(shè)計開發(fā)學(xué)習(xí)平臺。學(xué)習(xí)平臺包括課程管理、資源管理、練習(xí)考試、選課評教、教師管理、學(xué)生管理、日志管理等模塊。日志管理模塊通過Log4j記錄學(xué)生進行網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)時產(chǎn)生的日志數(shù)據(jù)。選課評價模塊中，學(xué)生能夠自行選課和退課，并可以對教師進行評價和評分，讓好的老師脫穎而出，不好的淘汰。學(xué)習(xí)平臺上的資源主要是按照知識點錄制的短視頻，方便學(xué)生對知識點進行查漏補缺，也便于教師對資源進行更新和管理，教師可以利用知識點資源構(gòu)建課程。

（3）束調(diào)整法：是針對測量產(chǎn)品基準(zhǔn)點分布在不同方向的位置，實現(xiàn)多站位下對基準(zhǔn)點的采集方法。通過對多個站位下ERS點的測量值進行束調(diào)整，計算激光跟蹤儀轉(zhuǎn)站的位置和角度，得到基準(zhǔn)點測量值間的最小擬合誤差，將多個站位下的ERS點擬合在最后一個站位上，從而實現(xiàn)所有飛機基準(zhǔn)點的測量值統(tǒng)一到一個測量站位下。統(tǒng)一站位后的基準(zhǔn)點測量值可以與基準(zhǔn)點理論值進行最佳擬合建立飛機測量坐標(biāo)系。

1.3 轉(zhuǎn)站

激光跟蹤儀測量站位的轉(zhuǎn)換，簡稱轉(zhuǎn)站。對于機身桶段這種大尺寸測量件，需要多個站位下的測量坐標(biāo)系才能反映其全部關(guān)鍵特性的位置坐標(biāo)，所以激光跟蹤儀要進行轉(zhuǎn)站。由空間幾何原理可以知道，兩個空間坐標(biāo)系需要建立聯(lián)系，至少需要不在同一直線上三點的空間坐標(biāo)（兩個坐標(biāo)系下），這樣才能得到空間兩個坐標(biāo)原點間的空間關(guān)系[7]。因此，激光跟蹤儀可以通過測量不共線的三個以上的ERS點，運用剛性點匹配算法來求出不同站位下的測量坐標(biāo)系之間、測量坐標(biāo)系與裝配坐標(biāo)系之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)，將多個站位下測量坐標(biāo)系的測量值轉(zhuǎn)換到同一個坐標(biāo)系下。

2 激光跟蹤儀在某型飛機前機身桶段測量中的應(yīng)用

按照標(biāo)準(zhǔn)的測量計劃，使用激光跟蹤儀對飛機大部件進行在線測量，已成為提高飛機大部件檢測效率與產(chǎn)品質(zhì)量的重要手段。現(xiàn)結(jié)合某型飛機前機身桶段關(guān)鍵特性和關(guān)鍵對接點的在線測量和數(shù)據(jù)分析過程，介紹基于激光跟蹤儀的飛機數(shù)字化測量技術(shù)在飛機產(chǎn)品檢測中具體的應(yīng)用情況。

（1）布置ERS點

ERS點作為整個測量系統(tǒng)的基準(zhǔn)，一旦布置完成則不能移動。因此，ERS點最好布置在穩(wěn)定不動的地基或平臺上，避免其受到振動、熱變形等因素的影響。在機身桶段測量中ERS點應(yīng)該具有一定的數(shù)量，能夠覆蓋整個測量場，并且要避免所有ERS點都布置在同一條直線上。ERS點的布置要分散，保證激光跟蹤儀在測量場中的每個站位都能拾取到足夠的ERS點，同時每個站位能夠拾取到的ERS點所組成的包絡(luò)面需完全包含此站位所測量的內(nèi)容。

（2）建立飛機測量坐標(biāo)系

在不同站位測量全部7個機身基準(zhǔn)點坐標(biāo)，并且測量裝配現(xiàn)場所布置ERS點的位置。利用機身基準(zhǔn)點理論坐標(biāo)與其測量值在軟件中進行最佳擬合，建立飛機測量坐標(biāo)系。機身基準(zhǔn)點位置如圖1所示。

圖1 機身基準(zhǔn)點位置圖

已知七個理論基準(zhǔn)點為pi=（xi，yi，z）i，i=1、2、3...7，實際測量點為p′i=（xi，yi，z）iT，i=1、2、3...7，利用最小二乘法求解目標(biāo)函數(shù)：使得理論坐標(biāo)系與測量坐標(biāo)系有最優(yōu)解R與T.

機身基準(zhǔn)點理的論值為：

基于測量系統(tǒng)軟件，在最小二乘擬合算法的基礎(chǔ)上對各個基準(zhǔn)點坐標(biāo)在設(shè)計制造基準(zhǔn)方向加入權(quán)重比例系數(shù)，保證在各個方向的裝配準(zhǔn)確度，如圖2所示。

圖2 最佳擬合法建立飛機測量坐標(biāo)系

（3）某機前機身關(guān)鍵特性和關(guān)鍵對接點測量

某機前機身由上壁板組件、左側(cè)壁板組件、右側(cè)壁板組件、下壁板組件、機身隔框、機身艙門（包括兩個登機和一個貨艙門）、地板組件等部分組成。關(guān)鍵特性一般定位在協(xié)調(diào)部位[8]，某機前機身關(guān)鍵特性和關(guān)鍵對接點包括：機身基準(zhǔn)點、蒙皮端部外形、帶板外形、機身內(nèi)部滾動軸承、機身對稱孔、座椅滑軌孔、長桁上表面、艙門框蒙皮端面輪廓等。某機前機身關(guān)鍵特性和關(guān)鍵對接點位置如圖3所示。

圖3 某機前機身關(guān)鍵特性和關(guān)鍵對接點

由于機身桶段過大，在測量一些關(guān)鍵部位隱藏的洞腔和孔位點時，激光跟蹤儀展現(xiàn)出極大的局限性[9]。利用激光跟蹤儀和T-CAM攝像頭相結(jié)合實現(xiàn)動態(tài)的駐機定位（6個自由度的跟蹤），可以有效解決這一問題，大幅度地縮短產(chǎn)品的檢測周期。使用激光跟蹤儀測量時，T-Cam能夠隨時跟蹤目標(biāo)設(shè)備，并獲取其位置參數(shù)（x，y，z）和定位參數(shù)（俯仰，搖擺，自轉(zhuǎn)），這六個測量參數(shù)確定了目標(biāo)設(shè)備與激光跟蹤儀的關(guān)系[10]。目前最常用的目標(biāo)設(shè)備是T-Probe，其具有尺寸小、重量輕、使用方便且精度高等優(yōu)點。在8.5 m范圍內(nèi)，T-probe測量結(jié)果的空間長度誤差不超過60μm.

在對機身基準(zhǔn)點進行測量時要采用面線交點法間接測量。在基準(zhǔn)點導(dǎo)孔所在的平面上取3點測量，確定基準(zhǔn)點偏置平面。基準(zhǔn)點所在孔兩側(cè)平面可能存在階差，測量時選點應(yīng)保證在同一平面上。利用標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)接套在基準(zhǔn)點所在孔軸線上取兩點進行測量。最后，采用面線交點法得到基準(zhǔn)點坐標(biāo)。

在測量蒙皮端部外形等關(guān)鍵特性時，由于受到空間限制，需要在測量過程中使用標(biāo)準(zhǔn)的轉(zhuǎn)接套。對轉(zhuǎn)接套的使用需要注意以下幾點：測量開始前應(yīng)對轉(zhuǎn)接套數(shù)量、種類進行核實；使用轉(zhuǎn)接套前應(yīng)確保轉(zhuǎn)接套完整，潔凈，無損傷；使用轉(zhuǎn)接套測量時要確保通用球座與轉(zhuǎn)接套之間，轉(zhuǎn)接套與產(chǎn)品之間緊密貼合、不晃動。

（4）轉(zhuǎn)站

在跟蹤儀轉(zhuǎn)站前后分別測量ERS點的坐標(biāo)值，以第一個站位下測得的坐標(biāo)值為“理論值”，第二個站位下測得的坐標(biāo)值為“測量值”，用最佳擬合的方法實現(xiàn)轉(zhuǎn)站前后坐標(biāo)系的定位轉(zhuǎn)化。由轉(zhuǎn)站的原理可知，轉(zhuǎn)站時引入的誤差將影響到飛機測量坐標(biāo)系中的每一個測量點。因此，在這里產(chǎn)生的誤差是必須首先控制的。除設(shè)備系統(tǒng)誤差、環(huán)境參數(shù)、操作規(guī)范性等因素外，ERS的布局是影響轉(zhuǎn)站精度的主要因素。以某型飛機前機身桶段測量為例，激光跟蹤儀站位變換后，需至少拾取4個ERS點以建立包絡(luò)面?；鶞?zhǔn)擬合允許誤差為0.76 mm，轉(zhuǎn)站誤差應(yīng)低于0.122 mm.每次轉(zhuǎn)站測量前均需要對設(shè)備進行溫度、材料補償和標(biāo)尺校正。

（5）數(shù)據(jù)分析

利用CATIA軟件宏命令功能將測量結(jié)果提供的.TXT文件導(dǎo)入CATIA數(shù)模。測量數(shù)據(jù)導(dǎo)入后，利用測量結(jié)果在CATIA軟件內(nèi)構(gòu)建基準(zhǔn)面。利用TA1，TA2，TA3，TA4建立面TA并與理論面重合；過TB1，TB2兩點建立與面TA向垂直的面TB并與理論面重合；過TC1建立與TA和TB均垂直的面TC并與理論面重合。利用CATIA軟件的測量功能計算出基準(zhǔn)點的偏移量，某架前機身基準(zhǔn)點偏移量如表1所示。

表1 某架前機身基準(zhǔn)點偏移量

基準(zhǔn)面擬合后，在CATIA數(shù)模內(nèi)選取測量得到的關(guān)鍵特性和關(guān)鍵對接點，并利用軟件的測量功能計算測量結(jié)果到產(chǎn)品數(shù)模的點面距離并記錄數(shù)值，減掉工具球半徑及球座和轉(zhuǎn)接套的偏置量，得到實際偏差數(shù)值。如果是需要采用面線交點法間接測量的關(guān)鍵特性和關(guān)鍵對接點，則要在基準(zhǔn)面擬合后，在CATIA數(shù)模內(nèi)選取機身對應(yīng)的測量點組合利用面上三點確定投影平面，利用軸線兩點建立的軸線向投影平面投影，將投影點沿軸線方向偏移工具球半徑，求出關(guān)鍵特性和關(guān)鍵對接點的測量值。

3 結(jié)束語

本文介紹了激光跟蹤儀工作原理和基于激光跟蹤儀的機身桶段測量技術(shù)，總結(jié)了激光跟蹤儀在大型飛機機身桶段關(guān)鍵特性在線測量中的應(yīng)用。在我國大飛機產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展的今天，對大型機身桶段測量的要求不斷提高，數(shù)字化測量技術(shù)在機身桶段測量中的作用越來越重要?；诩す飧檭x數(shù)字化測量技術(shù)，制定準(zhǔn)確高效的測量計劃，對關(guān)鍵特性點進行在線測量，合理控制誤差范圍，對測量結(jié)果進行數(shù)據(jù)分析并快速生成產(chǎn)品的測量報告。相較于傳統(tǒng)的測量方法，可以極大地提高測量效率、縮短產(chǎn)品的檢測周期，提高測量精度進而提高飛機裝配質(zhì)量，對于快速提升我國飛機數(shù)字化制造水平具有重要意義。

[1]安志勇，曹 秒，段 潔.數(shù)字化測量技術(shù)在飛機裝配中的應(yīng)用[J].航空制造技術(shù)，2013（18）：48-51.

[2]陳雪梅，劉順濤.飛機數(shù)字化裝配技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用[J].航空制造技術(shù)，2014（Z1）：60-65.

[3]馮子明.飛機數(shù)字化裝配技術(shù)[M].北京：航空工業(yè)出版社，2015.

[4]金漲軍.飛機裝配中大尺寸測量場的建立與優(yōu)化技術(shù)[D].杭州：浙江大學(xué)，2016.

[5]劉楚輝，柯映林.飛機翼身對接裝配中的接頭測量與評價技術(shù)[J].浙江大學(xué)學(xué)報（工學(xué)版），2011（02）：201-208.

[6]金正琪.提高激光跟蹤儀轉(zhuǎn)站測量精度的技術(shù)研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2013.

[7]韓清華，鄭 保，郭宏利，等.采用激光跟蹤儀測量飛機外形[J].航空計測技術(shù)，2004（01）：15-16，33.

[8]尹 峰，王 巍，梁 濤.基于關(guān)鍵特性的數(shù)字化容差分配技術(shù)研究[J].航空制造技術(shù)，2011，（22）：53-56，80.

[9]王 巍，安宏喜，趙永拓.基于關(guān)鍵特性的數(shù)字化飛機檢測技術(shù)研究[J].機械設(shè)計與制造，2015（03）：240-243.

[10]馬劍鋒.導(dǎo)彈數(shù)字化柔性對接系統(tǒng)設(shè)計及試驗研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2014.