飞机装配中激光跟踪仪转站精度热补偿方法研究

激光跟踪仪转站精度是影响飞机装配质量的重要因素。装配现场温度变化导致ERS点位置产生偏移，已经成为影响激光跟踪仪转站精度的最大误差源。为了提高转站精度，本文提出一种基于精密热变形理论的激光跟踪仪转站精度补偿方法，该方法通过比较ERS点的实际测量值和转站参数计算值，来估计ERS点在X, Y, Z方向上的形体热变形系数。利用迭代的方法对ERS点的实际位置进行修正，并逐步逼近真实的转站参数。工程实例证明本文所提出的补偿方法具有很好的补偿精度，其中最大转站误差最大降低38.6%，平均转站误差下降38.7%。

飞机数字化装配技术以基于单一产品数据源的数字量协调体系为基本特点，其中数字化测量技术为实现数字化精确装配提供基础保障[1]，而测量系统的精度是决定飞机最终装配质量的重要因素[2]。激光跟踪仪因其测量技术成熟，测量精度高，技术配置灵活，在飞机数字化装配系统中得到广泛应用[3]。由于飞机部件尺寸较大、装配工装复杂，为了覆盖飞机部件所有特征点的测量，需要经常地移动激光跟踪仪设备。

不同站位激光跟踪仪测量数据相互独立，需要通过转站的方法将测量数据转换到统一的参考坐标系下。激光跟踪仪转站是通过测量一组公共观测点(ERS 点)进行匹配实现的，其目的是获得激光跟踪仪测量坐标系到装配坐标系的转换参数(转站参数)。显然，转站参数的误差是决定整个测量系统测量精度的直接因素。

ERS 点作为现场参考坐标系的基准，被固定地安装在飞机装配平台或工装上，其理论位置应保持固定不变。然而装配车间温度的变化会导致整个装配平台发生热变形，ERS 点的位置随之产生位移。此时ERS点的实际模型和理论模型产生偏差， 导致转站后得到的坐标系偏离理论的参考坐标系。

飞机装配平台尺寸可达数十米，温度变化引起装配平台尺寸的热变形是比较严重的。以钢材为例(取热膨胀系数为1.2e−5/℃)，当飞机装配平台整体长度为30 米，室内温度达到5 摄氏度时，平台尺寸的变化量即可达到1.8 mm。而我国西北地区年度温度可变可达到30 多摄氏度，因此温度变化已经成为影响现场测量精度的最主要因素。通过构建恒温的装配车间可以有效抑制热变形， 但是成本昂贵。

因此， 通过优化转站算法对热变形误差进行补偿无疑是一个经济有效的方法。

Horn [4]为了提高匹配精度， 在转站算法求解过程中引入一个缩放因子s， 来表示匹配点组的各项同性缩放比例， 但是该算法并非严格基于热变形原理， 只能补偿两个点组之间的整体相似度误差，因此该算法更适用于图像匹配领域。杨宝旒[5]通过有限元仿真的方法获得装配工装的线性热变形规律，利用单位温度热变形系数矩阵对ERS 点的理论位置进行补偿，其缺点是有限元仿真结果不能准确反映真实工装的热变形情况。俞慈君[6]基于物体热变形理论建立工装的三维热变形模型，构建修正后的最小加权误差函数对转站误差进行优化，其在转站过程中采用3σ 准则对ERS 点进行删选， 剔除异常点来提高测量精度，但是该方法中热补偿系数来自于算法估计，而非真实的测量数据。金涨军[7]对激光跟踪仪转站过程的误差传递进行分析，提出了转站参数误差的估计模型，但是该模型并没有考虑温度变化的影响。