趙建國(guó)，郭洪杰

（中航工業(yè)沈陽(yáng)飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限公司，沈陽(yáng) 110034）

趙建國(guó)

沈陽(yáng)飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限公司高級(jí)工程師，研究方向?yàn)閿?shù)字化測(cè)量，飛機(jī)自動(dòng)化柔性裝配。發(fā)表學(xué)術(shù)論文20多篇（EI檢索3篇），申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專利7項(xiàng)，獲得國(guó)防科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)1項(xiàng)，中航工業(yè)集團(tuán)科學(xué)進(jìn)步一等獎(jiǎng)2項(xiàng)。

現(xiàn)代飛機(jī)在性能、生產(chǎn)效率等方面要求全面提高，飛機(jī)生產(chǎn)模式向數(shù)字化協(xié)同制造模式演進(jìn)，傳統(tǒng)的飛機(jī)測(cè)量技術(shù)已無(wú)法滿足高精度、快速檢測(cè)的需求，亟需發(fā)展三維數(shù)字化測(cè)量技術(shù)，為新機(jī)研制提供技術(shù)保障。

大型零部件加工的“一次正確性”、裝配的“無(wú)縫連接性”是航空制造業(yè)最關(guān)心的問題，此類產(chǎn)品的加工和裝配返工將大大增加制造成本、延長(zhǎng)交付期。先進(jìn)測(cè)量技術(shù)，特別是大尺寸測(cè)量技術(shù)應(yīng)用于大型構(gòu)件的加工和裝配中，取得了較好效果，如F-22和F-35戰(zhàn)機(jī)、ARIANE運(yùn)載火箭、Cupolas國(guó)際空間站發(fā)射器以及波音787、A380等民用客機(jī)的裝配中都廣泛采用先進(jìn)測(cè)量技術(shù)，顯著提高裝配自動(dòng)化水平和效率，大大減少了裝配返工和協(xié)調(diào)。國(guó)內(nèi)數(shù)字化測(cè)量技術(shù)得到了長(zhǎng)足發(fā)展，大量學(xué)者對(duì)關(guān)節(jié)式測(cè)量?jī)x[1]、激光跟蹤儀[2-3]等測(cè)量?jī)x器的使用技術(shù)及誤差分析，大尺度高精度坐標(biāo)控制場(chǎng)的構(gòu)建[4-5]，機(jī)器人定位誤差評(píng)價(jià)[6]，飛機(jī)復(fù)雜裝配件的綜合測(cè)量技術(shù)[7]等開展了大量研究，為數(shù)字化測(cè)量技術(shù)在航空領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

針對(duì)新一代軍機(jī)數(shù)字化設(shè)計(jì)、無(wú)圖制造的發(fā)展需求，以及復(fù)雜結(jié)構(gòu)零部件檢測(cè)困難的現(xiàn)狀，通過(guò)開展面向裝配過(guò)程的產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)手段及方法研究，建立適用于數(shù)字化制造模式的產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)與信息管理體系，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)檢測(cè)手段從傳統(tǒng)的手工檢測(cè)向數(shù)字化檢測(cè)模式的跨越，對(duì)增強(qiáng)新一代飛機(jī)快速研制能力，提高航空工業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力至關(guān)重要。

數(shù)字化測(cè)量技術(shù)

面向飛機(jī)裝配的數(shù)字化測(cè)量技術(shù)是指在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)數(shù)字化基礎(chǔ)上，圍繞飛機(jī)裝配工藝需求，研究與整個(gè)數(shù)字化裝配生產(chǎn)線相匹配的測(cè)量方案及測(cè)量設(shè)備配置、測(cè)量工作模式以及數(shù)字化測(cè)量方法，搭建覆蓋全局或局部的多系統(tǒng)異構(gòu)集成應(yīng)用平臺(tái)，以此提高飛機(jī)裝配質(zhì)量和效率的一種綜合測(cè)量技術(shù)。

1 測(cè)量關(guān)鍵特征

飛機(jī)數(shù)字化制造采用數(shù)字量進(jìn)行協(xié)調(diào)，關(guān)鍵特征數(shù)據(jù)流貫穿飛機(jī)制造過(guò)程，關(guān)鍵特征的設(shè)計(jì)、提取、傳遞、轉(zhuǎn)化、使用直接影響飛機(jī)數(shù)字化制造的質(zhì)量和效率。在CAD系統(tǒng)中，特征被認(rèn)為是某種具有形狀和功能屬性的信息集合，是產(chǎn)品制造質(zhì)量關(guān)鍵控制要素，依據(jù)飛機(jī)典型結(jié)構(gòu)件的幾何及檢測(cè)特點(diǎn)，將面向飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的檢測(cè)特征進(jìn)行歸納，如圖1所示。

以裝配單元為數(shù)據(jù)集，面向飛機(jī)裝配的測(cè)量關(guān)鍵特征包括：定位協(xié)調(diào)基準(zhǔn)、測(cè)量點(diǎn)集、特征識(shí)別物等。關(guān)鍵特征的設(shè)計(jì)應(yīng)遵循以下原則：（1）測(cè)量點(diǎn)應(yīng)在具有高強(qiáng)度、剛性好、變形較小的結(jié)構(gòu)件上選取，如加強(qiáng)框、梁等；（2）測(cè)量點(diǎn)盡量在設(shè)計(jì)分離面、工藝分離面和對(duì)接面上；（3）測(cè)量點(diǎn)的分布合理，具有代表性；（4）測(cè)量點(diǎn)具有較高的位置和幾何精度，盡量與K孔、定位孔和工藝孔一致；（5）測(cè)量點(diǎn)位置應(yīng)保證測(cè)量的可達(dá)性。

按上述規(guī)則選取關(guān)鍵特征點(diǎn)后，按測(cè)量點(diǎn)位、零部件成型工藝、測(cè)量誤差項(xiàng)、剛性以及對(duì)飛機(jī)裝配精度的影響等信息對(duì)關(guān)鍵特征點(diǎn)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，并分配相應(yīng)的權(quán)重系數(shù)。特征點(diǎn)的詳細(xì)信息可結(jié)合數(shù)模進(jìn)行提取。

2 測(cè)量方案設(shè)計(jì)

正所謂“尺有所短，寸有所長(zhǎng)”，每種測(cè)量手段都有其適用條件，單一測(cè)量設(shè)備不可能覆蓋飛機(jī)制造的全流程，測(cè)量方案設(shè)計(jì)應(yīng)綜合考慮測(cè)量需求、測(cè)量經(jīng)濟(jì)性和應(yīng)用環(huán)境，具體如下：（1）制定面向飛機(jī)裝配質(zhì)量過(guò)程控制的測(cè)量工藝規(guī)范，搭建多系統(tǒng)異構(gòu)集成測(cè)量規(guī)劃管理平臺(tái)，建立數(shù)字化測(cè)量技術(shù)應(yīng)用體系。（2）統(tǒng)籌規(guī)劃和分析整個(gè)數(shù)字化裝配流程的測(cè)量技術(shù)方案及其實(shí)施策略。深入分析裝配數(shù)據(jù)傳遞方式、誤差來(lái)源，并結(jié)合特征點(diǎn)的采集方式，開展相應(yīng)測(cè)量規(guī)劃仿真，優(yōu)化測(cè)量方案。（3）整合面向裝配質(zhì)量過(guò)程控制的多種數(shù)字化測(cè)量技術(shù)，如激光三維掃描法、雙目視覺測(cè)量方法、激光干涉測(cè)量方法等，重點(diǎn)分析各自特點(diǎn)和適應(yīng)性，發(fā)揮各種測(cè)量手段的優(yōu)勢(shì)，以及上述方法的組合集成測(cè)量方法。（4）測(cè)量數(shù)據(jù)分析與處理。在同一坐標(biāo)控制場(chǎng)的支撐下，通過(guò)測(cè)量軟件的二次開發(fā)，協(xié)同工作，對(duì)測(cè)量特征信息進(jìn)行篩選分類，統(tǒng)一數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)格式，便于數(shù)據(jù)流在不同工序間的高效傳遞。（5）測(cè)量設(shè)備與工藝裝備的集成。搭建信息協(xié)同交換平臺(tái)，統(tǒng)一測(cè)量設(shè)備和工藝裝備的信息交互接口，實(shí)現(xiàn)測(cè)量設(shè)備和工藝裝備的高效集成。

圖1 飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的檢測(cè)特征Fig.1 Detection feature of aircraft components

3 測(cè)量誤差與修正

三維坐標(biāo)測(cè)量設(shè)備采集待測(cè)工件的幾何特征信息，通過(guò)軟件特定算法獲取待測(cè)幾何特征參數(shù)值，因此測(cè)量精度主要與下列因素有關(guān)（圖2）。

測(cè)量設(shè)備系統(tǒng)誤差包括儀器信息采集誤差、坐標(biāo)變換誤差、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換誤差，控制方法如下：（1）選擇合理的測(cè)量設(shè)備，通常為了提高測(cè)量設(shè)備精度，生產(chǎn)商都提供相應(yīng)的誤差補(bǔ)償軟件。（2）合理布置測(cè)量設(shè)備，減少轉(zhuǎn)站次數(shù)并設(shè)置合理的轉(zhuǎn)站點(diǎn)。如激光跟蹤儀的主要誤差是由角度編碼器誤差產(chǎn)生的，布置設(shè)備時(shí)應(yīng)盡量減少測(cè)量頭的擺角；iGPS是采用三角原理定位的，也應(yīng)合理布置基站，控制交匯角，以提高精度。測(cè)量設(shè)備的轉(zhuǎn)站不可避免帶來(lái)誤差，應(yīng)合理布置，盡量減少轉(zhuǎn)站次數(shù)。轉(zhuǎn)站時(shí)，轉(zhuǎn)站點(diǎn)對(duì)轉(zhuǎn)站后坐標(biāo)系的擬合精度影響較大，應(yīng)科學(xué)地設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)站點(diǎn)。（3）統(tǒng)一數(shù)據(jù)信息交換接口，減少數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換次數(shù)，將信息損失降到最低。各設(shè)備間的數(shù)據(jù)格式不同，精度也不同，應(yīng)通過(guò)改善轉(zhuǎn)換接口、提高算法精度，避免信息丟失。

圖2 影響被測(cè)參數(shù)測(cè)量精度的因素Fig.2 Effect of measure factors to error

測(cè)頭系統(tǒng)誤差可按測(cè)量設(shè)備要求使用測(cè)頭來(lái)降低。此外，測(cè)量目標(biāo)安裝和定位誤差也使測(cè)量精度降低，故應(yīng)準(zhǔn)確安裝定位測(cè)量目標(biāo)。

信息采樣及零件形變誤差：測(cè)量特征信息采樣對(duì)測(cè)量精度影響較大。通常情況下，對(duì)待測(cè)特征進(jìn)行全息采集是不現(xiàn)實(shí)的，采樣方案不同，測(cè)量結(jié)果差異較大，如避免采用小圓弧測(cè)量大直徑。對(duì)于體積和重量較大的被測(cè)物體，夾持方式不同，受重力影響其形變規(guī)律差異較大，給關(guān)鍵測(cè)量特征評(píng)價(jià)帶來(lái)較大的不確定度。為保證產(chǎn)品裝配質(zhì)量，必須對(duì)檢測(cè)特征量進(jìn)行補(bǔ)償，主要的方法有經(jīng)驗(yàn)法、理論法和數(shù)值法，經(jīng)驗(yàn)法計(jì)算效率高但精度低，理論法難于建立數(shù)學(xué)模型、應(yīng)用受限，數(shù)值法易于實(shí)現(xiàn)、精度高、適用范圍廣。數(shù)值法主要利用有限元、有限差分法等，建立數(shù)學(xué)模型，借助試驗(yàn)修正邊界條件，提高模型的準(zhǔn)確性，通過(guò)數(shù)值迭代計(jì)算，確定檢測(cè)特征量在不同狀態(tài)下的彈性形變量，并與測(cè)量值進(jìn)行矢量疊加，提高飛機(jī)裝配過(guò)程中質(zhì)量評(píng)價(jià)精度。

算法計(jì)算誤差：待測(cè)量特征與理論狀態(tài)有一定差別，在數(shù)據(jù)處理中需假設(shè)一理想元素，通過(guò)擬合確定待測(cè)量特征值。常用的擬合算法有：最小二乘法和尋優(yōu)算法，每種算法都有其相應(yīng)的適用條件，應(yīng)綜合考慮特征量的誤差來(lái)源、誤差性質(zhì)和誤差權(quán)重等的影響，選取合理的算法，有效降低算法誤差的影響。

環(huán)境因素：測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜，不同材料熱敏感系數(shù)差別較大，所以溫度變化對(duì)測(cè)量精度影響很大。為避免溫度變化對(duì)測(cè)量性能的影響，測(cè)量設(shè)備采用溫度補(bǔ)償技術(shù)，提高測(cè)量設(shè)備適應(yīng)環(huán)境的能力，修正因溫度變化引起變形而產(chǎn)生的誤差。

結(jié)果與討論

隨著數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用和測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代飛機(jī)裝配現(xiàn)場(chǎng)采用數(shù)字量進(jìn)行協(xié)調(diào)，簡(jiǎn)化了工裝安裝和校驗(yàn)的過(guò)程，取消了標(biāo)準(zhǔn)樣件，大幅度縮短了生產(chǎn)準(zhǔn)備周期，提高飛機(jī)裝配過(guò)程檢測(cè)精度和效率，實(shí)現(xiàn)了新型飛機(jī)的快速研制和生產(chǎn)。

1 表面類特征檢測(cè)

飛機(jī)裝配過(guò)程中，主要的表面類特征包括間隙、階差、波紋度和氣動(dòng)外形，直接影響飛機(jī)的隱身性和氣動(dòng)特性，傳統(tǒng)檢測(cè)方法存在以下問題：

（1）間隙和階差檢測(cè)。間隙和階差依靠塞尺測(cè)量，表面沉頭孔（包括鉚釘孔和螺栓孔）采用窩量規(guī)等模擬量檢測(cè)，依靠工人肉眼判斷，檢測(cè)精度與工人經(jīng)驗(yàn)有關(guān)，測(cè)量準(zhǔn)確度低。

（2）波紋度和氣動(dòng)外形檢測(cè)。采用卡板檢測(cè)精度低，不能定量分析氣動(dòng)外形誤差大小，而且卡板制造周期長(zhǎng)，費(fèi)用高，安裝勞動(dòng)強(qiáng)度大，很難實(shí)現(xiàn)飛機(jī)部件全部外形的測(cè)量，影響飛機(jī)制造精度。

國(guó)際上先進(jìn)的表面類特征的檢測(cè)技術(shù)采用光學(xué)非接觸式測(cè)量，如圖3所示，主要包括：

圖3 攝影測(cè)量與白光測(cè)量Fig.3 Measurement of photo and white light

（1）攝影測(cè)量。采用特定的工業(yè)相機(jī)，在不同的位置對(duì)待測(cè)物體進(jìn)行拍照，再將數(shù)據(jù)傳給后臺(tái)計(jì)算機(jī)，通過(guò)軟件對(duì)采集圖像進(jìn)行處理，最終得到被測(cè)物體的表面點(diǎn)云圖，并與理論數(shù)模進(jìn)行對(duì)比，實(shí)現(xiàn)了物體的表面尺寸檢測(cè)。適用于大型部件及整機(jī)的測(cè)量，效率較高，精度在亞毫米級(jí)。

（2）白光測(cè)量。仿照人眼視覺原理，通過(guò)多個(gè)特定布置相機(jī)，利用二維光學(xué)成像重建工件的三維數(shù)學(xué)模型。適用于飛機(jī)零部件的測(cè)量，測(cè)量誤差低于0.1mm。

此外，現(xiàn)代飛機(jī)制造向著異地協(xié)同模式發(fā)展，一些重要零件，特別是大型零部件，協(xié)調(diào)關(guān)系復(fù)雜，如大型的艙門、口蓋類、翼面類零件，配合面形狀復(fù)雜，通過(guò)對(duì)配合面的三維形貌掃描，預(yù)判零部件匹配程度，降低返廠返修率，保證飛機(jī)研制進(jìn)度。

2 內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征檢測(cè)

內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征包括框位、交點(diǎn)孔、K孔、工藝孔、關(guān)鍵飛行傳感器支架等。由于上述特征位于機(jī)體內(nèi)部，通視性較差，常規(guī)光學(xué)測(cè)量?jī)x器很難發(fā)揮作用，可采用關(guān)節(jié)臂測(cè)量（圖4）。它是一種耦合轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)和定長(zhǎng)臂的坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)，轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)處設(shè)有角度編碼器，用于測(cè)量轉(zhuǎn)角信息，定長(zhǎng)臂精確標(biāo)定，經(jīng)過(guò)系列坐標(biāo)變換得到待測(cè)特征坐標(biāo)向量值。

圖4 關(guān)節(jié)臂測(cè)量Fig.4 Arm CMMs

受臂長(zhǎng)限制，關(guān)節(jié)臂通常只能完成局部零部件的檢測(cè)，而飛機(jī)尺寸長(zhǎng)達(dá)幾十米，如通過(guò)關(guān)節(jié)臂自身蛙跳實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)站，誤差積累相當(dāng)大，影響測(cè)量精度。實(shí)際測(cè)量時(shí)，可采用激光跟蹤儀或激光雷達(dá)等大范圍測(cè)量工具，通過(guò)相匹配的接口（如球心），為關(guān)節(jié)臂提供全局基準(zhǔn)，以此實(shí)現(xiàn)大尺度內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征的檢測(cè)。

3 大部件裝配質(zhì)量檢測(cè)

飛機(jī)大部件對(duì)接采用組合測(cè)量方式，解決大尺寸空間測(cè)量精度和測(cè)量范圍相互矛盾，充分發(fā)揮不同測(cè)量設(shè)備的優(yōu)勢(shì)?？朔H憑單一測(cè)量設(shè)備達(dá)到大范圍高精度測(cè)量技術(shù)難度大、成本高的瓶頸問題，其中主流的組合方案包括室內(nèi)GPS結(jié)合激光跟蹤儀、室內(nèi)GPS和激光雷達(dá)，優(yōu)化室內(nèi)GPS測(cè)量站位，測(cè)量接收器預(yù)置在關(guān)鍵測(cè)量特征處，實(shí)時(shí)反饋測(cè)量值，進(jìn)而監(jiān)控飛機(jī)大部件的位置和空間姿態(tài)。同時(shí)，結(jié)合大部件對(duì)接柔性工裝控制系統(tǒng)，自動(dòng)完成飛機(jī)部件的定位、移動(dòng)、調(diào)整、對(duì)接等，實(shí)現(xiàn)大部件對(duì)接閉環(huán)動(dòng)態(tài)引導(dǎo)（圖5）。基于室內(nèi)GPS的多任務(wù)數(shù)字量協(xié)調(diào)精度控制技術(shù)在波音787總裝過(guò)程中實(shí)現(xiàn)了大部件自動(dòng)對(duì)接應(yīng)用，裝配時(shí)間從幾天縮短至幾小時(shí)。國(guó)內(nèi)采用該方法縮短了飛機(jī)大部件自動(dòng)對(duì)接裝配周期50%以上，自動(dòng)對(duì)接誤差僅為傳統(tǒng)工藝的20%。

4 活動(dòng)部件檢測(cè)

圖5 飛機(jī)大部件數(shù)字化測(cè)量場(chǎng)Fig.5 Digital measurement system for huge fuselage

活動(dòng)部件包括舵面、活動(dòng)艙門、起落架等，由于缺乏對(duì)待測(cè)件運(yùn)動(dòng)路徑的有效描述，傳統(tǒng)制造采用經(jīng)驗(yàn)法和試配法，導(dǎo)致工作強(qiáng)度大、裝配周期長(zhǎng)，特別是傳動(dòng)環(huán)節(jié)多的系統(tǒng)，嚴(yán)重制約著飛機(jī)的研制進(jìn)度。

動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)，采用多個(gè)攝像機(jī)的攝影測(cè)量系統(tǒng)，測(cè)量過(guò)程中，攝像機(jī)固定于工作站位，各攝像機(jī)經(jīng)精確標(biāo)定，組成多目攝影測(cè)量系統(tǒng)。飛機(jī)活動(dòng)部件上設(shè)置靶標(biāo)點(diǎn)，靶標(biāo)點(diǎn)與活動(dòng)部件同步運(yùn)動(dòng)，攝像機(jī)通過(guò)跟蹤靶標(biāo)點(diǎn)進(jìn)而推算活動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)軌跡，利于快速排查問題，提高裝配效率和精度。多目攝影系統(tǒng)的另一個(gè)重要作用是自動(dòng)加工設(shè)備的導(dǎo)航，通過(guò)在末端執(zhí)行器上設(shè)置3個(gè)以上靶標(biāo)點(diǎn)，可實(shí)時(shí)檢測(cè)末端執(zhí)行器的空間位姿，提高自動(dòng)加工設(shè)備精度（圖6）。

結(jié)論

圖6 機(jī)器人加工誤差補(bǔ)償Fig.6 Error compensation for robot drill

（1）開展了面向飛機(jī)裝配質(zhì)量檢測(cè)的數(shù)字化測(cè)量特征設(shè)計(jì)、測(cè)量方案設(shè)計(jì)、多系統(tǒng)異構(gòu)測(cè)量場(chǎng)構(gòu)建技術(shù)研究，搭建了覆蓋全局（大尺度空間范圍內(nèi)）和局部的多系統(tǒng)異構(gòu)數(shù)字化測(cè)量平臺(tái)，促進(jìn)了飛機(jī)裝配質(zhì)量和效率的提升。

（2）對(duì)影響測(cè)量精度的因素進(jìn)行了深入研究，并結(jié)合裝配測(cè)量工藝需求和測(cè)量設(shè)備特點(diǎn)，提出了誤差項(xiàng)的分析與優(yōu)化控制方法。

（3）以表面類、內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征、大部件對(duì)接和活動(dòng)部件的裝配過(guò)程質(zhì)量控制為對(duì)象，闡述測(cè)量設(shè)備選型、整體測(cè)量場(chǎng)的構(gòu)建及其應(yīng)用效果，為數(shù)字化測(cè)量技術(shù)在飛機(jī)裝配領(lǐng)域的應(yīng)用提供借鑒。

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