基于激光跟蹤儀的復雜自由曲面檢測實驗研究

郭 國 孫 振 劉順凱 姚亞超 任廣賀

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基于激光跟蹤儀的復雜自由曲面檢測實驗研究

郭 國 孫 振 劉順凱 姚亞超 任廣賀

（天津航天長征火箭制造有限公司，天津 300462）

以某具有復雜自由曲面的零件為例，介紹了激光跟蹤儀在曲面精度檢測中的應用。經過預對齊、對齊修正及精對齊三個步驟，實現被測曲面與三維模型的精確最佳擬合對齊。通過數模對比，最終實現復雜自由曲面的誤差評定，經過多次測量實驗計算測量不確定度,實驗結果證明，該方法準確有效，為工程測量人員檢測復雜自由曲面提供有利依據。

復雜自由曲面；激光跟蹤儀；最佳擬合；測量不確定度

1 引言

自由曲面是指不能由初等解析曲面（平面、圓柱面、圓錐面等）組成，而是由復雜自由變化的自由曲線、曲面組成的曲面。由于自由曲面不包含明顯的特征，比如平面、圓孔等，因而在檢測過程中無法使用典型特征輔助數模對齊，給工程檢測人員造成很大的困難。

航天某自由曲面工件理論模型如圖1所示，設計要求檢測其曲面輪廓偏差，公差要求較高，為±0.1mm，檢測難度較大。對于此類高精度的自由曲面產品，通常使用三坐標測量機檢測。因該工件批量較大，三坐標測量機排產嚴重不足。針對上述問題，本文探索使用激光跟蹤儀測量，開展了相應的實驗研究，確保測量方法和測量精度滿足使用要求。

圖1 航天某自由曲面工件理論模型

2 實驗過程

為了保證實驗的準確性，對實驗環境進行了約束。在整個實驗過程中，實驗條件均滿足：測量室內氣溫為20～22℃，濕度為45%～55%，且現場無風、無振動、無強光干擾。

本文所使用的激光跟蹤儀為Lecia AT901-B跟蹤儀，附件為38.1mm的反射靶球，操作軟件為Ployworks2016。

2.1 數模預對齊

在進行零件與模型的預對齊時，多次嘗試構建特征預對齊，均以失敗告終，特征對齊方法不適用于無特征的數模對齊。

通過探索，最終采用“曲面點對齊法”預對齊。其操作步驟為，使用“曲面點對齊”功能，首先在模型上錨定6個點，然后按照順序依次在零件曲面上采集6個數據點，如圖2所示。值得注意的是，在模型上錨定的6個點應盡可能靠近邊緣，且在零件上采集的6個點與錨定的6個點的順序必須一致。通過上述步驟，實現了模型與零件的預對齊。因采集點的位置無法與錨定點嚴格一致，因而對齊后存在一定的偏差，偏差結果如表1所示。

圖2 預對齊過程錨定點

表1 預對齊偏差結果 mm

2.2 數模對齊修正

圖3 　激光跟蹤儀靶球補償原理

通過預對齊實現了模型與零件的初步對齊，但是對齊結果比較粗糙，需要對其進行進一步的修正，否則無法保證測量結果的準確性。原因如圖3所示，若零件實物與模型在對齊后存在較大偏差，在采集數據點時，靶球與零件的實際接觸點在點，激光跟蹤儀首先讀取點坐標值，然后沿著理論模型的曲面法線方向（方向）進行補償，默認得到測量點。由于模型對齊偏差較大，在靶球補償時提供了錯誤的參考方向，導致引入較大的測量誤差，測量誤差值為距離。因而預對齊后，需要數模對齊修正。

對齊修正的操作步驟為，使用曲面比較點功能，在零件曲面上以低密度（約250mm）間隔采集數據點，采集完成后，彩圖顯示偏差結果為-23.09mm至8.52mm。將數據點與模型進行最佳擬合匹配，擬合后結果最大偏差值為-0.014mm至0.025mm，如圖4所示，完成對齊修正。

2.3 數模精對齊

使用曲面比較點功能，在零件曲面上以高密度（約100mm）間隔進行高密度采集數據點。采集完成后，將數據點與模型進行最佳擬合。通過執行多次最佳擬合功能，實現了數模的精確對齊，最終檢測結果如圖5所示。測量結果偏差值為-0.045mm至0.031mm，即偏差值在±0.045mm范圍內。

圖5　檢測結果

3 測量不確定度分析

使用激光跟蹤儀，對該曲面工件進行了多次重復測量，測量方法一致，選用的數模均為圖1所示模型。通過分析，測量不確定度的來源主要包括：

a．測量重復性引入的測量不確定度1；

b．激光跟蹤儀精度引入的不確定度2。

對于溫度、濕度等環境因素，因實驗環境為恒溫恒濕，且現場沒有振動，本文不作考慮。

3.1 測量重復性引入的測量不確定度評定

使用激光跟蹤儀對該曲面工件進行了6次測量，測量結果如表2所示。

表2　測量結果

測量不確定度1：

3.2 激光跟蹤儀精度不確定度評定

激光跟蹤儀的不確定度引入的標準不確定的分量按照B類方法評定。激光跟蹤儀的示值誤差范圍為10μm+5μm/m，在測量距離為2.5m時，按照均勻分布，則不確定度2：

3.3 合成不確定度評定

合成不確定度：

3.4 擴展不確定度評定

評定結果=0.028mm，小于設計要求的0.1mm，滿足檢測要求。

4 結束語

本文介紹了一種使用激光跟蹤儀檢測復雜自由曲面的方法，并進行了驗證實驗。通過計算，測量不確定度為0.028mm（=2），滿足高精度測量要求，驗證了該方法的有效性，為工程檢測人員測量自由曲面提供了一個有效的解決方案。

1 費業泰. 誤差理論與數據處理[M]. 北京：機械工業出版社，2015：84～100

2 潘淑清.幾何精度規范學[M]. 北京：北京理工大學出版社，2003：4～32

3 甘霖，李曉星.激光跟蹤儀現場測量精度檢測[J]. 北航學報，2009(5)：612～614

4 吳麗麗，樊銳. 葉片型面在線檢測方法研究[J]. 機械設計與制造，2010，09：97～99

5 李洪全. 實用坐標測量技術[M]. 北京：化學工業出版社，2007：51～72

Experimental Study on Measuring Complex Free-form Surface Based on Instrument of Laser Tracker

Guo Guo Sun Zhen Liu Shunkai Yao Yachao Ren Guanghe

(Tianjin Long March Rocket Aerospace Manufacturing Co., Ltd., Tianjin 300462)

Taking a complex free-form surface part for example, the surface accuracy is detected by laser tracker. The three steps of pre alignment, alignment and fine alignment have been implemented to achieve the best fit of the curved surface and 3D model. By comparing with the mathematical model, the error evaluation of the complex free-form surface is finally realized. Experimental results show that the method is accurate and effective. It provides a favorable basis for engineering personal to detect surfaces.

complex free-form surface；laser tracker；best fit；uncertainty of measurement

郭國（1991），碩士，機械工程專業；研究方向：航天產品精密檢測技術。

2018-12-03