[发明专利]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

权利要求书

1.一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，其特征在于：该装配测量方法包含以下步骤：

步骤一：装配测量准备工作：

装配测量准备阶段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，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：

步骤1.1.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；

步骤1.2.从工程数据集中导出装配件数据，简化装配件模型；

步骤1.3.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，在其上选其上三点作为飞机装配环境的基准点；

步骤1.4.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；

步骤1.5.为工装定位器选光学工具球点即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；

步骤1.6.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；

步骤1.7.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；

步骤1.8.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；

步骤1.9.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：

步骤2.1.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；

步骤2.2.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；

步骤2.3.装配测量开始前对各激光跟踪仪进行预热、IP设置、网路组建工作，建立通信连接，初始化，并检测跟踪仪工作状态；

步骤2.4.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；

步骤2.5.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；

步骤2.6.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；

步骤2.7.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,操作人员通过装配系统主界面发出停止装配命令；

步骤2.8.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，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，它是基于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,具体流程如下：

步骤3.1.建立局域网络

建立方式是有线路由方式，或通过无线连接；设置激光跟踪仪组和客户端电脑处于同

一网段；

步骤3.2.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，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，能很好的保证测量数据的并行协同获取；

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：

步骤3.2.1.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；

步骤3.2.2.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；

步骤3.2.3.激光跟踪仪服务器收到测量命令后，返回测量值；

步骤3.2.4.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；

步骤3.2.5.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；

步骤3.2.6.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；

步骤3.2.7.控制系统根据测量数据作出反馈，并执行装配动作；

步骤3.2.8.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；

步骤3.2.9.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；

步骤3.2.10.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；

步骤3.2.11.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；

步骤3.3.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。