吳麗麗，王 燕，劉勝蘭，葉 南，張麗艷

(1. 中航工業(yè)沈陽飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限公司質(zhì)保部，沈陽 110000；2. 南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，南京 210016)

蒙皮零件是構(gòu)成飛機(jī)外形的主要零件，其制造質(zhì)量對(duì)飛機(jī)的氣動(dòng)性能有著重要影響，對(duì)蒙皮零件進(jìn)行外形檢測(cè)是制造過程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。

目前，我國(guó)航空制造業(yè)仍然主要采用傳統(tǒng)的實(shí)物對(duì)比外形檢測(cè)方法，將蒙皮零件放置并定位在檢驗(yàn)?zāi)Ｌド?，通過卡尺、塞尺等工具來測(cè)量蒙皮與模胎間的間隙誤差，對(duì)一些工具難以實(shí)施的部位則只能通過視覺來觀察是否與模胎刻線相吻合，通過觸覺來感知是否與模胎相貼合。這種實(shí)物對(duì)比檢測(cè)方法耗費(fèi)人力，檢測(cè)精度不高，所能檢測(cè)的部位也不夠全面，無法滿足現(xiàn)代飛機(jī)制造對(duì)快速高精度檢測(cè)的要求，采用數(shù)字化檢測(cè)是蒙皮檢測(cè)的一個(gè)發(fā)展方向。

在數(shù)字化檢測(cè)過程中，數(shù)據(jù)測(cè)量是第一步。由于蒙皮通常為曲面且剛度相對(duì)較弱，近年來迅速發(fā)展的光學(xué)測(cè)量設(shè)備具有無接觸力、靈活性好、測(cè)量精度較高、易于獲取復(fù)雜型面三維數(shù)據(jù)等優(yōu)點(diǎn)，因而對(duì)蒙皮零件的測(cè)量具有較好的應(yīng)用前景。根據(jù)采用的傳感器和測(cè)量原理的不同，光學(xué)測(cè)量方法有光學(xué)掃描、攝影測(cè)量、激光跟蹤、激光雷達(dá)、室內(nèi)GPS等[1-2]，上述方法在飛機(jī)裝配過程中已有不少應(yīng)用[3-4]，但在飛機(jī)蒙皮檢測(cè)中的應(yīng)用還處于探索階段。對(duì)飛機(jī)蒙皮零件進(jìn)行數(shù)字化檢測(cè)，需要解決以下關(guān)鍵問題：

（1）檢測(cè)內(nèi)容的確定。需要根據(jù)數(shù)字化檢測(cè)易于獲得零件表面點(diǎn)的特點(diǎn)以及工程實(shí)際來確定檢測(cè)內(nèi)容，而非完全依照以往模擬量方法所能檢測(cè)的內(nèi)容。

（2）測(cè)量方法的選擇。零件的大小、形狀變化、檢測(cè)內(nèi)容以及檢測(cè)要求等的不同，適用的數(shù)字化檢測(cè)方法也會(huì)不同，需要在實(shí)踐中進(jìn)行總結(jié)并形成檢測(cè)規(guī)范。

（3）測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)條件的要求。大尺寸易變形的蒙皮零件必須考慮變形對(duì)測(cè)量的影響，因此需要對(duì)模胎支撐、局部加壓等測(cè)量條件進(jìn)行研究與規(guī)范。另外，光學(xué)測(cè)量設(shè)備對(duì)蒙皮表面的光學(xué)情況、是否有振動(dòng)等測(cè)量條件也有要求。

（4）測(cè)量數(shù)據(jù)的處理與評(píng)價(jià)。其中的難點(diǎn)是如何高精度、可靠地將測(cè)量數(shù)據(jù)與理論數(shù)模進(jìn)行配準(zhǔn)，蒙皮零件多為自由曲面且很多零件存在孔位或者邊緣線進(jìn)行輔助定位的情況，配準(zhǔn)情況也就更為復(fù)雜 。

本文選用光學(xué)測(cè)量方法中的光學(xué)掃描和攝影測(cè)量?jī)煞N典型方法對(duì)蒙皮零件測(cè)量過程中的技術(shù)條件進(jìn)行研究，首先在分析蒙皮零件檢測(cè)技術(shù)要求和工程實(shí)踐基礎(chǔ)上確定蒙皮零件的數(shù)字化檢測(cè)內(nèi)容，然后從測(cè)量前準(zhǔn)備、蒙皮零件放置、蒙皮零件外形測(cè)量等方面的技術(shù)條件進(jìn)行闡述。

1 蒙皮零件數(shù)字化檢測(cè)內(nèi)容

對(duì)一般機(jī)械零件的檢測(cè)，可參考國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）為產(chǎn)品開發(fā)全過程而構(gòu)建的“產(chǎn)品幾何技術(shù)規(guī)范(Geometrical Product Specifications，GPS)”系列標(biāo)準(zhǔn)，其中ISO1101-2004[5]、ISO5459-2011[6]分別對(duì)幾何公差（包括形狀公差、方向公差、位置公差）、基準(zhǔn)與基準(zhǔn)體系等方面內(nèi)容進(jìn)行了定義，規(guī)定了基本要求和方法。類似的還有我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1182-2008[7]、GB/T 17851-2010[8]也對(duì)產(chǎn)品幾何特性相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行了規(guī)定。ASME Y14.5-2009[9]則是一美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)零件幾何要素的公差定義、公差標(biāo)注、基準(zhǔn)元素設(shè)定、基準(zhǔn)參考體系建立等的原理、要求與方法進(jìn)行了規(guī)定。飛機(jī)蒙皮是一類帶有自由曲面的鈑金件，形狀復(fù)雜且容易變形，部分內(nèi)容可參考上述標(biāo)準(zhǔn)，但目前航空企業(yè)對(duì)蒙皮的外形質(zhì)量要求更多地主要參照技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)文件“飛機(jī)鈑金件尺寸公差及技術(shù)條件（HB 6470-1990）”[10]和“一般公差（HB 5800-1999）”[11]。

標(biāo)準(zhǔn)HB6470-1990中給出了蒙皮零件的曲面外緣型值公差、單曲面蒙皮的百分比連線波紋度、周邊外形尺寸公差、周邊端面的表面粗糙度要求、表面質(zhì)量要求等要求與技術(shù)條件。前3項(xiàng)內(nèi)容涉及零件的尺寸和外形，適合于進(jìn)行數(shù)字化檢測(cè)，其余內(nèi)容則需采用其他方法進(jìn)行檢測(cè)。隨著檢測(cè)技術(shù)與公差技術(shù)的不斷發(fā)展，在工程上越來越多的采用形狀、位置公差這類綜合公差來代替尺寸公差這一單項(xiàng)公差。因此，根據(jù)工程實(shí)際和術(shù)語統(tǒng)一的要求，本文將“曲面外緣型值公差”用“面輪廓度公差” 來代替，“周邊外形尺寸公差”用“周邊的線輪廓度公差”來代替，“單曲面蒙皮的百分比連線波紋度”用“截面線的線輪廓度公差”來代替。參考上述航空標(biāo)準(zhǔn)并結(jié)合工程實(shí)際，將蒙皮零件的數(shù)字化檢測(cè)內(nèi)容分為3類：蒙皮表面、特征線和導(dǎo)孔，如圖1所示，其中特征線包括蒙皮的周邊線和表面上的截面線。蒙皮表面誤差用面輪廓度來表示；特征線誤差用線輪廓度來表示；對(duì)導(dǎo)孔則主要檢測(cè)孔直徑、孔到周邊的位置度、孔間距等誤差。

圖1 蒙皮零件數(shù)字化檢測(cè)內(nèi)容Fig.1 Digital inspection items for an aircraft skin part

2 測(cè)量方法與技術(shù)條件

下面首先介紹光學(xué)掃描和攝影測(cè)量?jī)煞N典型的光學(xué)測(cè)量方法，然后針對(duì)這兩種方法，從測(cè)量前準(zhǔn)備、蒙皮零件放置、蒙皮零件外形測(cè)量、測(cè)量后零件處理等方面闡述相關(guān)的技術(shù)條件。

2.1 測(cè)量方法

光學(xué)掃描和攝影測(cè)量是光學(xué)測(cè)量方法中具有代表性的兩類方法，兩者均可以測(cè)量復(fù)雜曲面表面數(shù)據(jù)。光學(xué)掃描適合采集零件表面的大量點(diǎn)云數(shù)據(jù)，對(duì)復(fù)雜零件可以通過變換測(cè)量角度進(jìn)行多角度測(cè)量，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)拼合，但拼合過程容易產(chǎn)生累積誤差。攝影測(cè)量采集零件表面粘貼的標(biāo)記點(diǎn)，數(shù)據(jù)點(diǎn)密度較稀疏，優(yōu)點(diǎn)是獲得的數(shù)據(jù)點(diǎn)沒有累積誤差。對(duì)蒙皮零件的周邊線和導(dǎo)孔則可通過手持式測(cè)量筆和視覺適配器來進(jìn)行測(cè)量。

本文試驗(yàn)中采用Gom公司的Atos光學(xué)掃描系統(tǒng)和Tritop攝影測(cè)量系統(tǒng)。Atos系統(tǒng)單次掃描測(cè)量范圍為（320×240）～（1400×1050）mm2，測(cè)量誤差為10 μm+10 μm/m。Tritop系統(tǒng)的測(cè)量范圍為（0.5～100）m，測(cè)量誤差為4μm+4μm/m。Atos中配套的手持式測(cè)量筆和視覺適配器如圖2所示。測(cè)量筆通過人工手持可以測(cè)量筆端能接觸的任何部位，能夠測(cè)量鈑金件上的邊緣輪廓（直線或曲線均可）、孔輪廓等數(shù)據(jù)。視覺適配器主要包括L型、П型、角型、銷釘型和半球型。L型可以得到軸線方向，如將其側(cè)面貼住圓柱邊緣，可測(cè)量到圓柱的軸線方向（與L型塊側(cè)面平行）；П型可以得到直邊，如將其貼住鈑金件的切割直線邊緣，可測(cè)量該直邊；角型可以得到棱邊，如將其兩個(gè)內(nèi)表面分別貼住零件直角處的兩個(gè)平面，可測(cè)量棱邊；銷釘型可以得到圓柱孔的中心軸；半球型放置在孔上則其中心與孔中心共軸。

另外，通過對(duì)光學(xué)掃描獲得的密集點(diǎn)云進(jìn)行截面求交，可以得到蒙皮表面上的截面線。因此，采用上述兩類方法可以完全滿足蒙皮零件表面、特征線和導(dǎo)孔的測(cè)量。

2.2 測(cè)量前準(zhǔn)備

光學(xué)測(cè)量方法對(duì)零件的表面光學(xué)有一定的要求，對(duì)高度反光或黑色的蒙皮零件需要在表面上均勻噴涂顯影劑。

光學(xué)掃描和攝影測(cè)量通常要求在零件表面上黏貼一些紙質(zhì)或塑料標(biāo)記點(diǎn)，直接黏貼在表面即可。對(duì)攝影測(cè)量，由于數(shù)據(jù)點(diǎn)密度過于稀疏難以描述曲面，因此標(biāo)記點(diǎn)間的最大間隔距離不能太大。已有的檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)和國(guó)際上發(fā)達(dá)國(guó)家航空企業(yè)的檢測(cè)文件（如文獻(xiàn)[12]）中通常對(duì)一個(gè)球面的測(cè)量是要求每10°上至少分布一個(gè)測(cè)量點(diǎn)。類似的，自由曲面上測(cè)量點(diǎn)的分布與曲率半徑相關(guān)，設(shè)曲面某區(qū)域的曲率半徑為R，測(cè)量數(shù)據(jù)最大間隔距離則為2R×3.14/36，但一個(gè)曲面上的最少測(cè)量數(shù)據(jù)數(shù)量不得少于26個(gè)。例如當(dāng)曲面曲率半徑為100 mm時(shí)，測(cè)量數(shù)據(jù)點(diǎn)最大間隔距離為17.44mm，數(shù)據(jù)點(diǎn)總數(shù)不少于26個(gè)。

2.3 蒙皮零件放置

蒙皮零件為薄壁件且尺寸大，容易在重力或者其他外力的作用下產(chǎn)生變形，因此需要對(duì)蒙皮零件進(jìn)行一定的支撐。由于一些蒙皮零件的公差要求是在外載加力的條件下給出的，相應(yīng)的此零件應(yīng)該在加外載力的情況下進(jìn)行測(cè)量。

在數(shù)字化測(cè)量時(shí)蒙皮零件放置分為自由狀態(tài)、模胎支撐、模胎支撐并加外力3種方式，如圖3所示。自由狀態(tài)是指蒙皮零件在不受力的自由情況下放置在工作平臺(tái)上，測(cè)量過程中可以移動(dòng)零件位置。模胎支撐是指蒙皮零件需放置在與零件配套的模胎上，測(cè)量過程中不能移動(dòng)零件，如進(jìn)行多角度測(cè)量，則移動(dòng)測(cè)量設(shè)備。模胎支撐并加外力方式中蒙皮放在模胎上，加力采用懸掛砂袋或者采用加力器的方式在蒙皮表面上施壓。

圖2 手持式測(cè)量筆和視覺適配器Fig.2 Handhold measuring pen and visual adapters

圖3 測(cè)量時(shí)蒙皮零件放置方式Fig.3 Way of placement for measuring aircraft skin parts

表1 蒙皮零件測(cè)量時(shí)放置狀態(tài)

借鑒標(biāo)準(zhǔn)文件HB 6470-1990中對(duì)曲面外緣型值公差的檢驗(yàn)加壓規(guī)定并結(jié)合工程實(shí)踐，本文給出蒙皮零件測(cè)量時(shí)放置狀態(tài)的技術(shù)要求，如表1所示（其中“▲”后面的數(shù)字表示所加工藝載荷的大小，例如“▲”50表示加50N的力）。對(duì)大尺寸蒙皮零件可以多處加壓，相鄰兩個(gè)加壓點(diǎn)的距離為400～500mm。

2.4 蒙皮零件外形測(cè)量

2.4.1 表面測(cè)量

測(cè)量蒙皮表面可單獨(dú)采用攝影測(cè)量方法或者光學(xué)掃描測(cè)量方法，也可綜合采用兩種設(shè)備。綜合使用時(shí)，先用攝影測(cè)量方法獲取蒙皮表面黏貼的標(biāo)記點(diǎn)坐標(biāo)，這些標(biāo)記點(diǎn)就可用來對(duì)多視角掃描的點(diǎn)云進(jìn)行高精度的拼合。

單獨(dú)采用攝影測(cè)量設(shè)備的情況為：?jiǎn)蜗虺叽纾?m、曲面形狀平緩曲率半徑＞250mm的大型蒙皮，且離散點(diǎn)的間隔距離＞50mm也能滿足數(shù)量要求。

單獨(dú)采用光學(xué)掃描測(cè)量設(shè)備的情況為：＜500×500 mm2的小尺寸蒙皮，且測(cè)量角度變換的次數(shù)≤于6次。對(duì)其他情況則建議綜合采用兩種設(shè)備。

2.4.2 特征線測(cè)量

特征線包括蒙皮的周邊線和表面上的截面線，截面線通常位于蒙皮曲度方向的橫切面上或者縱切面上。

周邊線宜采用光學(xué)掃描測(cè)量設(shè)備中配套的特征視覺適配器，或者手持式測(cè)筆來測(cè)量。前者用于邊緣為直邊的情況，后者既可用于直邊也可用于曲邊。零件周邊輪廓測(cè)量點(diǎn)分布最大間隔為2R×3.14/36（R為曲率半徑），一條邊上的最少測(cè)量點(diǎn)為5個(gè)。

截面線可采用對(duì)表面點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行截面求交的間接測(cè)量法，也可采用手持式測(cè)筆進(jìn)行直接測(cè)量，本文建議采用前者，會(huì)有更好測(cè)量精度。

2.4.3 導(dǎo)孔測(cè)量

蒙皮零件上導(dǎo)孔采用光學(xué)掃描測(cè)量設(shè)備中配套的特征視覺適配器來測(cè)量，或者手持式測(cè)筆來測(cè)量。采用特征視覺適配器測(cè)量時(shí)，特征視覺適配器與孔之間的配合間隙應(yīng)＜孔徑極限偏差的1/3。例如銷釘型適配器中銷的直徑應(yīng)該與孔直徑相配合且滿足間隙要求，半球型適配器比孔徑大即可形成自適應(yīng)配合。采用手持式測(cè)筆通常針對(duì)孔徑較大且無法選用合適的特征視覺適配器的情況，每個(gè)導(dǎo)孔至少測(cè)量4個(gè)以上的數(shù)據(jù)點(diǎn)。

2.4.4 測(cè)量后表面清理

測(cè)量完成后，需對(duì)零件表面進(jìn)行清理。對(duì)黏貼在零件表面的標(biāo)記點(diǎn)用酒精棉球擦拭清除；對(duì)測(cè)量前表面上噴涂有顯影劑的零件用清水清洗，表面自然干燥。

3 檢測(cè)定位與誤差計(jì)算

獲得測(cè)量數(shù)據(jù)后，還需進(jìn)行檢測(cè)定位，也就是采用其中定位基準(zhǔn)部位的測(cè)量數(shù)據(jù)點(diǎn)與理論模型進(jìn)行配準(zhǔn)。在目前的一些商用測(cè)量數(shù)據(jù)分析軟件中，大都提供最佳配準(zhǔn)和六點(diǎn)定位等配準(zhǔn)方法，本文對(duì)此不進(jìn)行具體討論。在檢測(cè)定位后，就可分別計(jì)算曲面輪廓度、邊線輪廓度等的誤差。

4 測(cè)量試驗(yàn)

利用本文提出的蒙皮零件測(cè)量技術(shù)條件，對(duì)大量蒙皮零件進(jìn)行了測(cè)量試驗(yàn)。某剛度較好的蒙皮零件的測(cè)量過程如圖4所示。蒙皮零件實(shí)物如圖4（a）所示，在本次測(cè)量中直接放置在工作平臺(tái)上；對(duì)蒙皮表面采用綜合測(cè)量方法，即先用攝影測(cè)量獲得零件表面上的標(biāo)記點(diǎn)，然后用三維掃描獲得零件的表面點(diǎn)云，對(duì)其中的邊線采用手持測(cè)筆的測(cè)量方式，圖4（b）為對(duì)該處進(jìn)行測(cè)量的現(xiàn)場(chǎng)；對(duì)表面上的導(dǎo)孔則采用半球型的特征視覺適配器來測(cè)量；圖4（c）為測(cè)量數(shù)據(jù)，包括蒙皮表面、右側(cè)邊線和兩個(gè)導(dǎo)孔。檢測(cè)定位后蒙皮表面的面輪廓度誤差分布情況如圖4（d）所示。該蒙皮零件的面輪廓度公差為±0.7mm，從圖4（d）中可以看到，大量區(qū)域超差，在靠近邊緣處誤差超出3mm，這一結(jié)果為該零件的質(zhì)量評(píng)估和后續(xù)的制造工藝改進(jìn)提供了有力的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

圖4 蒙皮零件測(cè)量實(shí)例Fig. 4 Measuring case of a skin part

5 結(jié)束語

本文對(duì)飛機(jī)蒙皮零件的數(shù)字化測(cè)量技術(shù)進(jìn)行了研究，在分析蒙皮零件檢測(cè)技術(shù)要求和工程實(shí)踐基礎(chǔ)上確定蒙皮零件的檢測(cè)內(nèi)容，討論采用光學(xué)測(cè)量方法對(duì)蒙皮零件進(jìn)行測(cè)量所需的具體技術(shù)條件。

目前，數(shù)字化測(cè)量方法的測(cè)量效率是影響其在蒙皮檢測(cè)中得到廣泛應(yīng)用的難點(diǎn)。對(duì)小型蒙皮且僅使用Atos系統(tǒng)就能滿足測(cè)量要求的，熟練的測(cè)量人員所用的測(cè)量時(shí)間＜30min，但使用傳統(tǒng)檢測(cè)工裝檢測(cè)有時(shí)只需要幾min；對(duì)大型蒙皮則需綜合采用Tritop系統(tǒng)與Atos系統(tǒng)，測(cè)量時(shí)間會(huì)長(zhǎng)達(dá)幾個(gè)h甚至更長(zhǎng)，不過使用傳統(tǒng)檢測(cè)工裝有時(shí)也需花費(fèi)數(shù)h，但數(shù)字化測(cè)量獲得的數(shù)據(jù)卻更精確全面，這是傳統(tǒng)方法無法比擬的。

因此，基于光學(xué)的數(shù)字化檢測(cè)方法目前主要適合對(duì)蒙皮零件進(jìn)行抽檢，如需在生產(chǎn)過程中對(duì)零件進(jìn)行批檢，還需要研究測(cè)量設(shè)備的自動(dòng)化控制、零件的定位裝夾等方法來進(jìn)一步提高檢測(cè)效率。

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