于德俊，李茂環(huán)，付慧橋，陳同福

（航空工業(yè)洪都，江西 南昌，330024）

0 引言

航空制造領(lǐng)域由于結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，且存在許多尺寸大、剛度小的薄板、型材等零件，為了滿足飛機(jī)的結(jié)構(gòu)和外形要求，大尺寸、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的裝配型架在裝配的各個(gè)階段都被采用，以保證飛機(jī)裝配的準(zhǔn)確度要求。因此型架成為航空制造領(lǐng)域必不可少的一種工裝設(shè)備，它對(duì)于保證飛機(jī)產(chǎn)品的質(zhì)量，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，降低產(chǎn)品成本都十分關(guān)鍵。飛機(jī)裝配的準(zhǔn)確度是否滿足要求，在很大程度上取決于裝配型架的準(zhǔn)確度。因此飛機(jī)型架裝配是飛機(jī)裝配極為重要的工藝流程，直接影響飛機(jī)的結(jié)構(gòu)性能，是提升飛機(jī)裝配質(zhì)量的重要因素。激光跟蹤儀具有測(cè)量范圍大、測(cè)量精度高、讀值速度快、操作方便、配套軟件功能強(qiáng)等特點(diǎn)。以萊卡AT960型號(hào)激光跟蹤儀為例，其測(cè)量范圍為160m，累計(jì)測(cè)量誤差為15um±6 um。國(guó)內(nèi)外航空制造企業(yè)已廣泛將激光跟蹤儀等高精度測(cè)量?jī)x器使用于飛機(jī)裝配工裝的裝配及定檢中。

隨著我國(guó)C919大飛機(jī)產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，其生產(chǎn)所需的工裝尺寸較大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精度要求高，例如超級(jí)壁板裝配型架，總裝型架等。因此，在飛機(jī)型架裝配制造及定檢時(shí)，需利用激光跟蹤儀對(duì)靶標(biāo)點(diǎn)數(shù)據(jù)及外形進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)測(cè)量數(shù)據(jù)來(lái)調(diào)整工裝框架水平度，垂直度，調(diào)整工裝定位器位置，以滿足設(shè)計(jì)要求。由于大飛機(jī)產(chǎn)品尺寸較大，生產(chǎn)所需工裝尺寸也相對(duì)較大，其外形尺寸的范圍大部分在十幾米到幾十米之間，有的可達(dá)上百米，如圖1所示為大飛機(jī)中后機(jī)身前段上半部外部保型工裝，總長(zhǎng)為12米；由于大型飛機(jī)裝配精度要求高，裝配型架時(shí)卡板及定位器數(shù)量較多，型架結(jié)構(gòu)復(fù)雜，如圖2所示，在裝配和定檢過(guò)程中將激光跟蹤儀固定在一個(gè)型架前端中央位置進(jìn)行測(cè)量時(shí)，由于型架框架遮擋激光跟蹤儀的光線，大部分位置無(wú)法測(cè)量卡板的OTP點(diǎn)及型面，因此，需要將激光跟蹤儀進(jìn)行多次的轉(zhuǎn)站測(cè)量，而激光跟蹤儀轉(zhuǎn)站測(cè)量不僅會(huì)加大工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，降低裝配效率，同時(shí)也會(huì)影響裝配的精度。因此在大飛機(jī)型架裝配中采用多臺(tái)激光跟蹤儀組網(wǎng)測(cè)量的方法進(jìn)行裝配將會(huì)大大提高裝配效率和裝配精度。

圖1 中后機(jī)身前段上半部外部保型工裝

圖2 激光跟蹤儀掃描盲區(qū)

1 多臺(tái)激光跟蹤儀組網(wǎng)測(cè)量原理

以三站激光跟蹤儀組網(wǎng)測(cè)量系統(tǒng)為例，該系統(tǒng)由三臺(tái)激光跟蹤儀組成，其測(cè)量原理如圖3所示，設(shè)A、B、C為空間固定的三個(gè)點(diǎn)，且A、B、C三個(gè)點(diǎn)在一個(gè)已知的空間坐標(biāo)系中，并已知該三點(diǎn)的坐標(biāo)值。將A、B、C三個(gè)點(diǎn)定義為測(cè)量系統(tǒng)的三個(gè)布站點(diǎn)；D點(diǎn)為被測(cè)物體上的關(guān)鍵點(diǎn)，即被測(cè)點(diǎn)。利用激光跟蹤儀在三個(gè)布站點(diǎn)分別測(cè)出D點(diǎn)與三點(diǎn)的距離d1-d3，因此D點(diǎn)的空間坐標(biāo)也就能根據(jù)A、B、C三點(diǎn)的坐標(biāo)求出來(lái)。

圖3 激光跟蹤儀組網(wǎng)測(cè)量原理示意圖

設(shè)布站點(diǎn)的坐標(biāo)值為Hi（xHi，yHi，zHi）、i為布站點(diǎn)的序號(hào)。 對(duì)于空間任意一被測(cè)點(diǎn)Di（xi，yi，zi），i=1，2，…，n；n為被測(cè)點(diǎn)的數(shù)目，則：

其中，di為被測(cè)點(diǎn)到第i個(gè)布站點(diǎn)的絕對(duì)距離長(zhǎng)度。

由此可知，對(duì)于一個(gè)測(cè)量站與一個(gè)被測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)來(lái)說(shuō)，可以得出三個(gè)方程，每一個(gè)被測(cè)點(diǎn)三個(gè)未知量，三個(gè)測(cè)量站的測(cè)量數(shù)據(jù)組成一個(gè)方程組。

方程組中僅有Di點(diǎn)的空間坐標(biāo)值(xi,yi,zi)為未知數(shù)，對(duì)方程進(jìn)行求解即可得出被測(cè)點(diǎn)的空間坐標(biāo)值。

2 多臺(tái)激光跟蹤儀組網(wǎng)測(cè)量具體實(shí)施辦法

2.1 多臺(tái)激光跟蹤儀組網(wǎng)測(cè)量系統(tǒng)組成

多臺(tái)激光跟蹤儀組網(wǎng)測(cè)量系統(tǒng)主要由Spatial Analyzer（SA）軟件、2臺(tái)以上 Leica激光跟蹤儀（以Leica激光跟蹤儀為例）、一臺(tái)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、一臺(tái)計(jì)算機(jī)、一根網(wǎng)線組成。SA軟件用于顯示Leica激光跟蹤儀接口界面并分析測(cè)量結(jié)果，數(shù)量可以多于一套，一套軟件用于測(cè)量，另一套軟件用于分析測(cè)量結(jié)果；Leica激光跟蹤儀用于采集測(cè)量要素，其數(shù)量根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需要決定；網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)用于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)、Leica激光跟蹤儀之間的信息交換，形成局域網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)一般選用TP-LINK品牌，其接口數(shù)量根據(jù)連接的激光跟蹤儀數(shù)量決定；計(jì)算機(jī)用于局域網(wǎng)配置、運(yùn)行SA軟件，計(jì)算機(jī)可選用臺(tái)式機(jī)或者筆記本，具體配置根據(jù)測(cè)量項(xiàng)目決定，數(shù)量可以多于一臺(tái)，一臺(tái)用于控制激光跟蹤儀，另一臺(tái)用于分析測(cè)量結(jié)果；網(wǎng)線用于連接計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)及Leica激光跟蹤儀。多臺(tái)Leica激光跟蹤儀組網(wǎng)測(cè)量系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 Leica激光跟蹤儀組網(wǎng)測(cè)量系統(tǒng)示意圖

2.2 前期準(zhǔn)備

1）設(shè)置入網(wǎng)Leica激光跟蹤儀網(wǎng)絡(luò)IP地址，必須統(tǒng)一在一個(gè)網(wǎng)段。例如IP分別設(shè)置為：192.168.0.1、192.168.0.2、192.168.0.3， 子網(wǎng)掩碼設(shè)置為：255.255.255.0。

2）根據(jù)中后機(jī)身內(nèi)保型工裝布置好Leica激光跟蹤儀以及控制器的位置。

3）根據(jù)Leica激光跟蹤儀布置組網(wǎng)公共點(diǎn)。

4）架設(shè)網(wǎng)線。使用網(wǎng)線將Leica激光跟蹤儀組網(wǎng)測(cè)量系統(tǒng)各個(gè)組件連接起來(lái)。

5）設(shè)置好計(jì)算機(jī)的IP地址。

6）將計(jì)算機(jī)、Leica激光跟蹤儀通過(guò)網(wǎng)線接入網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)。

2.3 多臺(tái)激光跟蹤儀組網(wǎng)測(cè)量操作流程

1）運(yùn)行SA軟件，新建3個(gè)數(shù)據(jù)集合用于后續(xù)分別顯示3臺(tái)激光跟蹤儀的測(cè)量數(shù)據(jù)，并將數(shù)模、數(shù)據(jù)及基準(zhǔn)點(diǎn)導(dǎo)入新建的集合中，選擇顯示實(shí)體模型，可在導(dǎo)入數(shù)模后刪除無(wú)需激光跟蹤儀定位的框架，如圖5所示。

2）添加并連接1號(hào)激光跟蹤儀。在新建集合A中添加相應(yīng)的第一臺(tái)激光跟蹤儀，將激光跟蹤儀與SA軟件連接，并選擇相應(yīng)的靶標(biāo)球。

3）測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)并進(jìn)行擬合，定位激光跟蹤儀。選擇單點(diǎn)模式，測(cè)量型架上的TB點(diǎn)及ERS點(diǎn)，測(cè)量點(diǎn)數(shù)量不應(yīng)少于4個(gè)，以6-8個(gè)公共點(diǎn)為宜；然后在“儀器定位（Locate Instrument）”選項(xiàng)，在彈出的對(duì)話框中選擇“最佳擬合（Best-Fit）”選項(xiàng)，并刷新，計(jì)算擬合結(jié)果，完成1號(hào)激光跟蹤儀的定位，如圖6所示。

圖5 SA軟件導(dǎo)入數(shù)模

4）按照步驟2及步驟3，在集合B與集合C中分別添加2號(hào)激光跟蹤儀及3號(hào)激光跟蹤儀，并定位激光跟蹤儀。在2號(hào)激光跟蹤儀及3號(hào)激光跟蹤儀定位時(shí)，兩臺(tái)激光跟蹤儀必須與已定位的激光跟蹤儀有4點(diǎn)以上為公共點(diǎn)，為減小系統(tǒng)誤差，以6-8個(gè)公共點(diǎn)為宜。定位后如圖7所示。

圖6 第一臺(tái)激光跟蹤儀定位

圖7 多臺(tái)激光跟蹤儀組網(wǎng)測(cè)量系統(tǒng)

完成上述步驟之后即建立了多臺(tái)激光跟蹤儀組網(wǎng)測(cè)量系統(tǒng)，可進(jìn)行工裝的裝配工作。

3 多臺(tái)Leica激光跟蹤儀組網(wǎng)測(cè)量實(shí)施效果

3.1 縮短工裝的定檢時(shí)間

使用激光跟蹤儀組網(wǎng)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行工裝裝配工作，避免了激光跟蹤儀多次轉(zhuǎn)站位帶來(lái)的麻煩，只需在測(cè)量前期規(guī)劃好激光跟蹤儀的光路，并將激光跟蹤儀定位在預(yù)定位置，即可完成。若使用單臺(tái)激光跟蹤儀完成中后機(jī)身前段上半部外部保型工裝的定檢工作需要20天，而使用多臺(tái)Leica激光跟蹤儀組網(wǎng)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行定檢后只需14天便能完成，大約能節(jié)約1周的定檢時(shí)間，提高了檢測(cè)效率。如今，國(guó)產(chǎn)大飛機(jī)實(shí)行一架一檢的定檢要求，即一個(gè)型架完成一架產(chǎn)品的裝配工作后就需要進(jìn)行一次全面定檢，工裝已成為制約大飛機(jī)產(chǎn)量的重要因素。因此使用多臺(tái)Leica激光跟蹤儀組網(wǎng)測(cè)量的方法來(lái)進(jìn)行工裝定檢工作將大大節(jié)約工裝的定檢時(shí)間，從而提升大飛機(jī)的年產(chǎn)量。

3.2 提高工裝零組件的安裝精度

使用單臺(tái)激光跟蹤儀進(jìn)行工裝裝配時(shí)，一般采用檢測(cè)零組件OTP點(diǎn)的方式進(jìn)行安裝，即將零組件上的OTP點(diǎn)調(diào)整到誤差范圍之內(nèi)即認(rèn)為零組件安裝合格，因此安裝過(guò)程中忽略了零件的制造公差。工裝總體的裝配誤差除了激光跟蹤儀測(cè)量系統(tǒng)誤差外，零件的制造誤差也是不可忽視的一個(gè)因素，以中后機(jī)身前段上半部外部保型工裝為例，其卡板安裝時(shí)要求OTP點(diǎn)的位置誤差在±0.1mm，而型面的制造誤差為±0.1mm，因此實(shí)際安裝時(shí)誤差很難保證在±0.1 mm以內(nèi)，因此在工裝裝配時(shí)，在檢測(cè)零組件上各OTP點(diǎn)是否滿足要求后，還應(yīng)檢測(cè)幾個(gè)定位面（如數(shù)控加工的型面，以及用于定位的平面等）。使用單臺(tái)激光跟蹤儀裝配工裝時(shí)，由于零組件本身的光線遮擋問(wèn)題，只能檢測(cè)到零組件的OTP點(diǎn)及有限的幾個(gè)定位面；而使用多臺(tái)激光跟蹤儀組網(wǎng)測(cè)量的辦法，可同時(shí)檢測(cè)所需安裝的零組件OTP點(diǎn)及所有型面，如圖8所示，從而根據(jù)實(shí)際定位面的誤差來(lái)調(diào)整零組件的安裝位置，能夠有效的解決零組件制造誤差帶來(lái)的問(wèn)題，從而提高工裝零組件的安裝精度。

圖8 多臺(tái)激光跟蹤儀同時(shí)檢測(cè)卡板OTP點(diǎn)及型面

4 結(jié)語(yǔ)

使用多臺(tái)激光跟蹤儀組網(wǎng)測(cè)量系統(tǒng)解決了使用單臺(tái)激光跟蹤儀裝配大飛機(jī)型架時(shí)需要多次轉(zhuǎn)站位的問(wèn)題，解決了零組件制造誤差帶來(lái)的工裝整體安裝誤差偏大的問(wèn)題，同時(shí)將工裝定檢時(shí)間由20天縮減到了14天，定檢效率提升了30%，縮短了工裝裝配及定檢的周期，對(duì)提升大飛機(jī)年產(chǎn)量具有重要意義。