照相測量技術在飛機大部件檢測中的研究與應用

陳 彥，李曉寧，王 聲，肖望東，張大鈞

(中航飛機股份有限公司漢中飛機分公司 工程技術部，陜西 漢中 723213)

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照相測量技術在飛機大部件檢測中的研究與應用

陳 彥，李曉寧，王 聲，肖望東，張大鈞

(中航飛機股份有限公司漢中飛機分公司 工程技術部，陜西 漢中 723213)

數字化測量技術是自動化、智能化裝配裝備發展的技術基礎和關鍵，測量系統直接為設備提供位置信息，可有效避免設備定位誤差對系統定位精度的影響。現代飛機制造領域常見的數字化測量技術與系統主要包括激光跟蹤儀、電子經緯儀、電子全站儀、室內GPS(iGPS)、自動制孔系統中的孔位找正與法向找正、工業近景攝影測量和激光雷達等。以中航工業陜飛在某型機首次采取的工業近景攝影測量技術(照相測量技術)為例，對照相測量技術開展的研究與應用工作進行了系統的介紹。

數字化測量；攝影測量；V-Stars測量系統；PolyWorks軟件；激光跟蹤儀

現代飛機對輕質、經濟、安全和長壽命的追求，對飛機制造、安裝精度提出了更高的要求，其中飛機部件裝配精度在很大程度上決定了飛機的最終質量。傳統的飛機部件裝配主要依靠工裝和工藝補償來保證零部件之間的協調，依靠模線樣板、光學儀器等裝備檢測裝配質量。上述方法精度差、效率低，已不能適應現代飛機發展的需求。國外飛機制造公司已經開始大規模將數字化測量系統引入飛機裝配中，利用數字化測量系統高精度的測量、控制和分析系統，提升飛機裝配精度。數字化測量系統是以測量檢測軟件為核心，以數字化測量設備為實施工具，能夠對待測對象實施快速、精確、自動化的測量，獲取其準確的三維形狀或位姿信息，并能夠對測量結果進行分析評估的一整套測量系統。

由于飛機大部件具有結構復雜、外形尺寸大的特點，按傳統工藝方法，對飛機氣動外形的檢測往往依賴于工裝卡板、模線樣板等，無法對飛機外形進行準確檢測，而與其他國內的數字化測量技術手段(如：激光跟蹤儀、電子經緯儀、電子全站儀、室內GPS(iGPS)和激光雷達)相比，照相測量技術具有測量精度高、測量速度快、測量范圍尺寸大、操作靈活、便攜性強、環境適應性高(不易受溫度變化、振動等外界因素的干擾)、無需開機預熱和價格相對便宜等諸多卓越優勢。結合飛機的外形與結構特點，經過權衡利弊后，決定采用照相測量技術對中航飛機股份有限公司漢中飛機分公司某型機機身后段的對接區域外形輪廓進行檢測。

通過對某型機后機身對接區域的外形輪廓進行測量，并以三維理論數模為基準比對分析后機身產品的輪廓準確度及偏差分布，打通從飛機設計、零件制造到部件裝配的數字化、一體化流程，形成設計—制造—檢測數字量傳遞的閉環控制。

1 照相測量技術及原理

三維數字照相測量技術是建立在數字成像圖像處理和精密測量技術基礎上的一種新型精密測量技術，數字化照相測量系統利用結構感光技術、測量技術和計算機視覺分析技術對目標進行多次多角度照相，以獲得數字圖像信息，從而依據三角測量原理，解算出點云空間坐標。雖然關于攝影測量技術的研究幾乎是自照相機發明以來就開始了，數字近景測量技術仍然是一門“年輕”的技術，它繼承了“攝影測量與遙感”領域的許多知識和技術，同時又發展出許多自身特有的技術和方法，比如設置人工標志點等。

它的基本原理(見圖1)是通過1臺(或者多臺)高分辨率的數字相機對被測物攝影，采用回光反射標志得到物體的數字影像，經計算機圖像處理后可以得到反射標志點精確的X、Y、Z坐標。它是通過不同位置的相機對多個目標同時測量，從而可以解算出相機間的位置和姿態關系，以及目標點的三維坐標。設測量點Pi處有j個攝站(j條光線)相交，則共有j個共線方程[1]。根據最小二乘原理，將多條光線(束)的共線方程聯立求解(光線束法平差)可以求得目標點的空間坐標(X，Y，Z)，以獲得被測物體曲面結構、外形尺寸和相對位置等信息。

圖1 照相測量技術原理圖

2 照相測量技術在中航工業陜飛的應用

2.1 實施照相測量技術的總體策劃

選擇合適的機型，確定關鍵測量部位，依據照相測量技術的測量操作流程，對選定的關鍵部位實施測量，并以理論三維數據為基準，通過專業的計算機軟件對測量結果進行比對分析，從而確定出測量部位實物的外形準確度，最終形成該實物的外形誤差分析報告。整個測量的總體策劃示意圖如圖2所示。

圖2 照相測量總體策劃示意圖

2.2 照相測量的實施過程

2.2.1 測量準備

按照技術交付規范及相關設計技術要求，選取了某型機對接框(48框)前蒙皮環向端面至48框處機身外形開展測量工作。照相測量的設備選取美國GSI公司V-Stars數字攝影單相測量系統，該套系統利用高精度的INCA3相機，在不同的位置和方向，對同一物體進行拍攝獲取圖像，軟件自動處理圖像，通過圖像匹配等處理及相關數學計算后得到點的三維坐標。該系統的測量原理圖及測量設備如圖3和圖4所示。

圖3 V-Stars數字攝影測量系統照相測量示意圖

圖4 V-Stars數字攝影測量系統設備圖

2.2.2 布設標記

2.2.2.1 粘貼反光標志

在拍攝照片前，需要通過反光標志、概略自動定向棒和基準尺等人工標志將被測部件目標化。V-Stars系統只能識別布設的反光標志，無法直接對被測物進行測量，只有通過直接或間接地布設人工標志，將被測物目標化，方可進行測量。

反光標志的種類很多(見圖5)，它的質地、形狀和大小與測量方法、測量對象的要求和環境有關。它在照相測量中的作用是作為控制點(已知點)或者是待測未知點。

圖5 反光標志種類示意圖

結合本次的測量對象，選擇直徑為3 mm的人工反光標志及編碼點，根據布設規劃，從某型機機身對接區域蒙皮表面48框鉚釘處至蒙皮環向端面約275 mm寬的范圍內，粘貼3～4圈反光標志，以及一定數量的編碼點。被測量的部位及反光標志粘貼的位置如圖6所示。

圖6 被測量對接區域的反光標志粘貼及建立基準尺的示意圖

2.2.2.2 基準尺的選擇與建立

在沒有給定基準尺的情況下，照相測量獲得點云模型是無尺寸信息的，只是一個等比縮放體，因此需要加入一個尺度去還原物體的真實尺寸。如果能確定點云中某兩點間的真實距離，那么就可以計算完整點云模型的尺寸信息，因此應先開展基準尺的選擇與確立工作。

由于本次部件測量區域的最大尺寸遠大于攝影測量系統自帶的銦鋼基準尺，另外，激光跟蹤儀測量長距離的精度遠高于銦鋼尺；因此，選擇激光跟蹤儀來獲得基準長度。在測量部件上部保型框表面和下部支承工裝型架上，共固定4個激光跟蹤儀靶座(見圖6中三角)，形成2條基準長度(見圖6中虛線)以保證測量精度，且2條基準長度應盡量接近后機身框體的最大直徑。

2.2.3 拍攝影像

考慮相機鏡頭視場角、攝影距離、測量精度、測量場地和后機身尺寸等問題，采用局部攝影、整體解算的方法，整體解算以編碼標志作為圖像之間的公共連接點。測量部件對接區域整體外形規則，無明顯攝影死角或難測量區域，因此測量方案是環向圍繞飛機測量部件對接區域進行均勻拍攝測量，然后針對坐標系轉換公共點的區域，配合攝影測量專用工裝，進行重復拍攝，實現對測量部件對接區域的全面攝影。

2.2.4 數據處理

2.2.4.1 測量坐標系與飛機坐標系的轉換

攝影測量過程中建立的工作坐標系與飛機設計坐標系并不重合，因此，需要通過公共點進行坐標系轉換。借助激光跟蹤儀和工裝ERS系統，通過測量工裝ERS點，完成激光跟蹤儀在飛機設計坐標系下的建站，隨后通過激光跟蹤儀測量之前布設的4個靶座所對應靶標點的空間坐標，該坐標即為飛機設計坐標系下的三維坐標。轉換過程的原理圖如圖7所示。通過完成測量坐標系與飛機坐標系的轉換工作，為測量數據與基于飛機坐標系下的理論數據的比對工作奠定基礎[2-3]。

圖7 測量坐標系與飛機坐標系轉換原理示意圖

2.2.4.2 生成點云數據

將攝影的照片數據導入V-Stars軟件中，完成后測量部件對接區域外形點云數據的解算、基準尺的賦予和工作坐標系的轉換等工作，輸出對接部位外形輪廓的IGS格式點云數據。應用V-Stars軟件將拍攝數據生成點云數據的過程如圖8所示。

圖8 應用V-Stars軟件將拍攝數據生成點云數據的過程示意圖

2.2.4.3 點云數據的后處理

V-Stars軟件解算獲得的點云數據既包含了飛機部件的真實外形、尺寸等信息，又包含了測量過程中被測部件表面不規則反光點、形體階差和空間噪點等冗余點，需要在點云結算平差工作完成后，刪除冗余點云，對點云數據進行后處理與優化。最終用于后機身外形準確度比對的照相測量實測外形點云數據如圖9所示，圖9中游離于密集點云外的6個孤立點為通過照相測量工裝靶球采集的坐標轉化公共點，其中1#與4#、3#與6#這2組公共點間的直線距離被選定為照相測量點云數據的基準尺。

圖9 經過點云數據處理、優化后最終生成點云數據的示意圖

2.2.5 比對檢測

2.2.5.1 數據導入比對工作

本次用于比對的三維理論數據模型與實物測量點云數據主要在PolyWorks軟件中的IMInspect Probing模塊下進行，將處理后的部件測量區域外形點云數據導入PolyWorks/IMInspect Probing軟件模塊中，同時導入部件測量區域外形數模作為參考(見圖10)，比對實測外形數據與理論數模的偏差，獲得部件測量關鍵區域外形偏差分布圖，以及測量點的統計信息，分析總結得到對接區域外形準確度，并根據交付需求輸出測量分析報告。

圖10 將三維數模導入PolyWorks軟件界面比對檢測的示意圖

2.2.5.2 數據分析報告

針對部件測量區域(48框前蒙皮環向端面至48框)外形準確度測量問題，通過V-Stars單相機測量系統及萊卡激光跟蹤儀測量系統，采集部件對接區域外形測量點，共1 836個。參考交付要求，設定-2.00～2.00區間為低標公差，-3.00～3.00為公差范圍。經軟件計算統計，低標公差外點數為388個，占全部點數的21.133%，公差外點數為196個，占全部點數的10.675%。

部件測量區域外形誤差分布色差圖如圖11所示，其中正向最大誤差數值為+6.475，負向最大誤差為-2.776。由誤差數值按比例放大后可以看出，因為蒙皮搭接結構的存在，使正向誤差呈現明顯的波浪型分布狀態。在蒙皮搭接處，因為設計數模并沒有體現出相應結構，點云在此處會出現明顯的突增，整個測量范圍內的最大正向誤差也出現在該部件右下部蒙皮搭接處。

圖11 部件測量區域外形誤差分布色差圖

按照理論數據要求，去除搭接處蒙皮的厚度，重新設定誤差色標后，得到誤差分布圖(見圖12)。其中，符合誤差要求(-2.00～2.00)的點共1 448個，占全部點云的78.67%；允許超差(-3.00～-2.00和2.00～3.00)的點共192個，占全部點云的10.45%；超出誤差允許范圍(≥±3.00)的點共196個，占全部點云的10.675%。

圖12 與理論狀態一致的部件測量區域外形誤差分布色差圖

3 結語

照相測量技術因為其測量精度高、測量速度快、便攜性好和經濟等一些列卓越優點，在大部件外形測量的其他數字化測量手段的比較中脫穎而出。它的成功應用不但保證了飛機部件的研制質量，全面地提升了飛機部件制造的可靠性，也為打通從設計、制造到裝配的數字化、一體化流程起到了積極的意義。此外，它在航空制造產業中的模具檢測、逆向構形等諸多領域均有廣闊的應用前景。

[1] 黃桂平,欽桂勤,盧成靜.數字近景攝影大尺寸三坐標測量系統V-STARS的測試與應用[J].宇航計測技術,2009,29(2):5-9.

[2] 王彥喜,閔俊,劉剛.激光跟蹤儀在飛機型架裝配中的應用[J].航空制造技術,2010(19):3-6.

[3] 牛潤軍.飛機部件外形數字化測量技術研究[J]. 新技術新工藝, 2015(11):42-44.

責任編輯 鄭練

Research and Application of Photographic Measurement Technology in the Detection of Large Parts of Aircraft

CHEN Yan, LI Xiaoning, WANG Sheng, XIAO Wangdong, ZHANG Dajun

(Engineering and Technology Department, Hanzhong Branch, AVIC Aircraft Co., Ltd., Hanzhong 723213, China)

The digital measurement technology is the technology foundation and key of automation, intelligentized equipment development. The measurement system is directly for the equipment to provide location information, and can effectively avoid the effect of the positioning errors on the positioning precision of the system equipment. The modern aircraft manufacturing field of common digital measurement technology and system mainly includes a laser tracker, electronic theodolite, electronic theodolite indoor GPS (iGPS), automatic system holes in the hole position, industrial close range photogrammetry, laser radar and so on. The AVIC Shaanxi aircraft in a certain type of aircraft takes industrial close range photogrammetry technology (photogrammetry) as an example for the first time, the detailed photographic measurement technology to carry out research and application system is introduced.

digital photography measurement, measurement, V-Stars measurement system, PolyWorks software, laser tracker

TH 744

A

陳彥(1984-)，男，大學本科，主要從事金屬材料熱處理等方面的研究。

2016-05-18