飞机装配中的数字定位技术研究.doc

飞机装配中的数字化定位技术研究孙安斌Research on Digital Positioning Technology for Aircraft Assembly摘 要：在现代飞机装配中大量采用数字化定位、特征定位、柔性定位等先进的定位技术。本文对其中的数字定位技术进行研究，说明了激光跟踪测量技术在飞机对接装配中的作用、原理和测量方法，介绍了Indoor GPS系统的组成形式、测量原理、精度分析模型,并对激光跟踪测量技术及Indoor GP S技术进行了分析和比较。关键词：飞机装配 激光跟踪 Indoor GPS 误差分析现代大型飞机外形、结构复杂，零件数量多(达300余万件)，内部空间紧凑，协调关系复杂，装配和安装的工作通路差，其中飞机装配劳动量占整个飞机制造劳动量的50%-70%。因此，飞机装配是一项技术难度大、涉及学科领域的综合性集成技术，在很大程度上决定了飞机的最终质量、制造成本和周期，是整个飞机制造过程中的龙头、关键和核心技术1。近几年来我国为波音和空客等公司进行飞机零部件的转包生产，扩大了国际合作，同时在许多设计制造部门进行了先进制造技术与理念的创新与应用。但由于飞机的装配工作周期长，协调复杂，没有自成体系的数字化装配系统，因此基本上还是沿袭着过去几十年来批生产的手工作坊模式，用着以实物样件模拟量形式传递零部件的形状和尺寸，采用大量复杂的型架进行定位和夹紧的传统手工装配方法，成为飞机制造过程中的最薄弱环节2。作为飞机制造过程中的龙头，飞机装配过程的落后状态严重阻碍着我国的飞机制造技术发展。近年来，数字化光学测量系统在装配中得到了一定的应用，并由此产生了数字化定位技术。即在飞机部件对接的过程中，利用激光跟踪仪，室内GPS等先进的数字化测量设备或系统对飞机上的控制点、交点孔等位置进行检测，取代传统的定位销、专用指示器，辅助完成飞机部件的直接对接，并实现最终对接状态的自动化验证。与传统的定位器进行定位的传统方法相比，数字化定位具有以下的优势：定位精度高，速度快和不需要专用的定位器，工装简单。我国的数字化定位技术在开始应用在飞机装配中，但主要集中于型架的安装和飞机产品的测量两个方面，而在国外已得到应用的飞机自动装配，在国内还处于空白状态2。本文对飞机数字化装配所涉及到的激光跟踪测量定位技术和室内GPS定位技术进行比较研究，以期解决飞机装配的中精确定位问题，以提高飞机装配过程的效率。一、 激光跟踪技术解决飞机装配中的精确定位问题1、 激光跟踪仪工作原理3,4激光跟踪测量系统是从上个世纪八十年代发展起来的一种移动式的高精度空间坐标测量仪器，特别适用于工业现场测量。系统的主要组成有传感器、支撑座(架)、控制器、环境监控器、计算机、应用软件、目标反射镜及各种附件等。激光跟踪仪这种大尺寸空间坐标测量系统与传统的直角坐标测量系统不同，其空间坐标的结构采用球坐标。空间点的敏感单元由三部分组成，包括两个测角单元和一个测距单元。测距单元是一个单光束激光干涉仪(IFM)；测角单元是两个角度编码器构成。其测量原理（如图15所示），激光束由光源出发，经过带有两个角度编码器的旋转镜，投向反射镜。经反射镜反射回来的光经过分光镜被分成两部分，一部分与参考光相干涉计算出反射镜的相对位移；另一部分反射光则投向光电位置感应器(PSD)，PSD将差动信号输出到伺服电机，电机控制旋转镜的转角，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。并由系统自带的软件将球坐标转换成直角坐标系下（x，y，z）形式。 图1 激光跟踪仪原理2、飞机装配模型位置姿态的描述（1）坐标系的建立在装配过程中，将部件的运动空间定义为装配坐标系，同时建立与部件固连的零件坐标系。位置的姿态变化由3个基准点在装配坐标系中的坐标来进行连续信息描述。在装配空间中安装3台激光跟踪仪A、B、C，分别对应于测量坐标系A、B、C，坐标系原点位于各个跟踪仪内部。在部件的3个基准点上各安装一个光学目标靶球（如图3） (在测量软件中需要将靶球的偏移量考虑进去)，用于接收对应的激光跟踪仪的测量光束。激光跟踪仪测量出靶球所在位置（如图2）的水平角HZ、垂直角V和距离DS，并计算通过激光跟踪仪自带的软件换算出基准点在装配坐标系下的三维坐标（x，y，z）。 图2 激光跟踪仪所采用的极坐标测量系统 图3目标靶球的结构及工作时的偏差选取跟踪仪A的坐标系A作为装配坐标系，再将跟踪仪B、C的坐标统一变化到A中。要建立两个空间坐标系之间的映射关系，需要在每个坐标系中选取3个不在同一直线上点的空间坐标。据此，在装配开始前，先用激光跟踪仪A和B分别测量3个基准点的坐标，求出B相对A的映射矩阵、C求出，然后利用两个变换阵将三个基准点的坐标统一到A中。图4 多站方式装配过程中的坐标系在装配部件P上建立零件坐标系P，P1、P2、P3为P中的三个基准点，分别有跟踪仪A、B、C所测量。以随动定位装置上的部杆件与装配件的连接点为原点建立零件坐标系Q，以下下部套杆与地面导轨的接触点为原点建立零件随动定位装置上部杆的连接点分别为P4、P5、P6。装配场景中坐标系示意图（如图4）所示。（2）装配部件的位置姿态的描述6为了便于实际装配中的操作，需要计算出部件的零件坐标系相对于装配坐标系的方位，即计算出P在A中方位。P对应于A的映射矩阵为：式中为旋转矩阵，为坐标平移量。对于随动定位装置的位置姿态描述只需要计算出Q和S的坐标原点在A中的坐标即可。、，三点对应各自跟踪仪的坐标分别为、。如前所述将B和C中的坐标统一变化到A中，即式中，为B和C相对于A的映射矩阵。先考虑P在A中的旋转，求出P对应于A的旋转矩阵。3个基准点在A中的坐标可以确定三个不相关的向量，即、以及它们叉乘得到的法向量，桑向量组成了三阶的方阵、考虑到以及可逆，则可求出将任意一点（如P1）在A和P中的齐次坐标代人关系式为可解出坐标平移量为P的原点在A中的坐标系。P中的三个坐标轴向量组成的矩阵在A中的映射后两个式子即可以确定零件坐标系P在A中的方位，从而描述出装配部件在装配坐标系中的位置姿态。（3）实际中由于受成本的限制，激光跟踪仪布站困难时也可以用一台激光跟踪仪进行定位安装，此时每进行一次装配部件的移动就需要测一遍关键点位置，坐标变化原理相同，但需要更多的测量时间。图5 用单台激光跟踪仪进行部件装配二、Indoor GPS技术解决飞机装配中问题1、Indoor GPS的工作原理Indoor GPS系统主要包括发射器，接收器，传感器，放大器，无线接收装置，算法软件等（如图6）7。图6 Indoor GPS系统组成发射器能够生成3种信号：2路围绕发射器头的红外激光扇形光束和1路红外LED的波束。这些光信号能够利用光电检测器而转化成定时脉冲信号。发射器头的旋转速度可以单独设置，并允许有差别。此外，发射器的速度被连续跟踪，以便把定时区间转化成角度。（如图7所示8）2个从旋转的发射器头发出的扇束在垂直方向上为30。为了测量垂直角度，只需要在两路激光脉冲之间定时即可。垂直角度的确定如下：(1)已知扇束角度；(2)确定激光扇面1、2到达接收器的定时差；(3)已知发射器的转速。水平角的测量需要一个水平指数，它由在发射器头旋转的同一点上的LED光束发射产生，（如图7所示8）。水平角度的确定如下：(1)已知扇束角度； (2)光束和激光脉冲之间的测量时间；(3)已知发射器的转速。在测量模型的建立中用到了以下的基本原理：(1)一个平面能用它的法矢量描述；(2)从发射器到接收器的光束能够用发射器坐标减去接收器坐标所产生的矢量描述；(3)当光束的矢量与平面法向的点积为零时， 这条光束在平面内。图7 垂直角度和水平角度测量原理示意图Indoor GPS在完成设置后可以自动建立坐标系统。原点位于第1个发射器的中心，X轴指向第2个发射器。整个系统通过比例尺或者矢量测量棒进行标定。这些标定工具具有精确的名义尺寸。操作人员可以将坐标系统转移到指定位置。接收器和工件连接在一起。接收器有两种连接方式，有线和无线。接收器得到位置数据发送到应用软件。可以对多个接收器进行实时测量跟踪，一个系统可以由多名操作人员共享。2、 误差分析根据上述的Indoor GPS的原理，可构建数学模型。自这个模型中，z轴为发射器旋转轴，符合右手定则。式中：i发射器标示；j扇标示；k接收器标示ij扇束的法向；第k个接收器位置；第i个接收器位置。式中：第i个发射器的旋转矩阵；分别是x，y，z轴的旋转角；表示ij次测量；表示来自定时测量的测量角；表示扇束的平面；表示扇束的倾斜角；表示扇束的圆锥体；表示扇束的位移；表述基准面的法向，这里指的是xz平面。这个数学模型指出了变量和误差分量之间的对应关系。显然， 在设置和校准过程中也将会带来误差， 这是因为校准和设置测量不仅包含着与发射器校正有关的误差， 而且也包含着与测量有关的正常误差。因此， 要均匀、 合理地采点才能使设置误差最小化。通过分析可知， 在整个测量范围内， 线性误差是一个常量； 而其余误差均与方位角、 仰角或测量过程有关。在发射器校准过程中， 要确定以下关键参数： 扇束角 1 和 2； 扇束同心误差和两个扇束之间的角旋转距离。此外， 还有其它误差源9：（1）光束换向与时间和温度： 发射器头中的光学系统会随温度变化有轻微的漂移。 实验证明， 它会造成0.25s的测量不确定度， 主要影响水平角的测量精度。（2）旋转头摆动与时间/温度： 实验证明， 它会造成 1s 的测量不确定度， 主要影响垂直角的测量精度。（3）光束对称性： 它会造成 1s 的测量不确定度，主要影响水平角的测量精度。（4）旋转噪声： 它会造成 5s 的测量不确定度， 可以通过平均的方式降低噪声。在接收器校准过程中， 要确定每个检测器的边界分量， 例如圆柱体的实际直径和安装面到检测器面的偏移。这些误差是属线性误差。例如， 对于 1cm的圆柱检测器而言， 其标准不确定度误差约为30m。此外， 还有其它误差源： （1） 检测器圆柱对称性： 由于柱面的不平滑性，会造成约为 30 m的不确定度误差。（2）放大器： 会造成约为 0.250.5s 的不确定度误差。（3）采样时钟： 会造成约为 0.82s 的不确定度误差。除以上误差源以外， Indoor GPS 的使用还要注意：发射器位置的布置及使用不同种类的接收器会产生不同的测量精度， 测量精度取决于发射器的数量、接收器的数量和工作空间的大小，发射器位置的布置及使用不同种类的接收器会产生不同的测量精度。例如： 3个发射器相对于2个发射器其测量精度可提高50%， 4个发射器相对于3个发射器其测量精度可提高30%， 5个发射器相对于4个发射器其测量精度可提高10% 15%10。图8 增多发射器减少误差的原理图在测量精度方面, 该系统的最大优点是, 其测量误差达到一定值后就不再随着测量范围的增大而增大, 这一点与其它测量系统不一样。所以, Indoor GPS系统的全域测量精度要优于激光空间跟踪测量仪（如图8 所示）。另外, 这类测量系统可允许多名技术人员手持传感器独立而并行地进行测量。图9 与激光跟踪系统测量误差比较图3、Indoor GPS飞机制造中应用及其特点10(1)自动安装：飞机大型部件的自动安装控制、校正和连接；(2)精确测量：大型部件的长度和水平度测量；(3)工具检测：操作工具的定期检查和校正；(4)逆向工程：获得重要部件的三维坐标和图形指导生产；(5)实时监控：实时监控被测物在生产、安装和维修过程中的位置和状态；(6)移动导航：跟踪和导航工作区域内的起重机、机器人或其他移动设备和工具；(7)资产的追踪：记录和监控工具、材料的位置,以便于寻找。图10 Indoor GPS 在飞机中装配中的应用三、室内GPS系统与激光跟踪仪对比其优越性在于：1、在Indoor GPS精密测量系统中进行测量不会由于掉光而影响工作的进程，这是由于Indoor GPS精密测量系统的原理决定的。它是由发射器以水平270读、水平60度的覆盖范围从三个方向发射有用信号，传感器和接收器只要在这个信号的覆盖范围内，就能接受到光信号。在这个过程中，传感器只要同时能接受到两个发射器发射出的信号就能静测量点的三维坐标测出。如果同时接受3个到4个发生器的信号就能增加测量的精度。由此可见，在测量时如果有人做过，挡住了一个发射器的发射信号，就不会影响到这一点到坐标的测量。即使所有的发射信号被遮挡也没有关系，只要增加测量杆的长度就可以正常测量。2、Indoor GPS系统能够满足多用户同时使用。在一个车间中，我们同时监控多个测量关键点和面的位置关系，这种情况下我们只需要在车间的墙壁上和天花板上固定一定数量的发射器使得信号能够覆盖所有的空间便可。不同的工作人员同时测量安装部件的的关键点和面的关系时，就可以把传感器放到要测量的安装的部件上同时进行测量，中央电脑就可以同时处理这些数据并传递给不同的终端用户。3、整个系统进行一次的固定装配标定后，就可以无限次的使用。所有进入到这个区域的待测量物都可以马上测量无需建立坐标系。您所做的工作就是打开发射器的电源开关。它的预热时间是5分钟，之后就可以马上的进行测量工作。4、Indoor GPS系统最突出的特点是可以进行大尺寸的测量。在与10ppm的激光跟踪仪的精度对比中，我们在100100m的测量空间中精度能达到0.1mm。这个大大高于激光跟踪仪的的测量精度。而且测量范围可以无限的增加，只要增加发射器。5、Indoor GPS可以实现自动装装配测量，实时监控移动的物体的运动曲线。比如飞机的机翼与机身的自动对接的过程。6、Indoor GPS可以对系统的自身进行监控，如果有发射器出现位移或出现问题，系统会自动报警。这样就可以在最短的时间内发现系统的问题。7、Indoor GPS受温度的影响较少。四、结束语 本文系统介绍了激光跟踪系统和Indoor GPS系统，分析其测量过程中的坐标转换模型，并对测量过程中的误差进行分析，最后对激光跟踪系统和Indoor GPS系统进行了比较。可以发现Indoor GPS具