基于激光跟踪仪的工装调装检测技术研究

WANGWei,CHENZeyu文章编号：员园园圆原圆猿猿猿（圆园20）03原园007原园3ResearchonToolingAdjustmentandDetectionTechnologyBasedonLaserTracker(SchoolofAerospace,ShenyangAerospaceUniversity,Shenyang110136,China)Abstract:Basedondigitalmeasurementsoftware,lasertrackerisusedtobuildameasurementsystemtoobtainthemeasuredvaluesofkeymeasurementpointsofpositioningcomponentsontheassemblytool.Bycomparingwiththepositionofthepositioningcomponentuntiltheerrorrequirementismet.

theoreticalvalues,thedeviationvaluesofthepositioningcomponentinthethreedirectionsofXaxis,YaxisandZaxisareobtained.Accordingtothemagnitudeanddirectionofthedeviationvalue,thegasketisusedtoadjusttheinstallationKeywords:digitalmeasurementtechnology;lasertracker;toolingadjustment

0引言

在飞机装配过程中使用数字化测量技术对其进行控制是现代飞机数字化制造的重要环节，是实现飞机生产数字量传递的重要保证之一[1-2]。在飞机的装配过程中，数字化测量技术能够对飞机工装及产品上重要信息进行精确采集[3-4]，保证装配过程中状态信息的实时获取，是实现飞机装配状态与信息网络之间互联互通的支撑性关键技术[5]。

由于数字化测量技术的飞速发展，目前数字化测量技术的种类繁多，其中激光跟踪仪测量技术的应用较为广泛，主要应用于飞机、汽车等高精度要求的制造及装配检测的过程中[6]。激光跟踪仪是一种高精度的测量仪器，能够精确地获取空间点位的信息并对其进行跟踪[7]。

在飞机的生产装配过程中，工装是必不可少的一环。飞机工装的精度是否符合要求直接决定了飞机的质量。所以，确保工装的精度则至关重要[8]。通过利用激光跟踪仪结合设计数模对工装进行测量及调试,满足设计数模及设计尺寸要求。调试合格的工装,能为飞机装配提供足够可靠质量保证。

1装配工装的调装检测总体方案

在测量工作开始之前把工装的数模及基准点的数据（即理论值）导入到数字化测量软件中。使用数字化测量设备测量获取工装型架上基准点的空间点位信息，利用测量值和理论值进行拟合，建立测量坐标系[9]，测量坐标系建立完成之后测量工装定位组件上的关键测量点，并利用数字化测量软件中的动态监测窗口对关键测量点进行实时监测。由于至少3个不共线的点才可以确定定位组件的空间位置，因此每个定位组件上均至少要测量3个关

键测量点[10]。根据动态监测窗口中显示的在X轴、Y轴、Z轴

三个方向的偏差值对定位组件进行调装工作，直到偏差值满足误差要求为止。工装调装检测的总体方案如图1所示。

2激光跟踪仪获取工装基准点实测值导入工装基准点理论值获取空间点位最佳拟合法信息方法

使用光学建立测量坐标系工具球放置在不合格待测基准点位，用接触式的方法获取工装型检验测量坐标系精度合格调装工装上定位组件架上的基准点，不合格设备坐标系的满足误差要求原点在跟踪头合格的中心位置，激调装工作完毕光跟踪仪工作图1工装调装总体流程示意图时由跟踪头发射出激光，被光学工具球接收并反射回跟踪头，利用激光干涉仪(IFM)计算跟踪头中心与光学工具球之间的距离，利用编码器算出角度参数，然后通过公式计算出光学工具球所在空间位置的坐标值[11]。

激光跟踪仪的工作原理如图2所示，设点P（x,y,z）为被测空间点，假设点P到点O的距离为L，OP与Z轴夹角为茁，与X轴的夹角为琢，则有如下关系式[12]：

x=Lsin茁cos琢;y=Lsin茁sin琢;z=Lcos茁。

网址：www.jxgcs.com电邮：hrbengineer@163.com圆园20年第3期7机械工程师MECHANICALENGINEERZ茁O琢YP3工装测量坐标系的建立及原理

由于在最初测量时获取型架上基准点的空间点位信息是在激光跟踪仪的设备坐标系下，和测量软件中导入数模所在的理论坐标系不是同一个坐标系，所以想要获取基准点测量值与理论值之间的偏差值，就要把设备坐标系与数模上的理论坐标系通过最佳拟合统量坐标系的建立，如图3所示。

影响到工装的使用，所以要确保其实际位置与数模中的理论位置的偏差在要求范围之内，并且要确保重复性良好。

4.2激光跟踪仪位置的选定

在测量工作开始之前，需要确定激光跟踪仪的安放位置。通过对工装上所有的待测基准点的分布进行分耳片定位组件耳片定位孔（第二主基准）耳片定位组件卡板伊5耳片定位组件X耳片定位孔（主基准）耳片定位组件图2激光跟踪仪工作一在同一个坐标系下，即为工装测

原理示意图[13]

ZO设备坐标系OYZZ测量坐标系的建立原理

Y工装测量坐标系图4工装总体结构X是将导入的理论数模坐标系作为参照，通过数学算法将理论坐标系与设备坐标系联系起来，把在测量坐标系下测量的数据运用矩

析，保证在一个站位下能够尽可能多地测量到待测基准点，从而减少转站次数，节省工作时间，提高工作效率。同时在测量过程中一定要保证激光跟踪仪的稳定性，如果设备在测量的过程中发生移动，则测量坐标系也发生改变，导致获取的实测值出现偏差。4.3建立测量坐标系

在选定了激光跟踪仪的安放位置后,便可以开始进行测量工作。首先把工装数模及所有的基准点的理论坐标值导入测量软件。然后对装配工装上所有的MRP点(即基准点)进行测量,获取其实际测量值，把通过测量获取的MRP点的实际测量值与测量软件中与之对应的MRP点的理论值进行最佳拟合，得到测量坐标系，拟合的结果如图5所示。从图中的数据可知,每个基准点实际测量值与理论值的偏差值都在0.1mm之内,满足精度要求。X理论坐标系OX世界坐标系Y图3坐标系拟合示意图阵转换成理论坐标系下的坐标值，转化完成之后，通过计算可以获知测量值与理论值之间的偏差值，从而反映出待测量点实测值与理论值的偏差程度。同时测量坐标系的建立是否准确直接影响后续的一切测量工作的准确度，因此建立坐标系这一步骤十分关键。理论坐标系与设备坐标系的具体拟合过程如下：

为Pi=(XiYiZi)T，其中i=1,2,…,n。令工装上基准点的实际测量值为Pi忆=(Xi忆Yi忆Zi忆)T，其中i=1,2,…,n。使用最小二乘法解以下函数：

=移i=1n

令工装上设有基准点i个，基准点在数模中的理论值

(Pi忆-RPi+T)

2

。

使通过工装基准点的理论值与实际测量值建立的坐标系有最优解R和T。运用SVD算法对目标函数求解[14]。令P=1nn

记H=移QiQi忆=U撰撰。推导出：R=VU;T=P忆-RP。

i=1

T

T

T

Pi，则P忆=1移ni=1

n

且Q=P-P，Q忆=P忆-P忆。移P忆，

i=1

i

i

i

i

i

n

图5坐标系拟合结果在测量MRP点的过程中，要尽量测到全部的MRP点，确保测量的MRP点包裹住型架，这样建立的测量坐标系会更加精确，确保测量坐标系建立的准确度。由于是接触式测量，并且是人工操作，存在人为因素的影响，因此在拟合过程中偶尔会出现偏差较大的MRP点，对于偏差值大的点在拟合的过程中可以剔除。

在测量坐标系拟合完成后，还需对型架MRP点进行重复性检查，即重复3次测量型架上所有的MRP点，要保证所有的MRP点的偏差在0.1mm之内，以确保测量坐标系建立的准确性。建立坐标系之后重新测量MRP点3次，

利用R和T对工装基准点的理论值与实际测量值进行

拟合，建立测量坐标系。在拟合的过程中，还需对测量值进行温度、大气压等环境补偿，以减小误差[15]。4基于某机壁板的可移动工装调装技术研究4.1某机壁板可移动工装总体结构分析

某机壁板可移动工装主要由主型架及移动型架组成，用于壁板的铣切及组装。壁板主型架是柔性工装，能够在装配站位及铣切站位进行工作。主型架及移动型架上的耳片定位组件、定位基准、卡板等组件的位置度直接

8圆园20年第3期网址：www.jxgcs.com电邮：hrbengineer@163.com机械工程师MECHANICALENGINEER然后通过计算得到3次测量结果的平均值，如图6所示。

4.6测量结果分析

所有的组件安装并调装完毕之后，生成测量报告，测量数据如图9所示，包括装配工装上MRP点的空间点位信息及X、Y、Z三个方向上的差值，型架上4个耳片定位组件、耳片定位孔（主基准）及耳片定位孔（第二基准）的测量点位差值，卡板上基准点的差值。由数据报告可知，型架上所有的MRP点位X、Y、Z图6MRP点3次测量平均值4.5工装的关键要素检测及工装调装建立测量坐标系之后，需要确定工装上的所有定位组件的位置是否符合误差要求。待测量的关键要素主要包括装配工装上左右侧的两个耳片定位组件，以及左侧中间的耳片定位孔（主基准），右侧中间的耳片定位孔（第二基准）。首先要确定型架上的耳片定位组件及耳片定位孔（主基准）和耳片定位孔（第二基准）的空间位置，在每个耳片定位组件及基准上测量4个点从而确定其空间位置，通过动态监控窗口并通过加减垫片等方式把其调至理论位置，动态图7动态监控窗口及数据显示三个方向的差值均在依0.01mm之内，耳片定位组件及卡板上的基准点的3D差监测窗口如图7所示。最后调整卡板的位置，在每块卡板与蒙皮贴合的型面上均布测量10个点，和理论值对比，通过加减垫片等方式确定每块卡板的空间位置。耳片定位组件、基准及卡板的测量基准点位如图8所示。在确定所有组件位置之后，用螺栓将定位器固定。图9测量结果值（Mag）均在0.31mm之内（3D差值即为测量点位与理论点位的直线距离，其公差范围为姨驻X2+驻Y2+驻Z2），故满足工装的精度要求。5结论基于数字化测量技术，通过使用激光跟踪仪和数字化测量软件实现了对装配工装上定位组件的跟踪测量，快速准确地检测工装上组件的位置是否准确，并通过实时监控对其进行调装，使用该方法不仅能够提高工作效率，还可以确保装配工装的精度要求，进而保证了飞机的质量和精度，具有一定的应用价值。[参考文献][1][2][3][4]王素晓，王筱，田帅，等.飞机装配中的数字化仿真测量方法[J].装备制造技术，2016（5）：89-92.王筱,王素晓,王亮，等.数字化仿真测量在飞机装配中的应用[J].民用飞机设计与研究,2013(增刊2):54-56.实验研究[D].长春：长春理工大学,2016.春理工大学,2014.2011.林雪竹.基于全三维模型的飞机大部件装配对接测量方法及徐靓.飞机大部件数字化对接虚拟装配技术研究[D].长春：长张揭.飞机水平测量中的数字化应用[D].成都：电子科技大学,图8组件基准点位示意图[5]（下转第13页）网址：www.jxgcs.com电邮：hrbengineer@163.com圆园20年第3期9机械工程师MECHANICALENGINEER[7][8]王利颖,石洁,王凯伦,等.碳纳米管改性PVDF中空纤维超滤膜处理二级出水抗污染性能研究[J].环境科学,2017,38(1):220-228.sistantpolyamidereverseosmosismembranewithhollowfiberconfiguration[J].JournalofAppliedPolymerScience，2001，79[9](3):517-527.KONAGAYAS,NITAK,MATSUIY,etal.Newchlorine–re原polypropylenehollowfibermembranesbyUVmodification[J].[19]LENL,QUILITZSCHM,CHENGH,etal.Hollowfibermem原branelumenmodifiedbypolyzwitterionicgrafting[J].JournalofMembraneScience，2017，522:1-11.[20]JAMILA,CHINGOP,SHARIFFAM.Polyetherimide-mont原Separation&PurificationTechnology，2018，206:256-267.IntegratedFerroelectrics，2016，169(1):83-89.acetatehollowfiberreverseosmosismembraneproductionus原ingtaguchimethod[J].JournalofMembraneScience，2002，205(1):223-237.大学,2015.肖登荣.聚砜反渗透基膜的制备及其性能的研究[D].贵州:贵州physicochemicalstructuresofdialysismembraneusingreversalS9.YAMASHITAAC,ONOT,TOMISAWAN.VerificationofIDRISA,ISMAILAF,SHILTONSJ.Optimizationofcellulosemorillonitemixedmatrixhollowfibremembranes:Effectofin原organic/organicmontmorilloniteontheCO2/CH4,separation[J].[10][11][21]CHUNGTS,XUZL,LINW.FundamentalUnderstandingof(3):379-395.theEffectofAir-GapDistanceontheFabricationofHollowFiberMembranes[J].JournalofAppliedPolymerScience,1999,72[22]XUZL,CHUNGTS,LOHKC,etal.Polymericasymmetriction[J].JournalofMembraneScience，1999，158(1):41-53.membranesmadefrompolyetherimide/polybenzimidazole/polydialysistechnique[J].HemodialysisInternational，2017，21:S3-[12][13][14]potentialandchargedensityofhollow-fiberdialysismemranes[J].JournalofMembraneScience，2010，355(1-2):182-185.Chem.Eng.Prog，1989，85(1)：41-62.SPILLMANRW.Economicsofgasseparationmembranes[J].SUGIURAS,TAKARADAW,KIKUTANIT.EffectofpolymerYAMAMOTOKI,OGAWAT,MATSUDAM,etal.Membrane(ethyleneglycol)(PEI/PBI/PEG)foroil-surfactant-watersepara原[23]LIJF,XUZL,YANGH.Microporouspolyethersulfonemem原branespreparedunderthecombinedprecipitationconditionsgies，2010，19(4):251-257.withnon-solventadditives[J].PolymersforAdvancedTechnolo原[24]LIUSH,LIUM,XUZL,etal.AnovelPES-TiO2hollowfiberthermallyinducedphaseseparation(RTIPS)method[J].JournalofMembraneScience，2017，528:303-315.tionandmembranemorphologyevaluationforwater/solvent/polyethersulfonesystems[J].Polymer，2007，48(6):1620-1631.hybridmembranepreparedviasol-gelprocessassistedreverseviscositiesonthefiberstructureandmembranepropertiesofety.2015.polypropylene/polyethylenebicomponenthollowfibers[C]//The[15]ZUOJ,OABRIENGS,CHUNGTS,etal.Hydrophobic/hy原30thInternationalConferenceofthePolymerProcessingSoci原drophilicPVDF/UltemAdual-layerhollowfibermembraneswithenhancedmechanicalpropertiesforvacuummembrane[16]distillation[J].JournalofMembraneScience，2017，523:103-110.WANGLiying,SHIJie,WANGKailun,etal.EffectofPVDF[25]BARZINJ,SADATNIAB.Theoreticalphasediagramcalcula原[26]CHAKRABARTYB,GHOSHALAK,PURKAITMK.Effectof2):209-221.molecularweightofPEGonmembranemorphologyandtrans原portproperties[J].JournalofMembraneScience，2008，309(1-HollowFiberUltrafiltrationMembranesModificationwithCar原bonnanotubeonMembraneFoulingControlDuringUltrafiltra原tionofSewageEffluent[J].EnvironmentalScience，2017,38(1):220-228.[27]KESTINGRE,FRITZSCHEAK,MURPHYMK,etal.Processeddensityskins:US4,871,494[P].1989-10-10forformingasymmetricgasseparationmembraneshavinggrad原（责任编辑张立明）[17]Nafion/silicamembranespreparedwithnanoSiO2anditscom原tery[J].SolidStateIonics，2015,280:30-36.TENGX,DAIJ,BIF,etal.Ultra-thinpolytetrafluoroethene/parisonwithsol-gelderivedoneforvanadiumredoxflowbat原[18]YANGSJ,YUB,CONGHL,etal.Preparationofhydrophilic作者简介：刘洋（1996—），女，硕士研究生，研究方向为油气储运技术、膜技术。收稿日期：2019-09-26（上接第9页）

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