基于激光跟蹤儀的工裝調(diào)裝檢測(cè)技術(shù)研究

王巍，陳澤宇

（沈陽(yáng)航空航天大學(xué)航空宇航學(xué)院，沈陽(yáng)110136）

0 引 言

在飛機(jī)裝配過程中使用數(shù)字化測(cè)量技術(shù)對(duì)其進(jìn)行控制是現(xiàn)代飛機(jī)數(shù)字化制造的重要環(huán)節(jié)，是實(shí)現(xiàn)飛機(jī)生產(chǎn)數(shù)字量傳遞的重要保證之一[1-2]。在飛機(jī)的裝配過程中，數(shù)字化測(cè)量技術(shù)能夠?qū)︼w機(jī)工裝及產(chǎn)品上重要信息進(jìn)行精確采集[3-4]，保證裝配過程中狀態(tài)信息的實(shí)時(shí)獲取，是實(shí)現(xiàn)飛機(jī)裝配狀態(tài)與信息網(wǎng)絡(luò)之間互聯(lián)互通的支撐性關(guān)鍵技術(shù)[5]。

由于數(shù)字化測(cè)量技術(shù)的飛速發(fā)展，目前數(shù)字化測(cè)量技術(shù)的種類繁多，其中激光跟蹤儀測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用較為廣泛，主要應(yīng)用于飛機(jī)、汽車等高精度要求的制造及裝配檢測(cè)的過程中[6]。激光跟蹤儀是一種高精度的測(cè)量?jī)x器，能夠精確地獲取空間點(diǎn)位的信息并對(duì)其進(jìn)行跟蹤[7]。

在飛機(jī)的生產(chǎn)裝配過程中，工裝是必不可少的一環(huán)。飛機(jī)工裝的精度是否符合要求直接決定了飛機(jī)的質(zhì)量。所以，確保工裝的精度則至關(guān)重要[8]。通過利用激光跟蹤儀結(jié)合設(shè)計(jì)數(shù)模對(duì)工裝進(jìn)行測(cè)量及調(diào)試, 滿足設(shè)計(jì)數(shù)模及設(shè)計(jì)尺寸要求。調(diào)試合格的工裝, 能為飛機(jī)裝配提供足夠可靠質(zhì)量保證。

1 裝配工裝的調(diào)裝檢測(cè)總體方案

在測(cè)量工作開始之前把工裝的數(shù)模及基準(zhǔn)點(diǎn)的數(shù)據(jù)（即理論值）導(dǎo)入到數(shù)字化測(cè)量軟件中。使用數(shù)字化測(cè)量設(shè)備測(cè)量獲取工裝型架上基準(zhǔn)點(diǎn)的空間點(diǎn)位信息，利用測(cè)量值和理論值進(jìn)行擬合，建立測(cè)量坐標(biāo)系[9]，測(cè)量坐標(biāo)系建立完成之后測(cè)量工裝定位組件上的關(guān)鍵測(cè)量點(diǎn)，并利用數(shù)字化測(cè)量軟件中的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)窗口對(duì)關(guān)鍵測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。由于至少3個(gè)不共線的點(diǎn)才可以確定定位組件的空間位置，因此每個(gè)定位組件上均至少要測(cè)量3個(gè)關(guān)鍵測(cè)量點(diǎn)[10]。根據(jù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)窗口中顯示的在X軸、Y軸、Z軸三個(gè)方向的偏差值對(duì)定位組件進(jìn)行調(diào)裝工作，直到偏差值滿足誤差要求為止。工裝調(diào)裝檢測(cè)的總體方案如圖1所示。

2 激光跟蹤儀獲取空間點(diǎn)位信息方法

使用光學(xué)工具球放置在待測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)位，用接觸式的方法獲取工裝型架上的基準(zhǔn)點(diǎn)，設(shè)備坐標(biāo)系的原點(diǎn)在跟蹤頭的中心位置，激光跟蹤儀工作時(shí)由跟蹤頭發(fā)射出激光，被光學(xué)工具球接收并反射回跟蹤頭，利用激光干涉儀(IFM)計(jì)算跟蹤頭中心與光學(xué)工具球之間的距離，利用編碼器算出角度參數(shù)，然后通過公式計(jì)算出光學(xué)工具球所在空間位置的坐標(biāo)值[11]。

激光跟蹤儀的工作原理如圖2所示，設(shè)點(diǎn)P（x,y,z）為被測(cè)空間點(diǎn)，假設(shè)點(diǎn)P到點(diǎn)O的距離為L(zhǎng)，OP與Z軸夾角為β，與X軸的夾角為α，則有如下關(guān)系式[12]：

3 工裝測(cè)量坐標(biāo)系的建立及原理

由于在最初測(cè)量時(shí)獲取型架上基準(zhǔn)點(diǎn)的空間點(diǎn)位信息是在激光跟蹤儀的設(shè)備坐標(biāo)系下，和測(cè)量軟件中導(dǎo)入數(shù)模所在的理論坐標(biāo)系不是同一個(gè)坐標(biāo)系，所以想要獲取基準(zhǔn)點(diǎn)測(cè)量值與理論值之間的偏差值，就要把設(shè)備坐標(biāo)系與數(shù)模上的理論坐標(biāo)系通過最佳擬合統(tǒng)一在同一個(gè)坐標(biāo)系下，即為工裝測(cè)量坐標(biāo)系的建立[13]，如圖3所示。

測(cè)量坐標(biāo)系的建立原理是將導(dǎo)入的理論數(shù)模坐標(biāo)系作為參照，通過數(shù)學(xué)算法將理論坐標(biāo)系與設(shè)備坐標(biāo)系聯(lián)系起來，把在測(cè)量坐標(biāo)系下測(cè)量的數(shù)據(jù)運(yùn)用矩陣轉(zhuǎn)換成理論坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值，轉(zhuǎn)化完成之后，通過計(jì)算可以獲知測(cè)量值與理論值之間的偏差值，從而反映出待測(cè)量點(diǎn)實(shí)測(cè)值與理論值的偏差程度。同時(shí)測(cè)量坐標(biāo)系的建立是否準(zhǔn)確直接影響后續(xù)的一切測(cè)量工作的準(zhǔn)確度，因此建立坐標(biāo)系這一步驟十分關(guān)鍵。理論坐標(biāo)系與設(shè)備坐標(biāo)系的具體擬合過程如下：

令工裝上設(shè)有基準(zhǔn)點(diǎn)i個(gè)，基準(zhǔn)點(diǎn)在數(shù)模中的理論值為Pi=(XiYiZi)T，其中i=1,2,…,n。令工裝上基準(zhǔn)點(diǎn)的實(shí)際測(cè)量值為Pi′=(Xi′ Yi′ Zi′)T，其中i=1,2,…,n。使用最小二乘法解以下函數(shù)：

使通過工裝基準(zhǔn)點(diǎn)的理論值與實(shí)際測(cè)量值建立的坐標(biāo)系有最優(yōu)解R和T。運(yùn)用SVD算法對(duì)目標(biāo)函數(shù)求解[14]。

利用R和T對(duì)工裝基準(zhǔn)點(diǎn)的理論值與實(shí)際測(cè)量值進(jìn)行擬合，建立測(cè)量坐標(biāo)系。在擬合的過程中，還需對(duì)測(cè)量值進(jìn)行溫度、大氣壓等環(huán)境補(bǔ)償，以減小誤差[15]。

4 基于某機(jī)壁板的可移動(dòng)工裝調(diào)裝技術(shù)研究

4.1 某機(jī)壁板可移動(dòng)工裝總體結(jié)構(gòu)分析

某機(jī)壁板可移動(dòng)工裝主要由主型架及移動(dòng)型架組成，用于壁板的銑切及組裝。壁板主型架是柔性工裝，能夠在裝配站位及銑切站位進(jìn)行工作。主型架及移動(dòng)型架上的耳片定位組件、定位基準(zhǔn)、卡板等組件的位置度直接影響到工裝的使用，所以要確保其實(shí)際位置與數(shù)模中的理論位置的偏差在要求范圍之內(nèi)，并且要確保重復(fù)性良好。

4.2 激光跟蹤儀位置的選定

在測(cè)量工作開始之前，需要確定激光跟蹤儀的安放位置。通過對(duì)工裝上所有的待測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)的分布進(jìn)行分析，保證在一個(gè)站位下能夠盡可能多地測(cè)量到待測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)，從而減少轉(zhuǎn)站次數(shù)，節(jié)省工作時(shí)間，提高工作效率。同時(shí)在測(cè)量過程中一定要保證激光跟蹤儀的穩(wěn)定性，如果設(shè)備在測(cè)量的過程中發(fā)生移動(dòng)，則測(cè)量坐標(biāo)系也發(fā)生改變，導(dǎo)致獲取的實(shí)測(cè)值出現(xiàn)偏差。

4.3 建立測(cè)量坐標(biāo)系

在選定了激光跟蹤儀的安放位置后,便可以開始進(jìn)行測(cè)量工作。首先把工裝數(shù)模及所有的基準(zhǔn)點(diǎn)的理論坐標(biāo)值導(dǎo)入測(cè)量軟件。然后對(duì)裝配工裝上所有的MRP點(diǎn)(即基準(zhǔn)點(diǎn))進(jìn)行測(cè)量,獲取其實(shí)際測(cè)量值，把通過測(cè)量獲取的MRP點(diǎn)的實(shí)際測(cè)量值與測(cè)量軟件中與之對(duì)應(yīng)的MRP點(diǎn)的理論值進(jìn)行最佳擬合，得到測(cè)量坐標(biāo)系，擬合的結(jié)果如圖5所示。從圖中的數(shù)據(jù)可知,每個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)實(shí)際測(cè)量值與理論值的偏差值都在0.1 mm之內(nèi),滿足精度要求。

在測(cè)量MRP點(diǎn)的過程中，要盡量測(cè)到全部的MRP點(diǎn)，確保測(cè)量的MRP點(diǎn)包裹住型架，這樣建立的測(cè)量坐標(biāo)系會(huì)更加精確，確保測(cè)量坐標(biāo)系建立的準(zhǔn)確度。由于是接觸式測(cè)量，并且是人工操作，存在人為因素的影響，因此在擬合過程中偶爾會(huì)出現(xiàn)偏差較大的MRP點(diǎn)，對(duì)于偏差值大的點(diǎn)在擬合的過程中可以剔除。

在測(cè)量坐標(biāo)系擬合完成后，還需對(duì)型架MRP點(diǎn)進(jìn)行重復(fù)性檢查，即重復(fù)3次測(cè)量型架上所有的MRP點(diǎn)，要保證所有的MRP點(diǎn)的偏差在0.1 mm之內(nèi)，以確保測(cè)量坐標(biāo)系建立的準(zhǔn)確性。建立坐標(biāo)系之后重新測(cè)量MRP點(diǎn)3次，然后通過計(jì)算得到3次測(cè)量結(jié)果的平均值，如圖6所示。

4.5 工裝的關(guān)鍵要素檢測(cè)及工裝調(diào)裝

建立測(cè)量坐標(biāo)系之后，需要確定工裝上的所有定位組件的位置是否符合誤差要求。待測(cè)量的關(guān)鍵要素主要包括裝配工裝上左右側(cè)的兩個(gè)耳片定位組件，以及左側(cè)中間的耳片定位孔（主基準(zhǔn)），右側(cè)中間的耳片定位孔（第二基準(zhǔn)）。首先要確定型架上的耳片定位組件及耳片定位孔（主基準(zhǔn)）和耳片定位孔（第二基準(zhǔn)）的空間位置，在每個(gè)耳片定位組件及基準(zhǔn)上測(cè)量4個(gè)點(diǎn)從而確定其空間位置，通過動(dòng)態(tài)監(jiān)控窗口并通過加減墊片等方式把其調(diào)至理論位置，動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)窗口如圖7所示。

最后調(diào)整卡板的位置，在每塊卡板與蒙皮貼合的型面上均布測(cè)量10個(gè)點(diǎn)，和理論值對(duì)比，通過加減墊片等方式確定每塊卡板的空間位置。耳片定位組件、基準(zhǔn)及卡板的測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)位如圖8所示。在確定所有組件位置之后，用螺栓將定位器固定。

4.6 測(cè)量結(jié)果分析

5 結(jié)論

基于數(shù)字化測(cè)量技術(shù)，通過使用激光跟蹤儀和數(shù)字化測(cè)量軟件實(shí)現(xiàn)了對(duì)裝配工裝上定位組件的跟蹤測(cè)量，快速準(zhǔn)確地檢測(cè)工裝上組件的位置是否準(zhǔn)確，并通過實(shí)時(shí)監(jiān)控對(duì)其進(jìn)行調(diào)裝，使用該方法不僅能夠提高工作效率，還可以確保裝配工裝的精度要求，進(jìn)而保證了飛機(jī)的質(zhì)量和精度，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。