圖1Leica第五代絕對(duì)激光跟蹤儀全系列產(chǎn)品

飛機(jī)數(shù)字化制造技術(shù)興起于20世紀(jì)80年代初美國(guó)飛機(jī)制造業(yè)，波音777是全球第一架完全意義上數(shù)字化設(shè)計(jì)征乳、制造的飛機(jī)蚪缚。

飛機(jī)數(shù)字量傳遞制造技術(shù)對(duì)比之前的飛機(jī)模擬量傳遞制造技術(shù)在經(jīng)濟(jì)成本蜀骗、制造周期方面具有巨大的優(yōu)勢(shì)悦追，之后該技術(shù)在歐美等航空工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家迅速發(fā)展并逐步完善，現(xiàn)今已經(jīng)成為歐美等航空制造企業(yè)的核心技術(shù)限寞。飛機(jī)數(shù)字化制造技術(shù)中數(shù)字化測(cè)量技術(shù)是非常重要的一環(huán)忍啸，與數(shù)字化設(shè)計(jì)、數(shù)字化制造形成閉環(huán)昆烁。以Leica激光跟蹤儀為代表的數(shù)字化測(cè)量技術(shù)在飛機(jī)數(shù)字化制造過(guò)程中扮演了重要角色吊骤，使飛機(jī)制造效率缎岗、質(zhì)量得到充分保證静尼。圖1所示為L(zhǎng)eica第五代絕對(duì)激光跟蹤儀全系列產(chǎn)品。

圖2Leica激光跟蹤儀在飛機(jī)制造過(guò)程中的應(yīng)用領(lǐng)域

Leica激光跟蹤儀目前在飛機(jī)制造行業(yè)的應(yīng)用已由最初的輔助裝配飛機(jī)型架拓展到除了飛機(jī)設(shè)計(jì)之外的其它所有制造流程传泊，圖2為L(zhǎng)eica激光跟蹤儀在飛機(jī)制造過(guò)程中的應(yīng)用領(lǐng)域鼠渺。

激光跟蹤儀在國(guó)內(nèi)飛機(jī)數(shù)字化測(cè)量技術(shù)中的應(yīng)用

國(guó)內(nèi)航空制造業(yè)在上世紀(jì)90年代初接觸數(shù)字量傳遞工作法，經(jīng)過(guò)近20年的摸索和研究眷细，目前已經(jīng)由模擬量協(xié)調(diào)工作法過(guò)渡到數(shù)字量協(xié)調(diào)工作法拦盹。在飛機(jī)數(shù)字化設(shè)計(jì)和飛機(jī)數(shù)字化制造方面取得了很大的進(jìn)步，逐步縮小了與歐美航空制造業(yè)在這兩方面的差距溪椎，但是在數(shù)字化測(cè)量技術(shù)方面仍停留在使用激光跟蹤儀結(jié)合成熟軟件輔助裝配飛機(jī)型架和檢測(cè)飛機(jī)零部件方面普舆。圖3為使用LeicaLTD500型激光跟蹤儀輔助測(cè)量裝配型架。圖4為使用Leica激光跟蹤儀結(jié)合手持無(wú)線測(cè)頭校读、手持激光掃描系統(tǒng)檢測(cè)飛機(jī)產(chǎn)品和型架速痹。

圖3LeicaLTD500型跟蹤儀輔助測(cè)量裝配型架

國(guó)外飛機(jī)數(shù)字化測(cè)量技術(shù)核心概念介紹

歐美航空制造業(yè)在數(shù)字化測(cè)量技術(shù)的先進(jìn)性體現(xiàn)在對(duì)Leica激光跟蹤儀應(yīng)用的開(kāi)發(fā)上，沒(méi)有局限于只是使用功能單一的通用成熟軟件绳练，主要針對(duì)具體應(yīng)用開(kāi)發(fā)專門軟件和輔助硬件——飛機(jī)零部件支撐及調(diào)整機(jī)構(gòu)锦镶。這里主要介紹軟件開(kāi)發(fā)核心概念。Leica激光跟蹤儀專用應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)主要有兩種概念：一種是基于成熟計(jì)量應(yīng)用軟件的內(nèi)部高級(jí)腳本程序語(yǔ)言開(kāi)發(fā)專門應(yīng)用程序枫昏；另一種基于外部腳本程序（Windows編程語(yǔ)言）為基礎(chǔ)偶屯，借助Leica公司免費(fèi)提供的軟件開(kāi)發(fā)工具包開(kāi)發(fā)專門應(yīng)用程序。

圖4 使用Leica激光跟蹤儀結(jié)合手持無(wú)線測(cè)頭旋蝎、手持激光掃描系統(tǒng)檢測(cè)飛機(jī)產(chǎn)品和型架

基于計(jì)量應(yīng)用軟件的內(nèi)部高級(jí)腳本程序語(yǔ)言開(kāi)發(fā)軟件

這是一種相對(duì)簡(jiǎn)單的軟件開(kāi)發(fā)方法冶习，計(jì)量軟件作為專門軟件的主管理器，負(fù)責(zé)管理激光跟蹤儀孕序、數(shù)據(jù)庫(kù)琐幔、定位系統(tǒng)等。

利用這種方法編制應(yīng)用軟件的先決條件是計(jì)量軟件具備控制激光跟蹤儀硬件的能力勾萌，而且本身內(nèi)部要集成可定制的高級(jí)宏語(yǔ)言齐秕。PC-DMIS就是可以編制此類軟件的計(jì)量軟件。

圖5機(jī)翼與機(jī)身對(duì)合程序流程圖

基于外部腳本程序（Windows編程語(yǔ)言）為基礎(chǔ)

以這種概念編制的應(yīng)用軟件程序?qū)?shí)際測(cè)量軟件包括在獨(dú)立的測(cè)量程序管理器之中，測(cè)量程序管理器負(fù)責(zé)測(cè)量軟件笋敞、外部定位系統(tǒng)碱蒙、數(shù)據(jù)庫(kù)等的通訊，測(cè)量軟件只介入到對(duì)Leica激光跟蹤儀的操作中夯巷。測(cè)量程序管理器處于應(yīng)用軟件的底層赛惩，控制所有與實(shí)際測(cè)量有關(guān)的程序，應(yīng)用軟件的頂層有獨(dú)立的應(yīng)用程序管理器或者友好的人機(jī)界面控制趁餐。

在具體的項(xiàng)目上體現(xiàn)為由一個(gè)超級(jí)簡(jiǎn)單的Visualbasic應(yīng)用程序控制多臺(tái)Leica激光跟蹤儀喷兼，并將其捆綁在一起，定向于一個(gè)站位后雷。使用這個(gè)程序可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)控制兩臺(tái)Leica激光跟蹤儀自動(dòng)測(cè)量季惯，并實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換、自動(dòng)檢查測(cè)量點(diǎn)位置臀突、與測(cè)量點(diǎn)理論位置對(duì)比勉抓、輸出測(cè)量結(jié)果報(bào)告。

圖6Leica激光跟蹤儀自動(dòng)測(cè)量輔助裝配系統(tǒng)裝配A340-500機(jī)身后部油箱示意圖

在飛機(jī)數(shù)字化制造過(guò)程中基于這種概念的一個(gè)典型應(yīng)用是機(jī)翼與機(jī)身自動(dòng)對(duì)合程序候学。見(jiàn)圖5機(jī)翼與機(jī)身對(duì)合流程圖藕筋。

前三個(gè)步驟分別是程序的初始化、理論數(shù)值的讀取和參考點(diǎn)的測(cè)量呕摹；第四個(gè)步驟是利用參考點(diǎn)將多臺(tái)Leica激光跟蹤儀捆綁成一個(gè)站位蒂抒，并將坐標(biāo)系擬和至飛機(jī)坐標(biāo)系，然后按次序測(cè)量機(jī)翼上測(cè)量點(diǎn)二搀，測(cè)量程序管理器將測(cè)量到實(shí)際值與測(cè)量值對(duì)比偏差發(fā)送給工裝調(diào)整及終端執(zhí)行機(jī)構(gòu)先兆，驅(qū)動(dòng)終端執(zhí)行機(jī)構(gòu)將機(jī)翼逐漸調(diào)整到理論位置。編制應(yīng)用程序的過(guò)程不需要編程人員深入了解計(jì)量知識(shí)危婚，通過(guò)Leica公司提供的功能強(qiáng)大免費(fèi)軟件開(kāi)發(fā)工具包就可以實(shí)現(xiàn)這一目的褥欺。

基于外部腳本程序編制應(yīng)用程序案例

歐洲空中客車公司早在1997年以來(lái)就使用基于外部腳本程序編制的Leica激光跟蹤儀自動(dòng)測(cè)量輔助裝配應(yīng)用程序，并且將這一應(yīng)用擴(kuò)展到所有機(jī)型峦仲。圖6為空中客車法國(guó)公司Nante工廠使用兩臺(tái)Leica激光跟蹤儀自動(dòng)測(cè)量輔助裝配系統(tǒng)裝配A340-500機(jī)身后部油箱示意圖盔鬼，該飛機(jī)組件重3300kg，航向方向長(zhǎng)5m质瘸，機(jī)身對(duì)稱方向5.2m女饺，高2.6m。同時(shí)使用2臺(tái)LeicaLTD500型激光跟蹤儀結(jié)合自動(dòng)測(cè)量程序自動(dòng)將油箱上部組件裝配到油箱下部壁板上磨爪，精度最高可以達(dá)到0.05mm儒恋。

圖7機(jī)翼與機(jī)身對(duì)合關(guān)鍵參考點(diǎn)位置示意圖

兩臺(tái)跟蹤儀初始化后，讀取油箱上參考點(diǎn)和測(cè)量點(diǎn)理論值黔漂，然后分別測(cè)量分布于油箱下壁板下部和上部的6個(gè)公共點(diǎn)诫尽，借此形成統(tǒng)一站位禀酱，再測(cè)量下壁板上R1、R2牧嫉、R3剂跟、R44個(gè)參考點(diǎn)，建成飛機(jī)坐標(biāo)系酣藻，最后測(cè)量A曹洽、B、C系列測(cè)量點(diǎn)辽剧，程序自動(dòng)形成A送淆、B、C系列測(cè)量點(diǎn)與理論點(diǎn)差值怕轿，工裝及終端執(zhí)行機(jī)構(gòu)依據(jù)這個(gè)偏差自動(dòng)調(diào)整油箱上部組件到達(dá)一個(gè)新的位置偷崩，這個(gè)過(guò)程需要重復(fù)執(zhí)行幾次，直到滿足裝配公差需要為止撤卢，即完成自動(dòng)裝配過(guò)程蛾藐。

美國(guó)波音公司1996年開(kāi)始利用同樣的方法開(kāi)發(fā)了波音737型飛機(jī)機(jī)翼與機(jī)身Leica激光跟蹤儀自動(dòng)測(cè)量輔助裝配應(yīng)用程序瘤希。圖7為機(jī)翼與機(jī)身對(duì)合中需要確定的關(guān)鍵參考點(diǎn)位置示意圖昂贷。關(guān)鍵參考點(diǎn)的確定對(duì)機(jī)翼、機(jī)身對(duì)合非常重要答艘，不但影響對(duì)合精度拆翘，對(duì)跟蹤儀擺放位置也有一定影響，關(guān)鍵參考點(diǎn)的定義需要對(duì)飛機(jī)整體結(jié)構(gòu)了解非常透徹息体。

完成這個(gè)對(duì)合程序需要兩臺(tái)Leica激光跟蹤儀囊脉，分別放在機(jī)身左右兩側(cè)下部靠近機(jī)翼處，程序初始化后狗悔，從程序數(shù)據(jù)庫(kù)讀去關(guān)鍵參考點(diǎn)理論數(shù)值屉争，兩臺(tái)Leica激光跟蹤儀分別測(cè)量機(jī)身上控制點(diǎn)，將坐標(biāo)系擬和至飛機(jī)坐標(biāo)系巡软，之后測(cè)量機(jī)翼上關(guān)鍵參考點(diǎn)檩讯，程序自動(dòng)形成機(jī)翼關(guān)鍵參考點(diǎn)測(cè)量值與理論點(diǎn)差值，工裝及終端執(zhí)行機(jī)構(gòu)依據(jù)這個(gè)偏差自動(dòng)調(diào)整機(jī)翼組件到達(dá)一個(gè)新的位置菌劲，這個(gè)過(guò)程需要重復(fù)執(zhí)行幾次干跛，直到滿足裝配公差需要為止，即完成自動(dòng)裝配過(guò)程祟绊。

圖8Leica激光跟蹤儀六自由度（6D）測(cè)量系統(tǒng)原理圖

基于Leica激光跟蹤儀六自由度（6D）的自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)

上述自動(dòng)測(cè)量程序執(zhí)行過(guò)程中采用的激光跟蹤儀為三自由度激光跟蹤儀楼入，激光跟蹤儀測(cè)量參考點(diǎn)時(shí)工裝及終端執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要停止工作，也就是說(shuō)不能夠?qū)崿F(xiàn)測(cè)量與調(diào)整同時(shí)進(jìn)行牧抽，這是由三自由度激光跟蹤儀本身的測(cè)量特性決定的嘉熊，程序執(zhí)行過(guò)程相對(duì)較長(zhǎng)遥赚，當(dāng)定單數(shù)量較大時(shí)需要生產(chǎn)效率工裝，使生產(chǎn)成本升高阐肤。自動(dòng)測(cè)量程序如果采用Leica激光跟蹤儀六自由度（6D）測(cè)量系統(tǒng)可以避免上述問(wèn)題鸽捻，通過(guò)統(tǒng)計(jì)至少可以節(jié)省三分之一時(shí)間，可最大程度上減少效率工裝的使用泽腮。

Leica激光跟蹤儀六自由度（6D）測(cè)量系統(tǒng)采用駐機(jī)定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)空間物體的六自由度（X御蒲、Y、Z诊赊、i厚满、j、k）動(dòng)態(tài)測(cè)量楚餐，激光跟蹤儀測(cè)量六自由度靶標(biāo)—T-MAC上廣角靶鏡的X斤卒、Y、Z坐標(biāo)值撇扯，高精度數(shù)字相機(jī)測(cè)量六自由度靶標(biāo)—T-MAC上10個(gè)發(fā)光二極管的姿態(tài)i囚誓、j、k见撵。其2Sigma角向精度達(dá)到0.01度启孔，圖8為L(zhǎng)eica激光跟蹤儀六自由度（6D）測(cè)量系統(tǒng)原理圖。

圖9Leica六自由度測(cè)量系統(tǒng)機(jī)翼與機(jī)身對(duì)合流程圖

Leica六自由度測(cè)量系統(tǒng)因?yàn)槠鋭?dòng)態(tài)測(cè)量特性薪尉，以機(jī)翼與機(jī)身對(duì)合程序?yàn)槔郏梢钥焖俚膶C(jī)翼調(diào)整到距離其最終裝配位置5mm以內(nèi)，之后三自由度自動(dòng)測(cè)量程序開(kāi)始執(zhí)行凡加，測(cè)量固定的參考目標(biāo)位置慰奉，直到機(jī)翼調(diào)整到最終裝配位置。數(shù)字化飛機(jī)對(duì)合過(guò)程中氧胳，可以使用三套Leica六自由度測(cè)量系統(tǒng)同時(shí)執(zhí)行左证森、右機(jī)翼與機(jī)身對(duì)合，水平尾翼與機(jī)身對(duì)和程序耗時(shí)15分鐘即可完成測(cè)量過(guò)程伴鳖。圖9為L(zhǎng)eica六自由度測(cè)量系統(tǒng)機(jī)翼與機(jī)身對(duì)合流程圖节值。

飛機(jī)數(shù)字化測(cè)量技術(shù)作為飛機(jī)數(shù)字化制造技術(shù)中的重要組成部分，在保證效率和質(zhì)量過(guò)程中起到至關(guān)重要的作用黎侈。隸屬翰焓穑克斯康集團(tuán)的瑞士Leica公司提供了飛機(jī)數(shù)字化制造中完整的數(shù)字化測(cè)量解決方案，對(duì)提高國(guó)內(nèi)飛行器制造水平大有裨益峻汉。

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