CN103353277B

CN103353277B - 一种用于飞机装配工装数字化测量的激光跟踪仪设站方法

Info

Publication number: CN103353277B
Application number: CN201310283517.1A
Authority: CN
Inventors: 郑国磊; 许璟琳; 曹巍; 吴发明; 张奕忱; 邱�益
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2013-07-08
Filing date: 2013-07-08
Publication date: 2016-06-01
Anticipated expiration: 2033-07-08
Also published as: CN103353277A

Abstract

本发明公开一种用于飞机装配工装数字化测量的激光跟踪仪设站方法，其步骤如下：1）确定设站基准；2）输入激光跟踪仪参数；3）计算支撑平面的二维包围盒；4）获得初始搜索输入点；5）读入光学目标点，进行光线距离和夹角判断；6）干涉检查；7）聚类算法结合模拟退火算法求最少站位；8）若求得最少站位个数为零，则增加工装或跟踪仪的工作台高度，转步骤3）执行下一层搜索，否则，转步骤9）；9）将激光跟踪仪载入到所得最佳设站位置处。至此，求得可测量到各光学目标点的最少站位。本发明能够快速定位激光跟踪仪的设站位置，有效避免实际工作中工装人员凭经验设站造成的光学路径干涉，或多次转站造成测量精度降低的问题。

Description

一种用于飞机装配工装数字化测量的激光跟踪仪设站方法

技术领域

本发明涉及航空制造中的飞机工装制造领域，具体来说，是一种用于飞机装配工装数字化测量的激光跟踪仪设站方法。

背景技术

激光跟踪仪由于具有高精度、高效率、实时跟踪测量、安装快捷、操作简便等特点，广泛地应用于飞机装配工装的安装测量及定期检查过程中。由于飞机装配工装尺寸较大、结构复杂，夹具和定位件数量众多，因而需要布置的光学目标点数量相当多，加之工装操作人员一般凭经验来放置激光跟踪仪，当光学路径被遮挡或者一次设站不能测量所有光学目标点时，需反复调整激光跟踪仪的站位，导致多次转站，降低工作效率，影响测量精度。因此，需要研究激光跟踪仪设站技术，以提高飞机装配工装制造效率。

激光跟踪仪的设站研究，就是在给定空间中寻找用于测量所有光学目标点的设站位置，使得激光跟踪仪转站次数最少，而且光学路径不被空间设备阻挡，从而缩短测量时间，提高测量效率。

但是现有技术方案存在一些不足：

（1）没有同时考虑激光跟踪仪参数和干涉检查；

（2）缺乏快速有效的设站位置搜索方法。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提出一种用于飞机装配工装数字化测量的激光跟踪仪设站方法，实现数字化环境中激光跟踪仪设站的模拟，测量过程的监控，为实际操作提供真实可靠的设站位置数据，保证用最少的设站次数，测量到最多的光学目标点，并且光学路径不受空间设备阻碍。本发明一种用于飞机装配工装数字化测量的激光跟踪仪设站方法，具体通过下述步骤实现：

一种用于飞机装配工装数字化测量的激光跟踪仪设站方法，基于CATIA环境，通过下述步骤实现：

步骤1：在CATIA环境中导入飞机装配工装数字化模型，交互选择飞机工装的支撑平面；

步骤2：输入激光跟踪仪的测距dist(mm)、最大俯角α_max(°)、最大仰角β_max(°)、跟踪器高度h(mm)、水平摆角γ_max(°)、型架工作台高度h_t(mm)及激光跟踪仪工作台高度h_l(mm)等参数；

步骤3：计算支撑平面的二维包围盒；

根据步骤1输入的支撑平面，计算支撑平面的二维包围盒，并获得支撑平面指向装配工装的法矢方向；

步骤4：获得初始搜索输入点；

将步骤3所获得的包围盒沿支撑平面法矢方向平移h，作为激光跟踪仪跟踪仪放置位置的初始搜寻范围；

将初始搜寻范围按照每100mm布置1个站位点的精度进行离散，获得的所有点作为站位搜索的输入点；

步骤5：读入所有光学目标点的坐标，依次创建输入点与各光学目标点的连线；

在步骤5中，当创建连线完毕后，计算连线长度，如果连线长度大于测距dist(mm)，则抛弃该输入点；

在步骤5中，当排除不符合测距要求的输入点之后，计算连线与步骤1所选择的支撑平面的夹角，当夹角大于0°时，该角为仰角，如果该夹角大于最大仰角β_max(°)，则该输入点不符合输入参数限制，抛弃该输入点；当夹角小于等于0°时，该角为俯角，如果该夹角大于最大俯角α_max(°)，则抛弃该输入点；

步骤6：通过步骤5获得满足测距和俯仰角要求的输入点之后，依次判断输入点与各光学目标点的连线是否与数字环境中的其他设备发生干涉，即判断激光跟踪仪的光线是否会受空间设备阻隔，如果是，则排除该设站输入点；

步骤7：通过以上步骤，可获得各个站位与其对应的光学目标点，然后通过聚类算法合并所有可用站位，然后通过模拟退火算法计算求得最少站位；

步骤8：如果求得的最少站位个数为0，则输入工装或跟踪仪的工作台高度，将搜索平面的高度对应减少或增加所输入的高度值，转到步骤3，直到求得可用站位，转步骤9；

步骤9：将激光跟踪仪载入到所求得的最佳设站位置处。

通过上述方法，可实现激光跟踪仪设站位置的自动求解，即在CATIA中交互选择装配工装的支撑平面之后，由本文提出的方法自动计算最优的激光跟踪仪设站位置。

本发明的优点在于：

（1）本发明一种用于飞机装配工装数字化测量的激光跟踪仪设站方法，充分考虑激光跟踪仪测距、最大俯仰角等参数，并进行跟踪仪光线与空间设备的干涉检查，能够充分发挥激光跟踪仪设备的功能，达到较好的测量效果；

（2）本发明一种用于飞机装配工装数字化测量的激光跟踪仪设站方法，提供了一种计算激光跟踪仪设站位置的方法，可以实现用最少的设站次数测量到最多的光学目标点，并且保证光学路径不受空间设备阻隔，可为工装操作人员提供较好的技术指导，缩短飞机装配工装的研制周期。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例所述一种用于飞机装配工装数字化测量的激光跟踪仪设站方法的流程图；

图2为本发明实施例所述飞机装配工装验证实例；

图3为本发明实施例所述交互操作参数输入界面；

图4为本发明实施例所述分层搜索过程示意图，其中：

图4（a）为本发明实施例所述工装支撑平面的包围盒示意图；

图4（b）为本发明实施例所述搜索平面示意图；

图4（c）为本发明实施例所述搜索平面离散示意图；

图5为本发明实施例所述距离、俯仰角判断和干涉检查示意图；

图6为本发明实施例所述聚类算法和模拟退火算法求最优设站位置流程图；

图7为本发明实施例所述设站优化结果示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

下面将结合附图对发明进行进一步的详细说明，如附图1所示为本发明实施例所述面向飞机工装数字化装配的激光跟踪仪设站方法流程图，附图2所示为本发明实施例所述面向飞机工装数字化装配的激光跟踪仪设站方法所使用的工装验证实例。由图2可知，所述飞机装配工装实施例包括底座1，支撑框架2，定位器3，目标测量点4，压紧器5，框6。

该方法实现的总流程为：步骤1：在CATIA环境中导入飞机装配工装数字化模型，交互选择飞机工装的支撑平面；步骤2：输入激光跟踪仪的测距、最大俯角、最大仰角、跟踪器高度等参数；步骤3：计算支撑平面的二维包围盒；步骤4：获得初始搜索输入点；步骤5：读入所有光学目标点的坐标，依次创建输入点与各光学目标点的连线，判断连线长度及连线与支撑平面夹角是否符合输入参数限制条件；步骤6：进行干涉检查，判断光学路径是否会与设备发生干涉；步骤7：通过以上步骤，获得各个站位与其对应的可测光学目标点，然后通过聚类算法结合模拟退火算法求得最少站位；步骤8：如果求得的最少站位个数为0，则输入工装或跟踪仪的工作台高度，转到步骤3继续执行下一层搜索，否则，转步骤9；步骤9：将激光跟踪仪载入到所求得的最佳设站位置处。

在附图3所示的界面中，首先选择附图2中支撑框架2的支撑平面，然后输入激光跟踪仪的测距dist、最大俯角α_max、最大仰角β_max、跟踪器高度h、水平摆角γ_max、型架工作台高度h_t及激光跟踪仪工作台高度h_l等参数；

步骤3：计算支撑平面的二维包围盒；

步骤4：获得初始搜索输入点，将步骤3所获得的包围盒沿支撑平面法矢方向平移h，作为激光跟踪仪跟踪仪放置位置的初始搜寻范围，然后，将初始搜寻范围按照每100mm布置1个站位点的精度进行离散，获得的所有点作为站位搜索的输入点；

首先，通过步骤3获得如附图4（a）所示的工装支撑平面包围盒，计算求得包围盒的长X_minmm，宽Y_minmm，将包围盒沿长和宽方向分别延伸a和b，扩展后的空间作为跟踪仪设站的站位选择区，如附图3所示，其中，a和b应满足：X_min+a≤dist，Y_min+b≤dist，否则，站位选择区将超出激光跟踪仪的测距，影响测量精度。

其次，将其扩展后沿底面法矢方向向上平移跟踪器高度的距离h，作为设站位置的初始搜寻范围，如附图4（b）所示；

然后，将初始搜寻范围按照长宽方向每100mm分布一个站位点的精度进行离散，可以获得n个站位搜索的输入点，其中n＝[(X_min+2a)/100]×[(Y_min+2b)/100]。离散示意图如图4（c）所示。

首先，建立输入点与光学目标点的连线，如附图5所示，计算连线长度l、连线与水平面的夹角α，当α≥0°时，夹角为仰角，否则，夹角为俯角。当且仅当l≤dist，α≤α_max(α≥0°)或α≤β_max(α＜0°)时，该输入点才满足距离和俯仰角条件，进入下一步判断，否则，抛弃该输入点；

其次，干涉检查。干涉检查的方法为：获得输入点与光学目标点之间的连线，获得装配环境中所有零件体，通过连线与各零件体依次求交，若求交结果有干涉，则使用该站位进行测量，其光学路径会受到阻隔，即不能用该站位点测量该光学目标点。

步骤7：通过以上步骤，可获得各个站位与其对应的光学目标点，通过聚类算法合并所有可用站位，然后通过模拟退火算法计算求得最少站位，算法流程如附图6所示；

如果在第一层搜索平面未找到合适的设站位置，则根据输入的工作台高度h_t及h_l进行搜索，如附图4（b）所示，第二层搜索平面的高度为h+Δh，其中Δh＝h_t-h_l。直到查找到最佳设站位置，或者用户终止查找过程，退出分层搜索循环。

步骤9：将激光跟踪仪载入到所求得的最佳设站位置处。

选择一个激光跟踪仪设站位置，将激光跟踪仪载入到所求得的最佳设站位置处，结果如附图7所示。之后就可以模拟激光跟踪仪测量光学目标点的过程，或者输出设站位置，指导工装人员实际设站。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims

1.一种用于飞机装配工装数字化测量的激光跟踪仪设站方法，其特征在于，基于CATIA环境，通过下述步骤实现：

步骤2：输入激光跟踪仪的各项参数，包括测距dist、跟踪器高度h、型架工作台高度h_t、工作台高度h_l、最大俯角α_max、最大仰角β_max以及水平摆角γ；

步骤3：计算支撑平面的二维包围盒；

步骤4：获得初始搜索输入点；

将步骤3所获得的包围盒沿支撑平面法矢方向平移距离t，作为激光跟踪仪放置位置的初始搜寻范围；

将初始搜寻范围按照每隔100mm布置1个站位点的精度进行离散，获得的所有点作为站位搜索的输入点；

步骤5：读入所有目标测量点的坐标，依次创建输入点与各目标测量点的连线；

在步骤5中，当创建连线完毕后，计算连线长度，如果连线长度大于测距dist，则抛弃该输入点；

在步骤5中，当排除不符合测距要求的输入点之后，计算连线与步骤1所选择的支撑平面的夹角，当夹角大于0°时，该角为仰角，如果该夹角大于最大仰角β_max，则该输入点不符合输入参数限制，抛弃该输入点；当夹角小于等于0°时，该角为俯角，如果该夹角大于最大俯角α_max，则抛弃该输入点；

步骤6：通过步骤5获得满足测距和俯仰角要求的输入点之后，依次判断输入点与各目标测量点的连线是否与数字环境中的其他设备发生干涉，即判断激光跟踪仪的光线是否会受空间设备阻隔，如果是，则排除该设站输入点；

步骤7：通过以上步骤，可获得各个站位与其对应的目标测量点，通过聚类算法合并所有可用站位，然后通过模拟退火算法计算求得最少站位；

步骤9：将激光跟踪仪载入到所求得的最佳设站位置处。

2.如权利要求1所述的用于飞机装配工装数字化测量的激光跟踪仪设站方法，其特征在于：

所述设站方法采用分层搜索的策略，先搜索激光跟踪仪跟踪器所在高度的平面，未求得最优设站位置时，再考虑工作台高度。

3.如权利要求1所述的用于飞机装配工装数字化测量的激光跟踪仪设站方法，其特征在于：

所述设站方法采用逐级排除策略获得可用站位，通过建立输入站位与目标测量点之间的连线，计算连线距离判断是否超过激光跟踪仪的测距，计算俯仰角判断是否在最大俯仰角范围内；通过干涉检查判断光学路径是否受阻，干涉检查的方法为：获取装配环境中的所有设备，通过连线与各个设备依次求交，如果相交，则光学路径受设备阻隔，反之，则输入站位为可用站位。

4.如权利要求1所述的用于飞机装配工装数字化测量的激光跟踪仪设站方法，其特征在于：

所述设站方法采用了聚类合并算法缩小问题规模，并采用模拟退火算法求得最少站位。