航空制造概论-数字测量技术及应用课件

十三、数字测量技术13.1计算机辅助电子经纬仪（CAT）工业测量系统及其应用

我国的飞机制造中长期使用样板——标准样件协调方法，这种制造方法周期长、困难多、精度低、对大中型飞机也不合适。我国在部分飞机工厂也较早地采用普通光学仪器安装型架的方法，这种方法成本低、操作简单、与工具球（一种光学目标）和工具尺相结合，可获得满意的测量精度。但此法速度慢，对于一些复杂情况（如斜面上的零件安装）难以满足使用要求，特别近几年来飞机产品的全数字化定义后，这一方法也不能与它方便地衔接。计算机辅助电子经纬仪的测量系统从八十年代开始引起航空航天制造业的普遍关注。在我国与美国合作生产麦道90飞机和波音737－700部件中都采用这一先进的CAT工业测量系统，收到了良好的效果。（一）CAT系统的组成及其特点

以我国航空工业中使用的ManCAT系统为例作一说明，它由电子经纬仪、计算机、通道接口、标尺、观测目标、脚架、目标适配器和打印机所组成。ManCAT系统示意图

电子经纬仪

（2）计算机即普通的微机，ManCAT的测量软件系统就安装在上面，用它来控制测量过程、存贮和处理观测数据。（3）通道接口（Ports）用于联接计算机与电子经纬仪，构成完整的测量系统，方便实现测量过程的控制和数据的通信。（4）标尺（Scalebar）标尺用来确定测量系统尺度的绝对基准或系统的比例。标尺的材质最好与被测对象的主体材质一致或近似，以避免测量过程中环境因素的影响。

80.XXXX．．．标尺

在测量系统中，作为电子经纬仪光学视线,前方的交会目标。由于经纬仪通常不能直接测量被测物体，而是通过测量其上的观测目标，在测量过程中，使电子经纬仪中望远镜的十字线交点调整到与观测目标上的中心点尽量一致。再减去它的高度（或厚度）则为被测物体的值，观测目标在工厂中称工具球，它也是一个标准件，所以被测物体上应设置观测目标孔，便于放置观测目标，有时在被测物体上要专门设计目标适配器，提供安放观测目标的位置孔。观测目标

目标的厚度

（二）CAT系统的建立

首先是它的坐标系统的建立，即怎样保证飞机产品的设计坐标系统能体现在装配型架上。而型架上的实际坐标系是通过一系列基准点来实现的。CAT系统通过测量这些基准点，并进行一些计算工作建立飞机产品坐标体系并实现其变换。OTP4X=14.2000Y=6.5000Z=0.0000OTP5X=9.2000Y=6.5000Z=0.0000OTP6X=4.2000Y=6.5000Z=0.0000OTP3X=14.2000Y=0.5000Z=0.0000OTP1X=4.2000Y=0.5000Z=0.0000OTP2X=9.2000Y=0.5000Z=0.0000工作坐标系6.50004.2000******YXZ1：电子经纬仪的设站

电子经纬仪的设站是测量工作的第一步，也是最关键的一步。因为站位选择得好，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。在电子经纬仪设站时应考虑到下列一些因素：（1）电子经纬仪的设站电子经纬仪的测量角Apex，考虑到测量精度的原因，一般Apex角应在50°～130°之间，一般由几个圆弧段组成的闭合区域。测量角Apex

测量角Apex范围

两台经纬仪情况

三台经纬仪情况

多台经纬仪情况

要保证被测量工装在多台经纬仪的联合测量允许视线范围内，同时，尽量使所有的仪器能进行精确的互描。（3）一次设站后尽可能完成全部测量工作也即在一次设站后，最好能观测到所有测量点。即观测视线，能包容整个工装。但有时并不容易实现，因为尽管工装被包容在电子经纬仪的视线的测量包线内，不等于电子经纬仪能扫描到所有测量点。

视线包容工装

（4）电子经纬仪的高度一般使电子经纬仪的高度设置在所有测量点的中间高度，尽量减少仪器的垂直俯仰角度。（5）CAT系统的工作环境电子经纬仪站位处的地基要稳定，保证仪器不受阳光的直接照射，测量范围内的空气应无强烈流动，尽量避免光线折射率的变化。2：仪器的调整

电子经纬仪的站位设置后，首先要对它们进行精确整平，整平的目的有两个：一是将水平度盘和垂直度盘归零，即使仪器处于水平和垂直的准确工作位置上；二是使测量水平角和垂直时投影基准一致，以形成CAT测量系统的基础坐标系统，保证测量的真实性，以减少测量误差。XZ平面

系统坐标

X轴和Y轴是水平线

基础坐标系

3：经纬仪定向

相对定向即确定仪器间的相对位置，它由仪器间的相对互瞄来实现的，对于任何一台仪器都必须进行三次以上的精确互瞄。也可以通过测量共同的基准点来实现，一般至少需要测量三个共同点。经纬仪的定向有两部分组成：相对定向和绝对定向。

绝对定向的过程就是对标尺测量的过程，即具体精确尺寸的测量。其测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（Station）上的经纬仪视线能扫描到所有标尺。测量比例尺的位置

4：系统精度的检查

整个测量系统设定后，必须检查系统的精度是否符合要求。系统检查应满足以下几个主要指标：（1）Apex角：所有Apex角是否在50°～130°范围内。

（2）瞄准误差：所有点和互瞄时的瞄准误差是否小于0.0008°。

（3）标尺误差：用于系统定向后的系统测量标尺，其长度与计量时标定长度的差应小于0.05mm。

5：系统的解算误差分析和处理在测量过程中，测量误差的存在是不可避免的。测量误差大致可分为两种：粗大误差和系统误差。粗大误差如测量错误、记录错误以及仪器故障产生的误差。这些误差一般通过认真检查和分析是可以及时发现的。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，这些误差很难避免。

当在系统进行解算以后，若无法通过合格性检查，就必须进行误差分析。首先确定系统是否有粗大误差，这是因为，系统解算的过程是误差平均的过程，只要有一个粗大误差就会破坏系统的精度。

（三）CAT系统工作原理

CAT系统的工作基本原理，是利用电子经纬仪的光学视线在空间的前方进行交汇形成测量角，现以两台经纬仪为例来说明光学视线在空间交汇原理。hBbPAzyx图中有两台经纬仪设站于A、B两处，它们的高度不同，其高度差为h，若A、B两点间水平距离为b，其坐标系统以A点为原点，AB连线在水平方向的投影为x轴，过A点铅垂向为z轴，以右手法则确定y轴，由此构成测量坐标系统。

若b值为已知的话，通过A、B两处的经纬仪互瞄及分别观测目标P，得到的观测值通过三角运算，可计算出被观测点P的坐标值。绝对定向的过程如图所示。图中A、B为两台经纬仪，标尺长L，基线为b。经过相对定向，即A、B两台经纬仪互瞄，以及A、B两经纬仪分别对标尺的两端点P1和P2进行观测，测得结果是角度值。此时标尺长为L是已知值，这样通过三角运算可得到基线的长度b。BbP2AzyxP1标尺L绝对定向原理图

从CAT系统的工作原理可知，空间点的三维坐标测量值与经纬仪的观测值（角度）和基线b的尺寸有联系，而b的尺寸与标尺又相关。因此，CAT系统其空间被测点的测量精度不是固定的，而是变化的，即与仪器的设站、标尺的摆放及其长度以及被测物体的位置等因素有关。为了保证其测量的准确度，技术人员一方面要对其系统的工作原理有较深刻的理解，从建立CAT系统过程中确保仪器设站、标尺摆放、观察角度等合理可靠；同时应制定较详细的实际操作规程，包括仪器的保管、定检以及参数设定等工作。（四）对飞机装配型架设计制造的影响飞机产品全数字化定义后，配合利用CAT系统安装飞机的装配型架，这对于飞机制造来说，也就走上了数字化制造方向，即完全以精确的数字方式传递产品的几何及其形状。这样新的数字化协调方法对工装设计就提出了一些新的要求，如空间零件的定位原理。TB1TB3TB2xyz空间零件的定位原理见图，图中TB1、TB2和TB3为三个基准点，用来放置电子经纬仪的观测目标——工具球。空间中任何零件都有六个自由度，定位过程就是自由度的限定过程。只要限定TB1的X、Y、Z坐标，就限定了零件沿X、Y、Z移动的三个自由度，如再限定TB2的Y、Z坐标即可限定零件的两个旋转自由度，只要再限定TB3的一个坐标就可限定零件的最后一个转动自由度。该方法为最常用的定位方法，将这种定位方法称为3－2－1原则。（五）CAT技术的应用情况电子经纬仪是一种先进的高精度工业测量系统。在中短距离内有极高的测量精度，在20m内测量精确度可达0.05mm；同时，又具有很强的数据处理与分析功能，在航空、航天、机械、建筑、石油化工、交通运输等行业中可广泛应用。电子经纬仪可对飞机产品理论外形和大尺寸结构件进行几何量测量。既可用于产品排故，又可用于产品检查。CAT系统在MD－90飞机得到了很好的应用。不但完成了技术难度极大、精度要求高的MD－90飞机的尾段总装型架、对合型架和垂尾总装型架的安装测量任务，而且完成了大量复杂的737－700后段装配工装的制造工作。

13.2激光跟踪仪

激光跟踪仪是近十几年才发展起来的新型测量仪,它集激光干涉测距技术、光电检测技术、精密机械技术、计算机及控制技术、现代数值计算理论等于一体,可对空间运动目标进行跟踪并实时测量运动目标的空间三维坐标,具有安装快捷、操作简便、实时扫描测量、测量精度及效率高等优点。使用激光跟踪仪进行测量时,被测尺寸范围可从一米到几百米,跟踪头到被测目标点的最大距离为35m，测量效率可比传统的大型三坐标测量仪（CMM）、经纬仪测量系统和摄影测量系统等提高数倍。（二）激光跟踪仪的工作原理激光跟踪仪为一个球坐标测量系统，其测量原理如下图所示。Ｐ为被测点，通过测量极径Ｌ和两个方位角α和β，即可确定被测点Ｐ的空间坐标。激光跟踪仪主要由跟踪头、目标反射镜、控制电箱和测量软件构成。跟踪头内部有一套激光干涉系统、两套角度编码器、电机以及光电接受器件等。激光器发出的光束照射到一个可沿水平轴和垂直轴旋转的平面转镜上，经转镜反射的光束照射到位于被测点的目标反射镜上。目标反射镜采用猫眼或角锥棱镜的形式。

采用猫眼时，入射光束方向在±60°范围内变化时仍可正常工作；

采用角锥棱镜时，这一角度变化范围只有±20°。猫眼的体积和重量比角锥棱镜大一些，光能损失也较大。

由目标反射镜反射回来的光束被分光镜分为两路，一路进入激光干涉系统形成干涉条纹，由干涉条纹数可求得目标反射镜的移动距离；另一路照射到四象限光电接受元件上，若照射到目标反射镜上的光偏离目标反射镜的中心点，则光电元件就会输出差动电信号，该信号经放大后，通过伺服控制回路控制电机带动转镜转动，使照射到目标反射镜的光束方向发生变化，直至入射光通过目标反射镜中心为止。

由于激光干涉仪为增量码测量系统,因此测量前必须预设初值。跟踪头上有一固定点（HomePoint），测量开始时，首先将目标反射镜置于该固定点上，该点与转镜回转中心的距离是固定的，计算机自动将初值置为该距离值，然后即可移动目标反射镜依次测量空间各被测点。（三）激光跟踪仪技术参数不同型号的激光跟踪仪在技术参数上会有