（西北工業(yè)大學(xué)現(xiàn)代設(shè)計與集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710072）

近年來，伴隨著信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、自動化技術(shù)、人工智能技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，全球制造業(yè)正迎來一次深刻的產(chǎn)業(yè)變革機(jī)遇。在“工業(yè)4.0”、“先進(jìn)制造業(yè)伙伴計劃”和“中國制造2025”等一批國家戰(zhàn)略規(guī)劃中，紛紛將發(fā)展智能制造列為核心與焦點(diǎn)。

飛機(jī)制造業(yè)作為制造業(yè)技術(shù)密集型的尖端行業(yè)，也面臨著生產(chǎn)方式的深刻變革，構(gòu)建數(shù)字化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化、自動化深度融合的智能制造體系既是長遠(yuǎn)的發(fā)展目標(biāo)，也是當(dāng)前的迫切需求。

對于飛機(jī)裝配過程而言，數(shù)字化測量技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對飛機(jī)產(chǎn)品裝配要素信息的精確采集，確保裝配過程狀態(tài)信息的實(shí)時獲取，是智能制造體系中實(shí)現(xiàn)飛機(jī)裝配物理狀態(tài)與信息網(wǎng)絡(luò)之間互聯(lián)互通的支撐性關(guān)鍵技術(shù)。隨著飛機(jī)裝配過程向智能化邁進(jìn)，數(shù)字化測量技術(shù)已經(jīng)成為促進(jìn)飛機(jī)智能化裝配快速發(fā)展的關(guān)鍵因素和重要力量，并不斷向“智能測量、反饋控制”的目標(biāo)發(fā)展。

飛機(jī)裝配過程測量方法發(fā)展歷程

1 模擬量傳遞下裝配定性測量技術(shù)階段

飛機(jī)外形是復(fù)雜曲面，并且協(xié)調(diào)準(zhǔn)確度要求高。在我國飛機(jī)制造業(yè)的早期階段，為了滿足生產(chǎn)工裝間協(xié)調(diào)性和零件、裝配件及部件的互換性，在制造過程中采用傳統(tǒng)模線樣板-（局部）標(biāo)準(zhǔn)樣件協(xié)調(diào)方法，通過模線、樣板和標(biāo)準(zhǔn)樣件等實(shí)體模擬量傳遞產(chǎn)品的形狀和尺寸。

在這過程中，模線是飛機(jī)外形和結(jié)構(gòu)形狀的原始依據(jù)，而外形樣板、內(nèi)形樣板、展開樣板、切面樣板等平面樣板就是加工或檢驗(yàn)各種工藝裝備及測量工件外形的量具。標(biāo)準(zhǔn)量規(guī)、外形標(biāo)準(zhǔn)樣件等標(biāo)準(zhǔn)工藝裝備也被大量使用，以作為制造和檢驗(yàn)生產(chǎn)工藝裝備外形和尺寸的依據(jù)，進(jìn)一步保障飛機(jī)產(chǎn)品的制造準(zhǔn)確度和協(xié)調(diào)準(zhǔn)確度[1]。此外，飛機(jī)產(chǎn)品裝配型架的安裝和檢驗(yàn)工作也經(jīng)歷了由標(biāo)準(zhǔn)樣件、型架裝配機(jī)、光學(xué)儀器（準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡、光學(xué)直角頭和坐標(biāo)經(jīng)緯儀等）到激光準(zhǔn)直儀的發(fā)展歷程。

然而，以模擬量為依據(jù)的飛機(jī)制造體系存在手工勞動比重大、生產(chǎn)準(zhǔn)備周期長、制造費(fèi)用大、尺寸鏈環(huán)節(jié)多、路線長等缺點(diǎn)，飛機(jī)產(chǎn)品的制造準(zhǔn)確度難以提升。隨著計算機(jī)和數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字量的傳遞體系直接推動了飛機(jī)制造業(yè)的技術(shù)變革，傳統(tǒng)模擬量的測量檢測手段已無法滿足日益提升的飛機(jī)裝配質(zhì)量要求。

2 數(shù)字化裝配測量檢驗(yàn)技術(shù)階段

從20世紀(jì)80年代開始，國際航空公司開始采用計算機(jī)輔助電子經(jīng)緯儀、三坐標(biāo)測量機(jī)、激光跟蹤儀、激光雷達(dá)等精度高、范圍大、柔性好的數(shù)字化測量設(shè)備，并采用關(guān)鍵特征點(diǎn)檢測方法，取代傳統(tǒng)的基于模擬量的形位檢測方法[2]。

在國內(nèi)，各大主機(jī)廠也開始逐步引進(jìn)各類數(shù)字化測量設(shè)備。1996年，沈飛集團(tuán)在國內(nèi)第一次引進(jìn)了激光跟蹤測量系統(tǒng)[3]。隨后，中航工業(yè)西飛在波音737-700平尾轉(zhuǎn)包生產(chǎn)項目中，廣泛使用計算機(jī)輔助技術(shù)，并在裝配型架組裝、工裝精度檢測和大型復(fù)雜零件測量檢驗(yàn)等環(huán)節(jié)采用了激光跟蹤儀和計算機(jī)輔助經(jīng)緯儀[4]。

與此同時，三坐標(biāo)測量機(jī)已在我國航空工業(yè)獲得廣泛應(yīng)用，主要配置在模具、樣板、壁板、肋板、葉盤等各類飛機(jī)構(gòu)件加工后的檢測工作中[5]。

各類高精度、自動化、數(shù)字化測量系統(tǒng)的裝備使用，直接改善了我國傳統(tǒng)的飛機(jī)制造工藝裝備的協(xié)調(diào)方法，縮短協(xié)調(diào)路線和生產(chǎn)準(zhǔn)備周期。在該階段，各類數(shù)字化測量設(shè)備的應(yīng)用領(lǐng)域主要集中在以下3個方面[6]:

（1）檢測數(shù)控加工零件的曲面外形，保證加工精度；

（2）測量產(chǎn)品實(shí)際外形、位置等數(shù)據(jù)信息，通過與數(shù)學(xué)模型的對比進(jìn)行擬合分析，判斷產(chǎn)品實(shí)際偏差狀態(tài)，檢測產(chǎn)品是否合格；

（3）通過三坐標(biāo)測量機(jī)，采集產(chǎn)品曲面外形的型值點(diǎn)，據(jù)此建立數(shù)學(xué)模型，并生成數(shù)控加工指令，控制零部件的加工過程。

3 數(shù)字化裝配過程測量與控制技術(shù)階段

近些年來，波音、空客、洛克希德·馬丁、羅爾斯·羅伊斯等國外航空公司已經(jīng)普遍采用基于數(shù)字化測量設(shè)備的產(chǎn)品三維檢測與質(zhì)量控制手段，開發(fā)并形成了飛機(jī)產(chǎn)品三維測量規(guī)劃與數(shù)據(jù)分析體系，制定了數(shù)字化三維檢測技術(shù)規(guī)范，形成了完整的數(shù)字化測量技術(shù)體系。先進(jìn)測量技術(shù)的應(yīng)用已由關(guān)鍵零部件的離線檢測發(fā)展到貫穿于制造和裝配的檢測過程控制和故障維護(hù)等全過程的在線自動化測量，并發(fā)展出了全新的、高效率的制造流程和工藝規(guī)范，將數(shù)字化測量與反饋系統(tǒng)充分融入到零部件制造過程監(jiān)控與補(bǔ)償、柔性自動化裝配定位和飛機(jī)產(chǎn)品質(zhì)量控制等環(huán)節(jié)，直接推動了飛機(jī)產(chǎn)品質(zhì)量和性能的大幅度提升[7]。

與此同時，國內(nèi)各飛機(jī)制造企業(yè)已經(jīng)廣泛使用各類數(shù)字化測量設(shè)備，從裝配坐標(biāo)系的設(shè)計建立、工裝夾具的安裝檢驗(yàn)、零部件的檢測定位、組部件的調(diào)姿分析，到整機(jī)裝配的檢測評估，數(shù)字化測量貫穿飛機(jī)裝配過程的始終，并逐步嘗試跳出單個測量系統(tǒng)封閉獨(dú)立的信息孤島狀態(tài)，構(gòu)建多種測量系統(tǒng)優(yōu)勢互補(bǔ)、數(shù)據(jù)融合的多源測量場，實(shí)現(xiàn)三維數(shù)字信息與裝配過程的互聯(lián)互通，輔助裝配過程自動化完成[8]。

4 智能裝配技術(shù)發(fā)展給測量技術(shù)發(fā)展帶來的變革

飛機(jī)裝配技術(shù)經(jīng)歷了從手工裝配、半機(jī)械/半自動化裝配、機(jī)械/自動化裝配到柔性化裝配的發(fā)展歷程，正在向智能化裝配方向邁進(jìn)[9]。相應(yīng)地，飛機(jī)裝配過程的測量檢測技術(shù)，也經(jīng)歷了由模擬量到數(shù)字量的深刻變革。在模擬量協(xié)調(diào)體系階段，飛機(jī)裝配過程的測量檢測可以概括為“定性檢測、事后檢驗(yàn)”，采用儀器、量具和檢具等對一個工藝步驟結(jié)束后的產(chǎn)品進(jìn)行合格性判斷，對具體的尺寸量可以不關(guān)心[10]。當(dāng)飛機(jī)裝配進(jìn)入機(jī)械化、自動化、柔性化的時代后，一方面受到飛機(jī)產(chǎn)品日益提升的質(zhì)量和性能要求的影響；另一方面得到飛速發(fā)展的測量技術(shù)的有力支撐，以數(shù)字量為基準(zhǔn)的先進(jìn)測量技術(shù)在飛機(jī)裝配中的應(yīng)用領(lǐng)域逐步擴(kuò)大，實(shí)現(xiàn)了“定量測量、實(shí)時跟蹤”的技術(shù)轉(zhuǎn)變，充分保障了飛機(jī)裝配過程中零部件加工的準(zhǔn)確性、產(chǎn)品定位的精確性和裝配的協(xié)調(diào)性等各項關(guān)鍵因素。

隨著信息技術(shù)、自動化技術(shù)和測量技術(shù)的日新月異，數(shù)字化測量設(shè)備不斷推陳出新，精度、穩(wěn)定性、通用性等測量性能不斷提高，極大地拓展了數(shù)字化測量技術(shù)在飛機(jī)裝配領(lǐng)域的應(yīng)用。其測量對象覆蓋了從零件級、部件級到整機(jī)級的大跨度尺寸范圍，滿足了精準(zhǔn)定位、外形檢測、調(diào)姿對接、質(zhì)量評估等多種多樣的測量需求。然而，受限于基本的測量原理及精度要求，各類數(shù)字化測量設(shè)備擅長領(lǐng)域各不相同，本文根據(jù)最優(yōu)的測量目標(biāo)，將目前航空制造企業(yè)廣泛裝備的數(shù)字化測量設(shè)備分為點(diǎn)位坐標(biāo)測量、形狀特征測量和曲面外形測量3大類。

飛機(jī)裝配點(diǎn)位坐標(biāo)測量技術(shù)

點(diǎn)位坐標(biāo)即飛機(jī)設(shè)計坐標(biāo)系下某個點(diǎn)的空間位置信息，是飛機(jī)裝配過程中工裝、零部件定位的依據(jù)，其準(zhǔn)確度直接影響飛機(jī)裝配質(zhì)量。點(diǎn)位坐標(biāo)測量，通過各種先進(jìn)的數(shù)字化測量設(shè)備，測量目標(biāo)物體上的靶點(diǎn)的位置，為后續(xù)的定位和檢測工作提供數(shù)據(jù)支持。點(diǎn)位坐標(biāo)測量技術(shù)在零部件定位、工裝調(diào)整以及裝配檢測等過程中具有重要的作用，目前應(yīng)用于飛機(jī)裝配過程中的數(shù)字化點(diǎn)位測量技術(shù)主要包括激光雷達(dá)、激光跟蹤測量和空間定位測量等。

1 激光雷達(dá)測量技術(shù)

激光雷達(dá)是20世紀(jì)80年代末興起的非接觸測量設(shè)備，在雷達(dá)技術(shù)的基礎(chǔ)上結(jié)合了激光技術(shù)，使工作波段擴(kuò)展到紅外光、可見光和紫外光。激光雷達(dá)測量系統(tǒng)的實(shí)質(zhì)是一個采用球坐標(biāo)系測量系統(tǒng)的非相干、連續(xù)波激光測距機(jī)。測量時，儀器向被測目標(biāo)投射激光束，并根據(jù)反射回的光線計算出目標(biāo)點(diǎn)的空間位置。激光雷達(dá)設(shè)備工作時，紅外激光器將同時發(fā)射兩束激光，一束投射向被測目標(biāo)，另一束投射到內(nèi)部校準(zhǔn)光纖。通過比較兩束激光間的頻率差，即可得到兩束激光的時間差，如圖1所示。再如圖2所示的，紅外激光器與目標(biāo)點(diǎn)間的絕對距離可以通過時間與距離的關(guān)系計算得到[11]。球坐標(biāo)系中目標(biāo)點(diǎn)的仰角和方位角分別由激光雷達(dá)系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)頭和反射鏡獲得，最后通過直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，計算得到被測目標(biāo)點(diǎn)的空間三維坐標(biāo)。

激光雷達(dá)測量系統(tǒng)的測量精度比較高，無需靶標(biāo)系統(tǒng)，其10m范圍內(nèi)測量精度在0.1mm左右[12]，并在國際航空制造企業(yè)中有了成熟的應(yīng)用，例如，波音787機(jī)身段、起落架艙門和機(jī)翼蒙皮切割，以及空客A380機(jī)翼、機(jī)身段、機(jī)翼根部、鈑金件、發(fā)動機(jī)進(jìn)氣罩等大尺寸飛機(jī)部件的裝配測量[13]。

圖1 激光雷達(dá)測距原理Fig.1 Principle of laser radar

圖2 時間差與頻率差關(guān)系Fig.2 Relationship of time and frequency difference

2 激光跟蹤測量技術(shù)

激光跟蹤測量系統(tǒng)是當(dāng)前國內(nèi)使用最為廣泛的先進(jìn)測量設(shè)備。與激光雷達(dá)相似的，激光跟蹤測量技術(shù)也是測量被測目標(biāo)點(diǎn)的絕對距離、水平方位角和垂直方位角的球坐標(biāo)測量系統(tǒng)，其中，角度編碼器負(fù)責(zé)測量兩個方位角，激光干涉儀測量距離分量[14]。通過反射靶標(biāo)裝置，激光跟蹤測量系統(tǒng)可靜態(tài)或動態(tài)地跟蹤一個空間點(diǎn)位，測量得到球坐標(biāo)系中的3個位置分量α、β、r，并由此計算目標(biāo)點(diǎn)在直角坐標(biāo)系中的位置矢量P=（x,y,z），如圖3所示。其中:

反射靶球相對跟蹤儀的水平方位角α和垂直方位角β分別由兩個角編碼器計算得到，空間絕對距離OP由激光干涉儀測量得到，射出與返回激光間的干涉信號經(jīng)整形、放大后計算總脈沖數(shù)，再根據(jù)公式計算出空間距離。

洛克希德·馬丁公司在F-35裝配中，采用了以激光跟蹤測量技術(shù)為核心的對接裝配系統(tǒng)（Electronic Mate and Assembly System，EMAS），實(shí)現(xiàn)了F-35的精確對接裝配；此外，空客公司在A380、A400M的部件裝配、對接中均采用了激光跟蹤測量技術(shù)[15]。

圖3 激光跟蹤測量技術(shù)原理Fig.3 Principle of laser tracking measuring

3 空間定位測量技術(shù)

空間定位測量技術(shù)的原理和GPS全球定位系統(tǒng)一樣，但是采用紅外激光代替衛(wèi)星系統(tǒng)的微波信號，多個相互獨(dú)立的接收器在接受到兩個以上發(fā)射器的紅外光信號后，即可以計算出每個接收器的空間位置?？臻g定位測量系統(tǒng)工作時，發(fā)射器在高速旋轉(zhuǎn)的過程中，投射出兩個呈一定角度的激光平面。根據(jù)接收器所能接收到的激光信號，系統(tǒng)能夠?qū)邮掌魉幙臻g點(diǎn)位的水平方位角和垂直方位角進(jìn)行測量計算，如圖4所示。當(dāng)系統(tǒng)中存在多個發(fā)射器時，即可計算出每個接受器的空間位置。測量一個點(diǎn)所需要的最少發(fā)射器數(shù)量是2個，發(fā)射器越多，測量越精確[16]。實(shí)際裝配過程中，激光發(fā)射器發(fā)出的脈沖激光覆蓋整個工作區(qū)域，工作區(qū)域的每一位置點(diǎn)均將置于激光覆蓋區(qū)域內(nèi)部，空間定位測量系統(tǒng)能夠?qū)@些點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時檢測。

波音、空客、洛克希德·馬丁等國外航空航天制造企業(yè)較早地開展了空間定位測量系統(tǒng)在柔性裝配型架安裝、大型部件精確定位以及自動鉆鉚機(jī)末端執(zhí)行器位置標(biāo)定等過程中的應(yīng)用研究。在波音公司的B747、B787，空客公司的A380等機(jī)型總裝對接中，均應(yīng)用到了空間定位測量系統(tǒng)。該類測量技術(shù)還已應(yīng)用于自動鉆鉚、焊接等機(jī)器人運(yùn)動的實(shí)時定位跟蹤，裝配車間自動牽引運(yùn)輸車（AGV）的路徑導(dǎo)航，以保證大空間全局定位精度[17]。

圖4 空間定位測量系統(tǒng)工作原理Fig.4 Work principle of space position measurement system

飛機(jī)裝配形狀特征測量技術(shù)

飛機(jī)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的多樣性和復(fù)雜性使零部件各具特點(diǎn)，不同的零部件在生產(chǎn)過程中有不同的形狀特征檢測需求。在裝配過程中，主要的形狀特征包括定位基準(zhǔn)邊線、加工點(diǎn)法線和組部件邊緣輪廓線，在飛機(jī)組部件自動鉆鉚、銑邊等裝配操作中需要對上述線特征進(jìn)行測量，其測量精度是保證飛機(jī)連接質(zhì)量、減小裝配階差和間隙的關(guān)鍵。

1 機(jī)器視覺孔位測量技術(shù)

視覺測量技術(shù)或稱為圖像測量技術(shù)，如圖5所示，它通過視覺相機(jī)獲取被測目標(biāo)的圖像，并對圖像進(jìn)行處理分析，獲得各類測量檢測數(shù)據(jù)，具有非接觸、全視場測量、高精度和自動化程度高的特點(diǎn)。以基準(zhǔn)邊線測量為例，視覺測量主要包括基準(zhǔn)濾波與噪聲抑制、基準(zhǔn)特征提取、基準(zhǔn)邊線擬合和基準(zhǔn)中心坐標(biāo)計算等步驟。通過高精度視覺相機(jī)獲取基準(zhǔn)圖像，采用非線性中值濾波算法抑制圖像噪聲，后以Canny算子快速地提取靜態(tài)高像素級特征，經(jīng)最小二乘準(zhǔn)則的函數(shù)擬合得到邊線擬合方程，并計算基準(zhǔn)中心位置。此時，得到的邊線方程是以像素為單位的，必須經(jīng)過精確的標(biāo)定才能得到用距離表示的邊線方程，標(biāo)定的精度決定了檢測精度。通常使用一個已知坐標(biāo)來標(biāo)定特征點(diǎn)平面，將像素值轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的距離值。標(biāo)定后的視覺測量系統(tǒng)可直接測量基準(zhǔn)中心坐標(biāo)值[18]。

圖5 視覺測量原理Fig.5 Principle of vision measurement system

飛機(jī)裝配中，視覺測量被廣泛用于機(jī)器人自動鉆鉚設(shè)備中。定位釘和定位孔是常用的定位基準(zhǔn)，形狀為正多邊形或圓形。通過標(biāo)定后視覺測量設(shè)備獲取定位基準(zhǔn)圖像，經(jīng)基準(zhǔn)濾波與噪聲抑制、基準(zhǔn)特征提取、基準(zhǔn)邊線擬合、基準(zhǔn)中心坐標(biāo)計算、數(shù)據(jù)傳輸、位置修正等步驟，測量定位基準(zhǔn)坐標(biāo)，修正變形、夾緊力、制造誤差帶來的裝配誤差，有效提高自動制孔的位置精度。

2 電渦流/激光傳感器法向測量技術(shù)

圖6 法向測量原理Fig.6 Principle of normal measurement

常用的非接觸式位移測量方法包括電渦流測距傳感器和激光測距傳感器。電渦流測距傳感器是根據(jù)電渦流效應(yīng)制成的線性化測量工具，能準(zhǔn)確測量被測金屬導(dǎo)體與探頭端面間的相對位移變化。而激光測距傳感器的測量原理是激光三角測量方法，最高線性度可達(dá)1μm，分辨率更是可達(dá)到0.1μm的水平。飛機(jī)裝配中，將電渦流/激光測距傳感器分布在末端執(zhí)行器端面，通過測量的距離計算加工坐標(biāo)系與工件坐標(biāo)系間的角度偏差，一般利用三點(diǎn)和四點(diǎn)調(diào)平算法實(shí)現(xiàn)執(zhí)行器的法向調(diào)平，修正制造、協(xié)調(diào)、變形等誤差累積引起的加工點(diǎn)曲面理論法線與實(shí)際法線間的偏差。

在機(jī)翼自動鉆鉚系統(tǒng)中，利用機(jī)翼表面上待鉆鉚點(diǎn)附近3點(diǎn)P1、P2和P3坐標(biāo)來表征該區(qū)域的空間姿態(tài)。通過安裝在鉆鉚機(jī)動力頭上3個電渦流傳感器測量探頭到鉆鉚區(qū)域的距離，擬合平面P1P2P3方程并計算平面法向量，經(jīng)坐標(biāo)變化得到鉆鉚機(jī)控制參數(shù)，如圖6（a）[19]。在機(jī)器人自動制孔系統(tǒng)中，傳感器在被測曲面上的投影分別為A、B、C、D，其中任意3點(diǎn)不共線，在加工點(diǎn)周圍構(gòu)成了4個微平面，計算每個微平面在壓力坐標(biāo)系下的法向量，加權(quán)平均4個法向量得到加工點(diǎn)M的法向量，如圖6（b）[20]。由于位移傳感器缺乏定位基準(zhǔn)，較難保證傳感器間的高度相同、軸向平行的安裝要求，故需對安裝后傳感器零點(diǎn)和測量方向進(jìn)行標(biāo)定[21]。

3 關(guān)節(jié)臂三坐標(biāo)裝配定位測量技術(shù)

圖7 D-H變換示意圖Fig.7 Sketch map of D-H changing

基于角坐標(biāo)系的笛卡爾式三坐標(biāo)測量機(jī)依靠3個相互正交的直線導(dǎo)軌的獨(dú)立移動來實(shí)現(xiàn)測量頭在空間內(nèi)的無死角運(yùn)動，測量結(jié)果通過3個方向的直線位移量直接獲得。而關(guān)節(jié)臂式三坐標(biāo)測量系統(tǒng)是一種基于旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和轉(zhuǎn)動臂的三坐標(biāo)測量系統(tǒng)，以角度測量基準(zhǔn)取代了長度測量基準(zhǔn)，屬于多自由度非笛卡爾式坐標(biāo)測量系統(tǒng)，由多個關(guān)節(jié)臂、測量頭、平衡塊、計算機(jī)等部分組成。此外，在臂上貼有測溫元件，而且每條臂上靠近末端的地方對稱貼有4個平行于臂軸方向的應(yīng)變片，以對溫度和彎曲變形進(jìn)行補(bǔ)償[22-23]。D-H矩陣方法可求解兩個連接且可以相互運(yùn)動的構(gòu)件間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換問題，關(guān)節(jié)臂通過級與級之間的正交連接組成，通過逐級的坐標(biāo)變換，計算出測頭中線坐標(biāo)，如圖7所示。

飛機(jī)裝配中壁板邊緣往往留有一定余量，需要自動銑邊設(shè)備切除余量獲取最終輪廓，測量邊緣輪廓線是確定切削余量和切削路徑的關(guān)鍵。笛卡爾式三坐標(biāo)測量機(jī)要求被測物體位于設(shè)備內(nèi)部，飛機(jī)壁板具有大尺寸特點(diǎn)且需要特定工裝裝夾，該類測量設(shè)備并不適用。而關(guān)節(jié)臂式三坐標(biāo)設(shè)備具有量程大、體積小及使用靈活等優(yōu)點(diǎn)，與移動平臺配合使用，能適用于大尺寸飛機(jī)壁板的邊緣輪廓線的測量。

飛機(jī)曲面外形測量技術(shù)

飛機(jī)產(chǎn)品外形以曲面為主，曲面外形準(zhǔn)確度是保證飛機(jī)氣動性能和隱身性等功能的關(guān)鍵，曲面外形的測量檢測一直是飛機(jī)部件、大部件裝配關(guān)注的重點(diǎn)。飛機(jī)產(chǎn)品曲面的類型復(fù)雜多變且尺寸跨度大，屬于典型的空間大尺寸測量問題。通過照相測量技術(shù)、激光掃描測量技術(shù)等先進(jìn)測量方法，快速獲得飛機(jī)曲面外形信息，并與三維設(shè)計模型建立匹配，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)產(chǎn)品裝配外形精準(zhǔn)分析，對于提升飛機(jī)裝配質(zhì)量具有重要意義。

1 外形照相測量技術(shù)

外形照相測量技術(shù)的主要原理為攝影測量圖像處理技術(shù)，基于空間交匯三角測量原理，可實(shí)現(xiàn)同時處理計算大量測量目標(biāo)點(diǎn)的空間位置信息，適于大尺寸曲面外形數(shù)據(jù)的便捷測量。該技術(shù)通過特制的反射標(biāo)記將被測對象準(zhǔn)二值目標(biāo)化，再通過一臺或多臺專用相機(jī)對被測對象進(jìn)行多方位拍照，經(jīng)計算機(jī)軟件對拍攝的照片進(jìn)行處理，可以解算出拍攝相機(jī)在不同位置時的空間位置和姿態(tài)關(guān)系，以及反射標(biāo)記點(diǎn)的三維坐標(biāo)。如圖8所示，設(shè)測量點(diǎn)pi（xi，yi，zi）處有j個攝站（j條光線）相交，Si為不同的攝影站位，則共有j個共線方程[24]。對每個攝站而言，x0j、y0j、fj、Δxij、Δyij稱為像片的內(nèi)方位元素，用來確定確定投影中心在像空間坐標(biāo)系中對像片的相對位置；XSj、YSj、ZSj，aij、bij、cij（i=1,2,3）為像片的外方位元素的平移量及旋轉(zhuǎn)陣的元素，用來確定一張像片和投影中心在物方坐標(biāo)系中的方位。根據(jù)基于光線束平差算法，結(jié)合最小二乘原理，將多個光線束的共線方程聯(lián)立求解，即可以獲得目標(biāo)點(diǎn)的空間坐標(biāo)（X，Y，Z）。

圖8 照相測量基本原理Fig.8 Principle of camera measurement

該測量方式具有易于攜帶和移動，適合大尺寸測量，受溫度、振動等環(huán)境影響小，精度高等優(yōu)點(diǎn)。照相測量技術(shù)已成功應(yīng)用于波音公司737-800的整機(jī)外形檢測和空客公司A380機(jī)身對接面裝配準(zhǔn)確度檢測。

2 外形激光掃描測量技術(shù)

激光掃描測量系統(tǒng)通過對目標(biāo)對象進(jìn)行高精度步進(jìn)測量，獲得測量對象局部或整體的大量三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，即“點(diǎn)云”。該技術(shù)能實(shí)現(xiàn)大面積密集點(diǎn)的快速測量，與激光跟蹤測量系統(tǒng)相比，不需要靶標(biāo)或手持掃描裝置即可實(shí)現(xiàn)對被測目標(biāo)的測量。激光掃描系統(tǒng)主要由激光測距系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、掃描系統(tǒng)和電源系統(tǒng)組成，還可以根據(jù)需要集成內(nèi)部校正系統(tǒng)[25]。根據(jù)測距原理，可將其分為脈沖法激光測距、激光相位法測距和激光三角法測距3類。

脈沖測距法根據(jù)測量脈沖信號的發(fā)射和接收時間差計算發(fā)射點(diǎn)與目標(biāo)的距離。相位法測距則需要對激光束的幅值進(jìn)行調(diào)制，通過測量被調(diào)制的光信號在測量往返傳播過程中產(chǎn)生的相位差，間接獲得激光束在被測距離上傳播的時間，計算得出被測距離。三角法借助三角形幾何關(guān)系，建立激光發(fā)射點(diǎn)、CCD接收點(diǎn)和目標(biāo)反射點(diǎn)的空間三角形，根據(jù)兩個反射角和基線長度，計算出目標(biāo)的三維坐標(biāo)。激光掃描測量系統(tǒng)可以與CAD及配套分析軟件平臺集成，完成測量曲面的分析等工作。激光掃描測量系統(tǒng)已在空客公司A380機(jī)翼裝配外形檢測工作中得到了成功的應(yīng)用。

數(shù)字化測量技術(shù)展望

伴隨著飛機(jī)裝配技術(shù)的不斷革新，測量技術(shù)也經(jīng)歷了從模擬量到數(shù)字量的變革，由“定性檢測、事后檢驗(yàn)”轉(zhuǎn)變?yōu)椤岸繙y量、實(shí)時跟蹤”，徹底貫通了飛機(jī)產(chǎn)品從模型設(shè)計開始，經(jīng)歷零件制造，直到部件裝配的數(shù)字量傳遞渠道，形成了連續(xù)的數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)化過程，成為飛機(jī)數(shù)字化裝配關(guān)鍵支撐技術(shù)。但當(dāng)智能制造時代來臨之際，數(shù)字化測量技術(shù)有了更高層次的要求——“智能測量、反饋控制”。

圍繞“狀態(tài)感知、實(shí)時分析、自主決策、精準(zhǔn)執(zhí)行”的智能制造基本框架，數(shù)字化測量技術(shù)需要滿足對各類裝配狀態(tài)要素的精確采集和實(shí)時獲取，實(shí)現(xiàn)從飛機(jī)裝配物理狀態(tài)到制造信息網(wǎng)絡(luò)的信息轉(zhuǎn)化功能。因此，需要突破現(xiàn)有測量技術(shù)、裝備和理念的束縛，探索各類狀態(tài)監(jiān)測傳感器、RFID、條形碼、物聯(lián)網(wǎng)、泛在網(wǎng)等技術(shù)，拓展數(shù)字化測量技術(shù)的概念范圍，建立可覆蓋飛機(jī)裝配全部物料資源和裝配活動全過程的數(shù)字化測量與監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，實(shí)時感知、監(jiān)控、分析飛機(jī)裝配狀態(tài)，使數(shù)字測量技術(shù)真正成為飛機(jī)智能裝配體系中的“神經(jīng)末梢”[26]，并進(jìn)一步建立與制造執(zhí)行系統(tǒng)的信息反饋控制渠道，將數(shù)據(jù)分析中心產(chǎn)生的裝配決策傳遞至執(zhí)行單元，構(gòu)成完整的智能制造數(shù)據(jù)流閉環(huán)反饋控制體系。

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