近年來，基于數字化設計制造技術和激光跟蹤儀數字化測量系 統，采用數字化標準工裝（DAM）取代實物標準工裝作為飛機制造過程中新的協調方法，在航空制造企業已經得到了廣泛的應用[1-3]。采用激光跟蹤儀測量 系統對裝配工裝進行準確定位安裝前，需要對激光跟蹤儀設站進行優化，以避免反復調整激光跟蹤儀的放置位置，提高工作效率。由于裝配型架結構復雜、尺寸較 大、定位件數量眾多，激光跟蹤儀測量過程中光學目標點（OPT）也相當多，光學路徑很容易被定位件、夾具或支撐結構遮擋，因此，如何基于數字化裝配技術對激光跟蹤儀光學路徑進行干涉分析，以提高激光跟蹤儀的測量精度與效率，已經成為亟需研究的問題。
本課題在自主開發的定位件光學目標點數字化設計系統[4]的前期基礎上，對激光跟蹤儀光學路徑干涉檢測方法作了進一步的研究，并基于CATIA二次開發技術， 針對裝配型架的數字化模型，實現了對激光跟蹤儀光學路徑干涉問題的快速分析與預測。
數字化測量安裝技術
基于激光跟蹤儀的工裝數字化測量與安裝技術主要包括4個系統：數字化建模與裝配、光學目標點數字化設計、激光跟蹤儀設站優化[5]及激光跟蹤儀數字化測量（見圖1）。
基于CATIA V5三維平臺的飛機裝配工裝數字化建模與預裝配系統主要用于實現數字化標準工裝的建立與預裝配，是數字化測量安裝的基礎技術平臺。光學目標點數字化設計系 統采用“偏置定位件輪廓-離散化偏置輪廓-遍歷計算尋優”的基本方法，在工裝模型中快速進行光學目標點的合理設置，并可輸出OTP點的坐標數據。激光跟蹤 儀設站優化系統對可放置區域離散化處理，根據設站原則采用遺傳算法進行快速尋優求解。激光跟蹤儀測量系統對某一空間運動點進行靜態或動態的跟蹤，以獲取光學目標點的空間坐標。在裝配工裝制造過程中，根據設站優化系統獲得激光跟蹤儀最佳放置位置，然后進行數字化測量與安裝。
激光跟蹤儀是一種多學科綜合應用的大尺寸工業測量儀器，其測量精度主要受測角和測距的精度以及環境的影響，如圖2所示。建立相應的技術操作規范，每次使用測量之前，應對儀器進行現場檢查，判斷當時的測量條件，并定期實施校準。
值得注意的是，飛機裝配型架具有結構相當復雜、尺寸比較大、夾具和定位件數量眾多、光學目標點數量為幾十或上百個等特點，在實際測量過程中，激光跟蹤儀 與光學目標點之間的光學路徑往往容易被型架零件遮擋，這時就需要反復調整激光跟蹤儀的放置位置，重新設定并轉換測量坐標系，極大地影響了裝配型架測量安裝 的整體精度，工作效率也大為降低。因此，如何在激光跟蹤儀安裝測量之前，提前對激光跟蹤儀光學路徑的通暢性進行分析與檢測，成為實際工作中困擾工裝制造人 員的一個重要難題。隨著數字化標準工裝技術的深入應用，通過數字化技術，本課題基于型架三維裝配模型，在激光跟蹤儀與光學目標點之間建立光學路徑等效幾何 微體，并采用靜態干涉分析的辦法，對光學路徑進行快速分析與預測。
光學路徑干涉分析
1 干涉分析的基本原理
碰撞檢測（也稱為干涉分析）存在靜態檢測與動態檢測，對于本課題中的激光跟蹤儀光學路徑檢測，屬于靜態檢測范圍，相對比較容易。目前，碰撞檢測方法主要分為空間分解法和包圍盒層次法等兩大類[6]。
空間分解法采用“空間分解”的方法，將建模空間分解為體積很小的標準單元體，對占據同一單元體或相鄰單元體中的CAD模型進行相交檢測。該方法具有存儲量大、靈活性較差等不足，應用不如包圍盒層次法廣泛。
包圍盒層次法采用了“樹狀層次結構”的方法，采用體積略大且幾何形狀簡單的包圍盒逼近復雜的CAD模型，如圖3所示，對包圍盒進行求交運算，快速排除不相交部分，并且進一步細化包圍盒重疊部分，從而在實時性與精確性之間達到平衡。
2 光學路徑干涉分析方法
一般而言，基于定位件光學目標點數字化設計系統在型架裝配模型中建立OTP點以后，通過在激光跟蹤儀數據點與所有OTP點之間建立線段，通過人工觀察設站位置進行直觀的合理性判斷，顯然，這種方法很難快速得到正確結果。
為此，本課題采用了以下辦法：（1）采用進程外應用方式[7]，運用GetObject方法將CATIA作為一個對象連接與嵌入（Object Linking and Embedding, OLE），調用給VB程序應用；（2）利用VB程序的循環語句控制CATIA中的內部函數，在所有的OTP點與激光跟蹤儀數據點之間建立線段，并以線段為 中心軸，生成一個截面積很小（本系統中為0.01mm2）的圓柱體以等效代替光線，該步程序內部流程見圖4；（3）利用CATIA V5電子樣機（Digital Mock-Up, DMU）模塊中的空間分析（Space Analysis）功能，選擇圓柱體與型架模型進行干涉分析，并返回檢測結果。這個功能的具體流程見圖5。
3 功能的開發與應用
基于光學目標點數字化設計系統建立合理的OTP點之后，需要進行激光跟蹤儀的設站工作，采用激光跟蹤儀設站優化系統對設站數據點進行求解尋優前，需要輸 入OTP的三維空間坐標，由于OTP點數量很多，依靠人工讀取效率很低，為此，本課題開發了大量數據點的導出功能，選取相應的數據點，輸出的數據如表1所 示。
在激光跟蹤儀設站位置的優化過程中，工裝制造人員可能對導出的OTP數據表，根據實際需要添加、刪除少量OTP，或更改其坐標數據，設站優化完成以后， 在導入上述修改后的OTP坐標數據表。本課題在光學目標點數字化設計系統的基礎上開發了激光跟蹤儀光學路徑干涉檢測功能。以某簡單型架的CAD模型為例， 輸入數據表創建OTP點，進行了實際操作應用，結果如圖6所示。
結束語
基于激光跟蹤儀測量系統的裝配型架數字化安裝制造技術，極大地提高了工裝的制造精度，為生產合格的裝配產品提供了前提保障，同時也對裝配工裝測量安裝過 程提出了更精確的控制要求。在以前的定位安裝的實際工作過程中，對激光跟蹤儀放置位置往往依賴于個人直覺和大量經驗，反復進行調試，以致測量精度和效率受 到了嚴重的影響。#p#分頁標題#e#
在激光跟蹤儀放置位置的設計過程中，激光跟蹤儀設站優化系統為 型架安裝人員提供了快速、科學的指導，提高了工作效率。針對激光跟蹤儀與光學目標點之間光學路徑通暢性的早期檢測，以提前排除不合理的位置數據點，避免實 際操作過程中的反復調試，本課題基于CATIA的干涉分析功能，提出了激光跟蹤儀光學路徑的干涉分析方法，為解決工裝制造工程實踐中激光跟蹤儀測量系統的 應用問題提供了一種更有效的快速分析與檢測辦法。
參考文獻
[1]劉志存，孟飆，范玉青. 飛機制造中數字化標準工裝的定義與應用. 計算機集成制造系統，2007（7）：1367-1373.
[2]王巍，黃宇，莊建平. 激光跟蹤儀在飛機裝配工裝制造中的應用. 航空制造技術，2004（12）： 81-84.
[3]韓維，馮美蓉，宋群. 裝配工裝全數字化設計制造技術在ARJ21機頭裝配中的應用. 航空制造技術，2007（12）： 54-56.
[4]蘭勇，劉維，吳建軍，等. 基于數字化裝配的定位件光學目標點設計. 航空制造技術，2010（16）： 90-92.
[5]陳智勇. 基于激光跟蹤儀的工裝數字化測量安裝技術研究[D]. 西安：西北工業大學，2010.
[6]宋強，宋玲芝，康鳳舉，等. 包圍盒碰撞檢測算法應用研究. 計算機工程與應用，2009，45（24）： 238-240.
[7]胡挺，吳立軍. CATIA二次開發技術基礎. 北京：電子工業出版社，2006.
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