佟立杰

（西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院航空維修工程學(xué)院，陜西西安710089）

目前，飛機(jī)制造過(guò)程中的零部件較多，并且內(nèi)外形較為復(fù)雜，結(jié)構(gòu)較為輕薄并且容易變形，從而導(dǎo)致飛機(jī)裝配的過(guò)程難度較大，并且所涉及到的范圍也比較廣。在傳統(tǒng)飛機(jī)裝配過(guò)程中，其裝配效率比較低，并且勞動(dòng)過(guò)程中強(qiáng)度較高，以此使飛機(jī)裝配無(wú)法滿(mǎn)足裝配質(zhì)量需求，所以飛機(jī)裝配的數(shù)字化已經(jīng)發(fā)展成為了一個(gè)必然趨勢(shì)。數(shù)字化的飛機(jī)裝配的技術(shù)主要包括裝配設(shè)計(jì)、過(guò)程及生產(chǎn)管理方面的數(shù)字化。數(shù)字化的裝配過(guò)程指的是通過(guò)數(shù)字化設(shè)備有效提高裝配質(zhì)量及效率，其主要包括先進(jìn)的測(cè)量定位技術(shù)、柔性化的數(shù)字化工裝技術(shù)、機(jī)器人輔助自動(dòng)裝配技術(shù)等，這些技術(shù)與現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)具有一定的關(guān)系?，F(xiàn)代測(cè)量技術(shù)是一種數(shù)字化裝配系統(tǒng)精度保障，并且為飛機(jī)裝配的質(zhì)量檢測(cè)和評(píng)價(jià)過(guò)程中提供了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。激光測(cè)量系統(tǒng)是在1997年第一面世，其根據(jù)定位孔和鉆鉚有效提高了飛機(jī)裝配精度。我國(guó)在飛機(jī)裝配過(guò)程中也廣泛使用空間測(cè)量技術(shù)，比如使用激光跟蹤儀及電子經(jīng)緯儀實(shí)現(xiàn)飛機(jī)裝配型架安裝過(guò)程中的輔助作用等，但是和國(guó)外相比，此種技術(shù)在數(shù)字化裝配過(guò)程中的使用還是有限的，并且沒(méi)有成為完整的體系?；诖?，本文就對(duì)以數(shù)字化裝配的激光跟蹤儀測(cè)量使用進(jìn)行全面的研究。

1 數(shù)字測(cè)量技術(shù)

數(shù)字測(cè)量技術(shù)在數(shù)字化制造技術(shù)中具有重要的地位，其貫穿數(shù)字化的設(shè)計(jì)和制造整個(gè)流程，從而成為一個(gè)封閉環(huán)。通過(guò)數(shù)字化定義和預(yù)裝配技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計(jì)更改次數(shù)的降低，并且能夠隨時(shí)隨地調(diào)節(jié)生產(chǎn)過(guò)程，以此有效提高制造質(zhì)量及效率[1]。比起傳統(tǒng)測(cè)量系統(tǒng)，數(shù)字化測(cè)量系統(tǒng)的主要優(yōu)勢(shì)為：其一，具有較大的測(cè)量范圍和較高的精度；其二，在測(cè)量過(guò)程中能夠利用編程進(jìn)行控制；其三，通過(guò)數(shù)字化顯示測(cè)量結(jié)果，具有良好的可讀性；其四，測(cè)量得到的結(jié)果共享性良好[2]。所以，就要合理有效的使用先進(jìn)的數(shù)字化測(cè)量技術(shù)和設(shè)備實(shí)現(xiàn)制造業(yè)的改造。在我國(guó)航天技術(shù)不斷發(fā)展的過(guò)程中，大象復(fù)雜結(jié)構(gòu)數(shù)字化檢測(cè)具有較大的需求，比如航天器部件制造裝配精密度的測(cè)量、火箭外形的測(cè)量、衛(wèi)星精密制造的裝配測(cè)量等[3]。圖1為火箭生產(chǎn)裝配測(cè)量的現(xiàn)場(chǎng)。

圖1 火箭生產(chǎn)裝配測(cè)量的現(xiàn)場(chǎng)

目前數(shù)字化測(cè)量系統(tǒng)的種類(lèi)較多，激光跟蹤儀測(cè)量技術(shù)被廣泛應(yīng)用到大部件制造及裝配檢測(cè)過(guò)程中。激光跟蹤儀屬于近期發(fā)展的大尺寸及高精度測(cè)量?jī)x器，其主要包括光電探測(cè)及干涉測(cè)距等技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)目標(biāo)點(diǎn)三維空間坐標(biāo)的測(cè)量和跟蹤[4]。圖2為激光跟蹤儀的構(gòu)成。

圖2 激光跟蹤儀的構(gòu)成

2 光學(xué)的路徑干涉

光學(xué)路徑干涉分析主要包括動(dòng)態(tài)及靜態(tài)兩種分析方式，本文使用激光跟蹤儀光學(xué)路徑檢測(cè)，屬于靜態(tài)檢測(cè)的范圍，較為容易?，F(xiàn)代，碰撞檢測(cè)方式主要包括空間分解及包圍盒層次方法兩種。一般來(lái)說(shuō)，基于定位光學(xué)目標(biāo)點(diǎn)的數(shù)字化設(shè)計(jì)系統(tǒng)主要是在型架裝配模型中創(chuàng)建OTP點(diǎn)之后，利用激光跟蹤儀數(shù)據(jù)點(diǎn)和所有的OTP點(diǎn)創(chuàng)建路線，利用人工觀察設(shè)站的方式實(shí)現(xiàn)合理的判斷。但是此種方法無(wú)法得到精準(zhǔn)的結(jié)果，所以本文就設(shè)計(jì)了使用進(jìn)程外應(yīng)用方式，通過(guò)VB程序循環(huán)語(yǔ)句對(duì)其中的內(nèi)部函數(shù)進(jìn)行控制，以此實(shí)現(xiàn)模塊空間分析[5]。此功能的主要流程如圖3所示。

圖3 設(shè)站點(diǎn)的檢測(cè)流程

3 激光跟蹤儀測(cè)量軟件

激光跟蹤儀測(cè)量軟件系統(tǒng)主要是利用激光跟蹤儀結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)激光跟蹤儀服務(wù)器的訪問(wèn)，控制激光儀跟蹤儀實(shí)現(xiàn)參數(shù)的配置、測(cè)量、定時(shí)開(kāi)激光、初始化、關(guān)激光等。本文將激光跟蹤儀測(cè)量軟件劃分成為通信模塊、任務(wù)執(zhí)行、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理、三維展示等多個(gè)不同的模塊[6]。軟件中的核心模塊就是任務(wù)執(zhí)行模塊，用戶(hù)利用其能夠?qū)崿F(xiàn)任務(wù)的制定，在任務(wù)表中對(duì)任務(wù)進(jìn)行自動(dòng)的存儲(chǔ)，每個(gè)任務(wù)都是通過(guò)制定任務(wù)的工作人員組成的。任務(wù)執(zhí)行模塊利用任務(wù)表將任務(wù)取出來(lái)并且執(zhí)行，從而能夠得到針對(duì)性的數(shù)據(jù)，最后刪除任務(wù)執(zhí)行模塊中已經(jīng)完成的任務(wù)[7]。圖4為將任務(wù)執(zhí)行模塊作為核心的活動(dòng)圖。

圖4 將任務(wù)執(zhí)行模塊作為核心的活動(dòng)圖

任務(wù)表能夠?qū)崿F(xiàn)軟件集成和擴(kuò)展，如果實(shí)現(xiàn)特定任務(wù)制定模塊的開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)測(cè)量軟件擴(kuò)大化的使用，假如外部及開(kāi)發(fā)軟件的通信接口能夠?qū)崿F(xiàn)外部軟件任務(wù)的接受，那么在完成任務(wù)之后就能夠利用通信接口模塊將得到的數(shù)據(jù)發(fā)送給外部軟件中，以此實(shí)現(xiàn)軟件和軟件之間相互的集成，假如對(duì)待定的模塊進(jìn)行開(kāi)發(fā)能夠?qū)崿F(xiàn)腳本語(yǔ)言任務(wù)包的解析，以此能夠?qū)幊踢M(jìn)行離線測(cè)量。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊是一種軟件存儲(chǔ)的核心內(nèi)容，其中主要有計(jì)算機(jī)、測(cè)量等多種數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)模塊中的數(shù)據(jù)屬于外部發(fā)送數(shù)據(jù)[8]。圖5為將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊為中心的數(shù)據(jù)流動(dòng)圖。

圖5 將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊為中心的數(shù)據(jù)流動(dòng)圖

3.1 設(shè)計(jì)測(cè)量軟件模塊

3.1.1 任務(wù)執(zhí)行模塊

任務(wù)執(zhí)行模塊是一種激光跟蹤儀測(cè)量重要模塊，主要是通過(guò)激光跟蹤儀的使用和調(diào)用進(jìn)行控制。其主要目的就是通過(guò)任務(wù)表得到任務(wù)，然后對(duì)激光跟蹤儀通信模塊中的數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)用，之后在存儲(chǔ)模塊將數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，之后將執(zhí)行任務(wù)刪除。命令發(fā)送類(lèi)對(duì)象利用相關(guān)對(duì)象通過(guò)控制跟蹤儀對(duì)激光跟蹤儀服務(wù)器發(fā)送相應(yīng)的命令，之后通過(guò)跟蹤儀服務(wù)器執(zhí)行命令，最后返回到相應(yīng)的數(shù)據(jù)模塊中，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的接收，還能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)分析，將數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)模塊中存儲(chǔ)[9]。

3.1.2 同步觸發(fā)

同步觸發(fā)模塊主要是實(shí)現(xiàn)模塊調(diào)用，實(shí)現(xiàn)激光跟蹤儀的同步觸發(fā)，詳見(jiàn)圖6，制定串口通信協(xié)議之后就能夠發(fā)送串行數(shù)據(jù)，以此控制激光跟蹤儀信號(hào)，其主要是通過(guò)EMSCON實(shí)現(xiàn)觸發(fā)函數(shù)及串口通信進(jìn)行設(shè)置。

圖6 同步觸發(fā)模塊的工作流程

3.1.3 通信模塊

通信模塊能夠?qū)⑷蝿?wù)模塊的類(lèi)對(duì)象進(jìn)行發(fā)送到激光跟蹤儀服務(wù)器中，還能夠?qū)⒏檭x服務(wù)器中的結(jié)果進(jìn)行接收，并且將其交給任務(wù)執(zhí)行模塊消息接受類(lèi)實(shí)現(xiàn)解析。此模塊主要包括C/S網(wǎng)絡(luò)模型實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)[10]，圖7為模塊和跟蹤儀控制器的通信流程。

圖7 模塊和跟蹤儀控制器的通信流程

3.1.4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊的主要目的就是實(shí)現(xiàn)用戶(hù)對(duì)外部數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，其主要有兩部分，其一為程序內(nèi)部使用樹(shù)形式構(gòu)成的數(shù)據(jù)，并且在GRM類(lèi)中存儲(chǔ)，之后在界面中提供模型樹(shù)右鍵菜單，從而使用戶(hù)能夠?qū)ζ洳榭春蛣h除。其二為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)串行化，從而不僅能夠?qū)?shù)據(jù)通過(guò)讀寫(xiě)文件方式保存及恢復(fù)[11]。

3.1.5 三維顯示

三維顯示模塊的主要目的就是通過(guò)三維視圖將數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)模塊中存儲(chǔ)展現(xiàn)出來(lái)，利用OPENGL實(shí)現(xiàn)。它是一種圖形硬件結(jié)構(gòu)，其中具有多種函數(shù)實(shí)現(xiàn)封裝，能夠?qū)崿F(xiàn)三維顯示模塊的視圖操作，比如放大、全景、平移、縮小等。

3.1.6 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理模塊的主要目的就是實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)處理，其主要包括幾何關(guān)系計(jì)算、幾何元素?cái)M合、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等構(gòu)成[12]。

3.1.7 用戶(hù)接口

用戶(hù)接口的主要目的就是使用戶(hù)能夠?qū)崿F(xiàn)軟件人際交互，其主要包括硬件信息、記錄信息日志欄、操作按鈕等。

3.1.8 坐標(biāo)系及轉(zhuǎn)換

坐標(biāo)系并不是獨(dú)立模塊，其屬于在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊中的幾何元素，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換屬于數(shù)據(jù)處理的主要部分，所以坐標(biāo)系管理在激光跟蹤儀測(cè)量中具有重要的作用。本文通過(guò)樹(shù)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)系的關(guān)系[13]，詳見(jiàn)圖8。

圖8 通信模塊的樹(shù)結(jié)構(gòu)坐標(biāo)管理

3.2 軟件運(yùn)行

圖9為軟件運(yùn)行基本測(cè)量界面，其主要包括 模型樹(shù)操作區(qū)、基本命令操作區(qū)、點(diǎn)列表操作區(qū)、計(jì)算功能、視圖等操作區(qū)。其能實(shí)現(xiàn)激光跟蹤儀的控制，并且實(shí)現(xiàn)幾何元素的操作，將用戶(hù)操作的記錄進(jìn)行顯示[14]。

圖9 軟件運(yùn)行基本測(cè)量界面

圖10為軟件運(yùn)行坐標(biāo)系管理界面，其和基本測(cè)量界面并不相同，其中添加了坐標(biāo)系管理按鈕，按鈕能夠創(chuàng)建坐標(biāo)系，并且實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換?？梢酝ㄟ^(guò)幾何、姿態(tài)及六點(diǎn)的方式創(chuàng)建坐標(biāo)系，并且還能夠修改坐標(biāo)系[15]。

圖10 軟件運(yùn)行坐標(biāo)系管理界面

4 結(jié)束語(yǔ)

基于數(shù)字化裝配的激光跟蹤儀測(cè)量能夠有效提高工裝制造進(jìn)度，還能夠提供裝配產(chǎn)品的合格性提供保障。傳統(tǒng)定位安裝實(shí)際過(guò)程中對(duì)于激光跟蹤儀放置位置都依賴(lài)工作人員的判斷及經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行反復(fù)的調(diào)試，從而導(dǎo)致測(cè)量的進(jìn)度和效率都造成了嚴(yán)重的影響。在設(shè)計(jì)激光跟蹤儀測(cè)量軟件之后，能夠?yàn)楣ぷ魅藛T提供科學(xué)的指導(dǎo)，從而有效提高工作效率。