激光跟踪仪转站热变形误差建模与补偿方法

doi:10.7527/S1000-6893.2014.0217

材料工程与机械制造

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激光跟踪仪转站热变形误差建模与补偿方法

杨宝旒¹, 俞慈君¹, 金涨军¹, 李江雄¹, 李明飞²

1. 浙江大学机械工程学系, 杭州 310027;
2. 中航工业陕西飞机工业(集团)有限公司, 汉中 723213

收稿日期:2014-08-16 修回日期:2014-09-07 出版日期:2015-09-15 发布日期:2015-10-13
通讯作者: 俞慈君男, 博士, 助理研究员。主要研究方向: 飞机数字化装配精度场理论及应用、数字化测量技术。 Tel: 0571-87953926 E-mail: yuppy@zju.edu.cn E-mail:yuppy@zju.edu.cn
作者简介:杨宝旒男, 硕士研究生。主要研究方向: 飞机数字化装配测量。 E-mail: abaoliupaul@126.com;金涨军男, 博士研究生。主要研究方向: 飞机装配大尺寸数字化测量。 E-mail: leopard85@zju.edu.cn;李江雄男, 博士, 教授。主要研究方向: 飞机数字化装配技术。 E-mail: ljxiong@zju.edu.cn;李明飞男, 本科, 高级工程师。主要研究方向: 飞机装配工艺技术。 E-mail: sflimingfei@163.com
基金资助:
国家自然科学基金 (51375442)

Thermal deformation error modeling and compensation approach for laser tracker orientation

YANG Baoliu¹, YU Cijun¹, JIN Zhangjun¹, LI Jiangxiong¹, LI Mingfei²

1. Department of Mechanical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China;
2. AVIC Shaanxi Aircraft Industry (Group) Corporation Ltd, Hanzhong 723213, China

Received:2014-08-16 Revised:2014-09-07 Online:2015-09-15 Published:2015-10-13
Supported by:
National Natural Science Foundation of China (51375442)

摘要/Abstract

摘要：

在飞机数字化装配测量中,激光跟踪仪的转站精度决定着测量精度和装配质量,提高转站精度至关重要。而布置在工装上的公共观测点随温度变化发生的热变形,导致观测点偏离理论位置,往往是降低转站精度的主要原因。以壁板工装为实例,通过有限元模型仿真计算,得到观测点呈线性变形规律,并提出了用单位温度热变形系数矩阵来对理论坐标进行补偿的方法。根据仿真获得的变形规律,又提出了对大量实验数据统计分析来获得系数矩阵的方法。并采用回归分析的方法,检验了仿真和实验两种方式所获得的系数矩阵的相关性和等价性,表明仿真获得的系数矩阵的正确性。最后,用实例验证了工装上观测点热变形的线性关系和用热变形系数矩阵进行补偿的有效性。

关键词: 激光跟踪仪, 公共观测点, 热变形误差, 有限元仿真, 回归分析

Abstract:

It is crucial to improve the laser tracker orientation accuracy, which determines the measurement accuracy and assembly quality in the process of aircraft digital assembly. The change of temperature often leads to ERS (Enhanced Reference System) points' deviation from the theoretical position, which is the main cause for the reduction of orientation accuracy. A panel fixture is studied as an example and the deformation of ERS points turns out to change linearly through the calculation of finite element model (FEM). Then a method for computing the thermal deformation coefficient matrix in per degree is proposed to compensate the theoretical coordinate. According to the deformation rule, another method to get the matrix coefficient is proposed using statistical analysis of experimental data. We check the relevance and equivalence of coefficient matrix getting from FEM and experiment with regression analysis, which validate the correctness of coefficient matrix from FEM. Finally, linear relationship of thermal deformation and effectiveness of compensation are demonstrated by examples.

Key words: laser tracker, enhanced reference system points, thermal deformation error, FEM simulation, regression analysis

中图分类号:

V262.4⁺3

杨宝旒, 俞慈君, 金涨军, 李江雄, 李明飞. 激光跟踪仪转站热变形误差建模与补偿方法[J]. 航空学报, 2015, 36(9): 3155-3164.

YANG Baoliu, YU Cijun, JIN Zhangjun, LI Jiangxiong, LI Mingfei. Thermal deformation error modeling and compensation approach for laser tracker orientation[J]. ACTA AERONAUTICAET ASTRONAUTICA SINICA, 2015, 36(9): 3155-3164.

参考文献

[1] Zou J H, Liu Z C, Fan Y Q. Large-size airplane parts digital assembly technology[J]. Computer Integrated Manufacturing Systems, 2007, 13(7): 1367-1373 (in Chinese). 邹冀华, 刘志存, 范玉青. 大型飞机部件数字化对接装配技术研究[J]. 计算机集成制造系统, 2007, 13(7): 1367-1373.
[2] Du F Z, Chen Z H, Tang X Q. Precision analysis of iGPS measurement field and its application[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2012, 33(9): 1737-1745 (in Chinese). 杜福洲, 陈哲涵, 唐晓青. iGPS测量场精度分析及其应用研究[J]. 航空学报, 2012, 33(9): 1737-1745.
[3] Qu W W, Dong H Y, Ke Y L. Pose accuracy compensation technology in robot-aided aircraft assembly drilling process[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2011, 32(10): 1951-1960 (in Chinese). 曲巍崴, 董辉跃, 柯映林. 机器人辅助飞机装配制孔中位姿精度补偿技术[J]. 航空学报, 2011, 32(10): 1951-1960.
[4] Arun K S, Huang T S, Blostein S D. Least-squares fitting of two 3-D point sets[J]. IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence, 1987, 9(5): 698-700.
[5] Horn B K P. Closed-form solution of absolute orientation using unit quaternions[J]. Journal of the Optical Society of America A, 1987, 4(4): 629-642.
[6] Horn B K P, Hilden H M, Negahdaripour S. Closed-form solution of absolute orientation using orthonormal matrices[J]. Journal of the Optical Society America, 1988, 5(7): 1127-1135.
[7] Walker M W, Shao L, Volz R A. Estimating 3-D location parameters using dual number quaternions[J]. CVGIP: Image Understanding, 1991, 54(3): 358-367.
[8] Eggert D W, Lorusso A, Fisher R B. Estimating 3-D rigid body transformations: A comparison of four major algorithms[J]. Machine Vision and Applications, 1997, 9(5): 272-290.
[9] Geng N, Zhu J G, Lao D B, et al. Theory and algorithm of coordinate system registration based on rigid body kinematics[J]. Chinese Journal of Sensors and Actuators, 2010, 23(8): 1088-1092 (in Chinese). 耿娜, 邾继贵, 劳达宝, 等. 基于刚体运动学的坐标系配准理论及算法[J]. 传感技术学报, 2010, 23(8): 1088-1092.
[10] Zhang C F, Zhang J, Tang W Y, et al. A coordinate transformation method of moving the station of large scale measurement based on mode searching[J]. Aviation Metrology & Measurement Technology, 2003, 23(6): 12-14 (in Chinese). 张春富, 张军, 唐文彦, 等. 一种基于模式搜索的大尺寸测量移站坐标转换方法[J]. 航空计测技术, 2003, 23(6): 12-14.
[11] Yu C J, Li J X, Yu F J, et al. 3D points registration algorithm with engineering constraints[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2010, 46(5): 183-190 (in Chinese). 俞慈君, 李江雄, 余锋杰, 等. 带工程约束的点匹配算法[J]. 机械工程学报, 2010, 46(5): 183-190.
[12] Alfons M, Scott S. Dynamic weighting of laser tracker measurements for bundle adjustment[R]. Wetzlar: Leica Geosystems.
[13] Calkins J M, Salerno R J. A practical method for evaluating measurement system uncertainty[C]//Boeing Large Scale Metrology Conference, 2000.
[14] Mitchell J, Spence A, Manhtriet H, et al. Sensors fusion of laser tracker for use in large-scale precision metrology[C]//Photonics Technologies for Robotics, Automation, and Manufacturing. International Society for Optics and Photonics, 2004: 57-65.
[15] Zhang F M, Qu X H, Ye S D. Uncertainty analysis in large-scale measurement based on Monte Carlo simulation method[J]. Computer Integrated Manufacturing Systems, 2009, 15(1): 184-188 (in Chinese). 张福民, 曲兴华, 叶声达. 基于蒙特卡罗仿真方法的大尺寸测量不确定度分析[J]. 计算机集成制造系统, 2009, 15(1): 184-188.
[16] Zhang C F, Zhang J, Xu W H, et al. Evaluation of site measuring uncertainty of laser tracker[J]. Acta Metrologica Sinica, 2005, 26(1): 20-22 (in Chinese). 张春富, 张军, 许文海, 等. 激光跟踪仪现场测量不确定度的评定[J]. 计量学报, 2005, 26(1): 20-22.
[17] Yang J G, Fan K G, Du Z C. The technology of real-time thermal error compensation on NC machine tolls[M]. Beijing: China Machine Press, 2013: 87-102 (in Chinese). 杨建国, 范开国, 杜正春. 数控机床误差实时补偿技术[M]. 北京: 机械工业出版社, 2013: 87-102.
[18] Fei Y T. Theory and application of mechanical thermal deformation[M]. Beijing: National Defense Industry Press, 2009: 1-13 (in Chinese). 费业泰. 机械温度变形理论及应用[M]. 北京: 国防工业出版社, 2009: 1-13.
[19] Cao J F, Shi Y P. ABAQUS FEA common questions and answers[M]. Beijing: China Machine Press, 2009: 49-56 (in Chinese). 曹金凤, 石亦平. ABAQUS有限元分析常见问题解答[M]. 北京: 机械工业出版社, 2009: 49-56.
[20] Sheng Z, Xie S Q, Pan C Y. Theory of probability and mathematical statistics professional[M]. 3rd ed. Beijing: Higher Education Press, 2007: 159-170 (in Chinese). 盛骤, 谢式千, 潘承毅. 概率论与数理统计[M]. 3版. 北京: 高等教育出版社, 2007: 159-170.

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[1]	盛方怡, 杨国林, 孟凡通, 董志刚, 康仁科. 沉头孔螺旋铣削加工有限元仿真分析[J]. 航空学报, 2024, 45(1): 428690-428690.
[2]	程旋, 赵亦希, 尤舒曼. 机器人柔性翻边成形轨迹优化[J]. 航空学报, 2023, 44(4): 426886-426886.
[3]	邹田春, 巨乐章, 管玉玺, 李泽钢, 陈红呈. 铺层方式对CFRP⁃Al胶接接头疲劳行为的影响[J]. 航空学报, 2023, 44(18): 428264-428264.
[4]	陈江波, 曾凯, 邢保英, 张洪申, 丁燕芳, 何晓聪. 铝合金-胶膜压印/粘接复合连接工艺及接头失效分析[J]. 航空学报, 2023, 44(14): 428029-428029.
[5]	曹毅, 孟刚, 居勇健, 徐伟胜. 考虑伴生转动的大行程柔性微定位平台[J]. 航空学报, 2022, 43(7): 425498-425498.
[6]	曹振忠, 张帆, 章定国, 余毅. 带有安装边螺栓连接结构的机匣包容能力研究[J]. 航空学报, 2021, 42(9): 224563-224563.
[7]	段佳桐, 隋福成, 刘汉海, 解放, 欧阳天, 鲍蕊. 弯曲载荷下薄壁结构疲劳裂纹扩展性能[J]. 航空学报, 2021, 42(5): 524326-524326.
[8]	梁飞, 効迎春, 鲁楠, 朱峰. 电分相电弧对全向信标电磁辐射特性的分析[J]. 航空学报, 2020, 41(8): 323705-323705.
[9]	汪存显, 高豪迈, 龚煦, 索涛, 李玉龙, 汤忠斌, 薛璞, 侯亮, 林家坚. 航空铆钉连接件的抗冲击性能[J]. 航空学报, 2019, 40(1): 522484-522484.
[10]	吴松, 臧旭, 龙新军, 郭其威. 吊挂式模态试验系统动力学建模和分析[J]. 航空学报, 2018, 39(S1): 722191-722191.
[11]	兑红娜, 王勇军, 董江, 刘小冬. 基于飞行参数的飞机结构载荷最优回归模型[J]. 航空学报, 2018, 39(11): 222158-222167.
[12]	杨强, 闻聪聪, 孙志礼, 张孟君. 航空电连接器接触件疲劳寿命的可靠性分析[J]. 航空学报, 2018, 39(10): 222123-222123.
[13]	李岩, 王绍龙, 易贤, 周志宏, 郭龙. 绕轴旋转圆柱结冰特性结冰风洞试验[J]. 航空学报, 2017, 38(2): 520693-520703.
[14]	刘嘉, 徐正扬, 万龙凯, 朱荻, 朱栋. 整体叶盘叶型电解加工流场设计及实验[J]. 航空学报, 2014, 35(1): 259-267.
[15]	郝文锐, 吕震宙, 田龙飞. 基于方差的相关输入变量重要性测度分析新方法[J]. 航空学报, 2011, 32(9): 1637-1643.