楊鳳龍，王國(guó)忱，張 杰

(北京衛(wèi)星制造廠試驗(yàn)檢測(cè)中心，北京100194)

1 引言

多設(shè)備組網(wǎng)測(cè)量技術(shù)是新近發(fā)展起來(lái)的一種綜合利用多種測(cè)量設(shè)備優(yōu)勢(shì)組成網(wǎng)絡(luò)化的測(cè)量系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)大型復(fù)雜構(gòu)件高精高效測(cè)量的方法，是現(xiàn)代工業(yè)大尺寸測(cè)量的重要發(fā)展方向。在現(xiàn)代高端制造業(yè)中，多設(shè)備組網(wǎng)測(cè)量技術(shù)獲得了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，它具有量程大、精度高、非接觸、機(jī)動(dòng)靈活、動(dòng)態(tài)測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，是單一坐標(biāo)測(cè)量設(shè)備技術(shù)所無(wú)法比擬的，對(duì)控制重要產(chǎn)品質(zhì)量起到了至關(guān)重要的作用［1］。

由于生產(chǎn)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)水平的提高，要求提供精度更高、動(dòng)態(tài)性能更佳的測(cè)量系統(tǒng)［2］。在航天產(chǎn)品的制造及裝配過(guò)程中，大型結(jié)構(gòu)/機(jī)構(gòu)的幾何尺寸和形位誤差的測(cè)量，是保證產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵因素。因此，多設(shè)備組網(wǎng)測(cè)量作為航天產(chǎn)品研制生產(chǎn)過(guò)程中亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)之一，其目的是根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙和規(guī)范的要求，高精度地對(duì)三維部件、工件、結(jié)構(gòu)或整機(jī)，進(jìn)行檢查、檢核、調(diào)整、裝配、安裝和維護(hù);包括為了獲取三維坐標(biāo)，進(jìn)行準(zhǔn)直、幾何形狀擬合、質(zhì)量保證審核、靜態(tài)/動(dòng)變形監(jiān)測(cè)等而進(jìn)行的精密測(cè)量。典型應(yīng)用領(lǐng)域有航空、航天、汽車(chē)、造船、石油、天然氣、鋼鐵、大型設(shè)備加工和維護(hù)，在建筑、天線安裝、機(jī)器人、鋼結(jié)構(gòu)、起重機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)等領(lǐng)域也有廣泛的需求和應(yīng)用。為此，國(guó)內(nèi)外都在研究多設(shè)備組網(wǎng)測(cè)量技術(shù)。

當(dāng)前我國(guó)航天器主體結(jié)構(gòu)趨于大型化、復(fù)雜化、多樣化，航天器大型零部件加工和裝配越來(lái)越依賴于高精高效的大尺寸便攜式測(cè)量技術(shù)、儀器/系統(tǒng)(包括如電子經(jīng)緯儀、激光跟蹤儀、激光雷達(dá)、關(guān)節(jié)臂、照相測(cè)量系統(tǒng)、激光掃描系統(tǒng)、室內(nèi)GPS等)所提供的性能質(zhì)量保證［3］。

以往對(duì)大型載人航天器的測(cè)量主要是使用單臺(tái)測(cè)量?jī)x器，存在測(cè)量過(guò)程中轉(zhuǎn)站次數(shù)多、輔助測(cè)量人員多、擋光現(xiàn)象多、測(cè)量周期長(zhǎng)、部分項(xiàng)目不可測(cè)等問(wèn)題，因此，需要尋找一種測(cè)量空間范圍大、測(cè)量精度更高、轉(zhuǎn)站次數(shù)少、測(cè)量效率高的測(cè)量方法來(lái)滿足大型載人航天器對(duì)精密測(cè)量提出的新挑戰(zhàn)。多設(shè)備組網(wǎng)測(cè)量技術(shù)可很好解決當(dāng)前大型載人航天器測(cè)量中所遇到的難題。

2 多設(shè)備組網(wǎng)測(cè)量原理

2.1 測(cè)量工藝基本流程

測(cè)量任務(wù)的主要測(cè)量工藝流程見(jiàn)圖1。

1)待測(cè)對(duì)象的分析。待測(cè)對(duì)象可以是毛坯件、零部件、部裝、總裝，但是不管處于何種狀態(tài)，需要分析待測(cè)對(duì)象的尺寸、結(jié)構(gòu)、材料等一些基本要素［4］。

2)測(cè)量方案規(guī)劃。明確待測(cè)對(duì)象的測(cè)量要求，結(jié)合當(dāng)前測(cè)量設(shè)備能力和測(cè)量技術(shù)，選擇合適的測(cè)量設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)布局，從而形成測(cè)量方案。

3)測(cè)量過(guò)程執(zhí)行與數(shù)據(jù)分析。按照測(cè)量方案在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)每個(gè)待測(cè)特征實(shí)施采樣，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，給出數(shù)據(jù)處理結(jié)果并進(jìn)行反饋。

2.2 基本原理

多設(shè)備組網(wǎng)測(cè)量的基本原理就是多傳感器的數(shù)據(jù)融合。

由于各傳感器空間位置的差異，導(dǎo)致信息描述空間各不相同，各測(cè)量傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)均在各自定義的坐標(biāo)系下，如圖2所示。

故將各極坐標(biāo)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成直角坐標(biāo)數(shù)據(jù)［5］:

其中，T為點(diǎn)坐標(biāo)矩陣，l為點(diǎn)距，α為OP在x-o-y面內(nèi)投影與x軸的夾角，β為OP與x-o-y面的夾角。

圖1 測(cè)量工藝基本流程Fig.1 Basic flow chat of measure craftwork

然后將各傳感器數(shù)據(jù)映射到同一參考空間，將測(cè)量坐標(biāo)系統(tǒng)一到測(cè)量基準(zhǔn)坐標(biāo)系。一般可以選擇工件坐標(biāo)系或其中某測(cè)站的坐標(biāo)系為測(cè)量基準(zhǔn)坐標(biāo)系，將不同坐標(biāo)系下的數(shù)據(jù)進(jìn)行空間轉(zhuǎn)換。如圖3所示為一個(gè)典型大尺寸多設(shè)備測(cè)量網(wǎng)絡(luò)，它包括激光跟蹤儀、經(jīng)緯儀和關(guān)節(jié)式測(cè)量臂3個(gè)測(cè)量設(shè)備［6］。以激光跟蹤儀測(cè)站為測(cè)量基準(zhǔn)坐標(biāo)系，則需要將其他兩個(gè)測(cè)站的測(cè)量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到該基準(zhǔn)坐標(biāo)系中。

圖2 測(cè)量點(diǎn)的直角坐標(biāo)和極坐標(biāo)關(guān)系Fig.2 Connection between Cartesian coordinates and polar coordinates

圖3 多測(cè)站的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換Fig.3 Coordination transform of multi-measurement sites

通過(guò)空間公共點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)其他測(cè)量坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)和平移到基準(zhǔn)坐標(biāo)系下，其旋轉(zhuǎn)和平移的計(jì)算公式如(2)、(3)、(4)所示［3］，式中i最小為 3(解方程的必要條件)，在實(shí)際測(cè)量中為保證轉(zhuǎn)換的精度，一般需要保證i為6 ～8［6］。

把同一組點(diǎn)在各自設(shè)備或工件坐標(biāo)系下點(diǎn)坐標(biāo)(xi，yi，zi)T，(Xi，Yi，Zi)T代入公式(2)中就可以求出A和T。其中，A為旋轉(zhuǎn)矩陣，T為平移矢量。

3 多設(shè)備組網(wǎng)測(cè)量方法

3.1 組網(wǎng)技術(shù)

以往對(duì)大型結(jié)構(gòu)件(如大型艙體)的測(cè)量主要是使用單臺(tái)激光跟蹤儀，測(cè)量過(guò)程中轉(zhuǎn)站次數(shù)多，輔助測(cè)量人員多，擋光現(xiàn)象多，測(cè)量周期長(zhǎng)，存在不可測(cè)項(xiàng)目。激光雷達(dá)和激光跟蹤儀組網(wǎng)測(cè)量能夠一舉解決上述多個(gè)測(cè)量難題。進(jìn)行組網(wǎng)后新的測(cè)量系統(tǒng)其優(yōu)勢(shì)在于:測(cè)量空間范圍大、測(cè)量精度更高、轉(zhuǎn)站次數(shù)少和測(cè)量效率高，很好的滿足了當(dāng)前大型結(jié)構(gòu)件(如大型艙體)對(duì)幾何測(cè)量提出的新要求。對(duì)大型結(jié)構(gòu)件(如大型艙體)進(jìn)行幾何量測(cè)量的傳統(tǒng)方法和組網(wǎng)測(cè)量方法優(yōu)劣勢(shì)分析如表1所示。

在大型結(jié)構(gòu)件(例如大型艙體)裝配精度測(cè)量中所使用的儀器主要有激光跟蹤儀和激光雷達(dá)。為了實(shí)現(xiàn)多設(shè)備組網(wǎng)測(cè)量，需要通過(guò)對(duì)相應(yīng)的測(cè)量軟硬件進(jìn)行應(yīng)用方法研究以達(dá)到對(duì)激光雷達(dá)、激光跟蹤儀的數(shù)據(jù)采集和自動(dòng)控制的基本要求。應(yīng)用研究具體包括相應(yīng)的硬件接口、通訊電纜、控制軟件、數(shù)據(jù)庫(kù)的統(tǒng)一及共享，設(shè)備組網(wǎng)成功后對(duì)組網(wǎng)測(cè)量系統(tǒng)的精度進(jìn)行聯(lián)合標(biāo)定以滿足測(cè)量精度的要求。聯(lián)合標(biāo)定主要利用輔助標(biāo)定工裝和校準(zhǔn)桿按照特定的標(biāo)定方法實(shí)現(xiàn)。選擇激光跟蹤儀和激光雷達(dá)組成測(cè)量網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，兩種測(cè)量設(shè)備的參數(shù)見(jiàn)表2，所用軟件 SA(Spatial Analyzer)為專業(yè)測(cè)量軟件。

3.2 組網(wǎng)配置

多測(cè)量設(shè)備組網(wǎng)時(shí)需要將各測(cè)量設(shè)備所獲取到的數(shù)據(jù)進(jìn)行共同處理，故首先需要實(shí)現(xiàn)整個(gè)測(cè)量網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)通訊和共享，這樣才有利于各測(cè)量設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)被充分利用。根據(jù)組網(wǎng)需要，設(shè)計(jì)了一個(gè)測(cè)量網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其數(shù)據(jù)通訊主要靠數(shù)據(jù)交換機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，示意圖如圖4所示。

表1 測(cè)量方法分析對(duì)比Table 1 Comparison of measurement methods

表2 測(cè)量設(shè)備參數(shù)Table 2 The parameter of measurement equipment

圖4 激光跟蹤儀和激光雷達(dá)組網(wǎng)配置示意圖Fig.4 Picture of Laser tracker and Lidar combinated configuration

測(cè)量網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主要由計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)交換機(jī)、激光跟蹤儀、激光雷達(dá)和大型艙體組成。其主要功能分別為:

1)計(jì)算機(jī):下達(dá)指令，操作者對(duì)于測(cè)量軟件的操作;接收數(shù)據(jù)，接收測(cè)量設(shè)備反饋回來(lái)的測(cè)量數(shù)據(jù);處理數(shù)據(jù)，獲取直接數(shù)據(jù)之后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析。

2)數(shù)據(jù)交換機(jī):數(shù)據(jù)交換，主要是對(duì)計(jì)算機(jī)和測(cè)量設(shè)備之間的信息進(jìn)行互通。

3)激光跟蹤儀:接收指令，接收計(jì)算機(jī)所發(fā)出的指令;采集數(shù)據(jù)，采用接觸式采集待測(cè)目標(biāo)的數(shù)據(jù);傳輸數(shù)據(jù)，將測(cè)量獲取到的點(diǎn)坐標(biāo)反饋到測(cè)量軟件。

4)激光雷達(dá):接收指令，接收計(jì)算機(jī)所發(fā)出的指令;采集數(shù)據(jù)，采用非接觸式采集待測(cè)目標(biāo)的數(shù)據(jù);傳輸數(shù)據(jù)，將測(cè)量獲取到的點(diǎn)坐標(biāo)反饋到測(cè)量軟件。

5)待測(cè)大型艙體:提供待測(cè)目標(biāo)。

由于數(shù)據(jù)交換機(jī)可以有多個(gè)接口，故此系統(tǒng)具有可擴(kuò)展性，即可以連接除上述兩臺(tái)測(cè)量設(shè)備之外的其他設(shè)備。因?yàn)樵瓉?lái)兩臺(tái)測(cè)量設(shè)備都是由測(cè)量軟件SA控制，故兩者的數(shù)據(jù)格式可以完全保持一致，無(wú)須進(jìn)行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換。因此兩臺(tái)測(cè)量設(shè)備所采集到的數(shù)據(jù)均能通過(guò)數(shù)據(jù)交換機(jī)到達(dá)計(jì)算機(jī)，數(shù)據(jù)格式也一致，數(shù)據(jù)存在互通性，能夠?qū)崿F(xiàn)軟硬件接口和數(shù)據(jù)共享。組網(wǎng)測(cè)量示意圖如圖5所示，大型載人航天器測(cè)量過(guò)程中所用到的測(cè)量附件和輔助工裝如圖6所示。

圖5 激光雷達(dá)和激光跟蹤儀組網(wǎng)測(cè)量示意圖Fig.5 Picture of Laser tracker and Lidar combination measurement

圖6 大型艙體組網(wǎng)測(cè)量附件和工裝Fig.6 Accessories and tools of combinated measurement on large cabin

3.3 數(shù)據(jù)解算

圖7 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)處理界面Fig.7 Interface of dealing with coordination-data

利用固定點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換時(shí)存在著一定的轉(zhuǎn)換誤差，圖7為坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)處理界面，在轉(zhuǎn)換過(guò)程中需要分析各點(diǎn)分量的偏差是否存在粗大誤差，若存在偏差較大的分量，說(shuō)明該點(diǎn)的位置數(shù)據(jù)被破壞，因此可認(rèn)為該點(diǎn)為粗大誤差點(diǎn)，可以作為壞點(diǎn)進(jìn)行剔除，通過(guò)分析和剔除最終保證坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換誤差控制在允許范圍內(nèi)。

組網(wǎng)測(cè)量技術(shù)在大型載人艙體測(cè)量過(guò)程中，解決了轉(zhuǎn)站多、擋光現(xiàn)象多、測(cè)量周期長(zhǎng)、存在不可測(cè)項(xiàng)目等四大難題，得到了很好的應(yīng)用。

4 結(jié)論

根據(jù)多設(shè)備組網(wǎng)測(cè)量自身技術(shù)特點(diǎn)來(lái)看，后續(xù)該技術(shù)的主要發(fā)展趨勢(shì)為:

1)測(cè)量平臺(tái)軟件統(tǒng)一。使用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)傳輸、處理的測(cè)量平臺(tái)軟件，從軟硬件上使得多設(shè)備組網(wǎng)更加便利，改善自身的測(cè)量環(huán)境和能力。測(cè)量平臺(tái)的數(shù)字化處理如圖8所示。

2)硬件改善。通過(guò)對(duì)測(cè)量設(shè)備硬件的性能進(jìn)行改善或者根據(jù)需求進(jìn)行全新的結(jié)構(gòu)功能設(shè)計(jì)，包括對(duì)測(cè)量機(jī)機(jī)體，測(cè)頭，傳感器等各種相關(guān)設(shè)備的改善［7］。

3)測(cè)量設(shè)備配置。對(duì)于單臺(tái)測(cè)量設(shè)備無(wú)法完成的測(cè)量任務(wù)，用多臺(tái)同類(lèi)型或者不同類(lèi)型的設(shè)備組合測(cè)量，這其中涉及到測(cè)量設(shè)備空間位置的配置等一系列問(wèn)題。

4)數(shù)據(jù)處理。在獲取數(shù)據(jù)之后，如果采用好的計(jì)算方法來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，以獲得更好的數(shù)據(jù)結(jié)果。這里注重處理算法的研究，例如，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、模糊理論，蒙特卡羅仿真、進(jìn)化算法、最小二乘法、高斯濾波快速算法等各種算法的研究和運(yùn)用。

圖8 數(shù)字化處理平臺(tái)示意圖Fig.8 Picture of digital processing platform

5)測(cè)量通信接口標(biāo)準(zhǔn)。由于測(cè)量過(guò)程中的不同部分采用不同的語(yǔ)言通信接口標(biāo)準(zhǔn)，所以對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)通信造成一定的困難。現(xiàn)今比較主流接口形式為:DMIS，ISO STEP，DML，I++DME，后續(xù)需要對(duì)各種通信接口標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)范度的制定和落實(shí)。

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