测量技术在大尺寸产品装配中的应用

张云恩

摘 要：随着电子技术和计算机技术的进步，测量辅助装配工艺开始广泛应用，尤其是在飞机、大型核电设备等大尺寸产品的装配中，高精度大尺寸测量更是其中的核心技术。大尺寸测量需要建立专门的测量场，这就难免引入各种误差，对测量的准确性造成严重的影响。本文介绍了大尺寸测量技术的基本原理，阐述了大尺寸测量在大型产品装配中的应用，并对其测量不确定度的评价进行了简要的分析。本文的研究可为大尺寸测量技术的应用及不确定度分析提供良好的思路。

关键词：大尺寸;测量;不确定度

随着我国国力的提升，国家对各类大型高科技项目的投入力度越来越大，大飞机、运载火箭、高铁、核电等国家重点项目纷纷落地，对我国的装配技术提出了巨大的挑战。由于大型设备的体积庞大、结构复杂、零件众多，因此装配难度极大，其中最为关键的难点之一就是大尺寸测量技术的应用[1]。当前，数字化测量技术的提出为大型产品的高效装配提供了全新的思路，但大尺寸测量场的建立又带来了测量不确定度的评价等新的问题。本文根据大尺寸测量原理，对大尺寸测量技术在大型产品装配的应用中的关键问题进行了探讨。

1数字化测量概述

在数字化测量的概念提出来之前，传统的大型装备装配过程一般采用专门设计的工装和特殊工艺补偿机制来调整零部件之间的位置关系，通过模线模板和光学仪器来评价装配质量[2]。这种方案不仅测量精度低，在操作难度和检测效率方面也有着很大的缺陷，已经无法满足现代大型装备的高效组装需求。数字化测量系统的问题，使这一问题得到了较好的解决，室内GPS、激光跟踪仪等技术的应用大大提高了装配精度的效率[3]。例如，美国波音公司早在上世纪末研发的IGPS测量系统在测量长度为30m的构件时测量精度高达0.127mm，飞机装配精度在0.25mm以内。到目前为止，该系统的测量精度已提升至±0.1mm以内。可见，大尺寸测量技术在当前的大型装备制造领域中扮演着重要的角色。

2大尺寸测量的基本原理

对于大型装备的组装而言，所涉及到的多种定位仪器、精密机床、智能机器人等设备必须协调一致，相互配合，才能实现大尺寸部件的精确定位和对接。不同仪器系统之间的准确配合是建立在统一坐标系统的基础之上的，各仪器通过统一的坐标来感知对方的位置，实现对同一对象的协同操作。

激光跟踪测量仪是大尺寸装配中常用的辅助测量设备。首先在待装配的零件上安装一个光学反射棱镜，激光跟踪测量仪通过对棱镜的跟踪测量即可知道零件当前的位置，以及各零件之间的位置关系，通过坐标的分析可以快速评价出装配精度等参数。由于大尺寸零件结构复杂，因此基于光学原理的测量设备有时候很难持续提供良好的光路，因此通常会采用多台激光测量设备协同工作来达到对测点持续跟踪测量的目的。为了使不同的仪器可以相互配合，测量场的建立是前提，测量场的作用是为各仪器提供统一的坐标系，因而形成相互的参照，顺序完成装配任务。所以，大尺寸测量场的建立是大尺寸装配工艺的重要组成部分，测量场的精度则对产品的装配精度产生重大影响。

3大尺寸测量场的建立

在大尺寸数字测量场中，通常有四种坐标系统，即装配坐标系、测量坐标系、设备坐标系以及部件坐标系[4]。其中最为关键是装配坐标系，它是其它坐标系统的基准，在整个装配过程中起到统一的基准作用。测量坐标系是激光跟踪仪本身建立的独立坐标系;设备坐标系和部件坐标系则由其它各类设备或部件自行建立;这些坐标系统需要采用特定的算法與装配坐标系统联系起来，形成固定的换算关系，从而将坐标统一起来。大尺寸测量场的建立实际上是对整个装配系统进行了一次数字化集成，使各设备成为一个统一的有机整体，确立了相互之间固定的几何关系，在进行了统一的标定之后，即可开始协同工作。大尺寸测量场还要以为装配误差的评价提供可靠的基础数据，以掌握装配质量，并辅助装配工艺的持续改进。

4测量场不确定度来源

在测量过程中，某个测点所测得的值有很多种可能性，在这些可能的值中，其标准差就是这里所说的“不确定度”，这种不确定度的物理意义是实际值的集合的离散程度，因此通常用不确定度来描述测量的误差程度。同理，大尺寸测量场中所测的值也具有这种不确定性，为了描述测量场的精度，本文也采用了不确定度的概念。对于测量场而言，其不确定度是多种不确定度综合作用的结果，包括测量不确定度、制造不确定度和坐标转换不确定度。测量不确定度是指同样条件下多次测量的可能值的标准差，制造不确定度则是零件的尺寸误差造成的位置偏离程度，坐标转换不确定度主要由参考点的不确定引起，通过测量场中的测值进行转换后，所求的标准差即为坐标转换不确定度。无论是哪种不确定度成分，其值越小越好，代表整个测量系统的稳定性越好，可靠性越高。

5大尺寸测量场的不确定度估计

5.1转站误差与测量场误差

激光跟踪测量仪在测量时本身会存在测量误差，在转站过程中对将已有的误差传递给下一个环节，因此，对激光跟踪测量仪的转站误差和测量场的测量误差进行准确估计，是实现大尺寸测量场测量不确定度评定的前提。

在装配过程中，各台激光跟踪仪是依照自身的坐标系统进行测量的，得到的测量值也是基于自身坐标系统的，因此要通过“转站”的办法与装配坐标系统建立转换关系。由于激光跟踪仪在测量时无法避免地引入测量误差，这造成了转站后的参数也具有一定的误差，称为转站误差。显然，转站误差作为测量场误差的重要组成部分，在很大程度上决定了大尺寸测量场的总体精度。但是转站参数的理论值无法确定，所以转站误差也就无法通过简单的对比来求得。

根据激光跟踪仪的测量原理，所谓转站可以认为是一组基准点实测值与理论值匹配的过程，在理想情况下，基站点的理论坐标被认为是不变的，这就将转站误差的问题转换为激光跟踪仪对基准点的测量精度问题。

5.2测量场的不确定度估计

我们假定测量误差服从正态分布。如果测量误差为零时，两组基准点之间实现完全匹配，两组坐标形成了严格的一一对应关系。然而，转站误差是一个综合性的误差，它由角度误差、位置误差和测量误差共同决定，因而从数学上无法得到一个固定的解，也就无法得到一一对应的解析解。显然，这就将转站误差的求解变成了最小二乘拟合的数值计算问题了。

通过数学分析发现，转站误差的估计主要取决于参与转站的基准点的测量误差矩阵及其配置矩阵，两者通过加权后构成了转站误差的大小，而测量场的误差又主要取决于转站误差。在后者不变的条件下，转站误差与基站点测量误差成正比例关系;同理，当前者不变时，转站误差只取决于基站点的分布。

6结语：

大尺寸产品装配过程中涉及的不确定度问题是一个复杂的数学问题，本文的研究是在进行了一些合理的假设的前提进行的，基本具有合理性，但也存在一定的局限性。随着精密仪器的精度不断提高，测量的误差必然会逐步减小，同时数学理论本身也在不断的发展完善之中，这些发展趋势都为大尺寸测量技术的进步提供了重要保障。

参考文献：

[1]杨再华，易旺民，闫荣鑫.大型航天器装配精度检测技术发展综述[J].宇航计测技术，2018，38（05）：16-23.

[2]赵子越，甘晓川，马骊群.激光跟踪仪与室内GPS的协同测量组网方法[J].测控技术，2019，38（07）：79-83+88.