（机械工程专业论文）型架数字化安装工艺技术研究.pdf

摘要 随着飞机制造技术以及计算机c a d c a m 技术、信息技术的发展和厂泛应用， 飞机设计制造一体化成为可能，出现了产品数字化设计与制造；不仅飞机产品 设计实现数字化定义，整个制造过程也要实现数字化加工制造，作为飞机装配 用的型架也正在向数字化安装技术方向发展。 本文通过对电子经纬仪和激光跟踪仪测量系统及原理的分析，结合飞机型架 的结构特点，重点对型架数字化安装工艺技术进行研究，包括如何【f 确建立基 础坐标系统、以及怎样通过测量系统的转换，将基础坐标系统转化为型架安装 坐标系统，寻求解决型架测量安装过程中的工艺安装调整问题；与此同时，还 分析测量系统本身的误差构成，以及对型架测量安装精度造成的影响，找出控 制和减少测量误差的方法和途径；通过对某型飞机升降舵装配型架安装实例， 从而验证了电子经纬仪或激光跟踪仪安装型架的整个过程，摸索和总结了测量 安装工艺方法的规律和特点，为进一步深入研究飞机型架数字化安装工艺技术 和推广应用打下良好的基础。 关键词：型架、数字化安装、电子经纬仪、激光跟踪仪、测量系统、安装 调整、工艺方法 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n ta n de x t e n s i v ea p p l i c a t i o n so ft h et e c h n i q u et h a t a i r p l a n ep r o d u c t i o n ，c a d c a ma n di n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y ，t h ea i r p l a n ed e s i g n p r o d u c t i o ni n t e g r a t e sb e c o m ep o s s i b l e ，a p p e a r e dt h ep r o d u c td i g i t i z ed e s i g na n d p r o d u c t i o n s n o to n l yt h ea n l a n ep r o d u c td e s i g nc a r r i e so u tt h ed i g i t i z ed e f i n i t i o n ， t h ew h o l ep r o d u c t i o nb u ta l s ow a n tt oc a r r yo u tt h ed i g i t i z et op r o c e s st h ep r o d u c t i o n t h ea s s e m b l yj i gt h a ti st h ea i r p l a n ea s s e m b l ya l s oj u s td e v e l o pt o w a r dt h ed i g i t i z e d j r e c t i o n t h i sa r t i c l ea n a l y z e dt h ep r i n c i p l ea n dm e a s u r es y s t e m ，o ft h ec o m p u t e ra i d e d t h e o d o l i t ea n d1 a s e rt r a c k e r c o m b i n et h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h es t r u c t u r eo ft h e a i r p l a n ea s s e m b l y j i g ，s t r e s s e dr e s e a r c hd i g i t i z ea s s e m b l e st e c h n i q u eo f a s s e m b l y j i g i n e l u d eh o wt ob u i l dab a s i cr e f e f e n c ef l a m e h o wt oc o n v e v tt h eb a s i cr e f e f e n c e f l a m et ot h er e f e f e n c ef r a m ef o ra s s e m b l eo fa s s e m b l yj i gb yc o n v e r tm e a s u r es y s t e m l o o kf o rt os o l v eq u e s t i o no fa s s e m b l ea d j u s t m e n tt e c h n i q u ei nt h ep r o c e s so ft h e a s s e m b l ya n dt h em e a s u r e m e n to fl h ea s s e m b l yj i g a tt h es a m et i m e ，a n a l y z e st h e e r r o ro ft h em e a s u r es y s t e r nc o n s t i t u t ea n dt h ep r e c i s i o ne f f e c ti nt h ea s s e m b l ya n d t h em e a s u r e m e n to ft h ea s s e m b l yi i g ，f i n do u tt h em e t h o dt oc o n t r o la n dr e d u c et h e e r r o ro fm e a s u r e t ot a k et h ea s s e m b l ep r o c e s so ft h et y p es t a n df o rs o m em o d e l a i r p l a n ee l e v a t o ra sa ne x a m p l e ，t h u sv e r i f i e dt h ew h o l ea s s e m b l ep r o c e s so f a s s e m b l yi i gb yt h ec o m p u t e ra i d e dt h e o d o l i t eo rt h el a s e rt r a c k e r f u m b l ea n d s u m m a r i z er e g u l a t i o na n dc h a r a c t e r i s t i c so ft h et e c h n o l o g i c a lp r o c e s st h a tm e a s u r e a n da s s e m b l e ，t o l a yt h eg o o df o u n d a t i o nf o rf u r t h e rr e s e a r c h i n gt e c h n o l o g i c a l p r o c e s sa n dt h eg e n e r a l i z ea p p l i c a t i o nt h a tt h ed i g i t i z ea s s e m b l eo ft h ea i r p l a n e a s s e m b l y j i g k e yw o r d s ： a s s e m b l yj i g ，d i g i t i z ea s s e m b l e ，c o m p u t e r a i d e dt h e o d o l i t e ，l a s e rt r a c k e r ，m e a s u r es y s t e m ， a s s e m b l ea d j u s t m e n t ，t e c h n o l o g i c a lp r o c e s s 两北1 _ 业火学【程倾i + 论史 1 1 研究背景 1 1 1 型架的特点 第一章绪论 飞机制造是一项规模庞大的系统工程，在飞机装配时采用了许多大尺寸且结 构复杂的装配型架( 简称型架) ，它的主要作用是保证飞机总体气动外形和部件 对接的协调要求。这一点与般机械制造有很大区别，在一般机械制造中，主 要零件是刚度比较大的机械加工件，机器装配的准确度主要取决于零件加工的 准确度和装配时少量的补充加工或调整，而不需要采用结构复杂的大型装配央 具，而飞机由于它的结构复杂，并且大量采用尺寸大而刚度小的薄板、型材零 件等，所以为了满足飞机的结构和外形要求，在装配的各阶段包括组合件装配、 板件装配、段件装配和部件装配阶段，都必须采用大尺寸的、结构复杂的装配 型架，以保证飞机装配的准确度要求，因此，型架是飞机制造中必需而且是不 可缺少的种工装设备，它对于保证飞机产品的质量，提高劳动生产率，降低 产品成本都起着十分重要的作用。 要保证飞机装配的准确度，在很大程度上取决于装配型架的准确度。型架的 准确度又包括两个含义：一个是型架本身制造准确度，另一个是型架之间协调 准确度。所以对型架的制造精度要求很高，其制造公差一般应为产品公差的1 3 左右。 ( 1 ) 型架制造准确度 型架制造准确度一骰除了型架元件的制造准确度要求外，关键是指型架安 装的准确度。型架安装准确度的要求主要表现在：型架卡板( 含内形板) 的外 形准确度要求、所有定位器的安装位置精度、以及各交点接头定位件与型架卡 两托t 业入学t 程颂i 。论文 板的相对位置准确度要求等。 ( 2 ) 型架协调准确度 每个飞机部件在各个装配阶段，都采用了各不相同的装配型架，在型架制 造安装时，要保证成套型架之间尺寸一致和协调要求：而且在飞机产量比较大 的情况下，某些型架可能需要复制几套，同样也要保证这些型架的敏性。这 就是所谓的型架协调准确度要求。 ( 3 ) 型架刚度和尺寸稳定性 一般情况下要求型架设计刚度合理，型架骨架及元件考虑结构强度与刚性， 既轻巧，又不容易在使用和运输过程中产生变形，具有良好的工艺性；同时， 在设计制造时应重点消除构件应力，型架结构上应有消除减少温差影响和安装 地基变形影响的措施。 1 1 3 型架安装工艺现状 型架的制造包括型架元件( 即型架骨架元件和定位件、央紧件) 的加工和型 架的安装两大部分。对型架元件采用一般的机械加工方法或数控加工就可以达 到技术条件的要求，而保证各定位件在大尺寸的型架骨架上的安装准确度则是 比较困难的。目前，传统的型架制造和安装方法主要有下列几种： ( 1 )通用测量工具法安装型架 利用常规通用的工具、量具以及辅助工具等在平台上进行型架的安装。这 种方法仅能安姨中、小型的型架失具，优点是所需设蚕简单、投资少、遭用性 强：但是安装精度比较低，安装效率也不高，是一种比较简单易行的安装方法。 ( 2 ) 标准样件法安装型架 利用全机安装标准样件作为型架制造安装的依据，标准样件具有飞机部件 的真实外形和接头，可以进行分解和组合，分别用于部、段件和组合件型架的 安装。这种方法型架的安装比较直观、操作方便，型架的准确度和型架之间的 协调性较好，同时型架复制、检修方便，但是标准样件制造成本高、制造周期 长，而且使用中标准样件容易变形等。 2 西北t _ 业大学t 程项 = 论文 板的相对位置准确度要求等。 ( 2 ) 型架协调准确度 每个飞机部件在各个装配阶段都采用了各不相f 列的装配型架，在型架制 造安装时，要保证成奁型架之间尺寸一致和调要求：而且在飞机产量比较人 的情况下，某些型架可能需要复制几套同样也要保证这些犁架的 致性。这 就是所硝的型架协调准确度要求。 ( 3 ) 型架刚度和尺寸稳定性 一般情况下要求型架设计刚度台理，型架骨架及元件考虑结构强度与刚性， 既轻巧，叉不容易在使用和运输过程中产生变形，具有良好的工艺眭；同时， 在设计制造时应重点消除构件应力，裂架结构上应有消除减少温差影响和安装 地基变形影响的措施。 i i 3 型架安装工艺现状 型架的制造包括型架元件( 即型架骨架元件和定位件、夹紧件) 的加工和型 架的安装两大郑分。对型架元件采用般的机械加工方法或数控加工就可以达 到技术条件的要求，而保证各定位件在大尺寸的型架骨架上的安装准确度则是 比较困难的。目前，传统的型架制造和安装方法主要有下列几种： ( ) 通用测量工具法安袈型架 利用常规通用的工具、量具咀及辅助工具等在平台上进行型架的安装。这 种方法仅能安装中、小型的型架央具优点是所需设备简单、投资少、通用性 强；但是安装精度比较低，安装效率也不高，是一种比较简单易行的安装方法。 ( 2 ) 标准样件法安装型架 利用全机安装标准样件作为型架制造安装的依掘，标准样件具有飞机部件 的真实外形和接头，可以进行分解和组合，分别用于部、段件和组合件型架的 安装一这种方法型架的安装比较直观、操作方便，型架的准确度和型架之倒的 协调性较好，同时型架复制、检修方便，但是标准样件制造成本高、制造周期 长，而且使用中标准样件容易变形等。 长，而日使用中标准样件容易变形等。 两北r 业大学丁程顺i 。论文 ( 3 ) 型架装配机法安装型架 利用型架装配机、划线钻孔台、专用附件等机械通用设备对型架进行安装。 这种方法通用性强，不受机型改变的影响，可以节省费用，且具有安装定位调 整方便、操作迅速优点：但是其安装范围受型架装配机台面尺寸的限制，而且 安装精度受到机床本身精度和温度变化的影响，同时安装时尺寸传递和转换环 节较多，积累误差大。 ( 4 ) 光学仪器法安装型架 利用精密水平仪、精密经纬仪、准直望远镜、零距直角头、坐标经纬仪及工 具轴等光学仪器建立光学基准视线，形成安装测量坐标系统，实现型架的测量 安装。这种方法相对提高了安装精度，可以平行作业，节约成本，缩短生产周 期：但是存在型架安装时调整、支承比较困难，而且系统误差也比较大。 1 1 4 存在的主要问题 传统的飞机制造互换协调方法大多采用模线样板一标准样件的模拟量尺寸 传递方法。比如有标准样件工作法和模线样板一基准孔工作法，或是两者的综合 工作法等等。综合工作法也就是飞机外形采用模线样板、以及划线钻i l 台、型架 装配机的基准孔工作法，而传递有协调要求的交点、复杂曲面外形时，则采用标 准量规或局部样件来保证相互协调。这些互换协调方法以及常规的型架安装方法 都存在许多弊端，造成型架本身制造精度和安装准确度不高，型架之间的协调性 也难以达到要求，主要存在以下几个方面问题： 1 ) 传统飞机互换协调方法存在传递环节多、移形误差大、从而协调问题也多， 造成型架制造准确度和协调性下降。 2 ) 以往的型架安装工艺方法受机床设备、仪器本身精度及温度变化的影响，而 且经过多次工艺基准转换，累积误差大，安装精度差、系统误差大。 3 ) 常规的互换协调和安装方法，普遍存在制造周期长、安装效率低、返二f j 现象 严重，从而造成制造成本提高。 西北t 业大学t 程f i j ；| 卜论立 随着航空产品的飞机性能、精度、可靠性要求的不断提高，同时现代飞机产 品数字化定义设计方法的广泛应用，相应地对飞机工艺装备的准确度要求也愈来 愈高，传统的型架安装工艺已难以满足新型号研制飞机的需求，必须寻求一种新 型的型架安装方法来解决大尺寸空间位置精密测量和安装问题，以保证飞机外形 及交点的尺寸准确、协调和互换要求。 1 2 课题来源和研究意义 i 2 1 课题研究目的 由于飞机制造技术以及计算机c a d c a m 技术、信息技术的发展和广泛应用， 飞机设计制造一体化成为可能，出现了产品数字化定义设计与制造。不仪飞机 产品实现数字化定义没计，整个制造过程也正在逐步实现数字化制造：如飞机 机加结构件采用数控加工，钣金成形零件也将通过数字化加工成形，而且工艺 装备也同样应实现这种转变，即与飞机外形有直接协调要求的零件模具采用数 控加工，主要部件装配型架采用测量系统进行数字化安装，只有这样，飞机的 整个制造过程即从零件制造丌始到部、段件的组合装配才能实现真正意义上的 数字化传递。 工艺装备首先应依据飞机产品的数字化定义建立工艺装备的三维数字实体 模型，进行飞机装配过程的模拟，当满足飞机装配工艺要求后，再绘制出工装 图进行生产：然后工艺装备由三维数字模型进行零件制造，最后直接通过传输 到系统中的数据集直接制造出来，从而改变了以往以实物模拟量传递且相互关 联的串行制造方式，逐步转变为以三维数字量传递的并行独立制造方式：这种 协调方法的改变，必然迫使飞机型架的装配技术发生根本的变革，传统的以型 架装配机和普通光学仪器为主的安装型架工艺方法将逐渐过时，取而代之的必 将是较为先进的精密测量安装方法。型架数字化安装工艺技术正是适应了新制 造技术的要求，实现了数字量的最终传递它使型架的安姨变得更加方便、直 观，省去大量的计算时问，而且这种安装方法实现了与产品数字模型十h 结合， 两北工业大学工程倾 j 论文 工作效率和安装质量得到大大提高。 1 2 2 国内外研究情况 电子经纬仪最早应用于飞机型架的安装是在波音公司，自从波音飞机采用数 字化设计制造丌始，如波音7 6 7 - x 、波音7 7 7 、波音7 3 7 7 0 0 等新型客机中就广 泛应用数字化安装技术进行型架安装；不仅有电子经纬仪测量系统，还有激光跟 踪仪测量系统等，目前波音公司拥有2 0 0 多台这种三坐标测量系统，形成了较为 完善的、技术全面的新型设计和安装方法体系。另外，其他国家如欧洲航空制造 公司等在型架数字化安装技术方面也得到很大程度的应用。 我国飞机工业一贯以原苏联的模拟量传递卧调方法为主，自9 0 年代以来， 由于西飞、成飞、沈飞、上飞公司等与美国麦道、波音公司合 乍爿逐渐引进消化 这种型架数字化安装技术，在推广这种方法时得到美方的培训。包括所有型架图 纸由外方提供，仪器购买后也由美方帮助进行应用及操作培训同时派员到中方 对整个型架安装及转包生产进行技术指导、寺4 造全过程实施质量监控，通过许多 年的对外转包生产，也促进了这些国内航空企业对新制造技术的吸收，由于型号 的支持，从而使型架数字化安装技术得到很好的应用和发展。 目前在国内军机项目中，还较少采用全机数字化设计制造，仅有某重点型号 飞机等个别机型采用了全机数字化定义和设计制造，所以这种新型的型架数字化 安装技术在国内机种中的应用还不十分普遍，可以说应用力刚刚丌始，相信随着 国内航空制造企业的设计手段以及数控设备加工能力增强，飞机设计制造领域必 定会朝丌始阶段的部分数字化逐渐向全机数字化的方向发展，到时型架数字化安 装技术可以得到更大的推广应用。 在型架数字化安装技术的研究方面，如航空工艺技术1 9 9 9 年第四朗。 昌飞公司徐枝和 “电子经纬仪测量技术”一文，主要介绍了电子经纬仪测量系 统的基本原理，总结了该测量技术对工装模夹具设计制造的要求，以及对测量误 两北下业大学下程坝l 论义 差进行分析等。但对于型架数字化安装工艺方法特点、型架设计结构以及如何提 高精度和安装效率等方面的研究还不够深入，这些技术特点将直接影响到型架数 字化安装技术的进一步应用和推广。又如，西飞科技2 0 0 3 年第三期，西飞公 司王彦 “激光跟踪仪测量系统校准技术研究”一文，主要是对激光跟踪仪系统 测量原理及误差来源进行了分析和叙述，提出了现场校准激光跟踪仪的技术方 案，确保了系统性能。总之在型架数字化安装工艺技术研究领域，可以查询的技 术资料非常有限，在这方面从事专门技术研究的学者也不是很多，因此只有不断 地研究和探索，彳能使这项新技术不断地往前推进。 1 3 本文研究内容 型架数字化安装工艺技术是利用计算机辅助l 乜子经纬仪或激光跟踪仪等先 进精密工业测量系统，来实现对飞机部件装配型架进行安装测量的一门技术： 由于直接采用设计数据进行安装，因此具有测量精度高、定位准确等优点，是 一种新型的型架安装方法。 1 3 1 型架数字化安装工艺技术研究 型架数字化安装工艺首先在型架安装前，应建立测量系统的基础坐标系统， 然后通过型架框架上的基准工具球和增强参考坐标点建立型架安装坐标系统。研 究的内容包括如何j 下确建立基础坐标系统、设置坐标增强参考点方法，以及怎样 通过测量系统的转换，将基础坐标系统转化为型架安装坐标系统。其次，由于采 用新型仪器测量系统柬安装，必须寻求新的型架零件连接方式，测量系统只能解 决测量问题，型架零件的六个自由度在安装时相互影响，所以还要解决零件的安 装调整、支承问题，使型架的安装工作能高效、准确她进行，必要时应设计专门 的测量辅助工具以满足安装要求，总之，要研究出套适合新型安装技术特点的 工艺方法及技术措施。 两北t 业人学r 程顺l 一沦殳 1 3 2 型架数字化安装误差分析和控制技术研究 型架数字化安装工艺在测量过程中，测量误差是难以避免的。测量误差主 要由系统误差和随机误差组成，系统误差包括有仪器误差、标尺误差、瞄准误 差，以及设站方式等，必须分析研究系统误差产生的原因，以及对最后测量精 度的影响，找到控制或减少系统误差的方法和途径，使测量误差影响降至最低 限度，从而最终保证型架的安装精度要求。 1 3 3 基于数字化安装的型架结构设计技术研究 型架数字化安装工艺的实现，必须而且首要前提是型架采用数字化设计， 应通过ugi i 或c a t a 等三维设计软件进行工艺装备的数字建模，然后完全以精 确的数字方式传递产品的尺寸及其形状，这种新的数字化协调方法对上艺装备 设计提出新的要求，结构设计要便于型架安装，工艺性要好，为此在工装设计 时必须考虑： 理等。 a ) 每个测量点的三维坐标值要便于以格式文件的形式输入到测量系统。 b ) 应研究产品的定位方式，不同的型架零件的定位以及空问零件的定位原 c ) 测量点的编号和设置，要便于安装，设置合理而且尽可能考虑其工艺性。 总之通过研究，使型架结构设计逐于优化，在保证产品定位准确的f i f 提下 能够适应新制造技术的特点，便于型架测量安装。 西北 业人学，程硕f 论史 第二章测量系统及工作原理简介 2 1电子经纬仪的系统框架 2 1 1电子经纬仪系统的主要硬件组成 电子经纬仪系统是由电子经纬仪、计算机、通道接口、标尺、观测目标、 经纬仪脚架、目标适配器和打印机等所组成。 a ) 电子经纬仪t m 5 1 0 0 a ：一般为若干台套配合使用，用于获取观测数据； b ) 计算机c p u ：用于控制测量过程、存储和处理观测数掘： c ) 通道接口：用于连接计算机和电子经纬仪，以构成完整的测量系统； d ) 标尺：用于确定测量系统尺度的绝对基准或系统的比例； e ) 观测目标：在测量系统中，用于确定测量点的观测目标； f ) 经纬仪脚架：用于支撑经纬仪并起测量稳定的作用； g ) 打印机：用于输出测量结果。 电子经纬仪的系统示意图见图2 1 ：监视器； 一， 一 i j 适配板 ，蠹也一 电源 供应 一 开关 2 一1 电子经纬仪的系统示意图 电子经纬仪 图 两北丁业人学t 程顺j 一论文 2 1 - 2电子经纬仪系统工作原理 利用电子经纬仪的光学视线在空间的前方进行交汇，所形成的角度与光学视 线的氏度，通过三角运算，得到目标的准确位置。现以两台电子经纬仪的情况 为例，如图2 2 所示，同理，可以得出其它点的位置，其计算过程是由事先编 制好的专用软件在计算机中完成的；电子经纬仪测量系统的工作原理即当经纬 仪互瞄对准后，通过观测己知长度的标准标尺的两端点，求得两台经纬仪之削 的基线长度d 值。在此基础上，通过经纬仪再去观测被测量点，则可求得此测 量点的实际坐标值。 z y p al 一一 d 图2 - 2 电子经纬仪系统工作原理图 2 2 激光跟踪仪的系统框架 2 2 1 激光跟踪系统的主要硬件组成 以l t d 5 0 0 型激光跟踪仪为例，主要由激光头、控制电箱、计算机和目标反 射镜等组成。 x 旭 两北丁业大学t 程硬卜论立 】) 应用程序处理器a p 即台式或便携式计算机： 2 ) 传感器单元：一套激光干涉仪系统和两个角度编码器： 3 ) 激光跟踪仪控制器：内有一c p b ，亦称作跟踪仪处理器t p 4 ) 局域网卡：l a n 卡，必须与n e 2 0 0 0 兼容； 5 ) 回光反射镜：采用猫眼或角锥棱镜的形式： 6 ) 用于系统检查和自校准的精密球杆仪； 7 ) 环境( 温度、气压、湿度) 传感器。 2 2 2 激光跟踪仪系统工作原理 激光跟踪仪是大尺寸空间坐标测量系统，其空间坐标的原始测量值为极坐标 形式。位簧的敏感单元由三部分组成即两个测角单元和一个测距单元，见图2 3 所示通过测量距离d 值和两个方位角h z 、v t 角度值，经过计算机内部程序自动 进行计算，从而可确定被测点p 的空削坐标。 z v t o h z d x p 。p 7 图2 - 3 激光跟踪仪工作原理图 y 测距单元是个单光束激光干涉仪，测角单元是两个角度编码器。激光束出 光源出发，经过带有两个角度编码器的旋转镜投向反射器，经反射器反射回来 的光一部分与参考光相干涉测出反射镜的相对位移，另一部分反射光则投向光 两北1 业人学t 程坝l + 论文 电位置传感器( p s d ) ，p s d 将差动信号输出到伺服马达，马达控制旋转镜的转角， 使激光束始终指向反射镜的中心，两个角度编码器则分别指示出旋转镜的旋转 角度。干涉仪( i f m ) 测距是利用光学干涉法原理，通过测量干涉条纹的变化来 测量距离的变化量，所以激光跟踪仪的z f m 只能测量相对距离，如需要测量跟 踪头中心到空问点的绝对距离，必须给出一个基准距离。传感器单元上有个 固定点叫基点或鸟巢( h o m e p o i n t 或b i r d b a t h ) ，跟踪头中心到鸟巢的距离( 基准 距离) 是己知的，当反射器从鸟巢内丌始移动，i f m 测量出反射器移动的相对距 离，再加上基准距离就得到绝对距离。 图2 4 为激光跟踪仪的系统示意图。 单光速干涉仪 f 2 戤头 f 2r j n 口 - ；| - 电 f 2 【f l4 - f 接收器 5 0 分光器 反射镜 i 。 一1 1f l f 斗。“一一，1 跟踪器 一 5 。 f 四象限光电 接收器， 马达 j 。，刊 - b 达 一 图2 - 4 ，激光跟踪仪系统示意图 两北t 业大学工程顺i j 论立 2 3 测量软件a x y z 功能简介 测量系统的软件与硬件一样，是系统的重要组成部分。a x y z 软件既适用 于电子经纬仪测量系统，也适用于激光跟踪仪测量系统，该软件是系统化的测 量软件，可运行在操作系统为w i n d o w 9 5 以上的p e n t i u m 计算机上，a x y z 软件 采用模块化的设计方案，以核心数据模块为主体，依据使用的测量仪器，搭载 相应的仪器工作模块。核心数据模块主要对测量数据进行管理、分析测量数据； 仪器工作模块可以对仪器进行仞始化、设置仪器的工作模式、建立测量网以及 进行测量；另外a x y z 还有图形显示模块，它以图形的方式显示测量数据以及测 量结果。 激光跟踪仪系统其测量方式不仅可以测量静态点，而且还可以对动态目标 进行连续跟踪测量，对目标进行连续采样、网格采样和进行表面测量等，出于 跟踪仪测量数据非常多，测量结果可以坐标方式或图形方式显示，计算功能具 有和c a d 设计数据比较分析的功能。 2 3 1 核心数据模块( c d m ) 1 ) 数据管理功能 核心数据模块包含一个数据管理器，该数据管理器对内部工作项目数据进彳亍 统一管理。管理的数据包括：测量数据、参考数据、站点统计、坐标系、标尺、 隐藏杆、反射镜等：数据管理器可以对管理的数据进行选择、显示和编辑，以 多种格式输入输出数据，可以将外部的文本文件数据输入到内部数据库，也可 以将内部数据输出到外部文本文件，另外报告生成器可以将选定的数据以专业 报告的形式给出。 2 ) 数据分析功能 核心数据模块有多种数据分析功能，它可以利用测量数据创建7 种标准面 形、求解多种几何参数、提供5 种创建坐标系的方法。 眄北t a k 人学t 程顺卜论文 a ) 利用最小二乘法创建的面形有：线、面、圆、柱、球、圆锥、抛物面： b ) 创建坐标系的方法：平移、旋转、缩放、轴对称、综合法； c ) 几何参数的求解包括：两元素的夹角、距离、相交解算，创建平分元素，投 影点、隐藏点、线等分点的求解，求解圆上两点间的弦长，已知点和被测点 的比较等。 3 ) 建网定位功能 根据所选的测量仪器，a x y z 软件可用极坐标定位法或三角交汇法创建3 d 数 据。建网定位模块可以利用仪器的基本测量元素创建测量网，有了测量网，就 会给出测量点的3 d 数据，该功能可以使用户离线处理数据。 4 ) 通用操作特性 i 可咀将所执行的动作和命令以同志文件的形式在线记录f 来或打印 出来； i i 利用v b 脚本进行编程操作： i i i ， 内置过程自动化模块( p a m ) ，可以使用户把要执行的一系列动作编 辑成一个过程，由软件完成，利用该模块可以大大提高放样和自检 的工作效率。 5 ) 图形显示功能 它有两种版本a x y zv i e w 和a x y zc a d 。与数据管理器不同的是以图形 的方式显示数据，提供2 d 和3 d 视图可以对图形进行平移、旋转、缩放操作： 它还提供多种图形文件接口，如i g e s 、v d a f s 、d x f 、i m w 或c a t i a 等格式的文 件，可以在c a d 表面直接进行实测值的比较。 2 3 2 激光跟踪仪模块( l t m ) 1 ) 测量仪器初始化和常规设置 仪器的初始化包括传感器的配置、测量站点的设置、反射器的类型选择以及 读取跟踪仪的参数：在转站测量中，可以在线建网定位：可以软件控制激光器 两北t 业大学丁程硕l 论史 光源的丌关。 2 ) 提供多种测量模式 a ) 标准测量模式：提供标准的静态和连续测量。静态测量中不仅可以测量静态 目标点，还可以通过测量圆周或球面上的点直接给出圆心或球心坐标；连续 测量中除直接测量动态目标外，还可以设置网格，测量网格结点。 b ) 放样测量模式：利用测量点坐标与己知点坐标相比较的方式，将已知点再现 出来放样模式不仅可以放样已知点，还可以将某一标准面形上的点放样出 来。 c ) 白检测量模式：该模式只适合备有a d m 的跟踪仪，它可以自动检查当前组 反射镜所在的坐标点是否是已知点的坐标点。 d ) c a d 测量模式：选用图形模块的用户可以使用该测量模式，利用该模式可直 接将测量值与c a d 数据进行比较，也可以在c a d 表面进行放样或自检测量。 2 3 3 仪器的现场检查和自校准 仪器的现场检查功能可以对几个主要参数进行现场快速检查，另外激光跟 踪仪模块提供一套完整的自校准功能，可对仪器进行全面标定。 1 ) 球杆测量：精密球杆可使目标点在一半径为定长的圆周上匀速运动，球 杆测量反映了仪器的动态测量指标。 2 ) 双面测量：利用水平角改变1 8 0 。并重新瞄准同一目标点，分别记录换 面前后的测量值，称为双面测量；双面测量反映了编码盘的偏心误差和 安装误差等指标。 3 ) i f m 距离测量：有两种方法可以确定基点的距离，一种是两点法，另一 种是标尺法。 4 ) a d m 测量：该功能是用来修正a 嘶的比例因子。 4 两北丁业 学t 程坝i 论文 2 3 4 其它特性： 1 ) 可以修j e 反射镜或目标点的位置偏移。 z ) 有档光指示器，提示光路是否被遮档；也可接声卡，进行声音提示。光 路中断时，可通过回到基点或某一己知点重新进行测量另外带有a d m 的跟踪仪可利用寻找反射镜的功能，实现断光续接。 3 ) 仪器还可以配备水平仪、图像设备或遥控设备等。 西北t 业大学t 程顾f 。论文 第三章型架数字化安装技术 3 1电子经纬仪方法安装型架 3 1 1 仪器的设站 电子经纬仅的设站是测量工作的一个关键步骤。站位选择得好，不仅可以避 免许多重复性工作、节省测量时间、提高工作效率而且能够提高测量精度。 设站时，首先应根据被测量安装型架的结构大小，测量点的分和情况等，确 定所需电子经纬仪的台数，以及各站点的设置区域和佗置，同时应考虑下列因 素： 1 ) 为减少测量精度，一般测量角应在5 0 。1 3 0 。之间，角的顶点位于出 几个圆弧段组成的闭合区域内，见图3 一l 。 2 ) 电子经纬仪的测量范围应能覆盖整个被测量对象，在进行测量时，必须 要有两台及以上仪器同时对准测量点目标进行测量。 3 ) 设置的仪器能实现所有仪器的精确互瞄，不要被工件或障碍物阻挡而影 响光学视线通过。 4 ) 一次设站后应尽可能完成全部测量工作，要使测量范围包线全部能包容 整个被测工件。 5 ) 电子经纬仪的高度设置应在所有测量点的中间高度，尽量减少仪器的垂 直俯仰角度，以减少系统测量误差。 6 ) 电子经纬仪站位处的地基要稳定，保证仪器不受阳光直接照射，尽可能 使测量安装地点保持恒温、远离震源。 6 堕! ! ! 些查堂二堡竺! ：笙兰 经纬仪l 3 1 2 仪器的调整 5o 。 最一 艇角 最太顶角时的外接圆 l3 0 。 矗太顶角 最小面角时 的外棱圊 图3 - 1 仪器的测量角范围 电子经纬仪的站位设置后，要按以下步骤对其进行调整，即 1 ) 要对它们进行精确整平。整平的目的有两个：一是将水平和垂直度盘归零， 使仪器处于水平和垂直的准确工作位置上；二是使测量水平角与垂直时的投 影基准保持一致以形成测量系统的基础坐标系统。 2 ) 运行系统的误差补偿程序，对仪器的水平角和垂直角的测量值进行补偿，以 得到精确的测量结果。 3 ) 为了便于今后检查仪器的状态，需要在一个稳定的位置( 如墙壁) 上安放水 平方向的零点目标，即将其设为水平角度的零点。 仪器整平的工艺过程步骤见图3 - 2 西北t 业大学t 程硕l 论_ j 图3 - 2 仪器整平的工艺过程步骤 3 1 3 经纬仪的定向 经纬仪的定向由两部分组成，即相对定向和绝对定向。 相对定向即确定仪器间的相对位置，由仪器间的相对互瞄来实现。对于任何 一台仪器都必须进行3 次以上的精确互瞄。也可以通过测量共同韵基准点来实 现互瞄。一般至少需要3 个公共点。 两北t 业火学工程坝i 。论殳 仪器互瞄的工艺过程步骤见图3 - 3 图3 - 3 仪器互瞄的工艺过程步骤 9 两北t 业大学丁程颤i 论文 绝对定向的过程就是对标尺进行测量的过程，即具体精确尺寸的测量过程。 浚；! j ! i f 量过程应满足下列要求： 1 ) 标尺的摆放位置应遍及测量包线范围内各站位上的经纬仪视线所能扫描到 所有标尺。见图3 - 4 2 ) 对于被测量型架，应摆放足够数量的标尺，一般设置标尺的数量应大于被铡 物的长度除以标尺的长度。 端点 端点2 端烈f - - 二，堡一瑞点2 号位置 、 一r ”7 j 号站点 一号站点 图3 4 测量比例尺的位置 3 1 4 建立型架安装坐标系统 + 号站点 由于飞机装配型架的规模、复杂程度及功能差异很大，所以型架的结构、框 架或安装基座情况也不尽相同，因此在采用电子经纬仪测量系统安装型架时， 首先要考虑的是型架坐标系统如何建立，型架上的实际坐标系是通过一系列基 准点来实现的，如图3 5 所示，测量系统通过电子经纬仪测量这些基准点柬建 立装配型架的坐标体系并实现坐标变换：一般框架上给4 个基准测量点，用3 个点确定水平面，2 个点确定站位面，用另外1 个点确定对称面。测量系统软件 两北r 业人学t 程坝i j 论卫 中的坐标系转换的方法主要有以下几种： a ) 比例：变换系统的比例尺。 b ) 平移：移动坐标系的原点。 c ) 旋转：旋转x 、y 、z 轴的方向。 d ) 轴对称：通过空间不共线的3 个点，按照3 2 1 原则形成新的坐标系。 e ) 最小平方转换：通过空间不共线的3 个或3 个以上的点，拟合形成新的 坐标系。 以上方法应根据型架框架或安装基座的特点加以选择，可以单独使用，或者 联合几种方法使用，目的是使测量系统的坐标系由电子经纬仪的坐标系向型架 安装坐标系的坐标转换。 z y 图3 - 5 坐标系的建立 x 增强参考坐标点是指框架上用于建立一定数量的已知机身坐标系x 、y 、z 坐标值的工具球点。这些点一般大体均匀分布在框架上，没有特殊的坐标值要 求。它们既是系统建立时的共同点，又是型架的辅助基准点。通常这些点坐标 值将形成参考文件，数据始终保留，它们的存在使得测量可以快速而准确地在 两北t 业大学t 程硕卜论史 型架的所有范围内进行。 3 1 5 型架定位器的安装 电子经纬仪设站工作完成后，并建立了型架安装坐标系统，在此基础e ，就 可以定位安装型架各种定位器。型架定位器的安装过程也就是确定定位器在审 f a j 的六个自由度限位过程。即在x 、y 、z 轴上的位移和对x 、v 、z 轴的转角。 如图3 6 所示，对于定位器而言，只要限定p 1 点的x 、y 、z 坐标，即确定了p 1 点的空间位置，就限定了定位器沿x 、y 、z 方向移动的三个自由度，再限定p 2 点的两个坐标，则又限定了定位器绕x 、y 轴转动的两个自由度：只要再限定p 3 点的一个坐标，则限定了定位器的最后一个自由度。这样定位器的六个自由度 被完全限定了，其它定位器按此方法可依次进行安装，这种定位方法称为3 2 一l 原则。对于不能一次进行测量安装的型架，可进行坐标变换和多次建站安装。 z o i y j j i m 图3 - 6 定位器的空间定位原理 在用电子经纬仪测量安装型架定位器时要求是应有两台及两台以上的仪器 同时监视和测量定位器测量点目标，在系统进行解算以后，若无法通过合格性 两北t 业火学_ r 程f i ! ! l ：论殳 检查，就必须进行系统误差分析，直至符合图样技术要求的测量结果。 3 2电子经纬仪测量系统误差分析与控制 3 2 1电子经纬仪系统误差 系统误差是指仪器误差、标尺误差、瞄准误差以及设站方式给测量带来的误 差等，这些系统误差是不可避免的。 ( 1 ) 仪器误差 是指电子经纬仪本身存在的竖盘倾斜误差、指标差和照准差等。 ( 2 ) 标尺误差 是指标尺出厂时两个目标中心实际尺寸与理论尺寸的制造偏差。 ( 3 ) 黜准误差 是指仪器操作者在仪器互瞄及目标测量时的由于视觉误差而引起的测量十 字中心与目标十字中心之间的偏差。 ( 4 ) 设站方式误差 由于设站方式不当而给测量带来的系统误差。 3 2 2 系统误差对测量精度的影响 ( 1 ) 测角精度误差对系统测量精度影响 由于电子经纬仪在制造时其调平、水平角、竖直角都不可避免地会存在制造 精度上的误差，所以就存在角度测量精度偏差，它对系统的影响与经纬仪离被 测物体的距离有关。 如图3 7 所示，当测角精度( 水平角和竖直角的平均值) 为1 0 ”时，测 量点位横向偏差。与经纬仪至被测点间的距离l 之间的关系。 西北 r 业人学t 程坝i 论义 经纬仪 0o 3 l 一0o6 o 图3 7 当测角为1 0 ”时，测量点位横向偏差。与距离l 之间的关系 从图中可以得出，点位横向偏差。随着经纬仪与被测点的距离增大而加大 而且呈线性变化规律。 ( 2 ) 交会角变化对系统测量精度影响 电子经纬仪测量时，交会角对被测点位坐标精度的关系如图3 - 8 所示，每 台经纬仪在瞄准点目标时都会有一个发散的区域。当两台经纬仪交会时，其发 散区域在空间表现为两个近似于圆锥体相交。 四边形区域 l 一，。 经纬仪1 二。：。二一二一一一二一一经纬仪2 图3 - 8 交会角对被测点位坐标精度的关系 从图中可以得出。在t 1 、t 2 经纬仪的测角范围内( 即5 0 。一1 3 0 。之t n 】) 藿_ m 4 o 札 两北r 业大学t 程颁l 。论殳 两圆锥体相交的四边形区域面积较小，当6 = 9 0 。时区域面积为最小，而当超过 规定的测量角或测量距离时，四边形区域面积就增大，所以测量误差将会加大， 测量精度也会受到很大影响。 ( 3 ) 温度变化和温度梯度对系统测量精度影响 温度变化不仅对被测工件有影响，也会给系统带来误差。型架框架和标尺均 有热膨冷缩现象，这对系统的建立和坐标转换部带束一定的影响，如果按照标 尺比例进行，则系统转换误差太大；如果放弃标尺比例，则标尺的检查就会超 差，同时温度的变化使不同时刻测量的数据造成偏差，从而影响系统测量精度。 温度梯度是指在一个封闭的空间内，不同高度的空气温度不同。由于气温不 同，空气的密度就不同，而光线在不同密度的空气内的折射率是不同的，这样 光线在空气中的路径就不是直线，而是曲线，这样就直接对系统的测量误差造 成影响。 3 2 3 提高测量精度方法 在型架的实际测量中，提高测量精度的主要方法有下列几种： ( 1 ) 为了减少测角精度误差对测量精度的影响，控制点位测量偏差0 为尽 可能小，在经纬仪安装时。必须使其与被测点之间的距离在保证覆盖被测点的 f i 提下，尽可能地小，在实际测量时，一般控制在3 m 以内，那么点位测量偏 差。可在0 0 1 5 m m 左右。 ( 2 ) 在电子经纬仪站位设置时，应考虑测量交会角控制在5 0 。一1 3 0 。之 问，如测量大型工件时，可以采用多台经纬仪配合使用，或是移动经纬仪实现 二次安装，以保证测量误差最小。 ( 3 ) 克服温度变化对系统测量精度的影响，以减少给系统带来的误差，或 者尽量使测量工作在恒温条件下进行，注意避免温度梯度的影响，在电子经纬 仪站位设置时避免仪器的高度差，尽量减少仪器的垂直俯仰角度，减少系统测 量误差。 两北工业人学t 程倒! f 论文 ( 4 ) 测量时尽量减少操作视觉误差，环境对经纬仪的影响如振动、光线等 所造成的误差，另外被测工件的基准孔的制造误差对测量所带来的误差等。 3 3 激光跟踪仪方法安装型架 3 3 1 测量系统特点 激光跟踪仪的测量系统与电予经纬仪测量系统有些不同之处。它的突出优点 是测量结果与操作人员无关，它不需要调平、定向操作和瞄准过程，激光跟踪 仪可全自动跟踪反射目标，并将测量的数据和结果能快速、准确地显示在计算 机的屏幕上，便于实时控制和跟踪目标。应该说它是己逐渐