面向柔性装配的多测量系统集成应用关键技术研究.pdf

。M e a 。m 未来测量 面向柔性装配的多测量系统 集成应用关键技术研究 R e s e a r c ho nC r i t i c a lI n t e g r a t e dA p p l i c a t i o nT e c h n o l o g i e so fM u l t i p l e M e a s u r e m e n tS y s t e m si nF l e x i b l eA s s e m b l y 北京航空航天大学机械工程及自动化学院杜福洲 金杰陈哲涵 杜福洲 博士，副教授。主要研究方向为数 宇化测量技术及应用，测量驱动的数字 化装配、基于M B D 的产品检测与质量 保证。 飞机、卫星、船舶等大型产品的 装配具有作业空间大、部件结构复 杂、精度要求高等特点，为了适应高 效率、高精度与低成本的产品研制 要求，以模块化、可重组工装和数字 化测量系统为核心的柔性装配技术 逐渐得到广泛研究与应用，成为大型 产品数字化装配技术发展的方向f 1 1 。 在大型产品的数字化柔性装配过程 通过多测量系统的集成应用，可以对装配过程中各部 件进行全方位一次测量，包括隐藏点和难测的关键点等，减 少测量盲区、提高测量效率、降低测量误差，从而保证装配质 日 里。 中，激光跟踪仪、i G P s 等数字化测量 系统用于采集装配部件的测量点坐 标数据，通过软件对测量数据进行处 理，从而指导装配工装的定位和装配 过程的监控与调整，为装配过程的柔 性化和自动化提供支持1 2 J 。 随着产品功能的增强和性能的 提升，产品部件的结构越来越复杂， 大尺寸测量中需要测量的光学目标 点数量多、分布范围广，对接部件还 存在一些隐藏关键点和盲区。在数 字化装配的过程中，一台或者一种数 字化测量设备有时无法对一些隐藏 关键点进行测量，这样无法精确地对 部件进行测量与定位。此时需要采 用多台或者多种数字化测量仪器进 行协同配合测量，例如，多台激光跟 踪仪协同测量、激光跟踪仪和关节臂 的配合使用等。通过多测量系统的 集成应用，可以对装配过程中各部件 进行全方位一次测量，包括隐藏点和 难测的关键点等，减少测量盲区、提 高测量效率、降低测量误差，从而保 证装配质量p l 。 因此，本文提出了一种面向柔性 装配的多测量系统集成应用框架，并 对多测量系统数据采集与融合分析 等关键技术进行研究，在此基础上开 发出一套软件原型系统，与大型产品 数字化柔性装配过程中的硬件测量 设备相结合，实现装配过程的多测量 系统协同测量与数据分析，为保证产 品装配质量和提高装配效率提供支 持。最后，基于某航天器的部件数字 化对接过程对论文提出的方法与软 件系统进行了验证。 2 0 1 4 年第1 3 期航空制造技术4 3 万方数据 钐论坛 F O R U M 杂性以及生产周期的提升对装配定 备、研发的装配测量辅助软件、飞机 面向柔丝莓警的多测量系统 位的测量工作在精度和效率等方面数据模型三者之间的快速传递，实现 集成应用框架 提出了极高的要求，需要实现测量设 各测量环节的有机组合H 。本软件 多测量系统集成应用以数字化 测量设备为基础，以高效率、高精度 的装配过程数据采集与反馈为目的， 其实现途径如图1 所示。 多测量系统的集成应用主要分 为4 个层次： ( 1 ) 多测量系统的二次开发、测 量数据的预处理、测量数据融合和数 据分析与反馈。多测量系统的二次开 发是指通过测量仪器提供的二次开发 包，建立原型系统与测量系统的连接 与通信，实现多测量系统的集成； ( 2 ) 测量数据预处理是指通过 数据采集得到测量数据，然后对测量 数据进行预处理，如数据格式统一、 空间坐标系对齐、时间序列同步和误 差处理等，为数据融合做准备； ( 3 ) 数据融合是指经过数据预 处理后的测量数据按照一定的准则 通过坐标变换、协同转站、数据融合 技术等得到同一坐标系下的测量数 据； ( 4 ) 数据处理是以算法库为核 心，对融合后的测量数据进行分析和 处理，如测点不确定度评估、位姿最 佳拟合、调姿规划等。 在上述关键技术研究基础上，开 发一套多测量系统集成应用软件，为 航天器数字化对接、飞机数字化装配 和数字化检测等工程应用提供支持。 多测量系统测量过程 协同技术 由于不同测量设备数据采集的 准则、数据格式和采样频率不一样， 在数字化对接装配过程中，为了实现 多台测量设备协同测量，首先需要研 究多测量系统测量过程协同技术，主 要包括测量工艺规划和测量系统集 成管理2 部分。 1 面向多测量系统的测量工艺规划 现代航空航天产品制造结构复 4 4 航空制造技术2 0 1 4 年第1 3 期 图1面向柔陛装配的多测量系统集成应用框架 图2多测量系统集成应用软件环境 对 接 部 件 装 配 数 据 模 型 一一一一一一 万方数据 。M e a 。t 未来测量 系统以测量软件为基础，以多种数字 化测量设备为实施工具，能够对待测 对象实施快速精确、自动化的测量， 通过对测量数据处理获得对接部件 准确的位姿信息，并能够对对接结果 进行分析和评估。软件系统的软件 环境框架如图2 所示。 数字化装配测量系统根据对接 部件装配数据模型和多测量设备，进 行测量规划和数字化测量场的构建， 通过测量设备获取基准点和测量点 的测量数据，根据测量数据拟合出对 接部件的位姿，并根据位姿信息生成 对接部件的调姿轨迹规划文件，由控 制系统驱动机构运动到目标位姿，不 断测量反馈并不断调整直至部件装 配准确。 测量规划的主要内容为测量的 布局规划和激光跟踪仪的站位规划。 测点的数量和布局直接影响测量结 果的准确性。因此，需要针对不同的 产品几何特征、测量特征，采用不同 的布点策略来达到布点的合理性要 求。一般而言，在保证测量精度要求 的前提下，为提高检测执行效率，测 点的数量应尽可能少，测点的位置尽 可能广地分布在被测几何对象上。 对于基本几何对象或规则被测表面， 测点布局的确定通常采用的是均匀 分布方式。对于不规则被测表面，需 要在曲率变化大的区域密集分布以 更好地体现该区域的几何特点。 在测量过程中，测量设备所处的 位置应当尽可能检测到所有的检测 测量点。如果不能，在测量工艺规划 阶段应当对测量设备的站位进行规 划，在满足测量精度的前提下，确保 使用尽可能少的仪器尽可能多地覆 盖测量点陋J 。 2 基于A P I 的多测量系统集成技术 通过测量系统提供的二次开发 接口，建立测量系统与软件系统的连 接，以T C P I P 协议建立通信，实现测 量数据的采集，完成测量系统与软件 系统初步集成。软件系统目前集成 了多种测量系统，如L e i r a 激光跟踪 仪、A P I 激光跟踪仪、i G P S 。 L e i c a 激光跟踪仪的二次开发接 口是l e i c a - E S S D K ，e m S c o n 是L e i c a 激光跟踪仪的开源底层控制软件，通 过e m S c o n 可在多平台下控制L e i c a 激光跟踪仪进行参数设定、简单测 量、状态反馈、控制马达运动等。 i G P S 的集成是通过i G P S 厂商提供的二次开发包i G P S s u r v e y o r ，以c 0 M 方式调用厂商提 供的动态链接库( M e t r i s C o m m o n C o m m u n i c a t i o n d l l 、M e t r i s C o m m o n M a t h e m a t i c s d l l 、M e t r i s C o r e d l l 、 M e t r i s S u r v e y o r C l i e n t d l l 、M e t r i s S u r v e y o r C o m m o n d 1 1 ) 来和i G P s 服 务器s u r v e y o r 软件进行通信。通过 调用厂商提供的库来主动获取接收 器的位置信息和接收推送数据。 集成多测量系统后功能实现界 面如图3 所示。 数据转换到同一测量坐标系下进行 协调优化和综合处理，从而产生更为 准确、可靠的信息陋l 。 测量数据融合的功能模型如图 4 所示，该模型中的数据源是指测量 设备的原始测量数据，以及按照融合 需要测量设备对原始数据作一定处 理后的信息。 测量数据预处理是在数据融合 之前，对测量数据进行空间坐标系对 齐、时间序列同步以及数据误差处理 等。软件系统根据预处理的数据进 行坐标变换、数据滤波、数据整合等 方法得到数据融合后的数据，该数据 可以直接用于对接部件的位姿拟合、 轨迹规划等计算。其中，数据整合是 指将预处理得到的同一坐标系下的 测量数据经过坐标变换得到测量点 在装配坐标系、设计坐标系下的测量 值，以便通过数据处理得到对接部件 的姿态。 _ q - _ i i 日r 一- 一f - 一 一一 一，一t H7 - HI - - 一 j 嚣P rr P n r 一r 一 l ，拦皇。巴I _ 1 一 一 。 一一_ i 毒三 r ? f 。叫r! _ J一 l 营L 【 - l 一 - _ _ l _ 。 ! 上7 H - M _ _ H _ _ 一 ! ! ! 一 _ _ 一 ”! ! - m ? i r7 rr 焉一r 一 一 L _ - - 一一- 啊 ! ! 191- K 。! - 一 ! j ! - _ ! J - R - 螺 t - - 田 _ J _ - i i - 一j ? I s鼍：-m l_ 唧 等二 1T hd ：汐：一 兰鬯苎一 M I 艇虚； l 健秘f【簟-l I一 臣圃 ! - ! - 二妇 图3 多测量系统初始化的可视化界面 多源异构测量数据 融合技术 多测量系统集成应用的关键是 对从不同测量系统得到的多源异构 测量数据的融合。数据融合的实质 就是依据一定的准则，多源异构测量 1 测量数据预处理 在对接装配过程中，当使用不同 测量设备对测量点进行测量时，由于 测量设备、站位不同，通过数据采集 得到的测量数据是在不同坐标系下、 不同频率和不同数据格式的测量数 据，在数据融合之前需要对测量数据 2 0 1 4 年第1 3 期航空制造技术4 5 万方数据 论坛 、 、 数 据 处 理 则h ! 数据预处理 J一 ( 数据格式统一) ( 空间坐标系对为( f I t l 瑚序列同步) 1-_。_。_。-。_ ( 系统误差处理) ( 随机误差处理) ( 粗大误差处理) - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - ，1 、_ _ _ _ _ _ _ - I - _ _ _ _ _ - - _ _ _ - _ ，、- _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一， _ ( 数据融合算法) 1 、- _ - 、 ( 数据滤波算法) 、，_ 伍翮 、- _ 伍阖 、 r 玎 说 化 界 面 界向实现 簟 图4多源异构数据融合功能模型 进行预处理。预处理包括数据格式 统一、空间坐标系对齐及时间序列同 步并且尽可能消除一部分的测量误 差。图5 为多测量设备数据预处理 流程图。 在对接装配过程中，不同测量设 备所建立的测量坐标系不相同，因 此，要保证数据融合处理的精度，数 据融合之前，需要对测量坐标系进行 统一，即把不同测量坐标系下的测量 值通过坐标变换到同一公共坐标系 上，这就是空间坐标系对齐1 4 l 。测量 过程中由于测量设备测量机制不同， 采样速率和采样时间也不同，再加上 可能存在的通信网络延迟，数字换测 量软件系统获取的测量数据的时间 基准不同。因此，在数据融合处理前， 还必须对测量数据进行时间序列同 步，把测量数据推算到同一参考时间 上：由于不同测量设备的测量数据 格式不同，在数据融合前需要进行数 据格式对准，将测量数据转化为同一 格式。 在测量数据中，一般存在各种测 量误差，包括粗大误差、系统误差和 随机误差。目前，粗大