基于USMN技術激光跟蹤儀檢測應用

賈敏 高凱元 孫建輝 趙朝雄

摘要：數字化檢測技術因其高效、便捷、智能等特點已大規模應用于航空制造領域中。隨著工件尺寸的增長、表面復雜程度的增大，原有的單一設備配合單一站位的測量模式已逐漸被打破，以航空工業西飛在某型機模具工裝的激光跟蹤儀檢測為例，對USMN技術的首次應用進行系統的介紹。

關鍵詞：大尺寸測量;激光跟蹤儀;USMN

中圖分類號：P225.2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2020）21-0197-02

0? 引言

傳統的飛機部件及配套工裝主要依靠機械量具及工藝補償保證工件協調精度。依靠類似模線模板等模擬量傳遞方式進行質量控制，在航空產品設計公差愈發嚴格的當下，其方法精度差、成本高、效率低等特性越來越制約相關檢驗流程。

隨著MBD技術的不斷推進，數字化檢測技術其高精度、快速響應、動態監測、柔性配置等特點完美地解決了以上難題。但由于飛機產品流線外形、表面質量要求逐步提升，拿激光跟蹤儀這單一設備舉例，空間坐標測量不確定度約在（15+6L）μm，根據官方介紹資料其測量范圍可達幾十米，若使用單臺設備且單一站位進行測量數十米的工裝大部件，加之角度編碼器測量出的角度誤差會更大程度放大原有的距離誤差，最終導致儀器精度完全無法滿足產品的量值傳遞。[1]

面對這一儀器精度大幅下降的棘手問題，有效的解決方法之一就是創建統一空間測量網絡（Unified Spatial Metrology Network，USMN），該技術可將多個（種）計量設備的測量數據經過計算機運算處理合并為一個整體的空間坐標測量網。在該技術下，需通過不同站位、多次測量的固定參考點（公共點），將這些數據以離散點云包含的空間最小為運算規則，將每一個固定點最終賦予唯一的不確定度場，并同時將每個站位的RMS誤差呈現出來，可供權重更改，其對應的Rank值也可作為評估方式之一。通過這樣的方式，可有效降低因單站位測量距離過遠而導致的精度下降。[3]

同時傳統的轉站測量雖也是擴大測量空間的方法之一，但對于單次轉站，測量中的公共點是由一次測量進行理論值標定的即具有第一次測量帶來的不確定度。在理想情況下，不同的站位測得的公共點的相對關系應為固定的，即在轉站操作（最佳擬合轉化）后應完全相同，但實際上因為人員操作隨機誤差、機器自身測量精度、環境波動等因素，會導致最終結果并不完全一致。且若進行多次轉站，隨著站位數增加末次測量的不確定度會因累積而成倍增長。對比發現在USMN測量方法中，因為每個公共點位的最終賦值是由多個站位（不確定度場）共同參與平差計算從而得到均化狀態，所以其單點不確定的傳播也應遠小于傳統轉站測量。

1? 測量設備簡介

本次模具檢測使用的激光跟蹤儀設備型號是LeicaAT901-LR，激光跟蹤儀的原理是在球坐標測量系統下利用紅外激光測量目標點的極徑及利用角度編碼器測量儀器距初始位置的水平角與方位角，通過三角函數轉化最終得到目標點的空間三維直角坐標值。

在該球坐標測量系統下，測量示意圖如圖2所示，設儀器回轉中心為原點O，定義待測目標點位為P點，通過絕對干涉測距儀測量出極徑為兩點間直線距離OP，通過水平方向與俯仰方向的兩個角度編碼器測量出水平角α和俯仰角β，從而得出P點的笛卡爾坐標系下坐標值為（X，Y，Z），其計算公式為：

X=OP×sinβ×cosα? Y=OP×sinβ×sinα? Z=OP×cosβ

2? 測量流程

針對尺寸較大的模具工裝，如何建立準確的增強參考系統（Enhanced Reference System）是測量乃至今后的定檢返修維護工作中最基礎的一環。面對生產現場環境復雜多變、測量長度過大等問題，給測量過程帶來了非常大的挑戰。因此在此次測量前需根據具體情況做出相應的工藝&檢驗先期策劃，針對工裝的臨時工藝孔、測量環境、測量站位等提前做出準備，以保證測量數據真實有效，從而控制產品質量。

2.1 測量工藝孔的設置

傳統小件模胎工裝僅需3個TB孔供三坐標測量機計量使用，針對本次特殊情況，采用在原有端頭3個TB孔基礎上添加額外3個TB孔使得工裝測量系統完整包容，在此基礎上再添加30個臨時ERP孔作為USMN時的公共點使用，原則上等距分布。

2.2 站位規劃

考慮激光跟蹤儀在盡可能保證精度的條件下合理使用范圍為8m以內，以此為規則，制定了9個站位進行測量，每個站位將合理范圍內且視線無干涉點位全部采集，后考慮誤差分析再進行權重取舍。

2.3 測量實施

測量實施環節注意點位信息的編輯，同時將標尺校驗及溫度控制定時進行。在與最初機床給定的加工基準擬合時，因為該模具工裝無關聯裝配關系，可在獨立坐標系下計量，應盡可能考慮整體型面的狀態，在一定程度上允許將型面貼合度引入坐標系旋轉參數（Rx、Ry、Rz）的變化，在此坐標系下對原始TB點進行重新賦值。

2.4 數據處理

按照上述標準進行數據處理分析，由圖3點位顏色可以明顯看出，該模具工裝的測量數據都是相對于每個站位的激光跟蹤儀的獨立測量坐標系得出，并未實現數據融合。

而通過USMN操作，可以講所有站位下的點位通過公共點建立聯系，從而將所有站位下的測量數據按照算法統一在任一站位下或指定世界坐標系下，以便更加方便的進行后續的測量分析及數據處理，本次測量數據將全部統一到第一個站位（測量坐標系）下。（圖4）

將設備的各個站位先通過最佳擬合轉化進行相互定位，再將他們的位置使用每臺儀器的不確定度模型進行最優化。接下來的結論窗口主要兩項參數判定狀態：本次測量的最大Ranking值為：126.9075%，來源于：P28;Max Error值為：0.0258，來源于：P35，達到預期單設備有效精度預估。同時可以利用USMN的數據統計功能幫助測量分析者判斷結果的可靠性，在多站位擬合時，也可及時發現某一站位的測量點中粗大誤差，及時剔除防止干擾后續測量的準確性。（圖5）

在結論窗口中的左下角“不確定度分析”界面中可進行進行相關分析，用以獲得測量點的單軸及綜合不確定度分量以此來評判數據誤差的方向來源。 [5]

3? 結束語

針對測量距離越長測量精度越低的情況，USMN技術在一定程度上有所解決，在今后的技術應用中同時應注意公共點的設置應考慮其穩定性與測量便易性，同時對于特殊形狀的工裝應在考慮其分段熱變形補償的基礎上進行其他測量操作。此外，此類問題還可考慮多儀器組網測量并將多源異構數據合理融合的技術和用激光跟蹤儀的IFM測量模式進行工業近景攝影測量系統中虛擬標尺的標定工作，實現精度和便捷的雙提升。

參考文獻：

[1]鐘日良，馬軍.數字化檢測技術在復合材料制造過程中的應用[J].航空制造技術，2018，16，74-78.

[2]楊凌輝.大空間整體測量場精度控制方法[C].第六屆航空航天數字化測量技術創新發展論壇，2019.

[3]馬驪群，曹鐵澤.大尺寸坐標測量技術在大型部件裝配應用中的若干問題[J].計測技術，2013，33（2）：7-11，23.

[4]王梅，牛潤軍.數字化測量技術在飛機外形檢測方面的應用研究[J].航空制造技術，2013，20，109-112.

[5]尹壽寶.總裝精測提高激光跟蹤儀轉站精度的方法研究[D].哈爾濱工業大學，2016.