基于激光扫描的助推级位置度测量方法.pdf

2016年第 6期 导 弹 与 航 天 运 载 技 术 No.6 2016
总第 350期 MISSILES AND SPACE VEHICLES Sum No.350
文章编号:1004-7182201606-0078-05 DOI:10.7654j.issn.1004-7182.20160618
基于激光扫描的助推级位置度测量方法
孙增玉,刘 柯,刘 华,袁 媛,高 越
北京航天计量测试技术研究所,北京,100076
摘要:针对大型火箭垂直总装过程中助推级与芯级位置度、垂直度的测量问题,研究了种基于激光分层扫描原理的测
量方法。介绍了该方法的测量原理、数学模型和数据处理方法,通过理论分析和现场测试证明,其垂直度测量误差小于 0.2,
位置度测量误差小于 2 mm。该方法具有测量精度高、自动化程度高、易实现现场测量等特点,能够有效解决型号总装现场的
测试问题。
关键词:垂直装配;位置度;激光扫描
中图分类号:V554 .1 文献标识码:A
0 引 言 来额外负载,且只能获得垂直度数据,无法测量助推
各助推火箭的安装对称度及其相对于芯级的位 级位置度。
置、垂直度参数会影响整个箭体的质心及平衡状态 , 本文旨在解决大型火箭垂直装配过程中助推级垂
装配过程中对助推级位置度进行精确测量必不可少, 直度和位置度的测量问题。采用激光扫描方式获取
是实现精确装配、实现设计技术指标的首要前提。 4 个助推级在测量装置球坐标系下特定区域的外形轮
目前,国外主流宇航公司在运载火箭装配流程中 廓点云数据,对这些数据进行处理,部分完成助推级
大都采用垂直总装的形式,且在装配现场都有针对大 点云数据的轴线拟合和位置度解算。该方法现场高效、
型部件的现代化监控测量手段,装配测量的方法主要 测量精度高、自动化程度高、适用于户外试验现场测
有:经纬仪测量系统、Indoor GPS 测量系统、激光跟 量 ,能够有效提高多型号制造现场中的测试效率,
踪系统测量系统 。经纬仪测量系统通过多台经纬仪 为实现型号精密装配提供技术基础,具有重要意义和
联合建站的方式实现坐标测量,采用合作目标的方式, 实际应用价值。
需要人工瞄准测量靶标,测量效率低;Indoor GPS 测
量系统适用于室内测量,测量接收器需要安装在被测 1 测量原理
激光扫描测量装置,主要由激光测距单元、双轴
助推级上,安装定位困难,接收器与助推级之间的坐
扫描单元和中央控制单元 3 部分组成 。激光测距单元
标融合不易实现;激光跟踪系统实现单点测量,对于
的主要功能是发射激光并采用相位测距方式对目标距
大型构件的形位测量需移动测量靶球来实现,效率低,
不易操作;在箭体上安装水平仪的方法,会给箭体带 离进行测量。双轴激光扫描单元的主要功能是实现大
收稿日期:2016-04-19;修回日期:2016-06-20
基金项目:国家重大科学仪器设备开发专项项目2013YQ310633
作者简介:孙增玉1984-,女,高级工程师,主要研究方向为几何量测量和视觉测量
2016年第 6期 导 弹 与 航 天 运 载 技 术 No.6 2016
第 6期 79
总第 350期 孙增玉等 MISSILES AND 基于激光扫描的助推级位置度测量方法 SPACE VEHICLES Sum No.350
角度范围的 文章编号:10 目标精确扫 04-7182201606 描,并测量 -0078-05 目标的方位 DOI:10.7654、俯仰 j.issn.1004-7182.箱和头锥 20160618 6 个部段组成,各部段的装配对接框有较高
角等信息。中央控制单元负责系统的控制、信息处理 的加工精度,圆度误差小于 2.0 mm,能够反映助推器
以及数据解算。测量系统由激光测距装置、俯仰和水 主体的轴线位置。助推器Ⅰ和助推器Ⅲ起竖后,助推
基于激光扫描的助推级位置度测量方法
平码盘组成个标准的空间球坐标系,设被测点是此 级位置度测量装置对 2个助推器的对接框处进行扫描,
球坐标系下任意点,通过绝对测距得到仪器中心到 分别获得各助推器上 5 个区域的点云数据,根据点云
孙增玉,刘 柯,刘 华,袁 媛,高 越
被测点的距离 L,利用水平和俯仰 2 个测角码盘进行 数据拟合出助推器的中心轴线。
北京航天计量测试技术研究所,北京,100076
水平角α 和俯仰角β 的同步测量,从而得到被测点的 b多站位布局及坐标融合。
摘要:针对大型火箭垂直总装过程中助推级与芯级位置度、垂直度的测量问题,研究了种基于激光分层扫描原理的测
三维球坐标值 L,α,β见图 1 。 由于自身遮挡的原因,单台激光扫描设备只能对
量方法。介绍了该方法的测量原理、数学模型和数据处理方法,通过理论分析和现场测试证明,其垂直度测量误差小于 0.2,
助推级圆柱面的局部进行扫描,扫描区间为劣弧,由
位置度测量误差小于 2 mm。该方法具有测量精度高、自动化程度高、易实现现场测量等特点,能够有效解决型号总装现场的
劣弧解算圆心坐标会带来较大的解算误差,因此测量
测试问题。
过程中采用 3 个站位进行测量,在测量区域布置公共
关键词:垂直装配;位置度;激光扫描
基准转换点,建立多站测量网。在完成第 1 个站位的
中图分类号:V554 .1 文献标识码:A
测量后,对全局公共基准转换点进行测量,确定扫描
设备站点位置,将扫描设备移至站位 2 和站位 3,同样
进行扫描测量和公共基准点测量,将不同站位的扫描
Sun Zeng-yu, Liu Ke, Liu Hu点云融合到同坐标系下进行解算。 a, Yuan Yuan, Gao Yue
c位置度解算。
根据 3 个站位的点云数据拟合出助推器的中心轴
图1 球坐标系与直角坐标系
线方程,测量装置建立以大地铅垂方向为 Z 轴的测量
坐标系,根据轴线在测量坐标系下的直线方程解算
再通过式1获取被测点的 X,Y,Z坐标:
2 个助推器相对大地的垂直度。通过助推器支撑调整机
构调整助推器的垂直度至满足装配要求。测量装置对
ZL sinβ 两助推器的前捆绑点进行精确扫描,计算两前捆绑点
空间坐标,以助推器Ⅰ的轴线和前捆绑点建立助推器
式中 L 为空间距离;β 为 P 与 XOY 平面的夹角;α
Ⅰ坐标系,通过助推器位置关系数学模型,计算助推
为 P在 XOY平面的投影距离与 X方向的夹角。
0 引 言 来额外负载,且只能获得垂直度数据,无法测量助推
器Ⅲ在助推器Ⅰ坐标系下的位置偏移量,即实现了助
采用激光扫描原理进行火箭垂直装配过程助推级
各助推火箭的安装对称度及其相对于芯级的位 级位置度。
推级位置度的精确测量。
垂直度和位置度的测量原理如图 2所示。
置、垂直度参数会影响整个箭体的质心及平衡状态 , 本文旨在解决大型火箭垂直装配过程中助推级垂
装配过程中对助推级位置度进行精确测量必不可少, 直度和位置度的测量问题。采用激光扫描方式获取
2 测量数学模型的建立
是实现精确装配、实现设计技术指标的首要前提。 4 个助推级在测量装置球坐标系下特定区域的外形轮
测量系统对助推器 5 个对接框区域进行扫描,针
目前,国外主流宇航公司在运载火箭装配流程中 廓点云数据,对这些数据进行处理,部分完成助推级
对助推器外形,建立在测量坐标系下圆柱面的数学模
大都采用垂直总装的形式,且在装配现场都有针对大 点云数据