李斌

摘 要：闡述了面向飛機(jī)裝配過(guò)程的數(shù)字化測(cè)量系統(tǒng)相對(duì)于傳統(tǒng)測(cè)量系統(tǒng)具備的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，對(duì)某型機(jī)機(jī)身段裝配中所用數(shù)字化測(cè)量設(shè)備的功能和作用進(jìn)行介紹，詳細(xì)論述數(shù)字化測(cè)量軟件的轉(zhuǎn)站原理，環(huán)境的結(jié)構(gòu)框架，探討了測(cè)量系統(tǒng)在機(jī)身段裝配站位的實(shí)際應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化；測(cè)量；飛機(jī)裝配

1 面向飛機(jī)裝配的數(shù)字化測(cè)量系統(tǒng)特點(diǎn)

數(shù)字化測(cè)量系統(tǒng)是以測(cè)量檢測(cè)軟件為核心，以數(shù)字化測(cè)量設(shè)備為實(shí)施工具，能夠?qū)Υ郎y(cè)對(duì)象實(shí)施快速、精確、自動(dòng)化的測(cè)量，獲取其準(zhǔn)確的空間形狀或位姿信息，并能夠?qū)y(cè)量結(jié)果進(jìn)行后期分析評(píng)估的一整套測(cè)量系統(tǒng)。在飛機(jī)裝配領(lǐng)域，相對(duì)于傳統(tǒng)測(cè)量系統(tǒng)，數(shù)字化測(cè)量系統(tǒng)主要特征包括

（1）測(cè)量范圍大、精度高。數(shù)字化測(cè)量設(shè)備通常采用有著極好的定向性和相干性的激光發(fā)射接收系統(tǒng)作為其測(cè)量單元，在滿足飛機(jī)裝配精度的前提下，測(cè)量設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)大空間測(cè)量。測(cè)量過(guò)程可通過(guò)編程控制，數(shù)字化測(cè)量設(shè)備采用機(jī)電伺服控制結(jié)構(gòu)，結(jié)合其開(kāi)放的可編程二次開(kāi)發(fā)接口，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)測(cè)量工作的數(shù)字化控制。

（2）測(cè)量數(shù)據(jù)數(shù)字化，可讀性好。測(cè)量結(jié)果以數(shù)字量進(jìn)行表征，可以直接顯示、加工和處理。

（3）測(cè)量數(shù)據(jù)具有良好共享性。數(shù)字化測(cè)量設(shè)備采用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)TCP/IP 接口，因此測(cè)量設(shè)備能夠很容易地實(shí)現(xiàn)與其他系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通信，對(duì)組建柔性化的數(shù)字化裝配平臺(tái)有不可估量的積極意義

2 機(jī)身段測(cè)量系統(tǒng)

機(jī)身段測(cè)量系統(tǒng)主要包括與控制系統(tǒng)，主控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信模塊和激光跟蹤儀測(cè)量系統(tǒng)，功能是在總裝站位組件對(duì)接測(cè)量，將激光跟蹤測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量的基準(zhǔn)點(diǎn)信息轉(zhuǎn)化為模型的位姿信息，并與產(chǎn)品數(shù)據(jù)集的數(shù)字模型進(jìn)行比對(duì)，求出位姿誤差，并給出裝配件當(dāng)前的位姿以及裝配件的位姿調(diào)整方向，另外測(cè)量系統(tǒng)還應(yīng)用在系統(tǒng)件安裝，主起交點(diǎn)孔鏜孔加工，飛機(jī)水平測(cè)量點(diǎn)測(cè)量，組件下架前測(cè)量， 應(yīng)用范圍廣泛如圖1所示。

激光跟蹤儀測(cè)量系統(tǒng)主要由跟蹤部、跟蹤儀控制機(jī)、應(yīng)用處理機(jī)和靶標(biāo)幾部分組成如圖2所示。跟蹤部是整個(gè)系統(tǒng)的主體，內(nèi)部集成角編碼器、伺服馬達(dá)和激光干涉儀等元件；跟蹤儀控制機(jī)內(nèi)部集成角編碼器脈沖的計(jì)數(shù)裝置和干涉儀脈沖計(jì)數(shù)裝置，驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的裝置也在其中；應(yīng)用處理機(jī)用來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、執(zhí)行轉(zhuǎn)換和其他功能；靶標(biāo)是被激光跟蹤儀跟蹤的光學(xué)目標(biāo)，它能使入射的激光束平行原路返回跟蹤儀。

以上測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)用方面首先是建站，建站的原理是利用總裝型架上的ERS1，ERS2，ERS3……ERSn建立激光跟蹤儀和飛機(jī)裝配坐標(biāo)系下的關(guān)系，通過(guò)ERS點(diǎn)（至少3個(gè)）實(shí)現(xiàn)激光跟蹤儀當(dāng)前坐標(biāo)系和飛機(jī)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，使得激光跟蹤儀測(cè)量值為裝配坐標(biāo)系下的值，在各種位姿轉(zhuǎn)換的過(guò)程中，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換是重要的內(nèi)容。因此，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換是數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的基礎(chǔ)功能， 由于飛機(jī)數(shù)字化裝配測(cè)量系統(tǒng)是通過(guò)測(cè)量裝配件的3個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)位置而得到裝配件位姿的，而模型的各種變換都需要轉(zhuǎn)換矩陣，因此，需要了解如何通過(guò)3點(diǎn)變換前后的坐標(biāo)求解坐標(biāo)變換矩陣。

在解決其他問(wèn)題之前，先要得到系統(tǒng)模型各種坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換矩陣。根據(jù)激光跟蹤測(cè)量系統(tǒng)的系統(tǒng)需求，建立如下模型： 已知坐標(biāo)系中的3 個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)PA0，

3 機(jī)身段測(cè)量系統(tǒng)的應(yīng)用

激光跟蹤測(cè)量系統(tǒng)是飛機(jī)數(shù)字化裝配測(cè)量系統(tǒng)的重要組成部分，其主要功能是負(fù)責(zé)激光跟蹤儀與計(jì)算機(jī)之間的通訊，激光跟蹤測(cè)量?jī)x初始化，激光跟蹤測(cè)量?jī)x回鳥(niǎo)巢，靜、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集等。

3.1激光跟蹤儀初始化

本系統(tǒng)是基于Leica AT901 激光跟蹤儀（技術(shù)參數(shù)如表1所示）， 激光跟蹤測(cè)量?jī)x在開(kāi)始測(cè)量之前，必須要使計(jì)算機(jī)和激光跟蹤測(cè)量?jī)x進(jìn)行通訊，服務(wù)配置當(dāng)中要進(jìn)行控制器IP的選擇，是的處理機(jī)連接上正確的跟蹤儀設(shè)備并對(duì)設(shè)備的當(dāng)前狀況進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)跟蹤頭運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行檢查，同時(shí)使出射激光回到鳥(niǎo)巢并和靶球建立光路聯(lián)系，以保證設(shè)備處于一個(gè)良好的工作狀態(tài)，這個(gè)過(guò)程就是激光跟蹤測(cè)量?jī)x初始化的過(guò)程。

3.2激光跟蹤儀回鳥(niǎo)巢

激光跟蹤測(cè)量?jī)x在測(cè)量過(guò)程中一般都要求光路要始終連續(xù)。但是在實(shí)際工程運(yùn)用中，會(huì)由于種種非人為的原因和不可避免的外部干擾而頻繁出現(xiàn)測(cè)量過(guò)程中光路中斷的情況。因此，對(duì)于一般的干涉測(cè)量方式來(lái)說(shuō)，測(cè)量軟件應(yīng)該具備回鳥(niǎo)巢的功能，即引導(dǎo)光束回到初始位置。經(jīng)常在建站使用，也有可能出現(xiàn)續(xù)光失敗，需要回鳥(niǎo)巢。

3.3激光跟蹤儀測(cè)量系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)

激光跟蹤儀測(cè)量系統(tǒng)在組件調(diào)姿測(cè)量時(shí)讀取數(shù)據(jù)庫(kù)中測(cè)量孔的理論值作為測(cè)量名義值，系統(tǒng)建站后主控系統(tǒng)發(fā)送測(cè)量命令，由于在數(shù)字化理論模型中各個(gè)組件工藝球頭與每一個(gè)測(cè)量孔的位置是有一定的幾何關(guān)系，所以這種關(guān)系可以使得控制系統(tǒng)能夠根據(jù)當(dāng)前球頭的位置算出測(cè)量孔的大概位置，激光跟蹤儀就可以直接追蹤到在測(cè)量孔布置好的靶球，完成測(cè)量后數(shù)據(jù)發(fā)給主控系統(tǒng)進(jìn)行姿態(tài)評(píng)價(jià)等任務(wù)，建站調(diào)姿如圖4所示。

4 飛機(jī)裝配測(cè)量誤差補(bǔ)償

飛機(jī)裝配測(cè)量誤差主要由3 部分構(gòu)成：零部件制造誤差、測(cè)量型架布置的測(cè)量點(diǎn)標(biāo)定誤差、測(cè)量設(shè)備自身的測(cè)量誤差。

因此要獲得更為精確的測(cè)量數(shù)據(jù)，需要從3 方面進(jìn)行誤差補(bǔ)償。飛機(jī)零部件制造誤差可通過(guò)合理的工藝安裝方法把誤差分散給予補(bǔ)償和減小。測(cè)量站位場(chǎng)標(biāo)定誤差產(chǎn)生于坐標(biāo)系統(tǒng)一過(guò)程中固定點(diǎn)安裝誤差，可通過(guò)坐標(biāo)系統(tǒng)自校正的方法加以修正。對(duì)于測(cè)量設(shè)備自身的測(cè)量誤差，一般可由生產(chǎn)廠商在比較理想的實(shí)驗(yàn)室條件下測(cè)試后提供。在實(shí)際工業(yè)測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)，如果周圍環(huán)境情況惡劣，可采用“冗余測(cè)量法”加以處理，其核心思想是使用2 臺(tái)以上的設(shè)備對(duì)一點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行測(cè)量的方法加以校正。由于參與測(cè)量的測(cè)量設(shè)備都有各自的測(cè)量坐標(biāo)系及測(cè)量坐標(biāo)，當(dāng)這些測(cè)量?jī)x器對(duì)同一個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，因?yàn)闇y(cè)量誤差的存在，測(cè)得的點(diǎn)坐標(biāo)被映射到設(shè)計(jì)坐標(biāo)系下時(shí)其點(diǎn)位并不重合，通過(guò)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行加權(quán)平均，結(jié)合生產(chǎn)廠商提供的設(shè)備系統(tǒng)誤差參數(shù)，可達(dá)到減小測(cè)量誤差的目的。以該方法為基礎(chǔ)，在測(cè)量域內(nèi)布設(shè)關(guān)鍵插值點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，而后引入人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等人工智能算法，進(jìn)而獲得整個(gè)測(cè)量域誤差補(bǔ)償修正值。

5 結(jié)束語(yǔ)

飛機(jī)數(shù)字化裝配是現(xiàn)代飛機(jī)數(shù)字化制造的重要環(huán)節(jié)，而飛機(jī)數(shù)字化裝配測(cè)量系統(tǒng)平臺(tái)對(duì)于數(shù)字化裝配工作起著重要的作用。本文詳細(xì)地描述了飛機(jī)數(shù)字化裝配測(cè)量系統(tǒng)的工作原理及應(yīng)用情況，并結(jié)合實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)裝配情況進(jìn)行了測(cè)量評(píng)價(jià)，并提出了誤差補(bǔ)償?shù)姆椒?，將?huì)對(duì)后續(xù)測(cè)量系統(tǒng)起到重要輔助作用。