趙采儀，陸永華，葉志斌，高鋮

(南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，江蘇 南京 210016)

0 引言

某型戰(zhàn)斗機(jī)在總裝階段，需要將飛控系統(tǒng)伺服作動(dòng)器分別安裝在內(nèi)外副翼、鴨翼和尾翼對(duì)零位處的一組雙耳孔之間。由于兩組雙耳孔之間的距離是固定的，因此需要測(cè)量出每一組雙耳孔中心的空間距離，從而調(diào)節(jié)作動(dòng)器的安裝長(zhǎng)度以適應(yīng)安裝空間的需要。其中，作動(dòng)器長(zhǎng)度的調(diào)節(jié)精度為0.5mm，因此雙耳孔空間距離測(cè)量精度要求達(dá)到0.1mm。在總裝生產(chǎn)線中，機(jī)翼固定在離地面約2m高的型架上，需要在機(jī)翼下方進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)雙耳片的上部為機(jī)翼內(nèi)腔，存在障礙物的限制，無(wú)法直接在安裝作動(dòng)器的雙耳孔之間布置測(cè)量裝置。

空間點(diǎn)的測(cè)量在工程上常常采用激光跟蹤儀[1-2]，但狹小的測(cè)量空間限制了這種大型測(cè)量設(shè)備的使用。其次由于在機(jī)測(cè)量的限制，現(xiàn)階段使用的其他測(cè)量方法和測(cè)量手段，例如在每組雙耳孔之間橫向布置距離傳感器，但也難以獲得雙耳片孔中心距離的準(zhǔn)確結(jié)果，給作動(dòng)器的安裝調(diào)試工作造成極大的不便。同時(shí)測(cè)量方式為在機(jī)測(cè)量，傳統(tǒng)的接觸式測(cè)量方式也難以適用[3]。

因此，本文提出激光三角法測(cè)量方案，采用兩個(gè)激光位移傳感器和一個(gè)絕對(duì)式編碼器，結(jié)合余弦定理[4]實(shí)現(xiàn)空間兩點(diǎn)距離的測(cè)量。該測(cè)量裝置可以用三腳支架進(jìn)行支撐，裝置外形如圖1所示。該測(cè)量裝置可以在飛機(jī)最后的總裝階段一次性測(cè)出兩組雙耳片孔中心的相對(duì)距離，以操作人員的熟練度為準(zhǔn)，測(cè)量時(shí)間約為每組1～2min，方便作動(dòng)器調(diào)零位。

圖1 空間雙耳孔中心距測(cè)量裝置示意圖

1 測(cè)量原理及系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 測(cè)量原理介紹

考慮到機(jī)翼對(duì)零位雙耳片作動(dòng)器安裝調(diào)試空間狹小，雙耳片上部空間有障礙物等因素，本文提出了一種利用激光位移傳感器[5]實(shí)現(xiàn)的孔中心距三角測(cè)量法[6]，將激光位移傳感器布置在雙耳片連線下方空間，測(cè)量原理如圖2所示。

圖2 測(cè)量原理示意圖

測(cè)量原理如下：1)在兩個(gè)雙耳片孔內(nèi)分別安裝靶球#1及靶球#2，靶球球心應(yīng)位于雙耳片兩孔的連線中點(diǎn)，以靶球球心代替待測(cè)零件雙耳片孔[7]，即將雙耳片孔的位置抽象為靶球球心的位置；2)激光位移傳感器#1用于測(cè)量靶球#1到測(cè)量裝置轉(zhuǎn)動(dòng)軸中心的距離a，激光位移傳感器#2用于測(cè)量靶球#2到測(cè)量裝置轉(zhuǎn)動(dòng)軸中心的距離b。激光位移傳感器#1與激光位移傳感器#2的相對(duì)轉(zhuǎn)角β通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)軸上安裝的高精度絕對(duì)式旋轉(zhuǎn)編碼器[8]測(cè)量獲得；3)根據(jù)余弦定理及靶球半徑補(bǔ)償[9-10]，能夠求得兩靶球球心之間的距離，即兩組雙耳片孔中心距離。

1.2 測(cè)量裝置設(shè)計(jì)

利用激光位移傳感器實(shí)現(xiàn)的兩雙耳孔中心距離三角測(cè)量法原理，設(shè)計(jì)的測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要由三腳支架、旋轉(zhuǎn)基座、直線導(dǎo)軌、伸縮液壓桿、旋轉(zhuǎn)編碼器、激光位移傳感器及輔助機(jī)械結(jié)構(gòu)等部分組成。

1—激光位移傳感器#1；2—伸縮液壓桿#1；3—直線導(dǎo)軌；4—三腳支架；5—旋轉(zhuǎn)基座；6—伸縮液壓桿#2；7—旋轉(zhuǎn)編碼器；8—激光位移傳感器#2。圖3 測(cè)量裝置設(shè)計(jì)圖

圖3展示的雙耳片中心孔距離測(cè)量裝置具有5個(gè)自由度，2個(gè)激光位移傳感器的高度、角度等位置都能快速、有效地進(jìn)行調(diào)節(jié)，同時(shí)設(shè)計(jì)了伸縮液壓桿及帶阻尼的直線導(dǎo)軌用于激光位移傳感器的輔助定位，避免測(cè)量過(guò)程中抖動(dòng)產(chǎn)生的測(cè)量誤差，提高測(cè)量的準(zhǔn)確性。

由于雙耳孔中心位置不能直接確定，本文通過(guò)如圖4所示的用于雙耳片孔中心距測(cè)量的靶球確定雙耳孔中心的位置。靶球主要由靶球座、目標(biāo)球體組成：1)靶球座的一段軸與錐形雙耳孔間隙配合，用于靶球的安置；2)另一側(cè)設(shè)計(jì)為靶球固定環(huán)與靶球座螺紋連接固定在雙耳孔上，保證靶球與雙耳片緊密貼合，同時(shí)避免振動(dòng)等造成靶球位置的偏移，影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性；3)目標(biāo)球體是一個(gè)直徑為1mm的球體，實(shí)際測(cè)量時(shí)，激光位移傳感器的照射激光應(yīng)該準(zhǔn)確地照射在目標(biāo)球體表面。靶球裝置安裝到位后，目標(biāo)球體球心位于雙耳片的兩孔中心連線中點(diǎn)位置最佳，兩個(gè)雙耳片的靶球同側(cè)安放，兩個(gè)靶球球心之間的距離即為兩個(gè)雙耳片孔中心距離。

圖4 靶球示意圖

1.3 測(cè)量系統(tǒng)

激光位移傳感器與旋轉(zhuǎn)編碼器均提供串口數(shù)據(jù)輸出[11]，通過(guò)筆記本計(jì)算機(jī)或工控機(jī)都可以直接從激光位移傳感器和旋轉(zhuǎn)編碼器讀取測(cè)量數(shù)據(jù)，進(jìn)而對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析、計(jì)算等處理，獲得雙耳片中心孔距離測(cè)量結(jié)果，雙耳孔中心距離測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 測(cè)量流程及數(shù)據(jù)處理方法

2.1 測(cè)量流程

圖6為雙耳片孔中心距離測(cè)量系統(tǒng)工作流程圖。測(cè)量時(shí)，調(diào)節(jié)三腳支架及旋轉(zhuǎn)升降臺(tái)等機(jī)構(gòu)，使得測(cè)量激光對(duì)準(zhǔn)雙耳孔上的靶球，從激光位移傳感器#1、激光位移傳感器#2和絕對(duì)式編碼器讀取測(cè)量數(shù)據(jù)，通過(guò)軟件對(duì)傳感器獲取的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算、補(bǔ)償?shù)龋瑥亩@得雙耳片孔中心距的測(cè)量值。

圖6 測(cè)量系統(tǒng)流程圖

具體測(cè)量流程如下：

a)標(biāo)定。通過(guò)已知距離的標(biāo)準(zhǔn)雙耳片孔對(duì)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定；

b)靶球裝置安裝。將兩個(gè)合適型號(hào)的安裝座分別放置到兩個(gè)雙耳片孔中，端面限位；

c)測(cè)量裝置位姿調(diào)節(jié)。

1)通過(guò)三腳支架粗調(diào)測(cè)量裝置的高度；

2)通過(guò)二維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)調(diào)節(jié)測(cè)量設(shè)備在x方向和y方向上的位置，調(diào)節(jié)伸縮液壓桿和旋轉(zhuǎn)支座，使其中一個(gè)激光位移傳感器的測(cè)量激光束對(duì)準(zhǔn)靶球中心；

3)保持一側(cè)激光位移傳感器的位置不變，繞支座旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)伸縮液壓桿，最終使兩束激光束同時(shí)照射到靶球中心；

d)數(shù)據(jù)采集與處理。通過(guò)按鍵觸發(fā)，軟件系統(tǒng)讀取兩個(gè)激光位移傳感器以及絕對(duì)式編碼器的測(cè)量數(shù)據(jù)，軟件系統(tǒng)將讀取到的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行處理后獲得兩個(gè)雙耳片孔中心的距離；

e)結(jié)果輸出與保存。將上一步計(jì)算獲得的結(jié)果在GUI界面輸出，并將測(cè)量數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果保存在本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)中；

f)結(jié)束測(cè)量。

2.2 測(cè)量數(shù)據(jù)處理

根據(jù)測(cè)量尺寸參數(shù)，可以得到靶球#1球心到轉(zhuǎn)動(dòng)鉸點(diǎn)P的距離l1和靶球#2球心到轉(zhuǎn)動(dòng)鉸點(diǎn)P的距離l2，如圖7所示。

圖7 測(cè)量數(shù)據(jù)處理示意圖

根據(jù)圖7所示的各個(gè)參數(shù)，可得到下列關(guān)系式：

l1=r+a+m

(1)

l2=r+b+n

(2)

由余弦定理可得兩靶球球心之間的距離為

(3)

式中：r為靶球球體半徑；a、b分別為激光位移傳感器#1和#2的測(cè)量值，即激光位移傳感器#1和#2分別距靶球#1和#2球體表面的距離；m和n為機(jī)械結(jié)構(gòu)的尺寸；β為激光位移傳感器#2相對(duì)于激光位移傳感器#1的轉(zhuǎn)角；c為兩個(gè)靶球球體球心之間的距離，即最終測(cè)量得到的雙耳片中心孔距離。

3 測(cè)量系統(tǒng)標(biāo)定

3.1 標(biāo)定方法介紹

根據(jù)前文所述，測(cè)量系統(tǒng)涉及到的幾個(gè)輸入?yún)?shù)中，m和n為機(jī)械結(jié)構(gòu)尺寸，由于測(cè)量裝置復(fù)雜且存在裝配誤差，因此m和n的長(zhǎng)度無(wú)法通過(guò)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)直接得到，而且難以通過(guò)游標(biāo)卡尺等傳統(tǒng)測(cè)量工具測(cè)出，所以要通過(guò)測(cè)量?jī)蓚€(gè)已知的標(biāo)準(zhǔn)距離標(biāo)定出m和n的長(zhǎng)度。除此之外，絕對(duì)式旋轉(zhuǎn)編碼器的讀數(shù)值和實(shí)際的目標(biāo)值β存在一個(gè)差值d的關(guān)系，因此需要對(duì)3個(gè)參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定。標(biāo)定完成后，測(cè)量裝置即可投入使用，無(wú)需每次測(cè)量前都進(jìn)行標(biāo)定工作，即只需出廠時(shí)完成一次標(biāo)定工作，大大提高了測(cè)量效率。

被測(cè)量雙耳片孔中心距離在800～1 300mm之間，所以選擇800mm、1 000mm和1 300mm長(zhǎng)度作為標(biāo)定距離，如圖8所示。

圖8 標(biāo)定示意圖

c12=(r+a1+m)2+(r+b1+n)2-2(r+a1+m)(r+b1+n)cos(d+β1)

(4)

c22=(r+a2+m)2+(r+b2+n)2-2(r+a2+m)(r+b2+n)cos(d+β2)

(5)

c32=(r+a3+m)2+(r+b3+n)2-2(r+a3+m)(r+b3+n)cos(d+β3)

(6)

式中：c1=800mm、c2=1 000mm、c3=1 300mm；a1、a2、a3、b1、b2、b3分別由兩個(gè)激光位移傳感器測(cè)量得到；β1、β2、β3由絕對(duì)式旋轉(zhuǎn)編碼器的測(cè)量結(jié)果得到。

進(jìn)行兩次標(biāo)準(zhǔn)距離的測(cè)量，聯(lián)立式(4)-式(6)，即可計(jì)算出m和n的長(zhǎng)度以及絕對(duì)式旋轉(zhuǎn)編碼器的初始值d，從而完成激光位移傳感器發(fā)射面到旋轉(zhuǎn)軸中心距離值的標(biāo)定和絕對(duì)式旋轉(zhuǎn)編碼器的標(biāo)定。

3.2 標(biāo)定誤差分析

在設(shè)計(jì)激光位移傳感器固定器以及連桿時(shí)，通過(guò)固定板上的定位面以及連桿的定位孔使激光位移傳感器發(fā)射激光的光源與連桿的中心處于同一直線。在安裝過(guò)程中，根據(jù)裝配要求盡量使它們處于同一直線，但由于存在加工誤差以及安裝過(guò)程中人為造成的偏差，安裝好測(cè)量臂后，激光位移傳感器發(fā)射端與連桿軸線不一定處于同一直線上，即存在角度偏差，如圖9所示。

圖9 標(biāo)定誤差分析

激光位移傳感器的位置固定后，其兩發(fā)射端與QA、QB的角度偏差η、θ不會(huì)隨測(cè)試的進(jìn)行而改變。產(chǎn)生偏差后發(fā)射的激光與連桿所產(chǎn)生的夾角在空間的圓錐面上，使左右兩側(cè)發(fā)射的激光不一定共面。但通過(guò)三角法則，實(shí)際的三條邊為QC、QD、CD，這三條邊非簡(jiǎn)單地如圖8中m和a的疊加，因此標(biāo)定中角度偏差會(huì)對(duì)標(biāo)定結(jié)果產(chǎn)生影響。在標(biāo)定時(shí)，變換標(biāo)定對(duì)象與水平面的夾角，采用多次測(cè)量取平均值的方法可最大限度地將誤差控制在允許范圍之內(nèi)。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)某型戰(zhàn)斗機(jī)翼面作動(dòng)器對(duì)零位安裝調(diào)試?yán)щy的問(wèn)題，本文提出一種基于激光位移傳感器的空間雙耳孔中心距測(cè)量方法。文中闡述了測(cè)量原理及硬件設(shè)計(jì)，理論計(jì)算精度可達(dá)0.05mm，并且測(cè)量裝置抗干擾能力強(qiáng)。系統(tǒng)經(jīng)過(guò)標(biāo)定校準(zhǔn)后，可一次性實(shí)現(xiàn)各種翼面對(duì)零位雙耳片孔中心距離非接觸式測(cè)量。測(cè)量過(guò)程快速、準(zhǔn)確，工作效率高，并且可以實(shí)現(xiàn)在機(jī)測(cè)量，滿足了某型戰(zhàn)斗機(jī)機(jī)翼多組雙耳片孔中心距離的測(cè)量要求。此外，該測(cè)量方法操作方便、技術(shù)集成性高，在機(jī)械制造、機(jī)械裝配等領(lǐng)域也具有廣泛的應(yīng)用前景。