激光跟蹤儀在飛機翼下整流罩測量的應用

王金丹

摘 要：該文簡述了利用激光跟蹤儀的組成、測量技術原理，結合某飛機翼下整流罩的測量實例，在采用激光跟蹤儀測量過程中，通過對基于模型定義（MBD）的三維理論數模的大部件測量技術及激光跟蹤儀轉站位測量等關鍵技術進行研究，完成了激光跟蹤儀對大部件翼下整流罩外形的精確測量。

關鍵詞：激光跟蹤儀 翼下整流罩 數模 站位 測量

中圖分類號：TN247 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）09（b）-0044-02

現代飛機零組、部件其尺寸及外形的精度要求較高，保證飛機產品裝配協調及其幾何外形非常重要，精確測量、定位，這樣才能保證航空器的安全性。隨著航空制造業的迅速發展，航空領域現代化測控技術的應用也隨之快速發展，激光跟蹤儀的廣泛應用充分說明了一點，激光跟蹤儀具有在大范圍測量應用中移動性好、輕便靈活及其測量系統的高精度自動化測量的特點。傳統的測量外形方法無法保證測量精度，必然被先進的測量技術逐步取代。

1 激光跟蹤儀的組成與測量技術原理

1.1 激光跟蹤儀的組成

激光跟蹤儀是集激光干涉測距技術、光電檢測技術、精密機械技術、計算機技術、現代數值計算理論等于一體的新型測量儀器。它主要是由激光跟蹤頭、控制器、反射器（靶標）、應用處理機及測量軟件組成。

1.2 激光跟蹤儀測量技術原理

激光跟蹤儀能夠通過數字化設計模型提取的理論數據與測量獲取數據的比對評價，實現零組件、部件外形的精確測量。激光跟蹤儀是基于球坐標系的空間坐標測量機， 可實現目標的靜態坐標測量和動態軌跡跟蹤。激光跟蹤儀的測量系統的基本原理是：激光跟蹤目標反射器，通過自身的測角系統（水平測角、垂直測角）及激光絕對測距系統來確定空間點（目標反射器的空間位置）的坐標，再通過儀器自身的校準參數和氣象補償參數對過程中產生的誤差進行補償，來獲取空間的坐標。

空間點的測量通常有兩種方法：第一種方法是直接測量法。將角耦棱鏡置于待測點位置，再進行采數，就得到了空間點的位置；第二種方法是間接測量法。通過測量球面或圓形，采用球心擬合或圓心擬合的方式間接得到球心和圓心點的坐標。這種方法用于孔等角耦棱鏡不能直接測量的部位。

上面這兩種方法在整個測量過程中，應盡量避免氣流的擾動及物體的震動，否則將影響測量結果。

2 翼下整流罩的測量應用

現選取典型部件某飛機翼下整流罩，來研究采用激光跟蹤儀測量的方法，該大部件具有基于模型定義（MBD）的三維理論數模（CATIA理論模型），其外形與飛機氣動外形有關，外形輪廓度要求較高。

2.1 測量過程分析

首先確定對翼下整流罩測量應該在完成裝配后，不需要將翼下整流罩從工裝型架上拆卸下來，而直接在裝配工裝型架上完成該部件的測量。以此檢驗確認其裝配制造完成后，整流罩是否符合產品的設計要求。

2.1.1 測量坐標系的建立

該被測部件裝配姿態為“倒C”形垂直布置，如圖1所示。裝配型架是整體框架式工裝。型架體有多個基準工具球點（TB點），即型架上的Φ8H7孔插入反射器座，反射器球心即為TB點，這些TB點最大范圍分布在整個型架上，也是整個型架的制造基準。

先選取7個TB點，這7個TB點要最大限度地包容整個工裝的主體結構，使用激光跟蹤儀測量時光源不被擋住。在完成激光跟蹤儀校準后，采用單點測量模式對工裝的TB點進行測量，然后通過測量軟件將測得的實測值與工裝上理論坐標值進行擬合，這樣就建立了與飛機坐標系一致的測量坐標系。

2.1.2 被測件的外形輪廓度公差要求

由MBD三維數模獲得翼下整流罩設計給出的外形輪廓度公差要求是1.75，且超出誤差范圍的點不能超過被測點總數的6%，得出測量結果可以進行判斷被測件是否符合設計要求。

2.1.3 被測件測量站位設置

（1）測量站位的設置要求。

采用激光跟蹤儀對產品外形測量時，其坐標原點在跟蹤儀內部，所有得到的站位坐標都在這個坐標系下，小而簡單特性在一個站位就能完成測量，而對于復雜的大部件就需要多個這樣的坐標系才能反映全部位置坐標，然后將多個站位的坐標系轉化到同一個坐標系下，這是必須要解決的難點。

兩個空間坐標系需要建立聯系，至少需要不在同一直線上3個點的空間坐標（兩個坐標系下），這樣才能得到空間兩個坐標原點間的空間關系。那么，將兩個站位數據放在同一站位的坐標系時，要保證3個不共線的公共點。轉站時的測量誤差將影響到每一個測量點，這個誤差必須控制，要根據被測產品的精確度而定。

（2）測量站位設置。

激光跟蹤儀僅能測量到其視角的測量范圍，要完成對翼下整流罩整個外形的測量，在任何角度都不能一次完成，需要轉站位才能完成整個外形的測量。單臺激光跟蹤儀必須通過轉站的方法擴大測量范圍。然而轉站位測量次數越多，測量結果的誤差值就越大，所以盡量減少轉站次數。確定測量該件需要設置2個站位，如圖2所示。

根據轉站位設置要求，相鄰的站位之間至少要有3個不共線的共同基點，其中站位1和站位2的3個共同的TB點，應能限制住被測型面的6個自由度。然后由計算機測量軟件通過擬合計算，把兩個站位信息相互聯系，形成統一的坐標系。

2.2 實施測量

將翼下整流罩與型架工裝的MBD三維數模（CATIA模型）組合為組件數模，然后將其轉換為激光跟蹤儀能讀取的格式（如STP格式），導入激光跟蹤儀計算機系統測量的軟件中。

通過直接掃描的形式來測量其外形，分別由站位1測量坐標系下轉至站位2測量坐標系下分別進行測量，得到測量外形的點云，然后將掃描獲得點云和MBD三維數模理論值進行對比，輸入外形公差值，將被測件測量點云在兩個站位共同坐標系下進行評價，測量軟件會自動顯示測量點云的偏差值。測量完畢后，用測量系統軟件對測量結果進行必要的分析和處理，可用圖形方式顯示，從測量結果看，外形輪廓度和超差點總數都在設計要求范圍內，從而完成了對翼下整流罩的測量。

3 結語

采用激光跟蹤儀對飛機的翼下整流罩的氣動外形進行測量，保證其測量的精度及準確性要求，對降低裝配誤差、提高飛機裝配質量都具有重要的意義。

參考文獻

[1] 張輝，周麗，高須俊，等.激光跟蹤儀在某型飛機制造中的應用研究[J].航空制造技術，2014（21）：96-98.

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