基于激光跟踪仪的复杂自由曲面检测实验研究

2019-07-06刘顺凯姚亚超任广贺

航天制造技术 2019年3期

郭国孙振刘顺凯姚亚超任广贺

郭国孙振刘顺凯姚亚超任广贺

（天津航天长征火箭制造有限公司，天津 300462）

以某具有复杂自由曲面的零件为例，介绍了激光跟踪仪在曲面精度检测中的应用。经过预对齐、对齐修正及精对齐三个步骤，实现被测曲面与三维模型的精确最佳拟合对齐。通过数模对比，最终实现复杂自由曲面的误差评定，经过多次测量实验计算测量不确定度,实验结果证明，该方法准确有效，为工程测量人员检测复杂自由曲面提供有利依据。

复杂自由曲面；激光跟踪仪；最佳拟合；测量不确定度

1 引言

自由曲面是指不能由初等解析曲面（平面、圆柱面、圆锥面等）组成，而是由复杂自由变化的自由曲线、曲面组成的曲面。由于自由曲面不包含明显的特征，比如平面、圆孔等，因而在检测过程中无法使用典型特征辅助数模对齐，给工程检测人员造成很大的困难。

航天某自由曲面工件理论模型如图1所示，设计要求检测其曲面轮廓偏差，公差要求较高，为±0.1mm，检测难度较大。对于此类高精度的自由曲面产品，通常使用三坐标测量机检测。因该工件批量较大，三坐标测量机排产严重不足。针对上述问题，本文探索使用激光跟踪仪测量，开展了相应的实验研究，确保测量方法和测量精度满足使用要求。

图1 航天某自由曲面工件理论模型

2 实验过程

为了保证实验的准确性，对实验环境进行了约束。在整个实验过程中，实验条件均满足：测量室内气温为20～22℃，湿度为45%～55%，且现场无风、无振动、无强光干扰。

本文所使用的激光跟踪仪为Lecia AT901-B跟踪仪，附件为38.1mm的反射靶球，操作软件为Ployworks2016。

2.1 数模预对齐

在进行零件与模型的预对齐时，多次尝试构建特征预对齐，均以失败告终，特征对齐方法不适用于无特征的数模对齐。

通过探索，最终采用“曲面点对齐法”预对齐。其操作步骤为，使用“曲面点对齐”功能，首先在模型上锚定6个点，然后按照顺序依次在零件曲面上采集6个数据点，如图2所示。值得注意的是，在模型上锚定的6个点应尽可能靠近边缘，且在零件上采集的6个点与锚定的6个点的顺序必须一致。通过上述步骤，实现了模型与零件的预对齐。因采集点的位置无法与锚定点严格一致，因而对齐后存在一定的偏差，偏差结果如表1所示。

图2 预对齐过程锚定点

表1 预对齐偏差结果 mm

2.2 数模对齐修正

图3 　激光跟踪仪靶球补偿原理

通过预对齐实现了模型与零件的初步对齐，但是对齐结果比较粗糙，需要对其进行进一步的修正，否则无法保证测量结果的准确性。原因如图3所示，若零件实物与模型在对齐后存在较大偏差，在采集数据点时，靶球与零件的实际接触点在点，激光跟踪仪首先读取点坐标值，然后沿着理论模型的曲面法线方向（方向）进行补偿，默认得到测量点。由于模型对齐偏差较大，在靶球补偿时提供了错误的参考方向，导致引入较大的测量误差，测量误差值为距离。因而预对齐后，需要数模对齐修正。

对齐修正的操作步骤为，使用曲面比较点功能，在零件曲面上以低密度（约250mm）间隔采集数据点，采集完成后，彩图显示偏差结果为-23.09mm至8.52mm。将数据点与模型进行最佳拟合匹配，拟合后结果最大偏差值为-0.014mm至0.025mm，如图4所示，完成对齐修正。

2.3 数模精对齐

使用曲面比较点功能，在零件曲面上以高密度（约100mm）间隔进行高密度采集数据点。采集完成后，将数据点与模型进行最佳拟合。通过执行多次最佳拟合功能，实现了数模的精确对齐，最终检测结果如图5所示。测量结果偏差值为-0.045mm至0.031mm，即偏差值在±0.045mm范围内。

图5　检测结果

3 测量不确定度分析

使用激光跟踪仪，对该曲面工件进行了多次重复测量，测量方法一致，选用的数模均为图1所示模型。通过分析，测量不确定度的来源主要包括：

a．测量重复性引入的测量不确定度1；

b．激光跟踪仪精度引入的不确定度2。

对于温度、湿度等环境因素，因实验环境为恒温恒湿，且现场没有振动，本文不作考虑。

3.1 测量重复性引入的测量不确定度评定

使用激光跟踪仪对该曲面工件进行了6次测量，测量结果如表2所示。

表2　测量结果

测量不确定度1：

3.2 激光跟踪仪精度不确定度评定

激光跟踪仪的不确定度引入的标准不确定的分量按照B类方法评定。激光跟踪仪的示值误差范围为10μm+5μm/m，在测量距离为2.5m时，按照均匀分布，则不确定度2：

3.3 合成不确定度评定

合成不确定度：

3.4 扩展不确定度评定

评定结果=0.028mm，小于设计要求的0.1mm，满足检测要求。

4 结束语

本文介绍了一种使用激光跟踪仪检测复杂自由曲面的方法，并进行了验证实验。通过计算，测量不确定度为0.028mm（=2），满足高精度测量要求，验证了该方法的有效性，为工程检测人员测量自由曲面提供了一个有效的解决方案。

1 费业泰. 误差理论与数据处理[M]. 北京：机械工业出版社，2015：84～100

2 潘淑清.几何精度规范学[M]. 北京：北京理工大学出版社，2003：4～32

3 甘霖，李晓星.激光跟踪仪现场测量精度检测[J]. 北航学报，2009(5)：612～614

4 吴丽丽，樊锐. 叶片型面在线检测方法研究[J]. 机械设计与制造，2010，09：97～99

5 李洪全. 实用坐标测量技术[M]. 北京：化学工业出版社，2007：51～72

Experimental Study on Measuring Complex Free-form Surface Based on Instrument of Laser Tracker

Guo Guo Sun Zhen Liu Shunkai Yao Yachao Ren Guanghe

(Tianjin Long March Rocket Aerospace Manufacturing Co., Ltd., Tianjin 300462)

Taking a complex free-form surface part for example, the surface accuracy is detected by laser tracker. The three steps of pre alignment, alignment and fine alignment have been implemented to achieve the best fit of the curved surface and 3D model. By comparing with the mathematical model, the error evaluation of the complex free-form surface is finally realized. Experimental results show that the method is accurate and effective. It provides a favorable basis for engineering personal to detect surfaces.

complex free-form surface；laser tracker；best fit；uncertainty of measurement