基于激光跟踪仪的机身桶段测量技术研究

王 巍，李 昂，M D H E L A L MI A H

（沈阳航空航天大学航空航天工程学部，辽宁 沈阳110000）

随着数字化制造技术的迅速发展和广泛应用，传统飞机产品的研制过程发生了根本性的变革，大幅度地提高了飞机设计与制造的技术水平。因此，在测量整机产品和大尺寸件时对测量技术、测量设备提出了更高的要求[1]。传统的测量技术已难以满足飞机制造中快速、高效、高精度检测要求，数字化测量技术已成为打通飞机复杂零件与大尺寸零部件设计、制造、装配、检测一体化流程，提升检测效率与水平的关键环节[2]。基于激光跟踪仪等数字化测量设备建立飞机数字化测量系统，制定相应的测量计划和技术规范，对飞机产品进行在线测量与质量控制，已成为提高飞机产品检测效率与质量的重要手段。

1 激光跟踪仪测量场

激光跟踪仪是一种新型的大尺寸空间坐标测量仪器，它集干涉测距自动跟踪、精密机械、计算机软件及控制技术为一体，能够对控件运动目标进行连续动态跟踪及三维坐标实时测量，具有测量精度高、实时快速、操作简单等特点，广泛应用于航空航天等工业制造领域[3]。在飞机装配现场，为了实现对飞机部件上所有关键特征和关键对接点的测量，需要转换激光跟踪仪的站位或多台激光跟踪仪协同工作，通过激光跟踪仪转站技术，构建覆盖整个装配空间的测量场。

1.1 激光跟踪仪测量场的组成

激光跟踪仪测量场主要由飞机装配坐标系、ERS点和飞机测量坐标系三部分组成。

（1）飞机装配坐标系是飞机装配系统中的唯一的基础坐标系，通常和飞机设计坐标系重合，或者具有明确的相对关系[4]。这样，飞机产品的的数字化测量结果可以直接和它的三维数模进行比较。在机身桶段测量中，可以通过测量布置在装配现场上的ERS点和飞机产品上的基准点的坐标，采用最佳拟合的方法确立飞机装配坐标系与飞机设计坐标系的相对位置关系。

（2）ERS（Enhanced Referenced System，增强的参考系统）点是装配坐标系的参考基准，被合理地布置在飞机装配和测量现场的地基或者平台上。ERS点的位置是固定的，即其在装配坐标系下的坐标值是一定的。因此，ERS点的作用等同于装配坐标系，它是装配坐标系的物化显示，是整个装配系统的测量基准。在统一的装配坐标系下，可以建立不同站位下激光跟踪仪之间的相对关系，实现多个站位下激光跟踪仪的协同运动；还可以通过比较飞机零部件在装配坐标系下的实际位姿和理论位姿，实现对飞机零部件定位精度和各部件之间的装配准确度的评价[5]。

（3）飞机测量坐标系是飞机装配坐标系与激光跟踪仪测量坐标系的统一。每一台激光跟踪仪自身都定义了一个测量坐标系，测量坐标系的原点一般在激光跟踪头的中心位置，并随着激光跟踪仪站位的移动而改变。因此，在测量开始时测量坐标系与装配坐标系的位置关系是不确定的，不同站位下激光跟踪仪的测量结果也不存在关联[6]。为了融合不同站位下的测量结果，需要通过测量飞机产品全部的基准点和多个ERS点的实际坐标，确定每个站位下的测量坐标系到装配坐标系之间的相对位置关系，即建立统一的飞机测量坐标系。此时所有测量站位下的测量值都将转换到同一坐标系下。

1.2 建立飞机测量坐标系

建立飞机测量坐标系的常用方法有三种：

（1）最佳拟合法：通过对两组空间坐标点的三维坐标进行分析，将其中一组数据进行平移和旋转，基于最小二乘算法计算出两组数据最小化相对误差的平方和以达到寻找数据的最佳函数匹配。

（2）JUMP仪器法：当飞机产品基准点空间距离较远，超出激光跟踪仪测量范围时，需要对激光跟踪仪进行转站，使用JUMP仪器法建立坐标系。首先，利用激光跟踪仪对第一测量站位下的基准点进行数据采集，完成后将设备转移到下一站位，利用JUMP仪器功能对第二个测量站位下的基准点进行数据采集。然后，通过测量ERS点完成两个站位之间的数据转移，在第二测量站位下得到所有飞机产品基准点的测量值。最后，将转站后的飞机基准点测量值与理论值利用最佳拟合法建立飞机测量坐标系。

利用ASP.NET与SQL Server设计开发学习平台。学习平台包括课程管理、资源管理、练习考试、选课评教、教师管理、学生管理、日志管理等模块。日志管理模块通过Log4j记录学生进行网络学习时产生的日志数据。选课评价模块中，学生能够自行选课和退课，并可以对教师进行评价和评分，让好的老师脱颖而出，不好的淘汰。学习平台上的资源主要是按照知识点录制的短视频，方便学生对知识点进行查漏补缺，也便于教师对资源进行更新和管理，教师可以利用知识点资源构建课程。

（3）束调整法：是针对测量产品基准点分布在不同方向的位置，实现多站位下对基准点的采集方法。通过对多个站位下ERS点的测量值进行束调整，计算激光跟踪仪转站的位置和角度，得到基准点测量值间的最小拟合误差，将多个站位下的ERS点拟合在最后一个站位上，从而实现所有飞机基准点的测量值统一到一个测量站位下。统一站位后的基准点测量值可以与基准点理论值进行最佳拟合建立飞机测量坐标系。

1.3 转站

激光跟踪仪测量站位的转换，简称转站。对于机身桶段这种大尺寸测量件，需要多个站位下的测量坐标系才能反映其全部关键特性的位置坐标，所以激光跟踪仪要进行转站。由空间几何原理可以知道，两个空间坐标系需要建立联系，至少需要不在同一直线上三点的空间坐标（两个坐标系下），这样才能得到空间两个坐标原点间的空间关系[7]。因此，激光跟踪仪可以通过测量不共线的三个以上的ERS点，运用刚性点匹配算法来求出不同站位下的测量坐标系之间、测量坐标系与装配坐标系之间的坐标转换参数，将多个站位下测量坐标系的测量值转换到同一个坐标系下。

2 激光跟踪仪在某型飞机前机身桶段测量中的应用

按照标准的测量计划，使用激光跟踪仪对飞机大部件进行在线测量，已成为提高飞机大部件检测效率与产品质量的重要手段。现结合某型飞机前机身桶段关键特性和关键对接点的在线测量和数据分析过程，介绍基于激光跟踪仪的飞机数字化测量技术在飞机产品检测中具体的应用情况。

（1）布置ERS点

ERS点作为整个测量系统的基准，一旦布置完成则不能移动。因此，ERS点最好布置在稳定不动的地基或平台上，避免其受到振动、热变形等因素的影响。在机身桶段测量中ERS点应该具有一定的数量，能够覆盖整个测量场，并且要避免所有ERS点都布置在同一条直线上。ERS点的布置要分散，保证激光跟踪仪在测量场中的每个站位都能拾取到足够的ERS点，同时每个站位能够拾取到的ERS点所组成的包络面需完全包含此站位所测量的内容。

（2）建立飞机测量坐标系

在不同站位测量全部7个机身基准点坐标，并且测量装配现场所布置ERS点的位置。利用机身基准点理论坐标与其测量值在软件中进行最佳拟合，建立飞机测量坐标系。机身基准点位置如图1所示。

图1 机身基准点位置图

已知七个理论基准点为pi=（xi，yi，z）i，i=1、2、3...7，实际测量点为p′i=（xi，yi，z）iT，i=1、2、3...7，利用最小二乘法求解目标函数：使得理论坐标系与测量坐标系有最优解R与T.

机身基准点理的论值为：

基于测量系统软件，在最小二乘拟合算法的基础上对各个基准点坐标在设计制造基准方向加入权重比例系数，保证在各个方向的装配准确度，如图2所示。

图2 最佳拟合法建立飞机测量坐标系

（3）某机前机身关键特性和关键对接点测量

某机前机身由上壁板组件、左侧壁板组件、右侧壁板组件、下壁板组件、机身隔框、机身舱门（包括两个登机和一个货舱门）、地板组件等部分组成。关键特性一般定位在协调部位[8]，某机前机身关键特性和关键对接点包括：机身基准点、蒙皮端部外形、带板外形、机身内部滚动轴承、机身对称孔、座椅滑轨孔、长桁上表面、舱门框蒙皮端面轮廓等。某机前机身关键特性和关键对接点位置如图3所示。

图3 某机前机身关键特性和关键对接点

由于机身桶段过大，在测量一些关键部位隐藏的洞腔和孔位点时，激光跟踪仪展现出极大的局限性[9]。利用激光跟踪仪和T-CAM摄像头相结合实现动态的驻机定位（6个自由度的跟踪），可以有效解决这一问题，大幅度地缩短产品的检测周期。使用激光跟踪仪测量时，T-Cam能够随时跟踪目标设备，并获取其位置参数（x，y，z）和定位参数（俯仰，摇摆，自转），这六个测量参数确定了目标设备与激光跟踪仪的关系[10]。目前最常用的目标设备是T-Probe，其具有尺寸小、重量轻、使用方便且精度高等优点。在8.5 m范围内，T-probe测量结果的空间长度误差不超过60μm.

在对机身基准点进行测量时要采用面线交点法间接测量。在基准点导孔所在的平面上取3点测量，确定基准点偏置平面。基准点所在孔两侧平面可能存在阶差，测量时选点应保证在同一平面上。利用标准转接套在基准点所在孔轴线上取两点进行测量。最后，采用面线交点法得到基准点坐标。

在测量蒙皮端部外形等关键特性时，由于受到空间限制，需要在测量过程中使用标准的转接套。对转接套的使用需要注意以下几点：测量开始前应对转接套数量、种类进行核实；使用转接套前应确保转接套完整，洁净，无损伤；使用转接套测量时要确保通用球座与转接套之间，转接套与产品之间紧密贴合、不晃动。

（4）转站

在跟踪仪转站前后分别测量ERS点的坐标值，以第一个站位下测得的坐标值为“理论值”，第二个站位下测得的坐标值为“测量值”，用最佳拟合的方法实现转站前后坐标系的定位转化。由转站的原理可知，转站时引入的误差将影响到飞机测量坐标系中的每一个测量点。因此，在这里产生的误差是必须首先控制的。除设备系统误差、环境参数、操作规范性等因素外，ERS的布局是影响转站精度的主要因素。以某型飞机前机身桶段测量为例，激光跟踪仪站位变换后，需至少拾取4个ERS点以建立包络面。基准拟合允许误差为0.76 mm，转站误差应低于0.122 mm.每次转站测量前均需要对设备进行温度、材料补偿和标尺校正。

（5）数据分析

利用CATIA软件宏命令功能将测量结果提供的.TXT文件导入CATIA数模。测量数据导入后，利用测量结果在CATIA软件内构建基准面。利用TA1，TA2，TA3，TA4建立面TA并与理论面重合；过TB1，TB2两点建立与面TA向垂直的面TB并与理论面重合；过TC1建立与TA和TB均垂直的面TC并与理论面重合。利用CATIA软件的测量功能计算出基准点的偏移量，某架前机身基准点偏移量如表1所示。

表1 某架前机身基准点偏移量

基准面拟合后，在CATIA数模内选取测量得到的关键特性和关键对接点，并利用软件的测量功能计算测量结果到产品数模的点面距离并记录数值，减掉工具球半径及球座和转接套的偏置量，得到实际偏差数值。如果是需要采用面线交点法间接测量的关键特性和关键对接点，则要在基准面拟合后，在CATIA数模内选取机身对应的测量点组合利用面上三点确定投影平面，利用轴线两点建立的轴线向投影平面投影，将投影点沿轴线方向偏移工具球半径，求出关键特性和关键对接点的测量值。

3 结束语

本文介绍了激光跟踪仪工作原理和基于激光跟踪仪的机身桶段测量技术，总结了激光跟踪仪在大型飞机机身桶段关键特性在线测量中的应用。在我国大飞机产业迅猛发展的今天，对大型机身桶段测量的要求不断提高，数字化测量技术在机身桶段测量中的作用越来越重要。基于激光跟踪仪数字化测量技术，制定准确高效的测量计划，对关键特性点进行在线测量，合理控制误差范围，对测量结果进行数据分析并快速生成产品的测量报告。相较于传统的测量方法，可以极大地提高测量效率、缩短产品的检测周期，提高测量精度进而提高飞机装配质量，对于快速提升我国飞机数字化制造水平具有重要意义。

[1]安志勇，曹 秒，段 洁.数字化测量技术在飞机装配中的应用[J].航空制造技术，2013（18）：48-51.

[2]陈雪梅，刘顺涛.飞机数字化装配技术发展与应用[J].航空制造技术，2014（Z1）：60-65.

[3]冯子明.飞机数字化装配技术[M].北京：航空工业出版社，2015.

[4]金涨军.飞机装配中大尺寸测量场的建立与优化技术[D].杭州：浙江大学，2016.

[5]刘楚辉，柯映林.飞机翼身对接装配中的接头测量与评价技术[J].浙江大学学报（工学版），2011（02）：201-208.

[6]金正琪.提高激光跟踪仪转站测量精度的技术研究[D].杭州：浙江大学，2013.

[7]韩清华，郑 保，郭宏利，等.采用激光跟踪仪测量飞机外形[J].航空计测技术，2004（01）：15-16，33.

[8]尹 峰，王 巍，梁 涛.基于关键特性的数字化容差分配技术研究[J].航空制造技术，2011，（22）：53-56，80.

[9]王 巍，安宏喜，赵永拓.基于关键特性的数字化飞机检测技术研究[J].机械设计与制造，2015（03）：240-243.

[10]马剑锋.导弹数字化柔性对接系统设计及试验研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2014.