摘要：本文分析了面向飞机装配的大尺寸测量场的组成要素与构建价值，在此基础上，从装配坐标系的建立、激光跟踪仪转站原理、参数定义、算法几方面入手，着重阐述了激光跟踪仪转站这一大尺寸测量场的构建优化技术。
关键词：飞机装配；大尺寸测量场；激光跟踪仪转站
引言：在实际的飞机装配过程中，想要完成飞机部件上所有关键特征量的测量，就必须要确保复数的激光跟踪仪同时运行。在激光跟踪仪转站技术的支持下，可以完成大尺寸测量场的建立，并保证其覆盖整个飞机装配空间。依托大尺寸测量场，能够实现飞机部件之间的定位、装配与对接，在落实飞机装配中有着极高的构建与优化价值。
一、飞机装配中大尺寸测量场的构建分析
（一）大尺寸测量场的组成要素
大尺寸测量场主要包含数字化测量设备、数字化定位设备、飞机部件以及多种装配工装等等，而这些设备与工装均具备其独特的坐标系。当前，普遍将这些坐标系划分为四种类型，即部件坐标系、装配坐标系、设备坐标系、测量坐标系[1]。其中，部件坐标系主要指飞机装配部件的位置；装配坐标系主要指存在与整个装配空间内部的基准坐标系；设备坐标系主要指存在于装配现场中的设备、工装位置，包括机床、机器人、定位设备等等；测量坐标系主要指飞机装配时各个激光跟踪仪的坐标系。
对于存在于飞机装配现场内的多个激光跟踪仪而言，其位置可以根据工况与需求的不同进行调整。此时，若是某一激光跟踪仪的位置发生变化，则测量坐标系相对于装配坐标系更为独立。实践中，笔者提前在飞机装配现场的地面（装配平台也可以）上设置在增强的系统参考点，以此维护激光跟踪仪测量坐标系与装配坐标系之间的相对关系。
（二）大尺寸测量场的重要作用
1.推动飞机装配系统数字化、集成化
面向飞机装配的数字化系统中，不同的设备具有独自的坐标系。此时，若是不设定一个统一的坐标系基准，则会导致各个设备之间的姿态、位置难以有效关联，最终造成不同设备无法协同工作。而通过建立大尺寸测量场就能够避免上述问题的发生，可以确保所有设备均在装配坐标系内完成定位，构建起不同设备之间的相对运动关系与相对几何关系，最终实现飞机系统的数字化与集成化，并达成协同运行的目标。
2.实现对飞机装配系统的数字化定位
在实际的飞机装配中，其过程具有较高的复杂性，传统方法由于成本较高、操作繁琐的原因已经不再适用。而通过构建大尺寸测量场，促使飞机的数字化装配成为现实，提升了定位的准确性与快捷性，并使得自动化代替大多人工操作，降低了装配成本。
二、飞机装配中大尺寸测量场的优化技术探究
（一）装配坐标系的建立
在飞机装配现场中，装配坐标系在测量值的确定中占据着基础性地位，也是多种设备位姿、装配部件位姿的基础内容。从理论上来看，装配坐标系的方向、位置均可以在增强的系统参考点上展开确认，以此了解增强的系统参考点在装配坐标系内的位置。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆从实践的角度来看，若不存在特殊情况，可以将装配系统中最长的运动轴线方向视为装配坐标系的方向，以此降低系统误差的发生概率，并更好的满足用户的现实需求。
结合上文分析与实践能够完成装配坐标系的流程确定，具体如下：确定增强的系统参考点的位置，即依托激光检测跟踪仪实现所有增强的系统参考点当前位置的测量；进行装配坐标系的参考原点与参考方向；构建装配坐标系；实施增强的系统参考点的理论值计算。
（二）激光跟踪仪转站原理
飞机装配中，装配坐标会随着激光跟踪仪的移动发生变化，因此，激光跟踪仪相对于装配坐标的方向、位置需要展开进一步计算。也就是说，在组建大尺寸测量场中，主要完成了坐标变换矩阵中旋转矩阵与平移矩阵最佳估计值的确定，而这样的估计规程为转站。
在完成转站后，使用公式y=f(x)=Rx+T能够激光跟踪仪可以直接输出在装配坐标中的测量值。其中，y为装配坐标条件下检测点的测量值；x为激光跟踪仪检测坐标条件下检测点的测量值；R为测量坐标系至装配坐标系的旋转矩阵；T为测量坐标系至装配坐标系的平移矩阵。
使用公式可以完成转站中旋转矩阵与平移矩阵最佳估计量的计算。其中，RE代表着激光跟踪仪转站误差。
（三）激光跟踪仪转站参数定义
对于旋转矩阵与平移矩阵来说，其主要代表着装配坐标条件下测量坐标系的姿态以及位置，两者之间具有一定的几何意义。其中，姿态参数主要代表着在装配坐标条件下，激光跟踪仪坐标系中坐标轴的方向，四元数法、欧拉角法等为较为常见的坐标系方向表达方法。位置参数主要代表着激光跟踪仪测量坐标系远点在装配坐标中的位置。
（四）激光跟踪仪转站算法
对两组对应点集站的位置进行匹配，在此基础上可以实现两个坐标系之间相对位置关系的确定。从计算机视觉与图像匹配领域角度来看，刚性匹配为最典型的问题，且相应技术被广泛应用与外科手术定位、卫星定位等领域。目前，奇异值分解法为最常用的一种关于刚性匹配的求解算法。该算法的理论描述主要如下：
假定M是一个m×n阶矩阵，其中的元素全部属于域 K，即实数域或复数域，如此则存在一个分解使得。其中，U代表着m×m阶酉矩阵；Σ代表着半正定m×n阶对角矩阵；而V*代表着n×n阶酉矩阵，也就是V的共轭转置。这一分解流程被称作M的奇异值分解。对于任意的奇异值分解，矩阵Σ的对角线上的元素等于M的奇异值。U和V的列分别是奇异值中的左、右奇异向量[2]。基于此，可以总结得出：一个m × n的矩阵最多可以拥有 p = min(m,n)个不同的奇异值；总是可以找到在Km 的一个正交基U，组成M的左奇异向量；总是可以找到和Kn的一个正交基V，组成M的右奇异向量。
总结：综上所述，在面向飞机装配的大尺寸测量场中，包含数字化测量设备、数字化定位设备、飞机部件以及多种装配工装等等，且这些设备与工装均具备其独特的坐标系。而依托激光跟踪仪转站技术，能够将不同的激光跟踪仪测量值实现在装配坐标系内的统一转换，保证了测量网络覆盖整个飞机装配现场。
参考文献：
[1]李婷,李建双,缪东晶,等.温度条件对大尺寸测量装置精度影响的研究[J].计量学报,2019,40(06):975-979.
[2]章平,常晏宁,王皓.基于全站仪的大尺寸测量场数据融合技术[J].机械设计与研究,2019,35(03):140-144+149.
论文作者:袁臣静
论文发表刊物:《科学与技术》2019年第20期
论文发表时间:2020/4/28
标签：坐标系论文; 测量论文; 飞机论文; 激光论文; 尺寸论文; 矩阵论文; 设备论文; 《科学与技术》2019年第20期论文;