基于USMN技术激光跟踪仪检测应用

贾敏 高凯元 孙建辉 赵朝雄

摘要：数字化检测技术因其高效、便捷、智能等特点已大规模应用于航空制造领域中。随着工件尺寸的增长、表面复杂程度的增大，原有的单一设备配合单一站位的测量模式已逐渐被打破，以航空工业西飞在某型机模具工装的激光跟踪仪检测为例，对USMN技术的首次应用进行系统的介绍。

关键词：大尺寸测量;激光跟踪仪;USMN

中图分类号：P225.2                                      文献标识码：A                                文章编号：1674-957X（2020）21-0197-02

0  引言

传统的飞机部件及配套工裝主要依靠机械量具及工艺补偿保证工件协调精度。依靠类似模线模板等模拟量传递方式进行质量控制，在航空产品设计公差愈发严格的当下，其方法精度差、成本高、效率低等特性越来越制约相关检验流程。

随着MBD技术的不断推进，数字化检测技术其高精度、快速响应、动态监测、柔性配置等特点完美地解决了以上难题。但由于飞机产品流线外形、表面质量要求逐步提升，拿激光跟踪仪这单一设备举例，空间坐标测量不确定度约在（15+6L）μm，根据官方介绍资料其测量范围可达几十米，若使用单台设备且单一站位进行测量数十米的工装大部件，加之角度编码器测量出的角度误差会更大程度放大原有的距离误差，最终导致仪器精度完全无法满足产品的量值传递。[1]

面对这一仪器精度大幅下降的棘手问题，有效的解决方法之一就是创建统一空间测量网络（Unified Spatial Metrology Network，USMN），该技术可将多个（种）计量设备的测量数据经过计算机运算处理合并为一个整体的空间坐标测量网。在该技术下，需通过不同站位、多次测量的固定参考点（公共点），将这些数据以离散点云包含的空间最小为运算规则，将每一个固定点最终赋予唯一的不确定度场，并同时将每个站位的RMS误差呈现出来，可供权重更改，其对应的Rank值也可作为评估方式之一。通过这样的方式，可有效降低因单站位测量距离过远而导致的精度下降。[3]

同时传统的转站测量虽也是扩大测量空间的方法之一，但对于单次转站，测量中的公共点是由一次测量进行理论值标定的即具有第一次测量带来的不确定度。在理想情况下，不同的站位测得的公共点的相对关系应为固定的，即在转站操作（最佳拟合转化）后应完全相同，但实际上因为人员操作随机误差、机器自身测量精度、环境波动等因素，会导致最终结果并不完全一致。且若进行多次转站，随着站位数增加末次测量的不确定度会因累积而成倍增长。对比发现在USMN测量方法中，因为每个公共点位的最终赋值是由多个站位（不确定度场）共同参与平差计算从而得到均化状态，所以其单点不确定的传播也应远小于传统转站测量。

1  测量设备简介

本次模具检测使用的激光跟踪仪设备型号是LeicaAT901-LR，激光跟踪仪的原理是在球坐标测量系统下利用红外激光测量目标点的极径及利用角度编码器测量仪器距初始位置的水平角与方位角，通过三角函数转化最终得到目标点的空间三维直角坐标值。

在该球坐标测量系统下，测量示意图如图2所示，设仪器回转中心为原点O，定义待测目标点位为P点，通过绝对干涉测距仪测量出极径为两点间直线距离OP，通过水平方向与俯仰方向的两个角度编码器测量出水平角α和俯仰角β，从而得出P点的笛卡尔坐标系下坐标值为（X，Y，Z），其计算公式为：

X=OP×sinβ×cosα  Y=OP×sinβ×sinα  Z=OP×cosβ

2  测量流程

针对尺寸较大的模具工装，如何建立准确的增强参考系统（Enhanced Reference System）是测量乃至今后的定检返修维护工作中最基础的一环。面对生产现场环境复杂多变、测量长度过大等问题，给测量过程带来了非常大的挑战。因此在此次测量前需根据具体情况做出相应的工艺&检验先期策划，针对工装的临时工艺孔、测量环境、测量站位等提前做出准备，以保证测量数据真实有效，从而控制产品质量。

2.1 测量工艺孔的设置

传统小件模胎工装仅需3个TB孔供三坐标测量机计量使用，针对本次特殊情况，采用在原有端头3个TB孔基础上添加额外3个TB孔使得工装测量系统完整包容，在此基础上再添加30个临时ERP孔作为USMN时的公共点使用，原则上等距分布。

2.2 站位规划

考虑激光跟踪仪在尽可能保证精度的条件下合理使用范围为8m以内，以此为规则，制定了9个站位进行测量，每个站位将合理范围内且视线无干涉点位全部采集，后考虑误差分析再进行权重取舍。

2.3 测量实施

测量实施环节注意点位信息的编辑，同时将标尺校验及温度控制定时进行。在与最初机床给定的加工基准拟合时，因为该模具工装无关联装配关系，可在独立坐标系下计量，应尽可能考虑整体型面的状态，在一定程度上允许将型面贴合度引入坐标系旋转参数（Rx、Ry、Rz）的变化，在此坐标系下对原始TB点进行重新赋值。

2.4 数据处理

按照上述标准进行数据处理分析，由图3点位颜色可以明显看出，该模具工装的测量数据都是相对于每个站位的激光跟踪仪的独立测量坐标系得出，并未实现数据融合。

而通过USMN操作，可以讲所有站位下的点位通过公共点建立联系，从而将所有站位下的测量数据按照算法统一在任一站位下或指定世界坐标系下，以便更加方便的进行后续的测量分析及数据处理，本次测量数据将全部统一到第一个站位（测量坐标系）下。（图4）

将设备的各个站位先通过最佳拟合转化进行相互定位，再将他们的位置使用每台仪器的不确定度模型进行最优化。接下来的结论窗口主要两项参数判定状态：本次测量的最大Ranking值为：126.9075%，来源于：P28;Max Error值为：0.0258，来源于：P35，达到预期单设备有效精度预估。同时可以利用USMN的数据统计功能帮助测量分析者判断结果的可靠性，在多站位拟合时，也可及时发现某一站位的测量点中粗大误差，及时剔除防止干扰后续测量的准确性。（图5）

在结论窗口中的左下角“不确定度分析”界面中可进行进行相关分析，用以获得测量点的单轴及综合不确定度分量以此来评判数据误差的方向来源。 [5]

3  结束语

针对测量距离越长测量精度越低的情况，USMN技术在一定程度上有所解决，在今后的技术应用中同时应注意公共点的设置应考虑其稳定性与测量便易性，同时对于特殊形状的工装应在考虑其分段热变形补偿的基础上进行其他测量操作。此外，此类问题还可考虑多仪器组网测量并将多源异构数据合理融合的技术和用激光跟踪仪的IFM测量模式进行工业近景摄影测量系统中虚拟标尺的标定工作，实现精度和便捷的双提升。

参考文献：

[1]钟日良，马军.数字化检测技术在复合材料制造过程中的应用[J].航空制造技术，2018，16，74-78.

[2]杨凌辉.大空间整体测量场精度控制方法[C].第六届航空航天数字化测量技术创新发展论坛，2019.

[3]马骊群，曹铁泽.大尺寸坐标测量技术在大型部件装配应用中的若干问题[J].计测技术，2013，33（2）：7-11，23.

[4]王梅，牛润军.数字化测量技术在飞机外形检测方面的应用研究[J].航空制造技术，2013，20，109-112.

[5]尹寿宝.总装精测提高激光跟踪仪转站精度的方法研究[D].哈尔滨工业大学，2016.