□ 劉韶光 □ 范歡歡 □ 范曉龍 □ 王宏旭

中國飛行試驗研究院 西安 710089

飛行試驗是機(jī)載產(chǎn)品獲得改進(jìn)信息的最有效的手段。在飛行試驗過程中，機(jī)載產(chǎn)品在真實的環(huán)境下工作，能將設(shè)計缺陷或質(zhì)量問題暴露在研發(fā)階段，為產(chǎn)品的可靠性設(shè)計提供最有效的依據(jù)。

飛機(jī)裝配型架是飛機(jī)裝配中的專用工藝裝備，具有與飛機(jī)結(jié)構(gòu)密切相關(guān)的特點，是保證飛機(jī)裝配質(zhì)量的可靠措施。在改裝飛機(jī)某部件的組鉚裝配過

程中，型架上的卡板可以準(zhǔn)確定位框結(jié)構(gòu)，定位器可以準(zhǔn)確定位長桁位置。裝配型架是保證改裝部件具有正確的幾何形狀、滿足部件的制造準(zhǔn)確度、最終使改裝結(jié)構(gòu)與原機(jī)結(jié)構(gòu)具有良好協(xié)調(diào)互換性的必要工藝裝備。

要提高改裝部件的組鉚裝配精度，首先要提高裝配型架的裝配精度。將激光跟蹤儀應(yīng)用到飛機(jī)改裝型架裝配過程中，可以提高型架的裝配精度和效率，減少裝配誤差，提高裝配質(zhì)量。

1 測量原理

激光跟蹤儀是一種精密空間坐標(biāo)測量設(shè)備，它結(jié)合激光干涉儀和先進(jìn)的伺服控制技術(shù)來測量目標(biāo)反射靶球和跟蹤儀的相對位置［1］。

激光跟蹤儀和測量反射靶球可以形成球坐標(biāo)系測量系統(tǒng)，如圖1所示，跟蹤儀的激光束、旋轉(zhuǎn)鏡和旋轉(zhuǎn)軸構(gòu)成了激光跟蹤儀的三個軸，三軸交點就是測量坐標(biāo)系的原點［2］。通過仰角和方位角傳感器來測量靶球位置與坐標(biāo)系原點的夾角，用干涉計來測量靶球到原點的半徑。靶球P的坐標(biāo)為：

式中：α為方位角；β為仰角；r為靶球到坐標(biāo)原點的半徑。

▲圖1 激光跟蹤儀及測量坐標(biāo)系示意圖

工裝型架上所有的被測點 （TB 點 、OTP 點、ERS 點）在激光跟蹤儀（Laser Tracker）測量坐標(biāo)系(MCS)下的坐標(biāo)為（x，y，z），在型架坐標(biāo)系(PCS)下的坐標(biāo)為（x′，y′，z′）。 測量軟件通過空間線性變換，將MCS-xyz轉(zhuǎn)換到 PCS-x′y′z′。 也就是說，型架的測量點在激光跟蹤儀坐標(biāo)系MCS下的坐標(biāo)值通過平移和旋轉(zhuǎn)變換后，得到該點在工裝坐標(biāo)系PCS下的坐標(biāo)值。

坐標(biāo)變換式為：

▲圖2 激光跟蹤儀及型架坐標(biāo)系相對關(guān)系圖

寫成矩陣形式為：

式中：

α、β、γ 分別為 PCS與 MCS坐標(biāo)系中 X、Y、Z 軸之間的夾角， 常數(shù)項 （a1、a2、a3）表示在跟蹤儀坐標(biāo)系（MSC）下的工裝坐標(biāo)系（PSC）的原點坐標(biāo)值；aij為轉(zhuǎn)換矩陣R中的元素。

2 工裝型架裝配流程及應(yīng)用

2.1 基本概念

（1） TB 點（Tooling Baic）是建立工裝型架坐標(biāo)系時使用的基礎(chǔ)點，該點一般為在同一平面內(nèi)的3～5個點，由設(shè)計者在型架的設(shè)計過程中給出；

（2） OTP 點（Optical Tooling Points）是在工裝型架設(shè)計過程中在卡板或支撐件上設(shè)置的工藝孔的中心點，用于確定裝配工裝定位件空間位置的控制點，一般每片卡板上設(shè)置3個點，用于確定卡板平面；

（3） ERS 點（Enhance Reference System）是在型架裝配過程中，激光跟蹤儀在某個站點由于型架對激光射線的遮擋，不能完成所有OTP點的調(diào)試，需要將其移動到合適的站位繼續(xù)對該型架進(jìn)行裝配調(diào)試，ERS就是為了增強(qiáng)工裝坐標(biāo)系而設(shè)計的點。當(dāng)激光跟蹤儀需要移動到不同的站位進(jìn)行測量時，可以通過測量4個及以上不同ERS點的坐標(biāo)，通過最小二乘法將坐標(biāo)系擬合到工裝坐標(biāo)系中。ERS點也是建立工裝型架坐標(biāo)系的永久性參考點。

工裝型架在設(shè)計過程中需要在型架支撐底座上設(shè)計TB點和ERS點，在卡板上設(shè)計安裝調(diào)試工藝孔，此孔用來安裝激光跟蹤儀的靶球支座。工裝型架在設(shè)計完成后，型架的支撐底座與卡板、卡板與定位器的裝配關(guān)系和相對位置已經(jīng)確定。

2.2 型架裝配流程

▲圖3 激光跟蹤儀測量型架TB點軟件界面圖

▲圖4 激光跟蹤儀測量型架TB點示意圖

當(dāng)型架設(shè)計完成后，在三維設(shè)計軟件（CATIA）中 可 以提取這些OTP點并作為文本輸出，作為后續(xù)的實際裝配調(diào)試的依據(jù)。在型架的實際裝配過程中，通過使用激光跟蹤儀測量型架上的OTP點的靶球坐標(biāo)，根據(jù)測量值和設(shè)計值實時作比較，依據(jù)比較結(jié)果調(diào)整卡板及定位器的安裝位置，確定最終的裝配關(guān)系。

在工裝型架的裝配過程中，所提供的TB點、OTP點及ERS點的坐標(biāo)是型架坐標(biāo)系（PCS）下的坐標(biāo)值；跟蹤儀的坐標(biāo)系是以跟蹤儀頭部轉(zhuǎn)軸交點所在位置為原點的坐標(biāo)系（MCS）。工裝型架調(diào)試的目的就是將跟蹤儀的坐標(biāo)系與型架坐標(biāo)系對齊，再進(jìn)行工裝中卡板、定位器、支承座的裝配調(diào)整，達(dá)到實際產(chǎn)品與數(shù)字化模型相對位置的一一對應(yīng)。

2.3 應(yīng)用實例

在某飛機(jī)改裝工裝型架的裝配過程中，使用Lecia激光跟蹤儀和Metrolog XG for Lecia測量軟件進(jìn)行裝配調(diào)試。

首先要建立工裝基礎(chǔ)坐標(biāo)系，根據(jù)設(shè)計圖，使用激光跟蹤儀實際測量型架上的TB點。使用激光跟蹤儀中的靶球依次測量TB1～TB5各點，TB點都被記錄在測量軟件中。根據(jù)測量結(jié)果及設(shè)計圖中定義的X軸、Y軸、Z軸，在構(gòu)造模塊下建立型架坐標(biāo)系（PCS）。Metrolog軟件［3］會應(yīng)用上文提到的坐標(biāo)線性變換算法，根據(jù)測量結(jié)果將跟蹤儀坐標(biāo)系（MCS）線性轉(zhuǎn)換到型架坐標(biāo)系（PCS）下。以構(gòu)建的PCS為測量坐標(biāo)系，分別測量調(diào)整跟蹤儀站點所需的ERS點坐標(biāo)。

在CATIA軟件中將所有卡板、支撐件、定位器在設(shè)計數(shù)模中的坐標(biāo)值以*.txt文本格式輸出，再將這些數(shù)據(jù)以名義值的形式導(dǎo)入Metrolog，進(jìn)入建立/檢查模塊，當(dāng)跟蹤儀的靶球移動到工裝中卡板的定位孔時，Metrolog會將測量值與名義值作比較，并將dX、dY、dZ三個方向的差值動態(tài)顯示到電腦屏幕上，裝配人員根據(jù)數(shù)值微量調(diào)整卡板、定位器等在空間中的位置，當(dāng)差值達(dá)到預(yù)先設(shè)置的公差范圍內(nèi)時，固定相應(yīng)的設(shè)備，完成裝配。

完成整個型架所有卡板定位器裝配后，需要對型架中所有的ERS點進(jìn)行測量并記錄數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)將成為型架移動、運輸?shù)焦ぷ魑恢煤蠡謴?fù)測量坐標(biāo)系、調(diào)整卡板定位器至設(shè)計位置的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)。

3 結(jié)束語

▲圖5 激光跟蹤儀調(diào)整OTP點動態(tài)差值圖

隨著數(shù)字化測量技術(shù)的不斷發(fā)展，在試驗機(jī)改裝部件專用型架的裝配過程中，基于激光跟蹤儀的測量系統(tǒng)的裝配技術(shù)以其高效率、高精度、便攜性等優(yōu)點正發(fā)揮著巨大的作用。在型架裝配實際應(yīng)用中，需要根據(jù)不同的部件和測量任務(wù)制定合理的測量方案，更好地發(fā)揮激光跟蹤儀的作用，使我國的飛機(jī)制造、試驗機(jī)改裝技術(shù)邁上新臺階。

［1］ 王彥喜，閔俊，劉 剛.激光跟蹤儀在飛機(jī)型架裝配中的應(yīng)用［J］.航空制造技術(shù)，2010（19）:92-94.

［2］ 王巍，黃宇，莊建平.激光跟蹤儀在飛機(jī)裝配工裝制造中的應(yīng)用［J］.航空制造技術(shù)，2004（12）：81-84.

［3］ 陳智勇，吳建軍，趙玉靜，等.激光跟蹤測量系統(tǒng)在飛機(jī)型面測量中的應(yīng)用［J］.機(jī)械設(shè)計與制造，2009（12）：68-70.