激光跟踪仪在大尺寸工件几何参数测量中的应用

2024-01-31 来源：客趣旅游网

工具技术

张春富1　张　军1　唐文彦1　卢红根2

12　哈尔滨工业大学　南京晨光集团公司

摘　要:介绍了激光跟踪仪的工作原理,开发了用于航空航天制造业大尺寸工件装配测量的激光跟踪仪专用测量软件,提出了可取代机械工装的“电子工装”测量方法。

关键词:激光跟踪仪,　大尺寸工件,　装配测量,　电子工装

ApplicationofLaserTrackeronGeometricParameters

MeasurementofLargeDimensionalWorkpieces

ZhangChunfu　ZhangJun　TangWenyan　etal

Abstract:Theworkingprincipleoflasertrackersisintroduced.Thespecialmeasuringsoftwareoflasertrackerisdevelopedforthealignmentmeasurementoflargedimensionalworkpiecesintheaviationandaerospaceindustry.AmeasuringmethodnamedElectronicWorkingImplementisprovided,bywhichthemechanicalimplementcanbereplaced.

Keywords:lasertracker,　largedimensionalworkpiece,　alignmentmeasurement,　ElectronicWorkingImplement

　　1　引言

航空航天工业的主要产品———航空、航天飞行器(如飞机、导弹、卫星、火箭等)的正常运行需要配备整套精确、可靠的推进、控制、导引等系统,这就使飞行器具有外形尺寸及重量大、外部结构特殊、部件之间相互位置关系要求严格等特点。飞行器的装配通常是在各部件分别部装完成后再进行总体装配,

收稿日期:2002年3月

在部装的某些环节和总装的整个过程中都需要进行严格的测试,以检查几何外形的准确性、实际轴线与理论轴线的同轴性、部件的安装角等指标是否满足总体设计要求,同时也可为飞行实验和新型号产品的研制与开发积累科学数据。这就要求采用高精度、高效率、低成本的测量技术及设备。

目前,光学三维坐标测量技术在航空航天制造业的装配测量中占有重要地位。相对于传统的三坐标测量机测量方式,光学三维坐标测量技术具有无

(PCAL9011,P0=0,P1=3.50,P2=90°,P3=7.00,P4=90,P5=3.50,P6=90°,P7=7.00,P20=8,P21=12,P23)=100°

(PCALL9010,P0=270°,P1=5.00,P2=1.5,P3=2,P4=)90°,P7=0,P12=0.1,P20=100,P21=12°

(PCALL9010,P0=360,P1=1.5,P2=5,P3=2,P4=90,)P7=0,P12=0.1,P20=100,P21=12°

(PCALL9010,P0=450°,P1=5.00,P2=1.5,P3=2,P4=)90°,P7=0,P12=0.1,P20=100,P21=12°

(PCALL9010,P0=540°,P1=1.5,P2=5,P3=2,P4=)90°,P7=0,P12=0.1,P20=100,P21=12°(WRITE(RET))M30

用宏程序SUB9010、SUB9011和建立演算子程序。

图1

该刀片需要加工的尺寸包括二个直线面(14mm×7mm)和四个圆弧面(4-R2mm)。根据工艺要求,首先磨削直线面,再依次磨削圆弧面。刀片初始上料角度为0°。编制演算子程序如下:　　(OPENP8000,D)

(WRITE(SUB8000))

将编制好的演算子程序在机床中运行,生成一个新的磨削子程序P8000。在实际加工中,将P8000连接到主程序中即可实现刀片的磨削。

第一作者:刘广庆,工程师,哈工量数控刀具有限公司,

150040哈尔滨市动力区和平路44号

编辑:俞　进

2002年第36卷№5

导轨、检测速度快、便携性好等特点。经纬仪、摄影测量系统和激光跟踪仪是目前应用较多的三种光学三维坐标测量设备。其中,激光跟踪仪是近十年才发展起来的新型量仪,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,被誉为“便携式CMM”。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,测量精度可达到±5ppm,测量效率可比传统的大型CMM、经纬仪测量系统和摄影测量系统等提高数倍。　　2　激光跟踪仪工作原理

激光跟踪仪为一个球坐标测量系统,其测量原理如图1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。中心的位置。

图2　两种目标反射镜

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。与转镜同轴安装的两个角度编码器则分别测出转镜水平轴和垂直轴的转角。

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。

　　3　激光跟踪仪在大尺寸工件装配测量

图1　激光跟踪仪测量原理

中的应用

　　3.1　激光跟踪仪的软件功能

激光跟踪仪对几何元素的测量是以点为基础。测量方式主要有两种:点测量和扫描测量。例如,测量一个平面时,既可测量平面上的几个点,然后利用这些点合成平面;也可采用扫描测量方式,通过目标反射镜在被测平面上的扫描直接合成得到平面。在这两种测量方式中,点测量的精度高于扫描测量(因为扫描测量在动态下进行)。激光跟踪仪可以测量各种几何元素(点、线、平面、圆柱、圆锥、球、抛物面等),还可计算测得的几何元素间的相对位置关系(距离、角度等)。

当测量大尺寸工件时,跟踪头在一个位置上可能无法测到所有被测元素,或被测元素被工件的其它部分挡住,在这种情况下必须移动跟踪头(移站)。激光跟踪仪的软件具有完善的“bundle”功能,可将跟踪头在不同位置测得的数据转化到同一坐标系中。

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(见图2)。这两种反射镜均可使入射到反射镜中心的光沿原路返回,未处于反射镜中心的入射光则平行反射。猫眼和角锥棱镜各有其特点: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;而采用角锥棱镜时,这一角度变化范围只有±20°;但猫眼的体积和重量比角锥棱镜大一些,光能损失也较大。角锥棱镜的顶点和猫眼的球心点理论上均应与固定在其外面的球形外壳中心重合,这样在测量中转动球形外壳时,不会改变反射镜

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　　3.2　专用测量软件的开发

虽然激光跟踪仪自带有功能较全面的通用测量软件,但对于某些具有特殊要求的几何元素仍无法直接测量,对于某些特定几何参数或形状误差也无法直接计算出参数值,而需经过各种复杂操作。此外,激光跟踪仪的测量软件迄今尚无中文版本,这也对测量人员的操作使用带来了不便。为此,我们针对航空航天制造业大尺寸工件的几何参数测量,制定了专用测量方案,编制了相应的后续处理软件和通用的空间几何元素中文处理软件。

开发的专用测量软件根据被测工件在部装和总装过程中需要测量的几何参数定义,制定了测量步骤,将各个需要测量的几何元素按顺序制作成宏文件,并对每个测量步骤给出提示。当所有几何元素测量完毕后,读入测量数据,即可按定义计算出各个几何参数值。对于相同的被测工件,只需打开宏文件,按照测量提示依次进行测量,即可直接得到所测几何参数的测量结果。该软件采用中文菜单,界面友好,操作简单,可用中文打印测量报告。

3.3　几何参数测量及数据处理方案的设计不同的工装,测量成本较高,同时机械工装的形位误差也会影响测量结果。

为此,我们设计了无需机械工装的“电子工装”测量方案,如图4所示。测量时,首先对基准面进行测

图4　“电子工装”测量方案示意图

量,得到其平面方程。然后跟踪仪测头在被测截面

附近沿被测工件外表面滑动进行测量(图中波浪线即移动轨迹)。根据测得的各点坐标值,可通过两种数据处理方法求得所需截面圆:一种方法是首先求出距基准面为一定值并与基准面平行的理想截面(即所谓),然后将测得的各点向理想截“电子工装”面投影,得到各投影点坐标值,再利用最小二乘法求得截面圆。另一种方法是利用测得的各点拟合出一个长度值很小的圆柱,然后求出圆柱轴线与理想截面的交点,该交点即为所求截面圆的圆心。

采用“电子工装”测量方法可避免引入机械工装的误差,可提高测量精度,降低测量成本。　　4　结语

在航空航天制造业的大尺寸工件装配测量中,激光跟踪仪以其高效率、高精度、便携性等优势正逐渐取代传统测量方法。根据不同的测量任务和用户需求,通过制定专用测量方案并编制专用测量软件,即可根据激光跟踪仪的测量数据直接求得被测工件所需的各个几何特性参数,为用户提供更为快捷、方便的测量服务。

参考文献

航空航天制造业的大尺寸工件在部装和总装过程中需要检测的几何参数主要包括轴线偏斜度、定位装置的角度偏差、距离、平行度、垂直度等。这些

几何参数的计算是通过对一些几何元素(如点、线、面、圆等)的测量得到的。虽然大部分几何元素的测量可直接由激光跟踪仪完成,但对于某些具有特殊要求的几何元素,则需要配合其它手段才能测得。如图3所示工件,要求测量相对基准面的距离为某

图3　机械工装辅助测量示意图

1　ONakamura,MGoto.Developmentofacoordinatemeasuring

systemwithtrackinglaserinterferometers.AnnalsoftheCIRP,1991,40(1)

2　WalterZurcher,RaimundLoser.Improvedreflectorforinterferometer

trackinginthreedimensions.OpticalEngineering,1995,34(9)3　张国雄.三坐标测量机.天津大学出版社,19994　SMX公司.SMX激光跟踪仪产品介绍.2001

一定值的截面圆,一般需要采用辅助机械工装(即图中所示定位环)。测量时,首先需要将定位环沿轴线方向精确定位,确定需要测量的截面位置,然后将测头一侧紧靠定位环,测头底部沿被测圆柱外表面滑动进行测量,测得的截面圆还需沿轴线方向作测头半径长度的偏置校正。这种测量方法需要设计和加工专用工装设备,且测量不同半径的圆柱时需换用

第一作者:张春富,哈尔滨工业大学305号信箱,150001哈尔滨市

编辑:张　宪

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