基于飛機(jī)部件制造過程中測量技術(shù)的研究及應(yīng)用

吳杰　易朝輝　閔偉

摘? 要：介紹了飛機(jī)零部件制造過程中數(shù)字化測量系統(tǒng)的應(yīng)用情況，利用數(shù)字化測量系統(tǒng)的高精度測量、控制和分析能力，獲取被測對象準(zhǔn)確的形狀尺寸或空間位姿信息，提高飛機(jī)產(chǎn)品的制造與裝配質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化測量 飛機(jī) 過程應(yīng)用

1引言

民航客機(jī)是一項(xiàng)復(fù)雜且難度較大的工程，具有外形要求嚴(yán)格、產(chǎn)品構(gòu)型眾多、零部件材料與形狀各異、內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜、空間緊湊、各種系統(tǒng)布置密集和零組件數(shù)量巨大等特點(diǎn)。飛機(jī)零部件制造的精準(zhǔn)度決定著飛機(jī)的質(zhì)量，因此零部件制造之后的測量工作十分重要。

先進(jìn)的測量技術(shù)是現(xiàn)代飛機(jī)研制過程中的關(guān)鍵技術(shù)，是確定零件、組件、部件及全機(jī)加工、裝配精度的檢驗(yàn)與實(shí)施技術(shù)，而且數(shù)字化測量技術(shù)也是現(xiàn)代飛機(jī)數(shù)字化制造的重要組成部分，其核心思想是以各種數(shù)字化測量設(shè)備（如三坐標(biāo)測量機(jī)、激光跟蹤儀、電子經(jīng)緯儀、激光雷達(dá)等）為工具，利用數(shù)字化測量系統(tǒng)的高精度測量、控制和分析能力，對測量對象實(shí)施快速、精準(zhǔn)、自動化的測量，獲取其準(zhǔn)確的形狀尺寸或空間位姿信息[1]，并與理論數(shù)模等標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)進(jìn)行比對得到相關(guān)的制造誤差、裝配誤差等精度信息，或進(jìn)一步與控制系統(tǒng)集成，提高飛機(jī)產(chǎn)品的制造與裝配精度。

數(shù)字化測量技術(shù)的出現(xiàn)，不僅保證了產(chǎn)品制造的準(zhǔn)確度，提高了生產(chǎn)效率，同時實(shí)現(xiàn)了飛機(jī)產(chǎn)品從設(shè)計、制造到裝配及測量的全數(shù)字量傳遞。為此，本文結(jié)合某飛機(jī)零部件的制造過程，將數(shù)字化測量系統(tǒng)在其中的應(yīng)用情況進(jìn)行簡要介紹。

2 數(shù)字化測量系統(tǒng)

數(shù)字測量系統(tǒng)是一套利用數(shù)字設(shè)備技術(shù)和計算機(jī)控制來完成自動、快速、準(zhǔn)確的測量目標(biāo)、任務(wù)和工作的組織系統(tǒng)。數(shù)字化測量系統(tǒng)可以幫助制造企業(yè)實(shí)現(xiàn)零件的精確測量和控制，完成零件幾何形狀和整體形狀的三維分析，從而使設(shè)計和制造更快，工藝制造更優(yōu)化。而且采用數(shù)字化測量技術(shù)可改變傳統(tǒng)的模擬量傳遞模式，通過測量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、計算機(jī)數(shù)據(jù)處理分析等過程，把被測對象的幾何量尺寸及形位公差直觀的在計算機(jī)屏幕上展現(xiàn)出來，形成連續(xù)的信息轉(zhuǎn)化過程和良性的循環(huán)反饋，達(dá)到高效生產(chǎn)組織的目的[2]。某飛機(jī)部件制造過程中的數(shù)字化測量系統(tǒng)主要使用坐標(biāo)測量機(jī)和激光跟蹤儀測量技術(shù)。

坐標(biāo)測量機(jī)是通過測頭系統(tǒng)與工件的相對移動，探測工件表面點(diǎn)三維坐標(biāo)的測量系統(tǒng)。通過將被測物體置于三坐標(biāo)測量機(jī)的測量空間，利用接觸或非接觸探測系統(tǒng)獲得被測物體上各測點(diǎn)的坐標(biāo)位置，根據(jù)這些點(diǎn)的空間坐標(biāo)值，由軟件進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算，求出待測的幾何尺寸和形狀、位置。因此，坐標(biāo)測量機(jī)具備高精度、高效率和萬能性的特點(diǎn)，是完成各種零部件幾何量測量與質(zhì)量控制的理想解決方案[3]。

激光跟蹤儀測量系統(tǒng)是一套以激光為測距手段的測量系統(tǒng)，主要由激光跟蹤頭、靶標(biāo)球、控制器、測量附件和用戶計算機(jī)等功能部件組成，可用來測量靜止目標(biāo)、或者跟蹤、測量移動的目標(biāo)?？稍跅l件苛刻的生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境中使用，不同與坐標(biāo)測量機(jī)、可移動便攜測量，熱穩(wěn)定性和耐用性非常高，可有效測量飛機(jī)零部件，降低測量時間和成本，較快的完成裝配任務(wù)。同時，具有斷光后立即能夠續(xù)接上的功能，并可立即開始跟蹤被測目標(biāo)，能以高精度測量絕對距離，精準(zhǔn)獲得快速移動目標(biāo)的位置，實(shí)現(xiàn)動態(tài)測量，且測量速度非?？?。

2.1機(jī)械加工類零件的測量

隨著現(xiàn)代化制造工業(yè)的蓬勃發(fā)展，機(jī)械制造行業(yè)對加工精度要求不斷提高，對零部件的尺寸和形位公差提出了嚴(yán)格的要求，在加工設(shè)備提高工效、自動化程度更高的基礎(chǔ)上，測量手段不但要精準(zhǔn)，而且要高效。因此，采用坐標(biāo)測量機(jī)的數(shù)字化測量技術(shù)，可達(dá)到高精度、高效率、數(shù)字化、柔性化等目的。

某飛機(jī)中如門框壁板機(jī)加框等零件均采用三坐標(biāo)測量機(jī)實(shí)施檢測，采用坐標(biāo)測量機(jī)的數(shù)字化測量技術(shù)發(fā)展了幾十年、已趨進(jìn)成熟，生產(chǎn)型、計量型等多種精度等級的坐標(biāo)測量機(jī)均能滿足現(xiàn)代先進(jìn)制造的需要，它具有測量精準(zhǔn)， 效率高， 穩(wěn)定性強(qiáng)， 范圍大等特點(diǎn)。分別利用龍門式測量系統(tǒng)及橋式測量機(jī)進(jìn)行測量，通過配備觸發(fā)式測頭、接觸式掃描測頭以及非接觸式光學(xué)測頭，實(shí)現(xiàn)了從規(guī)則幾何形狀零件到復(fù)雜工件的測量、評價與分析，達(dá)到數(shù)字化傳遞的目標(biāo)。

2.2蒙皮下陷及外型的測量

隨著技術(shù)發(fā)展，飛機(jī)尺寸越來越大，蒙皮也隨之變大，同時增加了下陷特征用于減輕飛機(jī)重量，下陷特征通常位于飛機(jī)蒙皮內(nèi)表面，處于長桁與框梁所夾空隙。

現(xiàn)代大飛機(jī)蒙皮具有曲率大、曲面薄的特征，早期采用明膠圖來檢測蒙皮下陷，由于明膠圖對環(huán)境要求較高，故難以保證檢測精度;同時，在檢測蒙皮型面及輪廓時，若采用貼膜及模具刻線檢測等傳統(tǒng)方式，根據(jù)貼合度只能判斷零件是否合格，無法量化偏差情況，無法給后續(xù)裝配提供建議。

因此，采用基于激光跟蹤儀及T-SCAN掃描系統(tǒng)的數(shù)字化測量技術(shù)，有效的解決了蒙皮下陷及外型的測量，有利于后續(xù)制造根據(jù)偏差情況來協(xié)調(diào)裝配，使零件質(zhì)量信息高效、無縫的對接裝配成為可能，進(jìn)而提升產(chǎn)品質(zhì)量。T-SCAN高速手持式三維激光掃描儀，配合激光跟蹤使用，具有較高的數(shù)據(jù)采集效率，1秒中最多能夠采集210000個點(diǎn)，平均數(shù)據(jù)采集率為7000點(diǎn)/秒，高效的數(shù)據(jù)采集特點(diǎn)在微小特征的測量方面具有較大的優(yōu)勢[4]。

在具體實(shí)施過程中，驅(qū)動激光跟蹤儀引光映射到理論測量點(diǎn)的位置，手持T-SCAN工具，選定掃描的開始方向，在該方向垂直面內(nèi)按照垂直角度的步頻率獲取起始掃描線上的各離散點(diǎn)，然后沿著掃描方向增加角度步頻率，獲取下一列掃描線上的離散點(diǎn)，依次對特征掃描直至獲取覆蓋特征的全部離散點(diǎn)數(shù)據(jù)，形成點(diǎn)云進(jìn)而數(shù)據(jù)分析。

3 數(shù)字化測量系統(tǒng)在型架裝配中的應(yīng)用

由于飛機(jī)結(jié)構(gòu)不同于一般機(jī)械，在其裝配過程中，不能單靠自身形狀和尺寸的加工準(zhǔn)確性來裝配出合格的部件，而采用一些特殊的裝配工藝準(zhǔn)備，在完成飛機(jī)產(chǎn)品從零組件到部件的裝配過程中，用以控制其形狀、幾何參數(shù)，且具有定位功能[5]。

民用航空裝配工裝的設(shè)計、制造均采用數(shù)字量傳遞，代替了以樣板、標(biāo)工、外形卡板等為代表的傳統(tǒng)模擬量傳遞。因激光跟蹤儀集目標(biāo)點(diǎn)的角度、距離測量和實(shí)時跟蹤于一身，水平和垂直方向的角度測量與距離測量結(jié)合在一起，反射鏡心的3D坐標(biāo)便唯一確定，其坐標(biāo)可以轉(zhuǎn)換到任意工裝或零件的坐標(biāo)系統(tǒng)中[6]。

激光跟蹤儀測量系統(tǒng)在飛機(jī)型架裝配檢測中具有以下優(yōu)點(diǎn)：無需搭建標(biāo)尺、轉(zhuǎn)接板等，大大提高工裝制造和返修的裝配精度和生產(chǎn)效率;大型工裝現(xiàn)場裝配、測量，無需分解;數(shù)字化工藝裝備定檢，便于數(shù)據(jù)檢索和追溯。

4數(shù)字化測量系統(tǒng)在部件裝配過程中的應(yīng)用

4.1某部件總裝站位介紹

激光跟蹤儀能夠?qū)Χㄎ粰C(jī)構(gòu)、目標(biāo)產(chǎn)品等進(jìn)行監(jiān)控，并采集裝配對象的必要站姿信息，處理、傳遞數(shù)據(jù)信息給中央控制臺和控制系統(tǒng)，以幫助自動定位機(jī)構(gòu)的位姿運(yùn)動。

以某前機(jī)身總裝站位為例，主要完成機(jī)身總裝、定位及機(jī)身上、下半部對合工作，依據(jù)主制造商產(chǎn)品交付規(guī)范書的要求采集產(chǎn)品交付數(shù)據(jù)，通過測量產(chǎn)品的邊緣、表面等一組特征點(diǎn)來跟蹤產(chǎn)品是否調(diào)姿到位。前機(jī)身總裝定位系統(tǒng)具有柔性工裝定位的特點(diǎn)，應(yīng)用了測量輔助裝配技術(shù)（MAA），MAA裝配實(shí)施過程中主要有三大系統(tǒng)：測量系統(tǒng)、具有（x、y、z、l、j、k）的定位系統(tǒng)及運(yùn)籌和模擬軟件系統(tǒng)。其中，激光跟蹤儀負(fù)責(zé)測量環(huán)節(jié)，主要識別所有參與裝配過程的曲面幾何量以及識別整個部件的幾何量，確定部件的最佳位置;定位系統(tǒng)負(fù)責(zé)在激光跟蹤儀的引導(dǎo)下移動被裝配部件，按照需要的姿態(tài)以一定的速度移動部件到最終位置;計算機(jī)系統(tǒng)則負(fù)責(zé)運(yùn)動指導(dǎo)及反饋，將最優(yōu)的計算結(jié)果反饋至定位系統(tǒng)。這三大系統(tǒng)建立在測量輔助裝配技術(shù)（MAA）的閉環(huán)反饋和迭代交互計算上，以最終的裝配工藝為目標(biāo)。在此系統(tǒng)構(gòu)成中，使用激光跟蹤儀通過固定在移動部件上的多個反射靶來監(jiān)控和指導(dǎo)定位系統(tǒng)的定位。

測量輔助裝配技術(shù)（MAA）的優(yōu)勢在于：減少工裝、減少工裝的定期檢驗(yàn)、提高檢測和裝配精度、在模型設(shè)計階段進(jìn)行數(shù)據(jù)測量數(shù)據(jù)整合、工裝和機(jī)身同時進(jìn)行數(shù)字定義、進(jìn)行數(shù)據(jù)仿真輔助測量規(guī)劃。

4.2部件位姿的調(diào)整及跟蹤測量

前機(jī)身總裝上、下半部及客艙地板對接前，采用激光跟蹤儀測量系統(tǒng)對部件托架關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行測量，并對部件對接面的關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行測量;在對接控制系統(tǒng)中根據(jù)測量數(shù)據(jù)構(gòu)建出對接部件和托架的實(shí)際位姿，分析、模擬部件和部件、托架和托架對接的最優(yōu)路徑，設(shè)定數(shù)控定位器立柱上支撐點(diǎn)的運(yùn)動參數(shù)，控制伺服電機(jī)驅(qū)動托架和部件在X、Y、Z三個坐標(biāo)系方向，以及α、β、γ角的移動和調(diào)整，實(shí)現(xiàn)部件的對接[7]。

因整個大部件對接過程中的定位精度由數(shù)字化測量系統(tǒng)、數(shù)控定位器的精度保證，也即大部件對接控制系統(tǒng)在部件對接過程中存在對接誤差，因此在大部件對接過程中，須借用激光測量系統(tǒng)對部件托架的關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時測量，以便實(shí)現(xiàn)對部件位姿的實(shí)時跟蹤。具體流程如下：

1）前機(jī)身下半部進(jìn)入總裝定位系統(tǒng)，通過產(chǎn)品下部托架與數(shù)控定位器立柱關(guān)聯(lián)、支撐;

2）前機(jī)身客艙地板網(wǎng)格進(jìn)入總裝定位系統(tǒng)，客艙地板與托架關(guān)聯(lián)，由數(shù)控定位器立柱上面4個點(diǎn)支撐;通過激光跟蹤儀測量系統(tǒng)對工藝設(shè)計時已規(guī)劃好產(chǎn)品上待測量點(diǎn)（如地板滑軌孔等）進(jìn)行測量，通過測量軟件將測量點(diǎn)實(shí)測值與理論值對比，分析偏差值;通過不斷擬合、分析，調(diào)整數(shù)控定位器立柱上面4個支撐點(diǎn)的X、Y、Z三個坐標(biāo)系方向，以及α、β、γ角的移動，最終將客艙地板網(wǎng)格以最優(yōu)狀態(tài)在總裝定位系統(tǒng)中定位。

3）以客艙地板的位姿為基準(zhǔn)，通過激光跟蹤儀測量系統(tǒng)對工藝設(shè)計時已規(guī)劃好下半部產(chǎn)品上待測量點(diǎn)（如蒙皮端面、長桁位置等）進(jìn)行測量，通過測量軟件將測量點(diǎn)實(shí)測值與理論值對比，分析偏差值;通過不斷擬合、分析，調(diào)整數(shù)控定位器立柱上下半部托架4個支撐點(diǎn)的X、Y、Z三個坐標(biāo)系方向，以及α、β、γ角的移動，實(shí)現(xiàn)機(jī)身下半部位姿調(diào)整，并最終將機(jī)身下半部位以最優(yōu)狀態(tài)在總裝定位系統(tǒng)中定位。

4） 前機(jī)身上半部與托架關(guān)聯(lián)后，進(jìn)入總裝定位系統(tǒng)，由數(shù)控定位器立柱上面4個點(diǎn)支撐;與下半部位姿調(diào)整方法一樣，最終將機(jī)身上半部位以最優(yōu)狀態(tài)在總裝定位系統(tǒng)中定位。

5） 前機(jī)身上、下半部對合后，采用柔性制孔設(shè)備進(jìn)行上下半部對接處制孔。

5 數(shù)字化測量系統(tǒng)在艙門裝配中的應(yīng)用

隨著激光跟蹤儀技術(shù)的產(chǎn)生，能夠應(yīng)用于全自動模式，使得測量效率更高，六自由度具備高精度，可應(yīng)用于任何機(jī)器人定位系統(tǒng)，使之從普通的機(jī)器人轉(zhuǎn)變?yōu)榉浅＞珳?zhǔn)的計量裝置。因此現(xiàn)在普遍將Leica T-MAC固定在機(jī)器人上，使之與激光跟蹤儀配合，指引機(jī)器人工作。

在飛機(jī)艙門裝配制造過程中，便采用了自動制孔機(jī)器人設(shè)備，使用激光跟蹤儀附加六維姿態(tài)測量附件T-MAC引導(dǎo)機(jī)器人進(jìn)行機(jī)身打孔。將專門用于測定受測物體姿態(tài)的T-MAC固定于機(jī)器人的手臂，引導(dǎo)機(jī)器人在機(jī)身表面鉆孔，從而提高鉆孔質(zhì)量、鉚接質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

6 結(jié)束語

現(xiàn)代飛機(jī)制造具有高精度、低成本、柔性化、數(shù)字化等顯著特征，要求能夠在第一時間了解測量結(jié)果，以便實(shí)時對加工進(jìn)行調(diào)整。在某飛機(jī)的制造過程中，廣泛使用了數(shù)字化測量技術(shù)，快速評估且保證了產(chǎn)品質(zhì)量。同時，深入推進(jìn)數(shù)字化測量技術(shù)的應(yīng)用，有助于提升飛機(jī)制造的效率和質(zhì)量，不僅保證了飛機(jī)零件制造、裝配的準(zhǔn)確度，而且還實(shí)現(xiàn)了飛機(jī)產(chǎn)品全過程的數(shù)字量傳遞。

參考文獻(xiàn)

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