基于USMN技術(shù)激光跟蹤儀檢測應(yīng)用

賈敏 高凱元 孫建輝 趙朝雄

摘要：數(shù)字化檢測技術(shù)因其高效、便捷、智能等特點(diǎn)已大規(guī)模應(yīng)用于航空制造領(lǐng)域中。隨著工件尺寸的增長、表面復(fù)雜程度的增大，原有的單一設(shè)備配合單一站位的測量模式已逐漸被打破，以航空工業(yè)西飛在某型機(jī)模具工裝的激光跟蹤儀檢測為例，對USMN技術(shù)的首次應(yīng)用進(jìn)行系統(tǒng)的介紹。

關(guān)鍵詞：大尺寸測量;激光跟蹤儀;USMN

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

0? 引言

傳統(tǒng)的飛機(jī)部件及配套工裝主要依靠機(jī)械量具及工藝補(bǔ)償保證工件協(xié)調(diào)精度。依靠類似模線模板等模擬量傳遞方式進(jìn)行質(zhì)量控制，在航空產(chǎn)品設(shè)計(jì)公差愈發(fā)嚴(yán)格的當(dāng)下，其方法精度差、成本高、效率低等特性越來越制約相關(guān)檢驗(yàn)流程。

隨著MBD技術(shù)的不斷推進(jìn)，數(shù)字化檢測技術(shù)其高精度、快速響應(yīng)、動(dòng)態(tài)監(jiān)測、柔性配置等特點(diǎn)完美地解決了以上難題。但由于飛機(jī)產(chǎn)品流線外形、表面質(zhì)量要求逐步提升，拿激光跟蹤儀這單一設(shè)備舉例，空間坐標(biāo)測量不確定度約在（15+6L）μm，根據(jù)官方介紹資料其測量范圍可達(dá)幾十米，若使用單臺設(shè)備且單一站位進(jìn)行測量數(shù)十米的工裝大部件，加之角度編碼器測量出的角度誤差會(huì)更大程度放大原有的距離誤差，最終導(dǎo)致儀器精度完全無法滿足產(chǎn)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(chuàng)建統(tǒng)一空間測量網(wǎng)絡(luò)（Unified Spatial Metrology Network，USMN），該技術(shù)可將多個(gè)（種）計(jì)量設(shè)備的測量數(shù)據(jù)經(jīng)過計(jì)算機(jī)運(yùn)算處理合并為一個(gè)整體的空間坐標(biāo)測量網(wǎng)。在該技術(shù)下，需通過不同站位、多次測量的固定參考點(diǎn)（公共點(diǎn)），將這些數(shù)據(jù)以離散點(diǎn)云包含的空間最小為運(yùn)算規(guī)則，將每一個(gè)固定點(diǎn)最終賦予唯一的不確定度場，并同時(shí)將每個(gè)站位的RMS誤差呈現(xiàn)出來，可供權(quán)重更改，其對應(yīng)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(yuǎn)而導(dǎo)致的精度下降。[3]

同時(shí)傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)站測量雖也是擴(kuò)大測量空間的方法之一，但對于單次轉(zhuǎn)站，測量中的公共點(diǎn)是由一次測量進(jìn)行理論值標(biāo)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(diǎn)的相對關(guān)系應(yīng)為固定的，即在轉(zhuǎn)站操作（最佳擬合轉(zhuǎn)化）后應(yīng)完全相同，但實(shí)際上因?yàn)槿藛T操作隨機(jī)誤差、機(jī)器自身測量精度、環(huán)境波動(dòng)等因素，會(huì)導(dǎo)致最終結(jié)果并不完全一致。且若進(jìn)行多次轉(zhuǎn)站，隨著站位數(shù)增加末次測量的不確定度會(huì)因累積而成倍增長。對比發(fā)現(xiàn)在USMN測量方法中，因?yàn)槊總€(gè)公共點(diǎn)位的最終賦值是由多個(gè)站位（不確定度場）共同參與平差計(jì)算從而得到均化狀態(tài)，所以其單點(diǎn)不確定的傳播也應(yīng)遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)轉(zhuǎn)站測量。

1? 測量設(shè)備簡介

本次模具檢測使用的激光跟蹤儀設(shè)備型號是LeicaAT901-LR，激光跟蹤儀的原理是在球坐標(biāo)測量系統(tǒng)下利用紅外激光測量目標(biāo)點(diǎn)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(shù)轉(zhuǎn)化最終得到目標(biāo)點(diǎn)的空間三維直角坐標(biāo)值。

在該球坐標(biāo)測量系統(tǒng)下，測量示意圖如圖2所示，設(shè)儀器回轉(zhuǎn)中心為原點(diǎn)O，定義待測目標(biāo)點(diǎn)位為P點(diǎn)，通過絕對干涉測距儀測量出極徑為兩點(diǎn)間直線距離OP，通過水平方向與俯仰方向的兩個(gè)角度編碼器測量出水平角α和俯仰角β，從而得出P點(diǎn)的笛卡爾坐標(biāo)系下坐標(biāo)值為（X，Y，Z），其計(jì)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(zhǔn)確的增強(qiáng)參考系統(tǒng)（Enhanced Reference System）是測量乃至今后的定檢返修維護(hù)工作中最基礎(chǔ)的一環(huán)。面對生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境復(fù)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(zhàn)。因此在此次測量前需根據(jù)具體情況做出相應(yīng)的工藝&檢驗(yàn)先期策劃，針對工裝的臨時(shí)工藝孔、測量環(huán)境、測量站位等提前做出準(zhǔn)備，以保證測量數(shù)據(jù)真實(shí)有效，從而控制產(chǎn)品質(zhì)量。

2.1 測量工藝孔的設(shè)置

傳統(tǒng)小件模胎工裝僅需3個(gè)TB孔供三坐標(biāo)測量機(jī)計(jì)量使用，針對本次特殊情況，采用在原有端頭3個(gè)TB孔基礎(chǔ)上添加額外3個(gè)TB孔使得工裝測量系統(tǒng)完整包容，在此基礎(chǔ)上再添加30個(gè)臨時(shí)ERP孔作為USMN時(shí)的公共點(diǎn)使用，原則上等距分布。

2.2 站位規(guī)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(nèi)，以此為規(guī)則，制定了9個(gè)站位進(jìn)行測量，每個(gè)站位將合理范圍內(nèi)且視線無干涉點(diǎn)位全部采集，后考慮誤差分析再進(jìn)行權(quán)重取舍。

2.3 測量實(shí)施

測量實(shí)施環(huán)節(jié)注意點(diǎn)位信息的編輯，同時(shí)將標(biāo)尺校驗(yàn)及溫度控制定時(shí)進(jìn)行。在與最初機(jī)床給定的加工基準(zhǔn)擬合時(shí)，因?yàn)樵撃＞吖ぱb無關(guān)聯(lián)裝配關(guān)系，可在獨(dú)立坐標(biāo)系下計(jì)量，應(yīng)盡可能考慮整體型面的狀態(tài)，在一定程度上允許將型面貼合度引入坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)參數(shù)（Rx、Ry、Rz）的變化，在此坐標(biāo)系下對原始TB點(diǎn)進(jìn)行重新賦值。

2.4 數(shù)據(jù)處理

按照上述標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析，由圖3點(diǎn)位顏色可以明顯看出，該模具工裝的測量數(shù)據(jù)都是相對于每個(gè)站位的激光跟蹤儀的獨(dú)立測量坐標(biāo)系得出，并未實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)融合。

而通過USMN操作，可以講所有站位下的點(diǎn)位通過公共點(diǎn)建立聯(lián)系，從而將所有站位下的測量數(shù)據(jù)按照算法統(tǒng)一在任一站位下或指定世界坐標(biāo)系下，以便更加方便的進(jìn)行后續(xù)的測量分析及數(shù)據(jù)處理，本次測量數(shù)據(jù)將全部統(tǒng)一到第一個(gè)站位（測量坐標(biāo)系）下。（圖4）

將設(shè)備的各個(gè)站位先通過最佳擬合轉(zhuǎn)化進(jìn)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(jìn)行最優(yōu)化。接下來的結(jié)論窗口主要兩項(xiàng)參數(shù)判定狀態(tài)：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(dá)到預(yù)期單設(shè)備有效精度預(yù)估。同時(shí)可以利用USMN的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)功能幫助測量分析者判斷結(jié)果的可靠性，在多站位擬合時(shí)，也可及時(shí)發(fā)現(xiàn)某一站位的測量點(diǎn)中粗大誤差，及時(shí)剔除防止干擾后續(xù)測量的準(zhǔn)確性。（圖5）

在結(jié)論窗口中的左下角“不確定度分析”界面中可進(jìn)行進(jìn)行相關(guān)分析，用以獲得測量點(diǎn)的單軸及綜合不確定度分量以此來評判數(shù)據(jù)誤差的方向來源。 [5]

3? 結(jié)束語

針對測量距離越長測量精度越低的情況，USMN技術(shù)在一定程度上有所解決，在今后的技術(shù)應(yīng)用中同時(shí)應(yīng)注意公共點(diǎn)的設(shè)置應(yīng)考慮其穩(wěn)定性與測量便易性，同時(shí)對于特殊形狀的工裝應(yīng)在考慮其分段熱變形補(bǔ)償?shù)幕A(chǔ)上進(jìn)行其他測量操作。此外，此類問題還可考慮多儀器組網(wǎng)測量并將多源異構(gòu)數(shù)據(jù)合理融合的技術(shù)和用激光跟蹤儀的IFM測量模式進(jìn)行工業(yè)近景攝影測量系統(tǒng)中虛擬標(biāo)尺的標(biāo)定工作，實(shí)現(xiàn)精度和便捷的雙提升。

參考文獻(xiàn)：

[1]鐘日良，馬軍.數(shù)字化檢測技術(shù)在復(fù)合材料制造過程中的應(yīng)用[J].航空制造技術(shù)，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(shù)字化測量技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展論壇，2019.

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

[4]王梅，牛潤軍.數(shù)字化測量技術(shù)在飛機(jī)外形檢測方面的應(yīng)用研究[J].航空制造技術(shù)，2013，20，109-112.

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