趙建國,臺(tái)春雷,劉 哲,王 崇,白繼鵬
(航空工業(yè)沈陽飛機(jī)工業(yè)( 集團(tuán))有限公司,沈陽 110034)
新一代飛機(jī)在性能、研制效率等方面均有大幅提高,隱身和長壽命作為重要指標(biāo),對(duì)機(jī)體結(jié)構(gòu)、氣動(dòng)外形、表面間隙階差等質(zhì)量特性都有很高的要求。傳統(tǒng)的模線、樣板、量規(guī)等模擬量協(xié)調(diào)方式難以滿足新一代飛機(jī)研制需求。隨著數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展,三維測量技術(shù)已融入飛機(jī)裝配的各個(gè)環(huán)節(jié),應(yīng)用模式由交付質(zhì)量驗(yàn)收檢測向工藝質(zhì)量過程控制轉(zhuǎn)變。飛機(jī)尺寸大,測量需求差異較大,裝配現(xiàn)場需要多測量系統(tǒng)協(xié)同工作,亟須發(fā)展大尺寸、高精度、兼容性強(qiáng)、擴(kuò)展性好、組網(wǎng)快速的整體測量場構(gòu)建技術(shù),為保證飛機(jī)裝配質(zhì)量奠定基礎(chǔ)。
飛機(jī)制造一般為多品種小批量,甚至是單件生產(chǎn),傳統(tǒng)模擬量協(xié)調(diào)制造方法存在質(zhì)量穩(wěn)定性差、效率低等問題,隨著數(shù)字化制造技術(shù)的發(fā)展,世界各國都將數(shù)字化制造作為發(fā)展方向,而數(shù)字化測量作為重要支撐技術(shù)更是必不可少。基于產(chǎn)品單一數(shù)據(jù)源的數(shù)字量協(xié)調(diào)體系是現(xiàn)代飛機(jī)制造技術(shù)特點(diǎn),更是飛機(jī)裝配的發(fā)展方向。裝配過程工序多,飛機(jī)零部件在各工序間流轉(zhuǎn),數(shù)字測量技術(shù)為保證飛機(jī)零部件的精確定位提供了基礎(chǔ)保障[1]。在國外飛機(jī)制造企業(yè),軍機(jī)如F–22和F–35戰(zhàn)機(jī),民用飛機(jī)如波音787、A380等在裝配過程中,iGPS、激光跟蹤儀、激光雷達(dá)等數(shù)字化光學(xué)測量技術(shù)獲得了成功應(yīng)用,大大提高了飛機(jī)裝配精度和自動(dòng)化水平,顯著縮短了飛機(jī)裝配周期。近年來國內(nèi)引進(jìn)大量先進(jìn)數(shù)字化測量設(shè)備,相應(yīng)的應(yīng)用技術(shù)得到了長足發(fā)展,如為滿足差異化測量需求的飛機(jī)復(fù)雜裝配件的協(xié)同測量技術(shù)[2]、基于激光跟蹤儀EMSCON的二次開發(fā)[3]等。飛機(jī)尺寸大,局部精度要求高,建立一個(gè)大尺寸、高精度的全局測量場至關(guān)重要。國內(nèi)外開展了大量研究,如大尺寸整體測量場的構(gòu)建與誤差評(píng)定[4–6]。多系統(tǒng)協(xié)調(diào)測量方面,文獻(xiàn)[7–8]綜合考慮測量儀器的適應(yīng)范圍、測量不確定度、測量經(jīng)濟(jì)性指標(biāo),針對(duì)產(chǎn)品測量需求,提出了合理的測量儀器選型方法和多系統(tǒng)組合應(yīng)用方法。在三維測量場標(biāo)定方面,USMN(Unified spatial metrology network)技術(shù)基于激光跟蹤儀的測量原理及測量不確定度分析,通過試驗(yàn)研究了角度和距離對(duì)測量誤差分布的影響,通過平差優(yōu)化算法,提高三維測量場的標(biāo)定精度[9–11]。
針對(duì)飛機(jī)裝配現(xiàn)場對(duì)大尺寸、高精度、多系統(tǒng)協(xié)同的測量需求,基于激光跟蹤儀開展飛機(jī)裝配大尺寸多系統(tǒng)測量場構(gòu)建技術(shù)研究,建立適應(yīng)大型部件裝配的整體測量場,為飛機(jī)數(shù)字化裝配提供基準(zhǔn)統(tǒng)一的測量信息數(shù)據(jù),對(duì)保證數(shù)據(jù)的順利傳遞和高效利用、促進(jìn)飛機(jī)裝配工藝技術(shù)水平的不斷完善、增強(qiáng)新一代飛機(jī)快速研制能力、提高航空工業(yè)核心競爭力至關(guān)重要。
飛機(jī)具有較大尺寸 (22m×16m× 6m),測量特征包括點(diǎn)、線、面,測量精度和尺度要求差異較大,裝配現(xiàn)場測量設(shè)備種類眾多,通過開展基準(zhǔn)點(diǎn)優(yōu)化、測量基準(zhǔn)場兼容性和基準(zhǔn)點(diǎn)標(biāo)定等技術(shù)研究,綜合考慮測量精度、測量效率和測量成本,搭建覆蓋裝配工作區(qū)域的統(tǒng)一測量基準(zhǔn)網(wǎng),兼顧多種數(shù)字化測量設(shè)備,滿足飛機(jī)裝配對(duì)大尺寸、高精度、多系統(tǒng)協(xié)同、擴(kuò)展性好、兼容性強(qiáng)和快速組網(wǎng)的測量需求,為保證飛機(jī)裝配質(zhì)量和效率奠定基礎(chǔ)。
測量基準(zhǔn)點(diǎn)設(shè)計(jì)應(yīng)綜合考慮測量精度、測量范圍、待測部件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和測量儀器等因素,開展測量點(diǎn)布置工藝仿真與優(yōu)化設(shè)計(jì)。工藝規(guī)劃主要工作內(nèi)容包括基準(zhǔn)點(diǎn)選取、測量儀器站位設(shè)計(jì)、測量工藝仿真與優(yōu)化等,具體如下。
(1)基準(zhǔn)點(diǎn)選取原則。
a.基準(zhǔn)點(diǎn)應(yīng)設(shè)置在測量專用地基或固定梁、柱上,測量基準(zhǔn)點(diǎn)應(yīng)穩(wěn)定、抗震和通視性好,易被測量儀器識(shí)別等;
b.基準(zhǔn)點(diǎn)構(gòu)成的測量空間應(yīng)將所有測量點(diǎn)位包含在內(nèi) (可包絡(luò)飛機(jī)總體結(jié)構(gòu));
c.基準(zhǔn)點(diǎn)布置密度應(yīng)綜合考慮測量工藝和測量設(shè)備需求,保證單機(jī)單次建站可供選擇基準(zhǔn)點(diǎn)數(shù)量不少于4個(gè),且被選用基準(zhǔn)點(diǎn)不得共線或共面。
(2)測量儀器站位設(shè)計(jì)。在能夠滿足測量需求的前提下,盡量采取最少的站位數(shù)量,以減輕測量儀器轉(zhuǎn)站誤差對(duì)測量精度的影響。
(3)測量工藝仿真與優(yōu)化。根據(jù)飛機(jī)裝配對(duì)測量工藝需求,綜合考慮各測量儀器原理、工作范圍、測量工位、空間布置和測量可達(dá)性等,依據(jù)上文(1)和(2)中原則初步確定基準(zhǔn)點(diǎn)和測量站位規(guī)劃方案,建立測量工藝模型,以測量精度、操作方便性和經(jīng)濟(jì)性等為優(yōu)化指標(biāo),通過測量工藝過程仿真,對(duì)測量基準(zhǔn)點(diǎn)和站位布局方案進(jìn)行迭代優(yōu)化,最終確定基準(zhǔn)點(diǎn)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案,如圖1所示。
圖1 測量工藝規(guī)劃與仿真Fig.1 Measurement process planning and simulation
裝配現(xiàn)場數(shù)字化測量儀器種類多,如iGPS、激光跟蹤儀、激光雷達(dá)、三維掃描儀、工業(yè)相機(jī)、關(guān)節(jié)臂和光筆等,每種測量儀器都有其獨(dú)特的原理、適用范圍,包括接觸式和非接觸式,相對(duì)式和絕對(duì)坐標(biāo)測量等。測量場構(gòu)建應(yīng)系統(tǒng)分析設(shè)備應(yīng)用特點(diǎn)和適應(yīng)范圍,充分發(fā)揮各種測量手段的優(yōu)勢,優(yōu)化集成測量方案,兼顧測量精度、效率和成本,對(duì)現(xiàn)場測量儀器具有較高的兼容性,實(shí)現(xiàn)測量基準(zhǔn)的統(tǒng)一,保證各系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)高效交互。
iGPS、激光跟蹤儀和激光雷達(dá)為空間點(diǎn)測量,iGPS和激光跟蹤儀的接收器或反射鏡可選1.5inch(1 inch= 2.54cm)標(biāo)準(zhǔn)球,如圖2(a)所示,球心為測量反饋值,激光雷達(dá)可掃描1.5inch標(biāo)準(zhǔn)球球面,通過擬合反饋球心值。工業(yè)相機(jī)和掃描儀采用相機(jī)成像,為面測量,可測量圖2(b)反光標(biāo)識(shí),標(biāo)識(shí)為圓形,測量反饋圓形形心坐標(biāo)值(形心與球心重合)。關(guān)節(jié)臂和光筆為接觸式點(diǎn)測量,可通過測量1.5inch標(biāo)準(zhǔn)球球面,通過擬合反饋球心值。
綜上所述,結(jié)合各設(shè)備測量反饋值特點(diǎn),測量基準(zhǔn)點(diǎn)選為采用1.5inch球心,不同儀器配備圖2(a)和(b)式測量部件和標(biāo)準(zhǔn)1.5inch圓球,配合圖2(c)式基準(zhǔn)座,實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)基準(zhǔn)的統(tǒng)一。對(duì)于空間狹小結(jié)構(gòu),不便于安裝1.5inch測量部件時(shí),可采用圖2(d)式角度反光標(biāo)識(shí),但圓形標(biāo)識(shí)形心與底座偏移量與1.5inch測量部件一致。
圖2 基準(zhǔn)點(diǎn)標(biāo)識(shí)與基座Fig.2 Datum mark and base
在飛機(jī)裝配現(xiàn)場,測量基準(zhǔn)場標(biāo)定儀器一般采用激光雷達(dá)和激光跟蹤儀等,可單獨(dú)或多種儀器聯(lián)合使用,與測量設(shè)備的應(yīng)用原理無關(guān),下文以裝配現(xiàn)場多見的激光跟蹤儀為例,闡述標(biāo)定方法。激光跟蹤儀為球坐標(biāo)測量系統(tǒng),基于角度傳感和測長技術(shù),其長度量值利用激光干涉測距讀取,激光干涉精度高可直接溯源至激光波長,對(duì)整體測量誤差影響較小。水平角和俯仰角采用兩個(gè)角度編碼器測量,在測量線的切向產(chǎn)生較大誤差,測量不確定度與距離成正比,是激光跟蹤儀坐標(biāo)測量主要誤差源。大型部件裝配現(xiàn)場,對(duì)精度要求不高的任務(wù),三維測量場標(biāo)定一般由激光跟蹤儀直接測量獲取。激光跟蹤儀20m距離測量不確定度達(dá)到0.2mm(現(xiàn)場測試經(jīng)驗(yàn)值),對(duì)于高精度測量場標(biāo)定,無法滿足測量基準(zhǔn)場的高精度標(biāo)定需求。
利用激光跟蹤儀內(nèi)置的激光干涉儀測長精度高、現(xiàn)場使用方便的優(yōu)點(diǎn),基于多站位冗余測量長度約束方法,采用多站位首尾閉環(huán)測量,依不確定度為每個(gè)擬合元素分配權(quán)重,經(jīng)加權(quán)平差優(yōu)化處理,可降低測角誤差對(duì)總體標(biāo)定精度的影響。如圖3所示,通過跟蹤儀在多個(gè)測量站位(分布在空間不同位置)對(duì)標(biāo)定現(xiàn)場的多個(gè)測量基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行測量,利用基準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)的不變性(基準(zhǔn)點(diǎn)固定不變)及高精度長度測量值(讀取激光跟蹤儀長度值)建立測量誤差方程,通過優(yōu)化算法解算基準(zhǔn)點(diǎn)空間坐標(biāo),從而降低跟蹤儀測角誤差影響,最終實(shí)現(xiàn)和跟蹤儀干涉測長精度相對(duì)應(yīng)的精密三維測量場精度,以此提高測量基準(zhǔn)網(wǎng)標(biāo)定精度。
基準(zhǔn)點(diǎn)分布在不同高度層次上,利用激光跟蹤儀在m個(gè)站位對(duì)n個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行測量,逐個(gè)站位記錄實(shí)測數(shù)據(jù)。激光跟蹤儀采用球坐標(biāo)模式,基于實(shí)測數(shù)據(jù)提取長度測量值l、水平角測量值θ和垂直角測量值φ。建立測量模型的約束方程為
式中,為激光跟蹤儀在站位i對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)j的測量值的實(shí)測值 (i=1,2,…,m;j=1,2,…,n)。lij、θij、φij為基準(zhǔn)點(diǎn)j在站位i坐標(biāo)系下的測量值的最優(yōu)值,由基準(zhǔn)點(diǎn)j的三維坐標(biāo)的最優(yōu)值pj= (xj,yj,zj)、站位i到全局坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)角(αi,βi,γi)和平移向量Ti計(jì)算得到。
其中,
因此,整體目標(biāo)方程為
式中,wl、wθ和wφ是長度約束方程和角度約束方程的權(quán)重。由于激光跟蹤儀的測長精度高于測角精度,根據(jù)現(xiàn)場情況,建立各個(gè)測量站的測量模型,得到各測量站的協(xié)方差矩陣和雅可比矩陣,按矩陣加權(quán)線性最小方差最優(yōu)融合準(zhǔn)則,求取長度約束方程和角度約束方程的權(quán)重。
此外,激光跟蹤儀的測量不確定度也有差別,特別是選用不同品牌的儀器,首先應(yīng)校準(zhǔn)儀器,確定每臺(tái)設(shè)備自身的不確定度。在尋優(yōu)迭代過程中,加權(quán)最小二乘法較為常用,本文采用Levenberg-Marquardt算法,屬于非線性最小二乘算法,兼具梯度法和牛頓法的優(yōu)點(diǎn),即收斂速度快、可全局收斂。因此,采用Levenberg–Marquardt算法對(duì)整體目標(biāo)方程進(jìn)行解算,從而得到基準(zhǔn)點(diǎn)高精度的三維坐標(biāo),構(gòu)建三維精密控制場。
數(shù)字化測量技術(shù)不僅是飛機(jī)裝配質(zhì)量控制的重要手段,更為現(xiàn)場自動(dòng)化設(shè)備提供閉環(huán)控制數(shù)據(jù)支持,利于在飛機(jī)制造過程中形成完整的數(shù)據(jù)鏈,對(duì)修正質(zhì)量偏差、促進(jìn)飛機(jī)制造工藝迭代優(yōu)化有重要作用。測量基準(zhǔn)場是保證飛機(jī)裝配質(zhì)量的基礎(chǔ),下文對(duì)精度驗(yàn)證和工程應(yīng)用情況進(jìn)行介紹。
飛機(jī)大部件裝配現(xiàn)場對(duì)測量范圍的需求通常大于20m,激光跟蹤儀所用標(biāo)準(zhǔn)尺不超過2m,無法驗(yàn)證測量基準(zhǔn)網(wǎng)標(biāo)定精度。激光干涉儀測長精度為0.5μm/m,大型設(shè)備精度評(píng)價(jià)應(yīng)用較多,通過與激光干涉儀對(duì)比,驗(yàn)證測量基準(zhǔn)網(wǎng)標(biāo)定精度。
利用大型數(shù)控機(jī)床導(dǎo)軌(超過20m),導(dǎo)軌直線精度較高,如圖4所示,采用4臺(tái)激光跟蹤儀和1臺(tái)激光干涉儀,特制儀器支座,將激光干涉儀反射鏡和激光跟蹤儀1.5inch靶球集成在儀器支座上,相對(duì)位置固定,并在現(xiàn)場預(yù)先布置好基準(zhǔn)點(diǎn)球座。現(xiàn)場溫度為(23±1)℃,濕度70%。標(biāo)定前,準(zhǔn)備激光干涉儀和激光跟蹤儀使其具備工作狀態(tài),將儀器支座放置在機(jī)床床身上,放置好反射鏡和靶球,將機(jī)床運(yùn)行至一端邊界處,調(diào)整激光干涉儀,并記錄為初始位置,同時(shí)各激光跟蹤儀測量1.5inch靶球記錄實(shí)測值。然后移動(dòng)機(jī)床床身,儀器支座隨床身一起運(yùn)動(dòng),激光干涉儀和激光跟蹤儀再次測量,記錄當(dāng)前數(shù)據(jù),以激光干涉儀兩次測量差值作為標(biāo)準(zhǔn)長度。激光跟蹤儀完成各基準(zhǔn)點(diǎn)測量后,通過多站位冗余測量長度約束算法,實(shí)現(xiàn)測量基準(zhǔn)場的標(biāo)定,提取出與激光干涉儀集成的靶球坐標(biāo)值,計(jì)算兩點(diǎn)間距離,并與激光干涉儀得到的標(biāo)準(zhǔn)長度對(duì)比,驗(yàn)證測量基準(zhǔn)場標(biāo)定精度。
圖4 精度驗(yàn)證Fig.4 Accuracy verification
激光干涉儀得到的機(jī)床兩次位置距離標(biāo)準(zhǔn)長度為18000.035mm,相應(yīng)靶球經(jīng)解算得到的距離為18000.077mm, 誤差為0.042mm(據(jù)工程經(jīng)驗(yàn),激光跟蹤儀不經(jīng)優(yōu)化測量誤差約為0.2mm),證明標(biāo)定精度顯著提高,滿足飛機(jī)裝配使用需求。
飛機(jī)裝配從零組件、段件、部件、全機(jī)對(duì)合、總裝各工序均離不開數(shù)字化測量,測量特征包括交點(diǎn)、K孔、框梁軸線、重要型面、氣動(dòng)外形、波紋度、間隙和階差等,測量特征分布在機(jī)身各處,需要多種測量設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。為開展質(zhì)量評(píng)價(jià)工作,以往通過人工處理將大量數(shù)據(jù)統(tǒng)一至飛機(jī)坐標(biāo)系下,存在效率低、轉(zhuǎn)換精度低等問題。整體測量基準(zhǔn)場的建立,便于多設(shè)備的協(xié)同工作,且測量坐標(biāo)系唯一,節(jié)約了人工成本,提高了坐標(biāo)轉(zhuǎn)換精度,大尺寸多系統(tǒng)測量基準(zhǔn)場的典型應(yīng)用場景如下。
(1)照相測量長度校準(zhǔn)。照相測量操作簡單,對(duì)現(xiàn)場環(huán)境要求較低,一般用于機(jī)身氣動(dòng)外形測量。照相測量利用相機(jī)拍攝被測物體的圖像,建立被測物體與相機(jī)之間的相對(duì)位置關(guān)系,通過對(duì)不同位置圖像進(jìn)行解算,從而獲得被測物體表面的三維信息。單幅圖像屬于二維測量,由于缺少長度約束,大尺寸測量精度受限。借助高精度的測量基準(zhǔn)場,配合球型反光標(biāo)識(shí) (圖2(b)),可為照相測量提供多方向的長度約束,測量誤差可控制在0.2mm以內(nèi),顯著提高了機(jī)體氣動(dòng)外形的測量精度。
(2)掃描數(shù)據(jù)融合。三維掃描測量比照相測量精細(xì),可用于評(píng)價(jià)間隙、階差和氣動(dòng)外形,但限于掃描幅面限制,大尺寸測量需要進(jìn)行數(shù)據(jù)拼接,測量時(shí)利用光學(xué)跟蹤系統(tǒng)確定掃描儀空間位置,完成掃描儀的精確定位,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)多幅圖像的融合。為保證測量精度,光學(xué)跟蹤系統(tǒng)一般工作范圍不超過5m,測量過程需要多次轉(zhuǎn)站,測量精度損失較大?;诟呔鹊臏y量基準(zhǔn)場,光學(xué)跟蹤系統(tǒng)能夠快速建立飛機(jī)坐標(biāo)系,而且顯著降低了多次轉(zhuǎn)站誤差累積的影響,經(jīng)工程測試,不同區(qū)域掃描數(shù)據(jù)融合精度不低于0.1mm。
(3)大部件對(duì)接調(diào)姿。飛機(jī)大型部件對(duì)接,由于部件尺寸較大,測量范圍超過了20m,為保證對(duì)接精度,測量工藝需結(jié)合產(chǎn)品裝配結(jié)構(gòu)要求,在工藝準(zhǔn)備期間通過大量模擬仿真,確定測量站位和工藝測量點(diǎn)布局,對(duì)合過程中保證激光跟蹤儀位置固定,一旦出現(xiàn)位置變化,兩對(duì)合部件需重新進(jìn)行調(diào)整。在形成高精度的測量基準(zhǔn)場后,測量基準(zhǔn)點(diǎn)布置在工作現(xiàn)場四周,如圖5所示,在測量基準(zhǔn)場范圍內(nèi)激光跟蹤儀轉(zhuǎn)站誤差可有效控制在0.05mm以內(nèi),顯著提高了測量設(shè)備的使用靈活性,降低了現(xiàn)場返工率。
圖5 大部件對(duì)接工藝試驗(yàn)Fig.5 Butt joint process test of large parts
(4)關(guān)鍵傳感器數(shù)據(jù)修正。如航炮校靶、飛參傳感器等修正,需飛機(jī)結(jié)構(gòu)裝配完成后在總裝階段進(jìn)行,以往采用大量工裝和支架,將飛機(jī)調(diào)整至準(zhǔn)確位置,生產(chǎn)準(zhǔn)備周期長,而且調(diào)整過程費(fèi)時(shí)費(fèi)力。通過上述測量基準(zhǔn)場構(gòu)建技術(shù),將基準(zhǔn)點(diǎn)布置在飛機(jī)關(guān)鍵特征上,如圖6所示,各傳感器修正時(shí),利用激光跟蹤儀等儀器快速恢復(fù)飛機(jī)坐標(biāo)系,并為各傳感器調(diào)整提供閉環(huán)控制數(shù)據(jù)。調(diào)整過程無需調(diào)整飛機(jī)姿態(tài),而且省去了大量工裝和支架,數(shù)據(jù)修正時(shí)間縮短70%以上,調(diào)整精度不低于0.1mm。
圖6 校靶過程的數(shù)字化測量Fig.6 Digital measurement of target calibration process
(1)開展面向飛機(jī)裝配的大尺寸多系統(tǒng)測量基準(zhǔn)場構(gòu)建技術(shù)研究,提出了基準(zhǔn)點(diǎn)優(yōu)化設(shè)計(jì)原則,提高了測量基準(zhǔn)場對(duì)各數(shù)字化測量儀器的兼容性,基于多站位冗余測量長度約束方法,采用激光跟蹤儀對(duì)飛機(jī)裝配現(xiàn)場測量基準(zhǔn)場進(jìn)行標(biāo)定,得到基準(zhǔn)點(diǎn)高精度的三維坐標(biāo),構(gòu)建了三維精密控制場。
(2)設(shè)計(jì)了大尺寸多系統(tǒng)測量基準(zhǔn)場標(biāo)定精度的驗(yàn)證試驗(yàn)方案,通過與激光干涉儀對(duì)比,測量不確定度可控制在0.05mm以內(nèi),驗(yàn)證了大尺寸多系統(tǒng)測量基準(zhǔn)場構(gòu)建技術(shù)的可行性。
(3)以照相測量長度約束、掃描數(shù)據(jù)融合、大部件對(duì)接調(diào)姿和關(guān)鍵傳感器數(shù)據(jù)修正為例,闡述了大尺寸多系統(tǒng)測量基準(zhǔn)場在飛機(jī)裝配過程中的應(yīng)用,驗(yàn)證了技術(shù)的有效性,促進(jìn)了面向飛機(jī)裝配測量工藝技術(shù)提升,提高了飛機(jī)裝配質(zhì)量和生產(chǎn)效率。