激光跟蹤儀在飛機改裝型架裝配中的應用研究

□ 劉韶光 □ 范歡歡 □ 范曉龍 □ 王宏旭

中國飛行試驗研究院 西安 710089

飛行試驗是機載產品獲得改進信息的最有效的手段。在飛行試驗過程中，機載產品在真實的環境下工作，能將設計缺陷或質量問題暴露在研發階段，為產品的可靠性設計提供最有效的依據。

飛機裝配型架是飛機裝配中的專用工藝裝備，具有與飛機結構密切相關的特點，是保證飛機裝配質量的可靠措施。在改裝飛機某部件的組鉚裝配過

程中，型架上的卡板可以準確定位框結構，定位器可以準確定位長桁位置。裝配型架是保證改裝部件具有正確的幾何形狀、滿足部件的制造準確度、最終使改裝結構與原機結構具有良好協調互換性的必要工藝裝備。

要提高改裝部件的組鉚裝配精度，首先要提高裝配型架的裝配精度。將激光跟蹤儀應用到飛機改裝型架裝配過程中，可以提高型架的裝配精度和效率，減少裝配誤差，提高裝配質量。

1 測量原理

激光跟蹤儀是一種精密空間坐標測量設備，它結合激光干涉儀和先進的伺服控制技術來測量目標反射靶球和跟蹤儀的相對位置［1］。

激光跟蹤儀和測量反射靶球可以形成球坐標系測量系統，如圖1所示，跟蹤儀的激光束、旋轉鏡和旋轉軸構成了激光跟蹤儀的三個軸，三軸交點就是測量坐標系的原點［2］。通過仰角和方位角傳感器來測量靶球位置與坐標系原點的夾角，用干涉計來測量靶球到原點的半徑。靶球P的坐標為：

式中：α為方位角；β為仰角；r為靶球到坐標原點的半徑。

▲圖1 激光跟蹤儀及測量坐標系示意圖

工裝型架上所有的被測點 （TB 點 、OTP 點、ERS 點）在激光跟蹤儀（Laser Tracker）測量坐標系(MCS)下的坐標為（x，y，z），在型架坐標系(PCS)下的坐標為（x′，y′，z′）。 測量軟件通過空間線性變換，將MCS-xyz轉換到 PCS-x′y′z′。 也就是說，型架的測量點在激光跟蹤儀坐標系MCS下的坐標值通過平移和旋轉變換后，得到該點在工裝坐標系PCS下的坐標值。

坐標變換式為：

▲圖2 激光跟蹤儀及型架坐標系相對關系圖

寫成矩陣形式為：

式中：

α、β、γ 分別為 PCS與 MCS坐標系中 X、Y、Z 軸之間的夾角， 常數項 （a1、a2、a3）表示在跟蹤儀坐標系（MSC）下的工裝坐標系（PSC）的原點坐標值；aij為轉換矩陣R中的元素。

2 工裝型架裝配流程及應用

2.1 基本概念

（1） TB 點（Tooling Baic）是建立工裝型架坐標系時使用的基礎點，該點一般為在同一平面內的3～5個點，由設計者在型架的設計過程中給出；

（2） OTP 點（Optical Tooling Points）是在工裝型架設計過程中在卡板或支撐件上設置的工藝孔的中心點，用于確定裝配工裝定位件空間位置的控制點，一般每片卡板上設置3個點，用于確定卡板平面；

（3） ERS 點（Enhance Reference System）是在型架裝配過程中，激光跟蹤儀在某個站點由于型架對激光射線的遮擋，不能完成所有OTP點的調試，需要將其移動到合適的站位繼續對該型架進行裝配調試，ERS就是為了增強工裝坐標系而設計的點。當激光跟蹤儀需要移動到不同的站位進行測量時，可以通過測量4個及以上不同ERS點的坐標，通過最小二乘法將坐標系擬合到工裝坐標系中。ERS點也是建立工裝型架坐標系的永久性參考點。

工裝型架在設計過程中需要在型架支撐底座上設計TB點和ERS點，在卡板上設計安裝調試工藝孔，此孔用來安裝激光跟蹤儀的靶球支座。工裝型架在設計完成后，型架的支撐底座與卡板、卡板與定位器的裝配關系和相對位置已經確定。

2.2 型架裝配流程

▲圖3 激光跟蹤儀測量型架TB點軟件界面圖

▲圖4 激光跟蹤儀測量型架TB點示意圖

當型架設計完成后，在三維設計軟件（CATIA）中 可 以提取這些OTP點并作為文本輸出，作為后續的實際裝配調試的依據。在型架的實際裝配過程中，通過使用激光跟蹤儀測量型架上的OTP點的靶球坐標，根據測量值和設計值實時作比較，依據比較結果調整卡板及定位器的安裝位置，確定最終的裝配關系。

在工裝型架的裝配過程中，所提供的TB點、OTP點及ERS點的坐標是型架坐標系（PCS）下的坐標值；跟蹤儀的坐標系是以跟蹤儀頭部轉軸交點所在位置為原點的坐標系（MCS）。工裝型架調試的目的就是將跟蹤儀的坐標系與型架坐標系對齊，再進行工裝中卡板、定位器、支承座的裝配調整，達到實際產品與數字化模型相對位置的一一對應。

2.3 應用實例

在某飛機改裝工裝型架的裝配過程中，使用Lecia激光跟蹤儀和Metrolog XG for Lecia測量軟件進行裝配調試。

首先要建立工裝基礎坐標系，根據設計圖，使用激光跟蹤儀實際測量型架上的TB點。使用激光跟蹤儀中的靶球依次測量TB1～TB5各點，TB點都被記錄在測量軟件中。根據測量結果及設計圖中定義的X軸、Y軸、Z軸，在構造模塊下建立型架坐標系（PCS）。Metrolog軟件［3］會應用上文提到的坐標線性變換算法，根據測量結果將跟蹤儀坐標系（MCS）線性轉換到型架坐標系（PCS）下。以構建的PCS為測量坐標系，分別測量調整跟蹤儀站點所需的ERS點坐標。

在CATIA軟件中將所有卡板、支撐件、定位器在設計數模中的坐標值以*.txt文本格式輸出，再將這些數據以名義值的形式導入Metrolog，進入建立/檢查模塊，當跟蹤儀的靶球移動到工裝中卡板的定位孔時，Metrolog會將測量值與名義值作比較，并將dX、dY、dZ三個方向的差值動態顯示到電腦屏幕上，裝配人員根據數值微量調整卡板、定位器等在空間中的位置，當差值達到預先設置的公差范圍內時，固定相應的設備，完成裝配。

完成整個型架所有卡板定位器裝配后，需要對型架中所有的ERS點進行測量并記錄數據，這些數據將成為型架移動、運輸到工作位置后恢復測量坐標系、調整卡板定位器至設計位置的基準數據。

3 結束語

▲圖5 激光跟蹤儀調整OTP點動態差值圖

隨著數字化測量技術的不斷發展，在試驗機改裝部件專用型架的裝配過程中，基于激光跟蹤儀的測量系統的裝配技術以其高效率、高精度、便攜性等優點正發揮著巨大的作用。在型架裝配實際應用中，需要根據不同的部件和測量任務制定合理的測量方案，更好地發揮激光跟蹤儀的作用，使我國的飛機制造、試驗機改裝技術邁上新臺階。

［1］ 王彥喜，閔俊，劉 剛.激光跟蹤儀在飛機型架裝配中的應用［J］.航空制造技術，2010（19）:92-94.

［2］ 王巍，黃宇，莊建平.激光跟蹤儀在飛機裝配工裝制造中的應用［J］.航空制造技術，2004（12）：81-84.

［3］ 陳智勇，吳建軍，趙玉靜，等.激光跟蹤測量系統在飛機型面測量中的應用［J］.機械設計與制造，2009（12）：68-70.