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Radian激光跟蹤儀實現(xiàn)超大不規(guī)則形狀工件的高精度裝配_API公司
閱讀：183 發(fā)布時間：2022-8-29
關(guān)于超大型工件的高精度裝配
在某些領(lǐng)域的工業(yè)生產(chǎn)中，涉及到使用超大型工件。超大型工件往往具備體積龐大、以及重量巨大的特點，且基于生產(chǎn)對于質(zhì)量的要求，工件的制造和裝配公差都有著嚴(yán)格的限定，故而工件整體的裝配精度較難通過使用傳統(tǒng)的方式得以保障。
經(jīng)生產(chǎn)實踐總結(jié)，使用激光跟蹤儀對這類體積重量超大、且裝配公差要求嚴(yán)苛的工件進(jìn)行精度檢測，是高、、且經(jīng)濟(jì)效益突出的方案。
激光跟蹤儀（Laser Tracker），可用于大尺寸高精度的3D測量檢測，測量半徑往往可以達(dá)到數(shù)十米，綜合測量精度在微米級別（μm，1/1000mm），且使用較為靈活，只需將儀器架設(shè)在待測工件旁合適的位置，使用內(nèi)置棱鏡的靶球碰觸待測位置，跟蹤儀會射出激光至靶球中心并鎖定、跟蹤、讀取碰觸位置點的空間坐標(biāo)并記錄在軟件，通過這些采集到的點的空間坐標(biāo)，即可構(gòu)建各類線、面、體，從而對相應(yīng)的形位公差進(jìn)行精準(zhǔn)分析，達(dá)到測量檢測的效果。
圖1：API品牌Radian系列激光跟蹤儀（Radian Pro/Plus/Core）
值得關(guān)注的要點
雖然激光跟蹤儀精度高、覆蓋范圍廣，但是在針對一些數(shù)十米及百米以上超大型工件的裝配作業(yè)時，仍然有一些要點值得關(guān)注和總結(jié)，以便更好地發(fā)揮激光跟蹤儀的特性，進(jìn)一步提升裝配精度和質(zhì)量：
① 精度標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一
雖在激光跟蹤儀的有效工作范圍內(nèi)，都可以實現(xiàn)和達(dá)到裝配精度標(biāo)準(zhǔn)，但近端測量精度高于遠(yuǎn)端測量精度這一現(xiàn)象，是基于激光跟蹤儀本身工作原理及特性客觀存在的。
這種現(xiàn)象的產(chǎn)生，是因為激光跟蹤儀測量時存在角度誤差，同樣角度的偏差，在遠(yuǎn)端造成的測量不確定度范圍會遠(yuǎn)大于其近端的測量不確定度。
如圖2所示，激光跟蹤儀在測量近端平面P1和遠(yuǎn)端平面P2時，其激光在平面上的投射點理論上應(yīng)分別為圓心A和圓心B；但由于激光跟蹤儀角度誤差α的存在，激光就有可能被投射在圓C和圓F面積范圍內(nèi)的任意一點；而圓C和圓F的面積范圍內(nèi)，即分別為跟蹤儀測量近端平面P1和遠(yuǎn)端平面P2時的測量不確定度；通過右下角正面視圖觀察，圓F的面積要遠(yuǎn)大于圓C的面積，即：遠(yuǎn)端的測量不確定范圍要遠(yuǎn)大于近端的測量不確定范圍。
生產(chǎn)中，工件整體的裝配精度要求是統(tǒng)一的；那么當(dāng)使用激光跟蹤儀單站裝配一個超大工件時，即便通常情況下其近、遠(yuǎn)端精度都可以滿足需求，但處于不同位置段的裝配點仍然會處于不同的精度標(biāo)準(zhǔn)之中；如果需要精益求精、進(jìn)一步提升裝配精度、使工件各段處于同一精度標(biāo)準(zhǔn)下，就需要對單一跟蹤儀遠(yuǎn)端較大的測量誤差范圍加以控制。
圖2：激光跟蹤儀角度誤差示意圖
② 站點間的關(guān)系
測量超出激光跟蹤儀測量范圍的工件、或是測量工件遮擋面時，往往需要將激光跟蹤儀移動到另一個位置，來獲得足夠的測量覆蓋范圍。即：實施“轉(zhuǎn)站"作業(yè)。
如圖3，轉(zhuǎn)站時，需在兩站都可觀測到的位置設(shè)置“轉(zhuǎn)站點"（通常為4個點），使用激光跟蹤儀在兩個站點分別測量這些“轉(zhuǎn)站點"，然后通過軟件的“擬合"功能，將兩站帶入同一坐標(biāo)系進(jìn)行測量。
使用“轉(zhuǎn)站點"+“擬合"功能來進(jìn)行轉(zhuǎn)站測量，優(yōu)勢在于較為快捷，可以通過轉(zhuǎn)1-2站，就實現(xiàn)對常規(guī)尺寸工件測量范圍的全覆蓋，并同時滿足測量精度要求。
但當(dāng)裝配超大型工件時，如果使用擬合轉(zhuǎn)站的方式，每新增一個站點，就會將前方各站點的誤差進(jìn)行累積，即：設(shè)置的站位越多，測量誤差越大，并繼續(xù)造成各裝配點精度標(biāo)準(zhǔn)的不統(tǒng)一。
可見，超大型工件的裝配對于跟蹤儀站點之間的相互關(guān)系的誤差，也有著嚴(yán)苛的要求。
圖3：激光跟蹤儀轉(zhuǎn)站示意圖
API超大型工件高精度裝配解決方案
經(jīng)總結(jié)與實踐，以下文介紹的案例為參考，可以使用激光跟蹤儀進(jìn)行平差測量的方法來滿足廣大用戶對于超大型工件裝配高精度表現(xiàn)的要求。
圖4：標(biāo)的超大型工件結(jié)構(gòu)及尺寸示意圖
測量案例：累加總長超過100米的超大不規(guī)則形狀工件的高精度裝配。
工件特征&測量要求：如圖4所示，待測標(biāo)的工件各段累加總長超過100米；要求裝配整體允許誤差為0.3mm。
儀器的選用：根據(jù)本次測量的要求和工件特征，選用了API Radian Pro激光跟蹤儀作為執(zhí)行作業(yè)的設(shè)備。Radian Pro激光跟蹤儀集成有IFM干涉激光，其測距精度達(dá)到1/10000mm級別，高于激光跟蹤儀綜合精度（1/1000mm級別）。
圖5：跟蹤儀平差測量站位設(shè)置及數(shù)據(jù)采集示意圖
測量步驟&要點
步：分析工件特征&設(shè)置站點
根據(jù)工件的特征，在最合適的位置，設(shè)置多個激光跟蹤儀站點，形成對工件測量范圍的優(yōu)質(zhì)覆蓋。設(shè)置站點時，需考慮本文上述的激光跟蹤儀的近端精度優(yōu)勢特征、以及IFM跟蹤儀的測距優(yōu)勢特征，盡可能地在測量范圍內(nèi)正面工件設(shè)定跟蹤儀站位（見圖5示意）。
第二步：數(shù)據(jù)采集
如圖5示意，跟蹤儀在每一站，都分別對可視范圍內(nèi)設(shè)置的所有待測點進(jìn)行測量采數(shù)，形成數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，并綜合記錄于軟件，用于最終的平差及分析。
第三步：數(shù)據(jù)平差與分析
待數(shù)據(jù)采集完畢后，在軟件中可進(jìn)行設(shè)置，將所有數(shù)據(jù)捆綁進(jìn)行平差分析，并以優(yōu)勢站位的跟蹤儀采集的數(shù)據(jù)為較高權(quán)重，在統(tǒng)一精度標(biāo)準(zhǔn)及統(tǒng)一坐標(biāo)系下得到最終的整體測量結(jié)果。
結(jié)論
實際測量驗證：總長超過100米的超大不規(guī)則形狀工件，整體裝配精度被控制在0.2mm以內(nèi)，充分滿足公差要求。