长时域装配过程中测量控制场的高精度校准方法

本发明属于数字化测量与装配领域，涉及一种长时域装配过程中测量控制场的高精度校准方法。

背景技术：

1、数字化测量驱动的原位装配已成为大型航空航天部件的主流制造模式之一，其中几何信息的精准测量与传递是实现航空航天装备高精度装配的核心。目前，航空航天装配现场内各局部测量系统的观测数据、执行工装/设备的位姿数据等均需以“测量控制场”为桥梁，将上述数据传递至全局坐标系，因此测量控制场的精度及可靠性直接影响最终产品的装配质量。然而，航空航天装配车间地面受载荷作用及地基自然沉降等因素，易发生非均匀变形，进而导致测量控制场内原标定信息失准，且长时域跨季节装配过程中温差导致地面热胀冷缩。上述因素共同导致测量控制场内各控制点(亦称ers点)发生明显偏移，随之其携带的全局信息(名义坐标值)失效。此时，若仍以上述测量控制场内控制点名义坐标求解不同基准之间的转换参数，则易引起较大基准统一误差，致使装配过程中质量数据传递精度严重下降。综上，针对测量控制场因地基沉降、温差、大载荷等因素导致测量控制场的精度可靠性差的问题，提出长时域装配过程中测量控制场的高精度校准方法，保证装配过程中质量数据的精准传递。

2、专利《一种飞机装配测量场点位校准方法》、专利号cn20201 0353894.8中，公开了一种飞机装配测量场点位校准方法，该方法先通过激光跟踪仪采集定向点和测站点的数据，之后根据定向点坐标和测站点坐标通过平差算法计算ers点和tb点坐标并转换到测量场的坐标系下，完成点位校准；专利《一种测量基准网的自动校准方法、装置、设备及介质》、专利号cn202410080738.7中，该发明通过获取ers点坐标，采用转站综合误差评定方法对激光跟踪仪进行转站；应用统一空间测量网络技术将ers点坐标值转化为测量基准网内ers点理论坐标。

3、上述方法只考虑了对装配现场的ers点及tb点坐标进行复测从而完成对装配测量场中的点位校准，没有对名义基准下的ers点坐标进行修正，求解得到的名义基准与实测基准的转换参数依旧不准确，还存在较大的基准统一误差。因此，本发明提出长时域航空装配现场测量控制场高精校准方法，在获取测量控制场的ers点实测坐标时，附加可移动定向点，形成定向约束，进而对ers点的名义坐标进行迭代修正并求解名义基准与实测基准之间的旋转矩阵与平移向量，并重新对测量控制场内全部ers点进行全局赋值，实现长时域航空装配过程中测量控制场精度的校准，减小因地基沉降等因素导致的基准统一误差，保证装配过程中质量数据的高精度传递，具有良好的通用性与广阔应用前景。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种长时域装配过程中测量控制场的高精度校准方法。

2、本发明的技术方案：

3、一种长时域装配过程中测量控制场的高精度校准方法，首先在构件长时域装配过程中，定期采用激光组网测量获取测量控制场中ers点实测坐标及附加定向点移动前后的实测坐标；其次，基于最小二乘原理，通过测量控制场中系列同名ers点的当前实测坐标及原标定的名义坐标，计算测量控制场名义基准与实测基准之间的转换参数，并将实测基准下ers点坐标及定向点坐标对齐至名义基准下，以获取名义基准下各ers点的坐标偏差；然后，结合装配现场实际工艺要求，设定坐标偏差阈值，构建基于附加定向点的定向实力约束，并将该约束引入ers点拟合残差最小的求解模型，从而构成新的以各ers点坐标偏差之和最小为目标的转换参数优化求解模型，进而提高测量控制场名义基准与实测基准的转换参数求解精度；最后，基于上述转换参数，重新对测量控制场内全部ers点进行全局赋值，实现长时域装配过程中测量控制场精度的校准，从而保证质量数据的高精度传递。具体步骤如下：

4、第一步，测量控制场内ers点及定向点组网测量

5、首先，在装配现场测量控制场内附加可移动的定向点，并在测量控制场内放置多台激光跟踪仪，通过激光组网测量，获取测量控制场内ers点的实测坐标值，构建数据集data，如式(1)所示：

6、

7、式中，为实测基准下第i个ers点的实测坐标，i＝1,2,…m，m为测量控制场内ers点数量；

8、其次，获取附加可移动的定向点初始实测坐标ql＝(xl,yl,zl)，再控制附加可移动的定向点进行定向移动，并获取附加定向点的实测坐标

9、第二步，测量控制场名义基准下ers点的坐标偏差求解

10、设为已知名义基准下第i个ers点的名义坐标，基于最小二乘原理，通过名义基准、实测基准中ers点名义坐标实测坐标求解上述两个基准之间的转换参数，即旋转矩阵和平移向量，如式(2)所示；

11、

12、式中，rl-g和tl-g为实测基准转换至名义基准的旋转矩阵和平移向量，如(3)所示；

13、

14、式中，γ、β、α分别表示实测基准和名义基准之间的旋转角；c、s分别表示cosine函数与sine函数；

15、将实测基准中ers点实测坐标附加可移动的定向点起点实测坐标ql及附加可移动的定向点终点实测坐标转换至名义基准，如式(4)所示；

16、

17、式中，为名义基准下测量控制场第i个ers点的实测坐标，为名义基准下附加可移动的定向点的起点坐标，为名义基准下附加可移动的定向点的终点坐标；然后，通过式(5)计算名义基准下系列同名ers点实测坐标与名义坐标偏差及定向点移动前后的位移；

18、

19、式中，δi,0为第i个ers点在名义基准下实测坐标与名义坐标的偏差值，因此δi,0＝(δxi,0,δyi,0，δzi,0)t，ε为名义基准下定向点移动前后的位移；

20、第三步，基于名义坐标迭代修正的转换参数求解

21、首先，建立以各ers点坐标偏差之和最小为目标的转换参数优化求解模型，待优化参量为ers点名义坐标偏差值和名义基准与实测基准之间转换参数，考虑到装配过程中实际测量工艺要求，避免发生过拟合情况，设定ers点名义坐标偏差阈值，其中目标函数如式(6)所示，约束函数如式(7)所示：

22、

23、式中，为名义基准与实测基准之间转换参数，δi,j为第i个ers点第j次优化得到的名义坐标偏差值，j＝1,2,...,n，n优化次数，δi,j＝(δxi,j,δyi,j，δzi,j)t，a和b分别为坐标偏差阈值的上限和下限；通过名义基准下ers点的名义坐标实测坐标及定向点坐标偏差ε，采用粒子群算法进行优化求解，算法中适应度函数为目标函数，对ers点的名义坐标值迭代修正，最后得到名义基准与实测基准之间的转换参数以及最终第n次优化得到的ers点的名义坐标偏差值δi,n，如式(8)所示；

24、δ＝[δ1,n,δ2,n,...,δi,n,...,δm,n] (8)

25、其次，基于转换参数，用激光跟踪仪获取测量控制场内新一组ers点的实测坐标其中i＝1,2,…,k，k为此次获取的测量控制场内ers点数量，然后基于该优化函数获取的转换参数，将实测基准下ers点实测坐标转换至名义基准，如(9)所示，

26、

27、式中，即为基于上述转换参数求解的第i个ers点转换至名义基准下的坐标值；

28、然后，计算该组ers点转换至名义基准的实测坐标与名义基准下名义坐标的坐标偏差ei，如(10)所示；

29、

30、本发明的有益效果：本发明可精确计算测量控制场中ers点名义基准下坐标偏差量，从而建立以各ers点坐标偏差之和最小为目标的转换参数优化求解模型，进而提高测量控制场名义基准与实测基准的转换参数求解精度，最后基于上述转换参数，重新对测量控制场内全部ers点进行全局赋值，实现长时域装配过程中测量控制场精度的校准，保障质量数据的高精度传递；该方法不仅具有较好的实用性和通用性，并且鲁棒性好、精度高，具有广阔的应用前景；