激光跟踪仪在飞机翼下整流罩测量的应用

王金丹

摘 要：该文简述了利用激光跟踪仪的组成、测量技术原理，结合某飞机翼下整流罩的测量实例，在采用激光跟踪仪测量过程中，通过对基于模型定义（MBD）的三维理论数模的大部件测量技术及激光跟踪仪转站位测量等关键技术进行研究，完成了激光跟踪仪对大部件翼下整流罩外形的精确测量。

关键词：激光跟踪仪 翼下整流罩 数模 站位 测量

中图分类号：TN247 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）09（b）-0044-02

现代飞机零组、部件其尺寸及外形的精度要求较高，保证飞机产品装配协调及其几何外形非常重要，精确测量、定位，这样才能保证航空器的安全性。随着航空制造业的迅速发展，航空领域现代化测控技术的应用也随之快速发展，激光跟踪仪的广泛应用充分说明了一点，激光跟踪仪具有在大范围测量应用中移动性好、轻便灵活及其测量系统的高精度自动化测量的特点。传统的测量外形方法无法保证测量精度，必然被先进的测量技术逐步取代。

1 激光跟踪仪的组成与测量技术原理

1.1 激光跟踪仪的组成

激光跟踪仪是集激光干涉测距技术、光电检测技术、精密机械技术、计算机技术、现代数值计算理论等于一体的新型测量仪器。它主要是由激光跟踪头、控制器、反射器（靶标）、应用处理机及测量软件组成。

1.2 激光跟踪仪测量技术原理

激光跟踪仪能够通过数字化设计模型提取的理论数据与测量获取数据的比对评价，实现零组件、部件外形的精确测量。激光跟踪仪是基于球坐标系的空间坐标测量机， 可实现目标的静态坐标测量和动态轨迹跟踪。激光跟踪仪的测量系统的基本原理是：激光跟踪目标反射器，通过自身的测角系统（水平测角、垂直测角）及激光绝对测距系统来确定空间点（目标反射器的空间位置）的坐标，再通过仪器自身的校准参数和气象补偿参数对过程中产生的误差进行补偿，来获取空间的坐标。

空间点的测量通常有两种方法：第一种方法是直接测量法。将角耦棱镜置于待测点位置，再进行采数，就得到了空间点的位置；第二种方法是间接测量法。通过测量球面或圆形，采用球心拟合或圆心拟合的方式间接得到球心和圆心点的坐标。这种方法用于孔等角耦棱镜不能直接测量的部位。

上面这两种方法在整个测量过程中，应尽量避免气流的扰动及物体的震动，否则将影响测量结果。

2 翼下整流罩的测量应用

现选取典型部件某飞机翼下整流罩，来研究采用激光跟踪仪测量的方法，该大部件具有基于模型定义（MBD）的三维理论数模（CATIA理论模型），其外形与飞机气动外形有关，外形轮廓度要求较高。

2.1 测量过程分析

首先确定对翼下整流罩测量应该在完成装配后，不需要将翼下整流罩从工装型架上拆卸下来，而直接在装配工装型架上完成该部件的测量。以此检验确认其装配制造完成后，整流罩是否符合产品的设计要求。

2.1.1 测量坐标系的建立

该被测部件装配姿态为“倒C”形垂直布置，如图1所示。装配型架是整体框架式工装。型架体有多个基准工具球点（TB点），即型架上的Φ8H7孔插入反射器座，反射器球心即为TB点，这些TB点最大范围分布在整个型架上，也是整个型架的制造基准。

先选取7个TB点，这7个TB点要最大限度地包容整个工装的主体结构，使用激光跟踪仪测量时光源不被挡住。在完成激光跟踪仪校准后，采用单点测量模式对工装的TB点进行测量，然后通过测量软件将测得的实测值与工装上理论坐标值进行拟合，这样就建立了与飞机坐标系一致的测量坐标系。

2.1.2 被测件的外形轮廓度公差要求

由MBD三维数模获得翼下整流罩设计给出的外形轮廓度公差要求是1.75，且超出误差范围的点不能超过被测点总数的6%，得出测量结果可以进行判断被测件是否符合设计要求。

2.1.3 被测件测量站位设置

（1）测量站位的设置要求。

采用激光跟踪仪对产品外形测量时，其坐标原点在跟踪仪内部，所有得到的站位坐标都在这个坐标系下，小而简单特性在一个站位就能完成测量，而对于复杂的大部件就需要多个这样的坐标系才能反映全部位置坐标，然后将多个站位的坐标系转化到同一个坐标系下，这是必须要解决的难点。

两个空间坐标系需要建立联系，至少需要不在同一直线上3个点的空间坐标（两个坐标系下），这样才能得到空间两个坐标原点间的空间关系。那么，将两个站位数据放在同一站位的坐标系时，要保证3个不共线的公共点。转站时的测量误差将影响到每一个测量点，这个误差必须控制，要根据被测产品的精确度而定。

（2）测量站位设置。

激光跟踪仪仅能测量到其视角的测量范围，要完成对翼下整流罩整个外形的测量，在任何角度都不能一次完成，需要转站位才能完成整个外形的测量。单台激光跟踪仪必须通过转站的方法扩大测量范围。然而转站位测量次数越多，测量结果的误差值就越大，所以尽量减少转站次数。确定测量该件需要设置2个站位，如图2所示。

根据转站位设置要求，相邻的站位之间至少要有3个不共线的共同基点，其中站位1和站位2的3个共同的TB点，应能限制住被测型面的6个自由度。然后由计算机测量软件通过拟合计算，把两个站位信息相互联系，形成统一的坐标系。

2.2 实施测量

将翼下整流罩与型架工装的MBD三维数模（CATIA模型）组合为组件数模，然后将其转换为激光跟踪仪能读取的格式（如STP格式），导入激光跟踪仪计算机系统测量的软件中。

通过直接扫描的形式来测量其外形，分别由站位1测量坐标系下转至站位2测量坐标系下分别进行测量，得到测量外形的点云，然后将扫描获得点云和MBD三维数模理论值进行对比，输入外形公差值，将被测件测量点云在两个站位共同坐标系下进行评价，测量软件会自动显示测量点云的偏差值。测量完毕后，用测量系统软件对测量结果进行必要的分析和处理，可用图形方式显示，从测量结果看，外形轮廓度和超差点总数都在设计要求范围内，从而完成了对翼下整流罩的测量。

3 结语

采用激光跟踪仪对飞机的翼下整流罩的气动外形进行测量，保证其测量的精度及准确性要求，对降低装配误差、提高飞机装配质量都具有重要的意义。

参考文献

[1] 張辉，周丽，高须俊，等.激光跟踪仪在某型飞机制造中的应用研究[J].航空制造技术，2014（21）：96-98.

[2] 王彦喜，闵俊，刘刚.激光跟踪仪飞机型架装配中应用[J].航空制造技术，2010（19）：92-97.