□ 劉韶光 □ 范歡歡 □ 范曉龍 □ 王宏旭

中國飛行試驗(yàn)研究院 西安 710089

飛行試驗(yàn)是機(jī)載產(chǎn)品獲得改進(jìn)信息的最有效的手段。在飛行試驗(yàn)過程中，機(jī)載產(chǎn)品在真實(shí)的環(huán)境下工作，能將設(shè)計(jì)缺陷或質(zhì)量問題暴露在研發(fā)階段，為產(chǎn)品的可靠性設(shè)計(jì)提供最有效的依據(jù)。

飛機(jī)裝配型架是飛機(jī)裝配中的專用工藝裝備，具有與飛機(jī)結(jié)構(gòu)密切相關(guān)的特點(diǎn)，是保證飛機(jī)裝配質(zhì)量的可靠措施。在改裝飛機(jī)某部件的組鉚裝配過

程中，型架上的卡板可以準(zhǔn)確定位框結(jié)構(gòu)，定位器可以準(zhǔn)確定位長桁位置。裝配型架是保證改裝部件具有正確的幾何形狀、滿足部件的制造準(zhǔn)確度、最終使改裝結(jié)構(gòu)與原機(jī)結(jié)構(gòu)具有良好協(xié)調(diào)互換性的必要工藝裝備。

要提高改裝部件的組鉚裝配精度，首先要提高裝配型架的裝配精度。將激光跟蹤儀應(yīng)用到飛機(jī)改裝型架裝配過程中，可以提高型架的裝配精度和效率，減少裝配誤差，提高裝配質(zhì)量。

1 測(cè)量原理

激光跟蹤儀是一種精密空間坐標(biāo)測(cè)量設(shè)備，它結(jié)合激光干涉儀和先進(jìn)的伺服控制技術(shù)來測(cè)量目標(biāo)反射靶球和跟蹤儀的相對(duì)位置［1］。

激光跟蹤儀和測(cè)量反射靶球可以形成球坐標(biāo)系測(cè)量系統(tǒng)，如圖1所示，跟蹤儀的激光束、旋轉(zhuǎn)鏡和旋轉(zhuǎn)軸構(gòu)成了激光跟蹤儀的三個(gè)軸，三軸交點(diǎn)就是測(cè)量坐標(biāo)系的原點(diǎn)［2］。通過仰角和方位角傳感器來測(cè)量靶球位置與坐標(biāo)系原點(diǎn)的夾角，用干涉計(jì)來測(cè)量靶球到原點(diǎn)的半徑。靶球P的坐標(biāo)為：

式中：α為方位角；β為仰角；r為靶球到坐標(biāo)原點(diǎn)的半徑。

▲圖1 激光跟蹤儀及測(cè)量坐標(biāo)系示意圖

工裝型架上所有的被測(cè)點(diǎn) （TB 點(diǎn) 、OTP 點(diǎn)、ERS 點(diǎn)）在激光跟蹤儀（Laser Tracker）測(cè)量坐標(biāo)系(MCS)下的坐標(biāo)為（x，y，z），在型架坐標(biāo)系(PCS)下的坐標(biāo)為（x′，y′，z′）。 測(cè)量軟件通過空間線性變換，將MCS-xyz轉(zhuǎn)換到 PCS-x′y′z′。 也就是說，型架的測(cè)量點(diǎn)在激光跟蹤儀坐標(biāo)系MCS下的坐標(biāo)值通過平移和旋轉(zhuǎn)變換后，得到該點(diǎn)在工裝坐標(biāo)系PCS下的坐標(biāo)值。

坐標(biāo)變換式為：

▲圖2 激光跟蹤儀及型架坐標(biāo)系相對(duì)關(guān)系圖

寫成矩陣形式為：

式中：

α、β、γ 分別為 PCS與 MCS坐標(biāo)系中 X、Y、Z 軸之間的夾角， 常數(shù)項(xiàng) （a1、a2、a3）表示在跟蹤儀坐標(biāo)系（MSC）下的工裝坐標(biāo)系（PSC）的原點(diǎn)坐標(biāo)值；aij為轉(zhuǎn)換矩陣R中的元素。

2 工裝型架裝配流程及應(yīng)用

2.1 基本概念

（1） TB 點(diǎn)（Tooling Baic）是建立工裝型架坐標(biāo)系時(shí)使用的基礎(chǔ)點(diǎn)，該點(diǎn)一般為在同一平面內(nèi)的3～5個(gè)點(diǎn)，由設(shè)計(jì)者在型架的設(shè)計(jì)過程中給出；

（2） OTP 點(diǎn)（Optical Tooling Points）是在工裝型架設(shè)計(jì)過程中在卡板或支撐件上設(shè)置的工藝孔的中心點(diǎn)，用于確定裝配工裝定位件空間位置的控制點(diǎn)，一般每片卡板上設(shè)置3個(gè)點(diǎn)，用于確定卡板平面；

（3） ERS 點(diǎn)（Enhance Reference System）是在型架裝配過程中，激光跟蹤儀在某個(gè)站點(diǎn)由于型架對(duì)激光射線的遮擋，不能完成所有OTP點(diǎn)的調(diào)試，需要將其移動(dòng)到合適的站位繼續(xù)對(duì)該型架進(jìn)行裝配調(diào)試，ERS就是為了增強(qiáng)工裝坐標(biāo)系而設(shè)計(jì)的點(diǎn)。當(dāng)激光跟蹤儀需要移動(dòng)到不同的站位進(jìn)行測(cè)量時(shí)，可以通過測(cè)量4個(gè)及以上不同ERS點(diǎn)的坐標(biāo)，通過最小二乘法將坐標(biāo)系擬合到工裝坐標(biāo)系中。ERS點(diǎn)也是建立工裝型架坐標(biāo)系的永久性參考點(diǎn)。

工裝型架在設(shè)計(jì)過程中需要在型架支撐底座上設(shè)計(jì)TB點(diǎn)和ERS點(diǎn)，在卡板上設(shè)計(jì)安裝調(diào)試工藝孔，此孔用來安裝激光跟蹤儀的靶球支座。工裝型架在設(shè)計(jì)完成后，型架的支撐底座與卡板、卡板與定位器的裝配關(guān)系和相對(duì)位置已經(jīng)確定。

2.2 型架裝配流程

▲圖3 激光跟蹤儀測(cè)量型架TB點(diǎn)軟件界面圖

▲圖4 激光跟蹤儀測(cè)量型架TB點(diǎn)示意圖

當(dāng)型架設(shè)計(jì)完成后，在三維設(shè)計(jì)軟件（CATIA）中 可 以提取這些OTP點(diǎn)并作為文本輸出，作為后續(xù)的實(shí)際裝配調(diào)試的依據(jù)。在型架的實(shí)際裝配過程中，通過使用激光跟蹤儀測(cè)量型架上的OTP點(diǎn)的靶球坐標(biāo)，根據(jù)測(cè)量值和設(shè)計(jì)值實(shí)時(shí)作比較，依據(jù)比較結(jié)果調(diào)整卡板及定位器的安裝位置，確定最終的裝配關(guān)系。

在工裝型架的裝配過程中，所提供的TB點(diǎn)、OTP點(diǎn)及ERS點(diǎn)的坐標(biāo)是型架坐標(biāo)系（PCS）下的坐標(biāo)值；跟蹤儀的坐標(biāo)系是以跟蹤儀頭部轉(zhuǎn)軸交點(diǎn)所在位置為原點(diǎn)的坐標(biāo)系（MCS）。工裝型架調(diào)試的目的就是將跟蹤儀的坐標(biāo)系與型架坐標(biāo)系對(duì)齊，再進(jìn)行工裝中卡板、定位器、支承座的裝配調(diào)整，達(dá)到實(shí)際產(chǎn)品與數(shù)字化模型相對(duì)位置的一一對(duì)應(yīng)。

2.3 應(yīng)用實(shí)例

在某飛機(jī)改裝工裝型架的裝配過程中，使用Lecia激光跟蹤儀和Metrolog XG for Lecia測(cè)量軟件進(jìn)行裝配調(diào)試。

首先要建立工裝基礎(chǔ)坐標(biāo)系，根據(jù)設(shè)計(jì)圖，使用激光跟蹤儀實(shí)際測(cè)量型架上的TB點(diǎn)。使用激光跟蹤儀中的靶球依次測(cè)量TB1～TB5各點(diǎn)，TB點(diǎn)都被記錄在測(cè)量軟件中。根據(jù)測(cè)量結(jié)果及設(shè)計(jì)圖中定義的X軸、Y軸、Z軸，在構(gòu)造模塊下建立型架坐標(biāo)系（PCS）。Metrolog軟件［3］會(huì)應(yīng)用上文提到的坐標(biāo)線性變換算法，根據(jù)測(cè)量結(jié)果將跟蹤儀坐標(biāo)系（MCS）線性轉(zhuǎn)換到型架坐標(biāo)系（PCS）下。以構(gòu)建的PCS為測(cè)量坐標(biāo)系，分別測(cè)量調(diào)整跟蹤儀站點(diǎn)所需的ERS點(diǎn)坐標(biāo)。

在CATIA軟件中將所有卡板、支撐件、定位器在設(shè)計(jì)數(shù)模中的坐標(biāo)值以*.txt文本格式輸出，再將這些數(shù)據(jù)以名義值的形式導(dǎo)入Metrolog，進(jìn)入建立/檢查模塊，當(dāng)跟蹤儀的靶球移動(dòng)到工裝中卡板的定位孔時(shí)，Metrolog會(huì)將測(cè)量值與名義值作比較，并將dX、dY、dZ三個(gè)方向的差值動(dòng)態(tài)顯示到電腦屏幕上，裝配人員根據(jù)數(shù)值微量調(diào)整卡板、定位器等在空間中的位置，當(dāng)差值達(dá)到預(yù)先設(shè)置的公差范圍內(nèi)時(shí)，固定相應(yīng)的設(shè)備，完成裝配。

完成整個(gè)型架所有卡板定位器裝配后，需要對(duì)型架中所有的ERS點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量并記錄數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)將成為型架移動(dòng)、運(yùn)輸?shù)焦ぷ魑恢煤蠡謴?fù)測(cè)量坐標(biāo)系、調(diào)整卡板定位器至設(shè)計(jì)位置的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)。

3 結(jié)束語

▲圖5 激光跟蹤儀調(diào)整OTP點(diǎn)動(dòng)態(tài)差值圖

隨著數(shù)字化測(cè)量技術(shù)的不斷發(fā)展，在試驗(yàn)機(jī)改裝部件專用型架的裝配過程中，基于激光跟蹤儀的測(cè)量系統(tǒng)的裝配技術(shù)以其高效率、高精度、便攜性等優(yōu)點(diǎn)正發(fā)揮著巨大的作用。在型架裝配實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)不同的部件和測(cè)量任務(wù)制定合理的測(cè)量方案，更好地發(fā)揮激光跟蹤儀的作用，使我國的飛機(jī)制造、試驗(yàn)機(jī)改裝技術(shù)邁上新臺(tái)階。

［1］ 王彥喜，閔俊，劉 剛.激光跟蹤儀在飛機(jī)型架裝配中的應(yīng)用［J］.航空制造技術(shù)，2010（19）:92-94.

［2］ 王巍，黃宇，莊建平.激光跟蹤儀在飛機(jī)裝配工裝制造中的應(yīng)用［J］.航空制造技術(shù)，2004（12）：81-84.

［3］ 陳智勇，吳建軍，趙玉靜，等.激光跟蹤測(cè)量系統(tǒng)在飛機(jī)型面測(cè)量中的應(yīng)用［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2009（12）：68-70.