工裝數(shù)字化測量安裝技術(shù)研究

陳智勇，李妙玲，黃曉婧，吳建軍，劉建壽

(1.洛陽理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，河南 洛陽 471023；2.中國航空工業(yè)集團(tuán)公司 洛陽電光設(shè)備研究所，河南 洛陽，471009；3.西北工業(yè)大學(xué) 現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710072)

工裝數(shù)字化測量安裝技術(shù)研究

陳智勇1，李妙玲1，黃曉婧2，吳建軍3，劉建壽1

(1.洛陽理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，河南 洛陽 471023；2.中國航空工業(yè)集團(tuán)公司 洛陽電光設(shè)備研究所，河南 洛陽，471009；3.西北工業(yè)大學(xué) 現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710072)

以基于激光跟蹤儀的工裝數(shù)字化測量安裝技術(shù)為研究對象，以控制和減少工裝制造安裝中測量誤差為目的，通過對激光跟蹤儀測量系統(tǒng)工作原理分析，結(jié)合工裝的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分析了激光跟蹤儀測量系統(tǒng)的誤差構(gòu)成，找出了控制和減少測量誤差的方法和途徑；探索了一種光學(xué)測量點(diǎn)的數(shù)字化設(shè)置方法，定位面外輪廓向內(nèi)偏置生成偏置內(nèi)輪廓，并利用編程技術(shù)進(jìn)行尋優(yōu)計(jì)算，獲得光學(xué)工具點(diǎn)的合理位置，以光學(xué)測量點(diǎn)和激光跟蹤頭之間連線檢測激光光束是否受到阻擋，并基于CATIA二次開發(fā)技術(shù)，完成了測量點(diǎn)合理設(shè)置系統(tǒng)的開發(fā)。

裝配工裝；數(shù)字化裝配；激光跟蹤儀；光學(xué)測量點(diǎn)；設(shè)站優(yōu)化

型架是飛機(jī)制造關(guān)鍵工裝設(shè)備，在很大程度上決定了飛機(jī)的最終質(zhì)量、制造成本和周期，而精度是裝配工裝制造最重要的指標(biāo)[1-2]。

激光跟蹤儀已廣泛應(yīng)用于型架的裝配，但對其測量精度的影響因素的研究很少，國內(nèi)各飛機(jī)制造廠對其在飛機(jī)裝配工裝制造中的操作也沒有統(tǒng)一的規(guī)范,通常都是根據(jù)廠家提供的簡單操作說明使用儀器。顯然這種現(xiàn)狀不利于充分發(fā)揮激光跟蹤儀高精度的特點(diǎn),也對裝配工裝的制造精度產(chǎn)生不利影響[3]。本文以基于激光跟蹤儀的工裝數(shù)字化測量安裝技術(shù)為研究對象，尋求提高安裝測量精度的方法。

1 型架的數(shù)字化裝配

1.1 光學(xué)工具點(diǎn)

光學(xué)工具點(diǎn)(Optical Tooling Point，OTP點(diǎn))是確定裝配工裝型面關(guān)鍵特性的控制點(diǎn)，制造、安裝和檢測裝配工裝時(shí)，使用激光跟蹤儀通過測量OTP點(diǎn)的坐標(biāo)值來確定裝配工裝型面的關(guān)鍵特性，從而實(shí)現(xiàn)無物理標(biāo)準(zhǔn)工裝的裝配工裝安裝。

圖1 物體的定位原理

1.2 空間零件的定位原理

任何一個(gè)空間物體都具有6個(gè)自由度，物體在三維空間內(nèi)的運(yùn)動(dòng)可分為：沿X、Y、Z坐標(biāo)軸方向的位移X、Y、Z，繞X、Y、Z坐標(biāo)軸的轉(zhuǎn)角θx、θy、θz。因此，在三維空間中控制被測物體的6自由度，就可以確定物體在空間中的位置。物體的定位原理如圖1所示，對于零件的六個(gè)自由度，其實(shí)質(zhì)就是限定自由度，工程中最常用3-2-1原則進(jìn)行定位。

1.3 型架元件的定位方法

型架元件的定位是型架的設(shè)計(jì)方法的一部分，型架設(shè)計(jì)時(shí)首先確定型架的安裝坐標(biāo)系，指定坐標(biāo)原點(diǎn)；其次，型架設(shè)計(jì)應(yīng)考慮激光跟蹤儀的檢測位置及基準(zhǔn)。

型架可分為框架和定位件?？蚣苁枪に囇b備上各定位件的載體，需要在框架上布置基準(zhǔn)工具點(diǎn)(Tool Reference System,TRS點(diǎn))和增強(qiáng)參考點(diǎn)(Enhanced Reference System,ERS點(diǎn))。TRS點(diǎn)一般為3個(gè)，是工裝電子坐標(biāo)系的建立基準(zhǔn)；ERS點(diǎn)用于工裝電子坐標(biāo)系和參考文件的建立，在型架框架和其支撐結(jié)構(gòu)上圍繞各定位件設(shè)置。

圖2 影響激光跟蹤儀測量精度的因素

2 影響測量精度的因素及改進(jìn)措施

激光跟蹤儀測量系統(tǒng)自動(dòng)化程度非常高，在沒有人員誤操作的前提下,激光跟蹤儀的總體誤差主要來源于測量裝置誤差和現(xiàn)場測量誤差[4]，現(xiàn)場測量誤差又會引起測量裝置誤差，如圖2所示，測量裝置誤差主要來源于系統(tǒng)穩(wěn)定性、系統(tǒng)誤差、發(fā)射球操作和儀器其它功能，現(xiàn)場測量誤差主要來源于測量環(huán)境、氣象條件、被測件誤差、跟蹤儀設(shè)站。

2.1 儀器的穩(wěn)定性

在高精度測量中,應(yīng)加長激光跟蹤儀的預(yù)熱時(shí)間。一般的激光跟蹤儀最短預(yù)熱時(shí)間為0.5 h，但在剛預(yù)熱的前3 h內(nèi)激光的頻率還不夠穩(wěn)定；同時(shí)應(yīng)注意的是，激光跟蹤儀一次連續(xù)工作時(shí)間最長不要超過24 h。

2.2 儀器現(xiàn)場檢查和定期校準(zhǔn)

系統(tǒng)誤差除了來源于激光跟蹤儀本身，還受到加工裝配誤差、外界環(huán)境變化等影響，現(xiàn)場檢查和定期校核可消除這些誤差。

現(xiàn)場檢查是現(xiàn)場使用前簡單的狀態(tài)檢查,可以對儀器的狀態(tài)進(jìn)行確定,對測量的質(zhì)量進(jìn)行保證，因此現(xiàn)場檢查應(yīng)該每天或者在改變操作環(huán)境后進(jìn)行；對于儀器校準(zhǔn)，應(yīng)由熟練的操作員進(jìn)行儀器校準(zhǔn)，以減弱人對校準(zhǔn)質(zhì)量的影響，對于高精度的測量,最好每次工作之前都進(jìn)行校準(zhǔn)。

2.3 反射球操作

激光跟蹤儀和反射球配合才能完成測量工作，工藝人員手持反射球在測量時(shí)移動(dòng)速度和加速度影響到測量精度，若速度過快激光光束將被折斷；此外激光的入射角對某些反射球的精度影響也非常大。

為減小反射球加工誤差的影響,應(yīng)定期檢修反射球及附件；測量時(shí)在OTP點(diǎn)上放置反射球的方向應(yīng)與儀器校準(zhǔn)時(shí)放置反射球的方向一致；放置好后的反射球應(yīng)瞄準(zhǔn)儀器頭,盡量減小入射角；為防止斷光，反射球移動(dòng)速度不應(yīng)過快[5]。

2.4 ADM的使用

激光跟蹤儀附帶的ADM(Aid in Decision Making)功能提供了斷光后無需返回的便利，但ADM的精度一般低于干涉測距的精度，ADM斷光續(xù)接會對角度測量和距離測量都會造成一定的影響。在型架的安裝測量中，ADM的使用一般應(yīng)減少。如果必須要采用ADM的測距功能，則需校準(zhǔn)其尺度因子及常數(shù)。

2.5 減少測量環(huán)境造成的誤差

測量環(huán)境除了包括空氣中的粉塵、大氣抖動(dòng)、外界振動(dòng)，還包含儀器支架和被測物的穩(wěn)定性。針對測量環(huán)境的影響，要把儀器擺放在地基牢固處，避免振源出現(xiàn)在附近；測量過程中，儀器和被測物不能移動(dòng)和傾斜；測量狀態(tài)應(yīng)盡可能接近被測物體的使用狀態(tài)，以避免移動(dòng)及支撐方式變化對物體的影響。

2.6 減少氣象條件造成的誤差

氣象條件主要指溫、濕度和氣壓的波動(dòng)，它們將影響光線的傳播，從而增大測量誤差。為了消除上述因素的不利影響,可采取以下措施：測量時(shí)要確保氣象傳感器的使用，用于距離測量的改正；測量盡量在恒溫車間進(jìn)行，不要將跟蹤儀擺放在廠房門口、空調(diào)旁，以保持環(huán)境溫度的相對穩(wěn)定；加長儀器測量采樣間隔的時(shí)間，增加測量采樣次數(shù)，在較長時(shí)間內(nèi)的多次采樣數(shù)據(jù)取平均值，可以減弱氣象條件隨機(jī)變化對距離測量的影響；氣象傳感器1 a至少校準(zhǔn)1次。

2.7 型架材料與結(jié)構(gòu)

由于不同材料的膨脹系數(shù)不同，因此對于由多種金屬材料制成的裝配型架來說，不同材料在不同溫度下形成的尺寸誤差以及由此產(chǎn)生的應(yīng)力釋放，也是造成測量誤差的一個(gè)原因。

為減少熱脹冷縮引起的誤差，型架的制造應(yīng)采用線膨脹系數(shù)相近的材料。熱脹冷縮帶來的變化可在數(shù)據(jù)分析時(shí)處理，而應(yīng)力釋放對型架的影響卻只有重新建立增強(qiáng)參考坐標(biāo)系，重新安裝組件這一種解決辦法。

2.8 光學(xué)測量點(diǎn)的設(shè)置

光學(xué)測量點(diǎn)包括TRS、ERS、OTP點(diǎn)，一般是設(shè)計(jì)人員根據(jù)個(gè)人經(jīng)驗(yàn)選出光學(xué)測量點(diǎn)空間位置。這種方法耗時(shí)比較長，且缺乏嚴(yán)謹(jǐn)性，不能有效確保定位件定位的準(zhǔn)確性，而且也沒有考慮激光跟蹤頭與OTP點(diǎn)之間的激光光束是否受到阻擋。在安裝定位件時(shí)，無法一次設(shè)站安裝完所有的定位件，需要將激光跟蹤儀多次轉(zhuǎn)站，大大降低了安裝精度，有時(shí)甚至出現(xiàn)跟蹤儀的激光光束始終無法達(dá)到個(gè)別OTP點(diǎn)，造成定位件的返工。因此，必須尋求出一個(gè)科學(xué)的、實(shí)用的方法在裝配型架的數(shù)字模型上快速、準(zhǔn)確地設(shè)計(jì)OTP點(diǎn)位置，為工裝設(shè)計(jì)及制造人員提供合理的安裝協(xié)調(diào)依據(jù)，下文將詳細(xì)介紹光學(xué)測量點(diǎn)合理設(shè)置系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過程。

2.9 激光跟蹤儀的設(shè)站

激光跟蹤儀的設(shè)站是測量工作的一個(gè)關(guān)鍵步驟，如果站位選擇不好，型架上很多的光學(xué)測量點(diǎn)會無法觀測到，需要轉(zhuǎn)站，會造成重復(fù)性測量、降低工作效率和測量精度。

在型架的制造、安裝環(huán)節(jié)，工藝人員并不能很好地設(shè)置激光跟蹤儀位置，因此必須尋求對激光跟蹤儀科學(xué)設(shè)站的方式。跟蹤儀本身的誤差主要是角度誤差，但測量距離是影響角度誤差的根本因素[6]。把激光跟蹤頭和光學(xué)測量點(diǎn)之間的平均距離作為優(yōu)化目標(biāo)，并把激光跟蹤頭和光學(xué)測量點(diǎn)連線與水平面所形成俯仰角約束到一定范圍內(nèi)，這樣就避免了多余的轉(zhuǎn)站，同時(shí)也保證了測量精度，達(dá)到設(shè)站優(yōu)化的目的。

3 測量點(diǎn)合理設(shè)置系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

CATIA是在航空制造企業(yè)有著廣泛的應(yīng)用，裝配型架的設(shè)計(jì)及光學(xué)測量點(diǎn)位置的設(shè)置都是在CATIA環(huán)境中實(shí)現(xiàn)的。因此，以CATIA V5.20為平臺，使用VB作為編輯工具，調(diào)用自動(dòng)化應(yīng)用接口[7]，來完成測量點(diǎn)合理設(shè)置系統(tǒng)的開發(fā)，較好地實(shí)現(xiàn)了工程化應(yīng)用。

3.1 OTP點(diǎn)設(shè)置的實(shí)現(xiàn)

定位件是飛機(jī)裝配型架上的重要組成部分，定位面尺寸較大的定位件，一般需設(shè)置3個(gè)OTP點(diǎn)。OTP點(diǎn)應(yīng)設(shè)置在定位件的外圍，應(yīng)均勻合理分布，對該定位件要可靠地控制。

先將定位件主定位面外輪廓向內(nèi)偏置一定距離生成偏置內(nèi)輪廓，然后按照“3個(gè)OTP點(diǎn)組成的三角形面積盡可能大，并且3個(gè)內(nèi)角大小保持在一定范圍之內(nèi)”的原則，在內(nèi)輪廓上計(jì)算得出3個(gè)OTP點(diǎn)。為了工程實(shí)際應(yīng)用，將分段連續(xù)的數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)化為離散化問題，利用編程技術(shù)，從而進(jìn)行尋優(yōu)計(jì)算[8]。

3.2 系統(tǒng)工作流程及建立

采用激光跟蹤儀測量系統(tǒng)進(jìn)行飛機(jī)裝配工裝制造的數(shù)字化協(xié)調(diào)，需要首先在CATIA中建立裝配型架的數(shù)字裝配模型。在型架的數(shù)字模型中，進(jìn)行定位件OTP點(diǎn)設(shè)置，并通過OTP點(diǎn)和代表激光跟蹤頭的點(diǎn)之間連線，清晰、直觀地檢查激光跟蹤儀的光束是否受到阻擋。根據(jù)需要將光學(xué)測量點(diǎn)坐標(biāo)值導(dǎo)出，作為存檔和定檢依據(jù)，也可根據(jù)需要將Excel文件中存儲的光學(xué)測量點(diǎn)批量導(dǎo)入工裝模型中，從而提高工作效率和設(shè)計(jì)科學(xué)性。

系統(tǒng)調(diào)試完成后，將程序生成*.exe可執(zhí)行文件。編制程序，調(diào)用函數(shù)，將生成的可執(zhí)行文件作為一個(gè)快速啟動(dòng)按鈕加到CATIA菜單欄中，便于在CATIA界面上直接調(diào)用。

3.3 系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)例

進(jìn)入CATIA平臺，打開裝配型架數(shù)字化模型，點(diǎn)擊 CATIA菜單欄中的“測量點(diǎn)合理設(shè)置系統(tǒng)”宏按鈕進(jìn)入系統(tǒng)。進(jìn)入OTP點(diǎn)設(shè)置界面，在裝配型架數(shù)字模型中選擇定位件，將定位件主平面外輪廓相內(nèi)偏置15 mm，并將偏置輪廓按照間距2 mm離散化，獲得離散點(diǎn)結(jié)果。偏置輪廓離散化如圖3所示，經(jīng)過計(jì)算，定位件上顯示出3個(gè)創(chuàng)建的OTP點(diǎn)，創(chuàng)建結(jié)果如圖4所示。

圖3 偏置輪廓離散化

圖4 OTP點(diǎn)創(chuàng)建結(jié)果

進(jìn)入光束路徑檢查界面，在型架數(shù)字模型上分別選取已設(shè)置的OTP點(diǎn)和代表激光跟蹤頭的點(diǎn)，點(diǎn)擊“連線”按鈕，兩者之間出現(xiàn)直線，連線結(jié)果如圖5所示?？筛鶕?jù)連線清晰、直觀地檢查激光跟蹤儀的激光光束是否受到阻擋。若型架結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜，工藝設(shè)計(jì)人員無法直接用肉眼直接觀察連線結(jié)果是否存在干涉，可利用CATIA中電子樣機(jī)模塊中的電子樣機(jī)空間分析功能，自動(dòng)檢測連線和型架是否存在干涉，即激光光束是否受到型架的阻擋。

圖5 測量點(diǎn)和激光跟蹤頭連線結(jié)果

4 結(jié) 語

本文主要闡述了利用激光跟蹤儀安裝型架的定位原理與方法，分析了型架數(shù)字化安裝中激光跟蹤儀測量系統(tǒng)的誤差構(gòu)成，找出了控制和減少激光跟蹤儀測量誤差的方法和途徑，掌握其在實(shí)際測量中提高精度的方法。詳細(xì)說明了測量點(diǎn)合理設(shè)置系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，探索了1種光學(xué)測量點(diǎn)的數(shù)字化設(shè)置方法，為提高飛機(jī)制造精度提供有益探索。

[1] 王巍，楊亞文，安宏喜，等.基于數(shù)字化測量的飛機(jī)型架裝配技術(shù)研究[J].航空制造技術(shù),2014,465 (21):82-85.

[2] 李鑫.數(shù)字化測量技術(shù)在飛機(jī)裝配中的應(yīng)用[J].航空制造技術(shù),2014(13):52-55.

[3] 王巍，俞鴻均，安宏喜，等.大型飛機(jī)數(shù)字化裝配在線測量技術(shù)研究[J].航空制造技術(shù),2015,476 (7):48-52.

[4] 林嘉睿，邾繼貴，張皓琳，等.激光跟蹤儀測角誤差的現(xiàn)場評價(jià)[J].儀器儀表學(xué)報(bào),2012,33 (2):463-468.

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Research on Digital Measurement and Assembly Technology of Aircraft Assembly Jig

CHEN Zhiyong1,LI Miaoling1,HUANG Xiaojing2,WU Jianjun3,LIU Jianshou1

(1.Luoyang Institute of Science and Technology,Luoyang 471023,China; 2.Luoyang Research Institute of Electro Optical Equipment,AVIC,Luoyang 471009,China;3.Northwestern Polytechnical University,Xi′an 710072,China)

In the paper,digital measurement and assembly technology of assembly jig using laser tracker are thought of as the researching object in order to reduce the measure error in the assembly jig manufacturing process. On analysis of the system principle of laser tracker and the characteristics of the structure of the assembly jig,digital assembly technology of assembly jig is mainly studied,the measure system error in the assembly of the assembly jig is analyzed，a method to control and reduce the measure error is found out. A digital positioning technique of optical measurement point is explored,the contour of the external contour of the locating surface is biased in the form of an inward offset，and the programming technology is used to calculate the optimization，a reasonable position of optical tooling point is obtained. The lines between optical measurement points and the laser tracker head are used to detect the laser interference problem. A system of optical measurement point digital setting is built up based on the redevelop technology of CATIA.

assembly jig;digital assembly;laser tracker;optical measurement point;location optimizing

10.3969/i.issn.1674-5403.2017.03.014

TH166

A

1674-5403(2017)03-0051-05

2017-04-20

陳智勇(1984-)，男，碩士，助教，主要從事數(shù)字化裝配方面的研究.

河南省高等學(xué)校重點(diǎn)科研項(xiàng)目(17A430024).