測量技術在大尺寸產品裝配中的應用

張云恩

摘 要：隨著電子技術和計算機技術的進步，測量輔助裝配工藝開始廣泛應用，尤其是在飛機、大型核電設備等大尺寸產品的裝配中，高精度大尺寸測量更是其中的核心技術。大尺寸測量需要建立專門的測量場，這就難免引入各種誤差，對測量的準確性造成嚴重的影響。本文介紹了大尺寸測量技術的基本原理，闡述了大尺寸測量在大型產品裝配中的應用，并對其測量不確定度的評價進行了簡要的分析。本文的研究可為大尺寸測量技術的應用及不確定度分析提供良好的思路。

關鍵詞：大尺寸;測量;不確定度

隨著我國國力的提升，國家對各類大型高科技項目的投入力度越來越大，大飛機、運載火箭、高鐵、核電等國家重點項目紛紛落地，對我國的裝配技術提出了巨大的挑戰。由于大型設備的體積龐大、結構復雜、零件眾多，因此裝配難度極大，其中最為關鍵的難點之一就是大尺寸測量技術的應用[1]。當前，數字化測量技術的提出為大型產品的高效裝配提供了全新的思路，但大尺寸測量場的建立又帶來了測量不確定度的評價等新的問題。本文根據大尺寸測量原理，對大尺寸測量技術在大型產品裝配的應用中的關鍵問題進行了探討。

1數字化測量概述

在數字化測量的概念提出來之前，傳統的大型裝備裝配過程一般采用專門設計的工裝和特殊工藝補償機制來調整零部件之間的位置關系，通過模線模板和光學儀器來評價裝配質量[2]。這種方案不僅測量精度低，在操作難度和檢測效率方面也有著很大的缺陷，已經無法滿足現代大型裝備的高效組裝需求。數字化測量系統的問題，使這一問題得到了較好的解決，室內GPS、激光跟蹤儀等技術的應用大大提高了裝配精度的效率[3]。例如，美國波音公司早在上世紀末研發的IGPS測量系統在測量長度為30m的構件時測量精度高達0.127mm，飛機裝配精度在0.25mm以內。到目前為止，該系統的測量精度已提升至±0.1mm以內。可見，大尺寸測量技術在當前的大型裝備制造領域中扮演著重要的角色。

2大尺寸測量的基本原理

對于大型裝備的組裝而言，所涉及到的多種定位儀器、精密機床、智能機器人等設備必須協調一致，相互配合，才能實現大尺寸部件的精確定位和對接。不同儀器系統之間的準確配合是建立在統一坐標系統的基礎之上的，各儀器通過統一的坐標來感知對方的位置，實現對同一對象的協同操作。

激光跟蹤測量儀是大尺寸裝配中常用的輔助測量設備。首先在待裝配的零件上安裝一個光學反射棱鏡，激光跟蹤測量儀通過對棱鏡的跟蹤測量即可知道零件當前的位置，以及各零件之間的位置關系，通過坐標的分析可以快速評價出裝配精度等參數。由于大尺寸零件結構復雜，因此基于光學原理的測量設備有時候很難持續提供良好的光路，因此通常會采用多臺激光測量設備協同工作來達到對測點持續跟蹤測量的目的。為了使不同的儀器可以相互配合，測量場的建立是前提，測量場的作用是為各儀器提供統一的坐標系，因而形成相互的參照，順序完成裝配任務。所以，大尺寸測量場的建立是大尺寸裝配工藝的重要組成部分，測量場的精度則對產品的裝配精度產生重大影響。

3大尺寸測量場的建立

在大尺寸數字測量場中，通常有四種坐標系統，即裝配坐標系、測量坐標系、設備坐標系以及部件坐標系[4]。其中最為關鍵是裝配坐標系，它是其它坐標系統的基準，在整個裝配過程中起到統一的基準作用。測量坐標系是激光跟蹤儀本身建立的獨立坐標系;設備坐標系和部件坐標系則由其它各類設備或部件自行建立;這些坐標系統需要采用特定的算法與裝配坐標系統聯系起來，形成固定的換算關系，從而將坐標統一起來。大尺寸測量場的建立實際上是對整個裝配系統進行了一次數字化集成，使各設備成為一個統一的有機整體，確立了相互之間固定的幾何關系，在進行了統一的標定之后，即可開始協同工作。大尺寸測量場還要以為裝配誤差的評價提供可靠的基礎數據，以掌握裝配質量，并輔助裝配工藝的持續改進。

4測量場不確定度來源

在測量過程中，某個測點所測得的值有很多種可能性，在這些可能的值中，其標準差就是這里所說的“不確定度”，這種不確定度的物理意義是實際值的集合的離散程度，因此通常用不確定度來描述測量的誤差程度。同理，大尺寸測量場中所測的值也具有這種不確定性，為了描述測量場的精度，本文也采用了不確定度的概念。對于測量場而言，其不確定度是多種不確定度綜合作用的結果，包括測量不確定度、制造不確定度和坐標轉換不確定度。測量不確定度是指同樣條件下多次測量的可能值的標準差，制造不確定度則是零件的尺寸誤差造成的位置偏離程度，坐標轉換不確定度主要由參考點的不確定引起，通過測量場中的測值進行轉換后，所求的標準差即為坐標轉換不確定度。無論是哪種不確定度成分，其值越小越好，代表整個測量系統的穩定性越好，可靠性越高。

5大尺寸測量場的不確定度估計

5.1轉站誤差與測量場誤差

激光跟蹤測量儀在測量時本身會存在測量誤差，在轉站過程中對將已有的誤差傳遞給下一個環節，因此，對激光跟蹤測量儀的轉站誤差和測量場的測量誤差進行準確估計，是實現大尺寸測量場測量不確定度評定的前提。

在裝配過程中，各臺激光跟蹤儀是依照自身的坐標系統進行測量的，得到的測量值也是基于自身坐標系統的，因此要通過“轉站”的辦法與裝配坐標系統建立轉換關系。由于激光跟蹤儀在測量時無法避免地引入測量誤差，這造成了轉站后的參數也具有一定的誤差，稱為轉站誤差。顯然，轉站誤差作為測量場誤差的重要組成部分，在很大程度上決定了大尺寸測量場的總體精度。但是轉站參數的理論值無法確定，所以轉站誤差也就無法通過簡單的對比來求得。

根據激光跟蹤儀的測量原理，所謂轉站可以認為是一組基準點實測值與理論值匹配的過程，在理想情況下，基站點的理論坐標被認為是不變的，這就將轉站誤差的問題轉換為激光跟蹤儀對基準點的測量精度問題。

5.2測量場的不確定度估計

我們假定測量誤差服從正態分布。如果測量誤差為零時，兩組基準點之間實現完全匹配，兩組坐標形成了嚴格的一一對應關系。然而，轉站誤差是一個綜合性的誤差，它由角度誤差、位置誤差和測量誤差共同決定，因而從數學上無法得到一個固定的解，也就無法得到一一對應的解析解。顯然，這就將轉站誤差的求解變成了最小二乘擬合的數值計算問題了。

通過數學分析發現，轉站誤差的估計主要取決于參與轉站的基準點的測量誤差矩陣及其配置矩陣，兩者通過加權后構成了轉站誤差的大小，而測量場的誤差又主要取決于轉站誤差。在后者不變的條件下，轉站誤差與基站點測量誤差成正比例關系;同理，當前者不變時，轉站誤差只取決于基站點的分布。

6結語：

大尺寸產品裝配過程中涉及的不確定度問題是一個復雜的數學問題，本文的研究是在進行了一些合理的假設的前提進行的，基本具有合理性，但也存在一定的局限性。隨著精密儀器的精度不斷提高，測量的誤差必然會逐步減小，同時數學理論本身也在不斷的發展完善之中，這些發展趨勢都為大尺寸測量技術的進步提供了重要保障。

參考文獻：

[1]楊再華，易旺民，閆榮鑫.大型航天器裝配精度檢測技術發展綜述[J].宇航計測技術，2018，38（05）：16-23.

[2]趙子越，甘曉川，馬驪群.激光跟蹤儀與室內GPS的協同測量組網方法[J].測控技術，2019，38（07）：79-83+88.