一种基于激光跟踪测量技术的飞机部件数字化柔性装配测量方法

摘要

一种基于激光跟踪测量技术的飞机部件数字化柔性装配测量方法，该装配测量方法包含以下步骤：步骤一：装配测量准备工作；步骤二：装配测量工作；步骤三：实时并行协同测量。本发明涉及装配和测量两个技术的结合，它是将工程数据集中产品数模的理论位置信息与激光跟踪仪实时获取装配件参考点的坐标比对，形成位置偏差，传递给运动控制系统，运动控制系统通过分析位置偏差，生成工装位姿控制指令，传递给柔性工装，柔性工装带动工件一起调整位姿，通过三者的协同运行，形成闭环控制系统，完成装配工作。本发明在激光跟踪测量技术和飞机数字化装配领域里具有较好的实用价值和广阔地应用前景。

说明书

技术领域

本发明是一种基于激光跟踪测量技术的飞机部件数字化柔性装配测量方法，属于激光跟 踪测量技术和飞机数字化装配领域。

背景技术

现代飞行器设计正在向着结构整体化、零件大型化、制造精密化的方向发展，这不仅加 大了零件制造的难度，还提高了对装配质量的要求。国外装配技术的发展非常迅速，采用先 进数字化技术来实现其精准装配，大量使用了数字化定义模型和光学测量定位技术、设备。 国内飞机制造和装配方面还较薄弱，这些先进的技术没有被系统的研究和运用，没有形成一 套完整的体系。

数字化装配测量技术是大型飞机制造的关键技术之一，它贯穿于大型飞机制造的全过程。 近年来，激光跟踪测量技术被各大航空制造企业广泛引进，但主要应用于质量检测、工装安 装等方面，未能在数字化装配技术方面实现新的突破，导致飞机制造成本居高不下，致使先 进的测量设备在飞机制造中发挥不出应有的作用。

如何利用新型装配技术，并采用合理的工艺方法，提高飞机部件的装配效率，同时如何 在效益上能够最大限度的减少设计更改、降低出错返工率，提高装配精度，一直是我国航空 制造生产中的尚待研究和解决的课题。

针对飞机部件的特点，通过采用建立数字标工，利用激光跟踪仪安装装配工装，在装配 过程中对装配数据实时采集，并对装配效果进行仿真的方法，可以大幅提高飞机部件装配的 质量和效率。

发明内容

1）目的：激光跟踪测量技术在航空制造领域主要应用在精度检测、工装安装方面，对于 飞机装配领域的应用还不成熟，尤其是在飞机部件数字化柔性装配过程中，激光跟踪测量技 术有很大的应用潜力和价值。本发明是一种基于激光跟踪测量技术的飞机部件数字化柔性装 配测量方法，它是一种利用激光跟踪测量技术，针对大型飞机装配中柔性化装配、过程复杂、 精要求度高等要求而提出的新的装配测量方法，具有很强的实用性和可行性。

本发明中的装配测量方法目的在于解决以下几类问题：

1.满足柔性装配要求

在现代的飞机装配过程中，由于飞机型号改进更为频繁，对装配效率有很高要求，装 配工装柔性化已成为发展趋势，装配测量方法也要满足柔性化要求。数字化柔性装配 以数字标工作为尺寸协调的依据，发明中提出的装配测量方法可以根据不同的数字标 工执行不同装配任务，满足柔性装配要求。本发明中提出的飞机部件数字化柔性装配 测量方法为本发明的核心技术之一。

2.实时并行协同测量

飞机部件装配过程中，需要实时确定多点位置数据，多台激光跟踪仪协同工作才能完 成测量工作。根据实际装配中遇到的多台激光跟踪仪实时协同问题，本发明提出了多 线程并行协同测量方式，它是本发明的核心技术之一。

3.提高装配准确度

由于装配工装在制造和装配安装过程中会存在一定的误差，在传统的装配方法中，飞 机装配质量会受到工装制造精度的影响。采用数字化装配测量方法，直接依据数字标 工传递飞机部件的装配尺寸数据，使装配精度得到提高。

4.构建装配测量环境

数字化装配测量过程中，为了便于装配测量的进行，需要在软件层面上考虑实时测量 过程交互，如对装配件位置变化的显示、装配状态提示、各类质检指标的数值等。在 装配测量过程中，测量数据采用打包方式发送给实时仿真系统，并存储作为仿真历史 记录数据。

2）技术方案：基于激光跟踪测量技术的飞机部件数字化柔性装配测量方法的具体内容 是将工程数据集中产品数模的理论位置信息与激光跟踪仪实时获取装配件参考点的坐标比 对，形成位置偏差，传递给运动控制系统，运动控制系统通过分析位置偏差，生成工装位姿 控制指令，传递给柔性工装，柔性工装带动工件一起调整位姿，通过三者的协同运行，形成 闭环控制系统，完成装配工作。本发明一种基于激光跟踪测量技术的飞机部件数字化柔性装 配测量方法，涉及装配和测量两个技术，是两者的结合，并非单纯的装配或单纯的测量方法， 是适用于飞机部件数字化柔性装配的装配测量方法。装配测量系统与周围边界系统的关系如 图1所示，装配测量方法的总体流程如图2所示。该装配测量方法包含以下几个实施步骤：

步骤一：装配测量准备工作：

装配测量准备阶段主要完成对装配测量数据模型的准备工作，确立装配测量数据是装配 测量进行的基础。装配测量数据主要包括基准点位置数据、装配件零件数据、工装数据、装 配质检数据、测量点位置数据、激光跟踪仪位置数据、工装定位测量点以及其他辅助坐标点 数据。

采用独立的数字模型文件导入方式，可以满足不同装配任务中的柔性要求。在整个装配 过程中，简化工装数模和装配件是动态装配仿真中的主要数据，用于实时交互；基准点为装 配环境、装配坐标系构建提供依据；数字标工是装配质量检验的依据；测量点是装配过程中 激光跟踪仪的直接采集点，直接关系到控制系统装配命令的执行和最终装配质量。以下是详 细执行步骤：

1.从工程数据集中导出工装数据，简化工装模型，使各独立运动机构分开，以便于装配 测量仿真。

2.从工程数据集中导出装配件数据，简化装配件模型。

3.在飞机部件数字化柔性装配过程中，在实际装配测量环境中按设计规定的精度要求， 制造三个测量基准孔并安装靶镜，建立装配测量环境基准点。在环境中选取刚度高、 开敞性好的位置如工装框架的边、角位置，建立更多的辅助基准测量孔。飞机部件装 配时，若存在固定部分，也可在其上选其上三点作为飞机装配环境的基准点。

4.根据装配质检数据的要求，建立飞机装配数字标工模型，在柔性装配中的每一个装配 件中均需至少标定3个测量基准点，每个测量基准点的具体位置可根据实际情况确 定。取点时需注意，从定位稳定、准确的要求出发，取点一定要在激光跟踪仪测量范 围内，并且3点所组成的三角形的内角要保持在预定范围内，尽量不要出现钝角关系。

5.为工装定位器选光学工具球点（Optical Tooling Points，OTP）,用于确定装配工 装定位器空间位置。使用激光跟踪仪安装调整工装，以实现高精确安装。

6.为激光跟踪仪选取位置点以及转站位置点。选择位置点时要考虑遮挡情况、测量角度 极限及测量距离限制。激光跟踪仪转站位置点的选取要和辅助基准点的选取结合考 虑，因为转站后需要依据辅助基准点重新建立装配测量坐标系，需要保证至少有三个 基准点或辅助基准点能被测到。

7.建立装配测量的坐标系。读取基准点理论坐标值，通过激光跟踪仪测量与基准点相对 应的靶球，得到实际基准点的坐标值，求解激光跟踪仪坐标系与装配坐标系之间的矩 阵转换关系。对协同测量中的每台跟踪仪均进行此操作，如此三台激光跟踪仪所测数 据就统一到装配坐标系中，至此系统坐标系建立完成。

8.测量辅助基准点位置数据，并保存到辅助基准点文件中。在装配坐标系下，用激光跟 踪仪对各辅助基准点进行测量，测量结果以规定的精度保存。在实际装配过程中，如 遇到在建立装配测量坐标系时，因为遮挡、死角、范围受限等原因而导致的激光跟踪 仪无法测量到基准点，使激光跟踪仪至少满足能测到三个辅助基准点，以这些辅助基 准点的测量值与辅助基准点文件中对应点坐标值进行矩阵转换，完成转站后的装配测 量坐标系建立。

9.坐标系建立起来以后，使用激光跟踪仪中安装工装定位器。在工装定位器装配时，用 激光跟踪仪一边测量OPT点，一边进行工装定位器的位置调整，直至各关键位置参数 达到公差要求。

步骤二：装配测量工作

装配测量准备工作完成后，开始执行对飞机部件的装配测量工作。在装配测量过程中， 不仅需要为控制系统提供测量数据，同时也要监控整个装配过程并对测量数据保存管理。整 个装配过程需要多激光跟踪仪进行实时并行协同测量，既要保证数据的高精度，又要满足实 时要求。装配测量具体实施过程如下：

1.装配件入位。工装位置调整好后，利用吊装设备完成装配件的入位。

2.导入装配数模，如装配件数模、工装数模、激光跟踪仪模型、装配件数字标工等。

3.装配测量开始前对各激光跟踪仪进行预热、IP设置、网路组建等工作，建立通信连 接，初始化，并检测跟踪仪工作状态。

4.控制系统硬件部分就位，各软件系统完成初始化，操作人员经装配系统主界面发出执 行装配命令。装配测量系统接收到执行装配命令后，开始启动多台跟踪仪的动态测量 工作。

5.装配开始时，装配测量系统发送给控制系统各装配测量点初始位置数据及装配测量点 理论位置数据，并发出执行装配动作的命令。控制系统根据位置的偏差计算出控制机 构的步长，之后执行装配动作。

6.在执行机构在执行装配动作的过程中，激光跟踪仪根据一定的频率采集测量点数据， 每次采集的数据均与上次采集的数据点做一次差运算，如果差值在很小的范围内，且 持续了较长时间，即认定执行机构装配动作结束；否则继续以固定频率采集测量点数 据。

7.执行机构装配动作结束后，对比当前位置点与理论位置点，如果两者的差值满足装配 公差要求，则装配完成，结束装配测量工作；如果差值较大，则返回第5步。装配过 程中，如出现装配意外,操作人员可以通过装配系统主界面发出停止装配命令。

8.装配工作完成后，操作人员通过装配系统主界面发出恢复装配命令，使软件系统和执 行硬件恢复为装配初始状态，等待下次装配任务。

步骤三：实时并行协同测量

动态装配实时仿真需要在装配过程中，由多台激光跟踪仪测量装配件位置信息并分析装 配状态，整个装配过程无需人工干预。为了满足测量数据实时同步、各激光跟踪仪并行协同 测量、测量数据管理便捷的要求，本发明提出了基于多线程技术的实时并行协同测量方法。 此方法对非激光跟踪仪的其他测量设备也同样适用，适合多类型测量设备的混合并行协同测 量。实时并行测量是整个测量装配工作的核心，主要是基于TCP/IP协议，建立激光跟踪仪组 和主机之间的局域网通信连接,流程图如图4所示，具体流程如下：

1.建立局域网络

建立方式可以是有线路由方式，也可以通过无线连接。设置激光跟踪仪组和客户端电 脑处于同一网段。

2.多线程并行测量

在单台激光跟踪仪测量时，不涉及系统测量问题。采用在单独进程中，依次建立测量 连接的方式，会增加时间开销，数据管理也不方便。如果采用多线程的方式，可以把 各激光跟踪仪的控制权交给几个测量线程，测量线程只负责测量和传值，通过操作系 统的管理，可以很好的保证测量数据的并行协同获取。

本发明提出多线程通信连接方式，根据激光跟踪仪设备数量，客户端动态分配线程， 每个线程负责单独的激光跟踪仪的测量工作，客户端主线程负责控制各激光跟踪仪线 程，同时负责与控制系统的通信，激光跟踪仪测量模式设置为动态测量模式。具体执 行过程如下：

1.装配测量开始后，进程动态分配各测量线程，每个线程建立一套激光跟踪仪通信 连接，并设置测量模式为动态测量模式。

2.设置测量线程为装配测量状态，在此状态下，各测量线程立即向激光跟踪仪服务 器发出测量命令。

3.激光跟踪仪服务器收到测量命令后，返回测量值。

4.在装配测量状态下，测量线程需进行多次测量，获取测量点位置的均值，此数值 称为装配测量数据。

5.测量线程把均值发送给主线程，并设置测量线程为监控测量状态。

6.主线程得到多点的测量数据后，把测量数据矩阵转换到装配测量坐标系下，打包 发送给控制系统。

7.控制系统根据测量数据作出反馈，并执行装配动作。

8.测量线程在控制系统执行装配动作期间，一直处于监控测量状态。在此状态下， 装配测量系统主线程每隔一定的周期向各测量线程发出一次监控测量命令，测量 线程立即获取当前位置数据信息，直接返回此数值，此数值称为仿真测量数据。

9.主线程获取到仿真测量数据后，把数据转发给实时仿真系统和装配历史工程系 统。

10.装配执行动作结束后，如需再次获取装配位置数据，返回第2步。

11.在装配过程中，如遇到激光跟踪仪断光情况，如果当前线程状态为装配测量状态， 则停止装配，并弹出断光警告，待操作人员排查断光原因后，选择继续装配命令 完成后续装配；如果当前状态为监控测量状态，则舍弃当前测量点数据包，继续 装配。

3.测量数据整理

一次装配工作完成后，断开各激光跟踪仪连接，关闭各测量线程，取出装配过程中的

实时并行测量数据，以文件形式保存。

3）优点及功效：本发明的优点和积极效果

飞机部件数字化柔性装配测量技术是利用数字化设备和技术，以计算机控制来完成自动、 快速、精准的测量目的、任务和工作的一套方法。其作用和优势主要包括以下几点：

（1）具有自动高精度完成大型装配测量任务的能力，在整个装配过程中，操作人员按一 下启动装配任务按钮，剩下的采点、装配、数据处理等任务均由系统自动完成。

（2）由于装配测量任务可以适应不同的数字标工、不同的装配数模，整个装配测量方法 非常适用于数字化柔性装配工作，满足柔性要求。

（3）激光跟踪仪多线程并行协同测量方法能避免因多台激光跟踪仪的测量命令触发不同 步而导致的实时性失真问题，并且采用各测量线程单独管理一台测量设备的方法，便于测量 数据的管理和整体协调。

附图说明

图1装配测量系统与边界系统关系示意图

图2飞机部件数字化柔性装配测量流程框图

图3装配测量仿真环境示意图

图4多线程测量方法流程图

具体实施方式

以下结合飞机部件数字化柔性装配工作详细介绍装配测量方法的具体实施方式。在数字 化柔性装配体系中，整个装配测量系统软件平台是以Opencascade为几何内核的软件体系， 以C++为开发语言，整个装配测量方法均是在此软件环境下实现，工作对象为某型飞机的侧 壁板与底板，其中壁板尺寸（高x长x厚）约为4m x4m x2mm，尺寸大厚度小，刚度差， 装配公差要求为0.5mm，底板为固定部分。装配测量系统与周围边界系统的关系如图1所示。

见图2，本发明一种基于激光跟踪测量技术的飞机部件数字化柔性装配测量方法，其装 配测量详细执行步骤如下：

步骤一：装配测量准备工作：

飞机部件数字化柔性装配测量准备工作主要包括数模处理、数字标工建立、基准点选取、 激光跟踪仪位置布局等工作，这些工作是数字化装配测量的基础。以下是详细执行步骤：

1.工装数模简化

工装数字模型包括框架、定位器等，对静态部分如框架等，动态部分如各独立定位臂、 连接器、滑块等分别独立简化为STEP格式，主要是便于装配过程中各模型仿真实物。

2.装配件简化

以飞机机身部件为例，装配件包括底板、两侧壁板、隔框等，由于数据来自产品工程 数据集，且为装配模型数据量极大，不便于仿真计算，需要简化为STEP格式。

3.建立基准点

在装配环境中选取，P1(0,0,0),P2(2000,0,0),P3（0,2000,0）三点作为装配测量基 准点，依此数据制造靶标位置，固定好靶镜，三点理论位置模型为坐标系的数字标工。 根据工装实际布局情况，选取开敞性、稳定性较高的位置制作装配测量辅助基准点。 使用激光跟踪仪测量三个基准点，测量结果的数值是激光跟踪仪自身坐标系下的值， 并非装配坐标系下的值，需求解两组坐标系的转换矩阵。转换矩阵求解方法较为常见， 本发明不进行介绍。

4.建立辅助基准点

求解完转换矩阵后，即可建立激光跟踪仪测量数据与装配环境下位置数据的对应关 系。使用激光跟踪仪测量各装配测量辅助基准点，测量结果保存为xml文件。部分测 量点数据如表1所示：

表1辅助基准点坐标值

序号 X坐标(mm) Y坐标(mm) Z坐标（mm）

1 11312.196 3999.617 20.395 2 11332.389 7071.520 20.398 3 5312.765 7721.718 20.401 4 5352.319 4649.918 20.398 5 6980.675 2045.876 0.655

5.建立装配件数字标工

根据装配质检数据的要求，建立飞机装配数字标工模型，在柔性装配中的每一个装配 中均至少需要标定3个测量基准点，每个测量基准点的具体位置可根据实际情况确 定。取点时需注意，从定位稳定、准确的要求出发，取点一定要在激光跟踪仪测量范 围内，并且3点所组成的三角形的内角要保持在一定范围内。以机身部件中的壁板组 件为例建立数字标工模型，其他壁板数字标工建立方法相同。具体方法为按实际需要 在壁板的CATIA模型上构造3个点，并保存这3点作为壁板的理论基准点，三点的理 论数值为:

P1(9023.247,2765.613,2321.321)

P2(6680.342,2356.753,2281.589)

P3（6680.254,1820.295,453.997）

6.选取光学工具球点

为工装选光学工具球点（Optical Tooling Points，OTP）,用于确定装配工装定位器空 间位置,由工装设计部门设计理论位置及公差要求。使用激光跟踪仪安装，以实现高精确 安装工装。

7.为激光跟踪仪选取位置点以及转站位置点

选择位置点时要考虑遮挡情况、测量角度极限及测量距离限制。激光跟踪仪转站位置点 的选取要和辅助基准点的选取结合考虑，因为转站后需要依据辅助基准点重新建立装配 测量坐标系，需要保证至少有三个基准点或辅助基准点能被测到。

8.建立装配测量的坐标系

读取基准点理论坐标值，通过激光跟踪仪测量与基准点相对应的靶球，得到实际基准点 的坐标值，求解激光跟踪仪坐标系与装配坐标系之间的矩阵转换关系。对协同测量中的 每台跟踪仪均进行此操作，如此三台激光跟踪仪所测数据就统一到装配坐标系中，至此 装配测量系统坐标系建立完成。

9.转站后装配测量坐标系的重建

实际装配过程中，如遇到在建立装配测量坐标系时，因为遮挡、死角、范围受限等原因 而导致的激光跟踪仪无法测量到基准点，使激光跟踪仪至少满足能测到三个辅助基准点， 以这些辅助基准点的测量值与辅助基准点文件中对应点坐标值进行矩阵转换，完成转站 后的装配测量坐标系建立。

10.工装安装调试

坐标系建立起来以后，使用激光跟踪仪中安装工装定位器。在工装定位器装配时，用激 光跟踪仪一边测量OPT点，一边进行工装定位器的位置调整，直至各关键位置参数达到 公差要求。

步骤二：装配测量工作

测量环境构建完成后，开始执行对飞机部件的装配测量工作，测量设备是3台Leica901 型号激光跟踪仪，测量对象为右壁板上三个测量点。在装配测量过程中，不仅需要为控制系 统提供测量数据，同时也要监控整个装配过程。整个装配过程需要三台激光跟踪仪对测量点 采用实时并行的方式，既要保证数据的高精度，又要满足实时要求。整体装配环境如图3所 示。装配具体实施过程如下：

1.装配件入位

装配过程中，先把右壁板吊装到柔性工装上，壁板与工装的连接方式为球铰连接，根 据装配件与工装的连接特点，完成装配件入位，适当调整工装以免产生装配应力。

2.导入装配数模，包括底板和装配框架数模、工装数模、激光跟踪仪模型、右壁板数字 标工等。

3.激光跟踪仪测量准备

装配测量开始前对各激光跟踪仪进行预热10分钟左右、设置主机IP为192.168.0.1， 分别设置三台激光跟踪仪服务器IP为192.168.0.2、192.168.0.3、192.168.0.4， 三台激光跟踪仪完成通信和初始化，并检测工作状态。

4.控制系统硬件部分就位，各软件系统完成初始化，操作人员经装配系统主界面发出执 行装配命令。装配测量系统接收到启动装配命令后，开始启动3台跟踪仪的动态测量 工作。在装配系统中，设置系统装配测量状态变量，以标识当前装配测量工作的运作 状态，运作状态有五种,分别是装配初始状态、装配动作执行状态、装配动作停止状 态、装配完成状态、装配失败状态。

5.装配开始时，装配状态变量设置为装配初始状态。装配测量系统发送给控制系统右壁 板测量点初始位置数据及右壁板测量点理论位置数据，并发出执行装配动作的命令， 设置当前装配状态为装配动作执行状态。

6.控制系统接收到数据后，根据位置的偏差计算出控制机构的步长，之后执行装配动作。

7.在执行机构在执行装配动作的过程中，激光跟踪仪每隔0.5秒采集一次测量点数据， 每次采集的数据均与上次采集的数据点做一次差运算，如果差值在0.01mm以内，且 持续时间超过10秒，即认定执行机构装配动作结束，设置当前装配状态为装配动作 停止状态；否则继续以0.5秒为固定周期采集测量点数据，并把采集的数据每隔5秒 进行一次保存。

8.执行机构装配动作结束后，对比当前位置点与理论位置点，如果两者的差值满足装配 公差要求，则装配完成，设置当前装配状态为装配完成状态；如果差值较大，则返回 第5步。装配过程中，如出现装配意外,操作人员可以通过装配系统主界面发出停止 装配命令。

9.装配工作完成后，操作人员通过装配系统主界面发出恢复装配命令，使软件系统和执 行硬件恢复为装配初始状态，等待下次装配任务。

步骤三：实时并行测量方法

动态装配实时仿真需要在装配过程中，三台激光跟踪仪需要实时协同完成测量工作。在 Leica901型号的激光跟踪仪TPI中，单台测量的工作需要套接字类CESSocket、信息发送类 CESAPICommand、信息接收类CESAPIReceive共同完成，多台激光跟踪仪协同测量时，如果三 台激光跟踪仪的测量命令集中到一个进程中，会导致测量数据的混乱，并且数据的同步性也 受影响。采用多线程的方式，创建单独线程去管理单台激光跟踪仪的测量工作可以很好的解 决上述问题，并且程序较为简洁、结构性好。图4为多线程测量方法流程图，多线程测量总 体流程如技术方案步骤三，单次测量数据的详细流程如下：

1.以有线连接方式建立3台激光跟踪仪与客户端计算机的连接，设置IP处于同一网段。

2.集成套接字类、信息发送类、信息接受类为激光跟踪仪通信类，为线程类添加激光跟 踪仪类成员。

3.装配测量系统接收到开始装配测量命令后，系统进程动态创建各测量线程，每个线程 建立一套激光跟踪仪通信连接，线程中的激光跟踪仪成员提供各类激光跟踪仪测量过 程中所必备的函数接口。

4.系统主线程向测量线程发送测量命令。

5.测量线程收到测量命令后，通过其内部的套接字类等逻辑通信接口向激光跟踪仪设备 发送测点命令，不需等待激光跟踪仪测完数据，直接立即返回。如此即可保证各激光 跟踪仪测量命令的触发具有很高的同步性。

6.激光跟踪仪收到测量命令后，完成测量工作，把测量点数据打包发送给所对应线程。

7.测量线程内部的通信接收响应函数被触发，完成数据接收，并向测量系统主线程发送 测量结果数据。由于线程间具有独立性，彼此的测量过程互不干扰。

8.装配测量系统主线程对每台跟激光踪仪测量得到的数据均进行坐标装换，使数据装换 到统一的装配坐标系下，完成数据打包后，发送给控制系统或仿真系统，并保存一些 数据作为测量装配历史信息。

9.一次测量工作完成后，等待主线程下次的测量命令。