高精度數字化測量技術在飛機制造業中的應用及發展趨勢?

朱緒勝 陳雪梅 謝 穎

(成都飛機工業(集團)有限責任公司，四川 成都610091)

當前飛機制造業朝著高精度、低成本、柔性化、數字化方向快速發展[1］，飛機產品的質量和性能要求越來越高，因此需要更加高精度的測量手段來保證材料、結構件以及產品在生產制造過程中和服役過程中的性能和質量[2-4］。利用高精度的數字化測量手段可以快速、高精度地獲得測量數據，為材料、結構件及產品的工藝設計、模具設計或修改提供可靠的參考依據，在一定程度上可以提高產品的質量、避免質量的缺陷、降低廢品率，給安全的生產和使用提供可靠的依據；此外，隨著飛機制造業的數字化程度的提高，要求形成產品設計、制造、裝配、檢測集成一體的閉環數字鏈，對生產的各個環節進行有效的溝通和反饋，保證產品的制造裝配質量和產品制造周期中信息的統一性和交互性[5］。高精度的數字化測量技術可提供統一的測量數據集，便于測量數據在閉環數字鏈中的傳遞，對企業數字化程度的提高，起著不可替代的作用。

1 數字化測量技術在飛機制造領域的應用體系

隨著飛機制造從“模線-樣板”的模擬量傳遞方式到采用數字量傳遞的方式，飛機產品的測量手段也由直尺、水平儀、量角器等發展到數字化測量手段，測量的精度和效率也有了質的飛躍。如今，測量也不僅僅作為質量檢測的手段，而是融入產品制造、裝配的各個環節。如圖1所示，在以激光跟蹤儀、激光雷達、數字化測量技術的支撐下，測量環節不僅可以完成飛機整機輪廓外形、間隙階差、表面釘頭凹凸量、活動部件姿態擺角、等產品關鍵要素的測量，零部件加工、部裝/總裝等環節提供生產中的相關參數修正，還能夠對產品的力學性能、內部缺陷進行快速的測量。各個環節所獲取的測量數據能夠形成統一的測量數據集，在保證生產過程各個環節集成性和互換性的同時，能夠將原始數據、分析結果等數據反饋給上游的設計部門，為產品/工裝設計、材料選擇、裝配/制造工藝優化、測量方案改進等提供有效的數據支持。高精度數字化測量技術在飛機制造業中有以下幾方面典型應用，如圖1所示。

1.1 數控機床的校準與誤差補償

以壁板、框梁為代表的典型飛機零部件，其加工精度取決于數控機床的精度。對數控機床進行校準并進行誤差補償，可以有效地提高加工精度。在高精度數字化測量技術的支撐下，國內外研究機構目前使用空間精度補償方法對數控機床工作時產生的誤差進行修正，通過生成機床整個工作空間的誤差偏差，從而對機床現有的空間定位誤差進行修正。英國Renishaw公司研發的空間誤差補償技術(RVC)[6］，利用XL-80激光干涉儀和QC-20球桿儀對機床的誤差進行標定和補償，使用靈活、簡便，效果明顯。美國國家制造科學中心研發的空間誤差補償技術(VEC)[7］，利用API T3激光跟蹤儀結合主動靶球，也能夠精確、快速地完成大型5軸、6軸數控機床的調校工作。為減小激光跟蹤儀引入的測量誤差，Etalon公司開發了以多邊測量法為原理，以激光跟蹤干涉儀為測量裝置的機床空間誤差補償系統[8］，進一步提高了機床空間誤差測量與補償的精度，如圖2所示。

1.2 產品加工質量在機測量

傳統的檢測技術(如三坐標測量機)在檢測工件時，需要將工件車加工機床上多次的拆卸和裝夾。利用測量儀器進入生產現場、融入生產線、監控生產過程，在線測量技術成為保證飛機產品生產質量的一種重要手段。南京航空航天大學研究了面向航空復雜結構件的動態特征建模技術[9］，將工藝規劃、加工、監控和在機測量等環節集成在一起，形成了動態的閉環加工系統。波音公司在對787飛機機翼蒙皮水切割時使用激光雷達實時獲取蒙皮的三維測量數據(如圖3所示)，并通過數據交換接口和龍門架控制系統進行數據自動交互，將測量結果用于控制龍門架的運動，提高了蒙皮加工的精度和自動化程度[10］。

1.3 測量輔助機器人鉆鉚技術

在機器人鉆鉚系統作業過程中，需要對制孔、锪窩、涂膠和鉚接等工序進行工藝性檢測和質量檢測，傳統的手工檢驗和離線檢測已遠遠不能滿足飛機裝配過程中對檢測速度和精度的要求。利用激光跟蹤儀等先進的數字化測量手段作為輔助，實現對機器人末端執行器的閉環控制，可以顯著提高機器人的定位精度[11］。

英國諾丁漢大學將激光傳感器安裝于工業機器人上，對其位姿信息精確控制，實現了機身蒙皮的自動安裝和鉆鉚[12］。德國 KUKA公司2012年開始同波音公司合作研發“機身自動直立裝配系統(fuselage auto-mated upright build，FAUB)”[13］，將在 2020 年用于波音777X型雙通道客機的裝配，如圖4所示。該系統能實現機器人在前、后機身內外部的協同作業，可進行大面積機身壁板的高效組裝，每天可完成精確鉆孔并鉚接60 000個緊固件，并顯著提高了飛機裝配的安全性、裝配質量及生產效率。

1.4 測量輔助裝配技術

由于飛機產品的尺寸越來越大且大多采用整體結構，如飛機機身、機翼等大部件。測量輔助裝配技術是先進數字化測量系統在產品數字化裝配中的重要應用，它綜合利用產品數字化定義、數字化模擬仿真、數字化測量/控制技術等先進技術，利用數字化測量系統對參考點的實時測量結合位姿計算方法，不僅可以實時獲得大部段對接過程中的空間位姿信息，更能夠通過優化得到其最佳裝配位姿。空客公司在生產中采用了現今主流的大尺寸測量儀器，進行了一系列測量活動，例如在A380飛機總裝現場[14］，使用激光跟蹤儀等測量儀器進行測量輔助裝配，如圖5所示。空客與英國巴斯大學聯合對飛機機翼結構裝配采用了測量輔助技術，使用了照相測量儀、三坐標測量機等多種大尺寸測量儀器和裝配定位技術[15］。中國航空工業制造工程研究所[16］、北京航空航天大學[17-18］、西北工業大學[19］、浙江大學[20］、成飛公司和清華大學等[21］研究機構在飛機數字化裝配和調姿環節，都對基于激光跟蹤的數字化測量裝配定位原型系統進行了研究，并在總裝環節中應用激光跟蹤儀進行測量，將測量系統作為裝配執行過程中數據采集與反饋的重要環節。

1.5 工裝產品逆向工程

逆向工程是根據已經存在的實物，使用一定的測量儀器對其進行測量，獲得三維輪廓點數據；再根據測量點數據通過三維幾何建模方法重新構建實物的CAD模型，繼而將CAD模型用于產品的分析、制造和創新的過程。通過逆向工程將飛機零部件及工裝的實物產品轉化為精確的數字模型，可以縮短產品的設計、開發周期，加快產品的造型和系列化。此外，通過逆向工程，也可以對產品與設計數模進行對比，對二者之間的差異進行分析[22-23］。

Spirit Aerosystems公司機頭外形利用激光雷達系統掃描測量蒙皮上的1 200個表面點，完成了其三維重建[24］，如圖6所示。

1.6 產品力學性能測試

飛機產品除了尺寸、公差等幾何要素的要求外，還需要對其整機/系統的力學性能進行測試，如飛機發動機葉片的電弧風洞試驗、整機的靜力學試驗、飛機起落架落震試驗等。傳統的測量手段主要采用位移計、應變片等，不僅精度不高，效率低下，而且只能完成有限個點位的參數采集。得到的數據不足以全面精確地評價產品力學性能。

電子散斑干涉測量技術(electronic speckle interference，ESPI)[25-26］、數字圖像相關技術(digital image correlation，DIC)[27］等高精度數字化測量技術可以全面評價產品的全場變形/應變(如圖7所示)，逐步在飛機產品/材料的力學性能測量中開始廣泛使用。美國麥克萊恩基地使用激光檢測了F-111，通過對機翼、前起落架等部位進行型面位移精密測量，以及讓機頭和機尾在7.5g條件下向下產生應力應變，檢測其力學性能。法國宇航公司生產的海豚直升機，利用數字圖像相關技術對其的力學性能進行測試。

1.7 復合材料無損檢測技術

航空領域內泡沫復合材料(鋁蜂窩構件、玻璃鋼蒙皮泡沫夾芯制件等)具有重量輕、比剛度大等優點，既能減輕飛機重量(比鋁輕40%)，也改善了飛機整體互換性，非常方便維護，在飛機制造領域得到了廣泛的應用。此類復合材料的脫粘、分層、夾雜等缺陷，會對產品的安全使用造成嚴重威脅[28］。

由于傳統的無損檢測(如超聲探測)對操作人員要求較高，溯源性差等原因，逐步被以激光剪切散斑測量為[29-30］代表的高精度數字化測量技術所取代。圖8為剪切散斑干涉技術對鋁蜂窩結構板進行無損檢測。

1.8 工裝產品制造/裝配質量驗證

工裝產品的制造裝配質量通常使用其幾何尺寸和形位誤差進行描述。高精度數字化測量技術相比于傳統的測量技術，具有系統結構緊湊，測量空間開放，可快速、高效、準確地完成定位、檢查和校準等測量任務[31］。飛機產品的制造裝配質量的驗證，目前幾乎都是采用數字化的測量技術。如圖9所示，空客公司利用激光雷達測量系統完成對碾磨面板的檢測[24］。

2 數字化測量技術發展趨勢展望

2.1 飛機制造現場測量精度的快速標定

在實驗室環境或外部因素影響較小的環境中，利用數字化的測量儀器，可以非常快速、精確的完成測量任務。但在大多數場合下，飛機產品的測量往往都處于溫控環控效果不佳的車間中。現場的振動、溫度梯度、氣流擾動、光強分布等條件都分別會對數字化測量儀器的精度造成影響，如溫差氣流等造成的激光波長變化、光照過強引起的工業相機過度曝光、振動引起的測量基準漂移等，雖然能使用標定板、標尺、現場幾何特征等進行相關內參和外參的標定，但對于在測量現場的測量精度標定和驗證，也只是停留在理論計算階段。

雖然國內外研究機構對此進行了一系列研究，如美國ASME指定的激光跟蹤儀性能評定方法和評定流程ASME B89.4.19[32］，英國國家物理實驗室(NPL)開展的iGPS現場性能驗證[33］。國內，北京長城計量測試研究所、合肥工業大學等也對測量設備的標定進行了研究[34-35］，但主要由計量部門或精密儀器專業人員獨立完成，與測量要求、測量工藝規劃等環節脫離，難以達到最佳實用效果，現場使用時仍存在較大局限性。

2.2 飛機產品測量方案的自主化決策

在飛機產品的測量中，測量儀器的安裝條件受到被測零部件尺寸及形狀、現場存放條件以及可視性、可達性和操作等要求影響，造成一次安裝可能無法完成測量任務。此外由于現場溫度、濕度等環境因素的影響，測量儀器的精度會受到很大影響，造成測量數據不夠準確[36］，如圖10所示。

目前，可供選擇的測量儀器/設備多種多樣，采用某種單一設備或采取多種設備組合的方式，幾乎可以解決大部分的測量問題。但對于特定測量任務，測量方案(使用何種儀器/組合，儀器的布站位置選擇，測量誤差如何合理分配等)的確定缺少理論方法的指導，仍停留在使用人為經驗或多次物理實驗的方式，測量的可靠性、效率、精度、成本等方面沒有進行綜合評價。測量方案的自主化決策應當包含兩個方面的內容:一方面，以測量對象、測量空間、測量精度、測量要素等參數作為約束條件，以測量可靠性、測量效率、測量成本作為優化條件，按照一定的規則完成對測量儀器/組合的自主選擇；另一方面，以測量現場的幾何空間和環境條件為約束，利用虛擬測量技術，解算測量儀器的最佳安裝位置，實現測量方案的自主化決策。

2.3 復雜環境下飛機產品測試

飛機產品在服役過程中，會面對各種復雜環境的影響，如圖11所示。盡管在設計階段可以利用有限元仿真計算軟件，對飛機產品的力學性能進行計算和模擬，但材料屬性與理論值的不同或邊界條件設置與實際工況的差別，有可能會使得到的變形量的仿真值偏離實際值[37］。因此有限元計算只能作為輔助手段，在飛機產品投入使用前需對其進行性能測試試驗，對其性能參數進行評估，減少使用的風險，提高產品使用服役的安全性。

但在以高溫、低溫、高頻振動、沖擊等復雜環境下的飛機產品力學性能驗證，由于當前測量技術的限制，還存在諸多局限。如航空發動機葉片、高速飛行器隔熱材料的燒蝕試驗等，當溫度高于1 000℃的時候，試樣表面已經燒紅近似達到白色。表面發射光譜已經覆蓋整個可見光區域，輻射強度將大于照明光源強度，造成所采集圖像的亮度飽和，從而出現嚴重的退相關效應。當今發展迅猛的DIC和ESPI技術，即使采用了主動照明和相關的濾波方法，但由于高溫熱流擾動影響，在解決這類問題時還存在著一定的差距。此外，在高頻振動、沖擊、高速運動等條件下，飛機產品的力學性能試驗，由于采樣的同步性、采樣頻率的影響，現有的測量技術也不能有效解決這類問題。

2.4 基于MBD技術的測量數據集成及接口的標準化

新一代GPS[38］理論和規范要求設計數據、制造數據、測量數據的集成，測量數據應作為產品的模型定義的一個重要組成部分。現階段，不同的測量設備采用的通訊接口(如 DMIS、ISO/STEP、I＋＋DME 等)不同，不同設備的測量數據也作為單獨的數據包，相互數據通訊和測量數據集成非常不便。

基于MBD技術，可以通過相關的二次開發技術，將測量信息、制造信息、設計信息集成到統一的軟件平臺。同時，通過開發標準化的測量數據接口，可以將不同測量設備得到的測量數據集成到產品的MBD模型中，實現測量信息在不同軟件系統中的無縫集成，利于企業內部跨部門或跨企業之間的信息交互，如圖12所示。

3 結語

高精度數字化測量技術/系統已經逐漸應用到飛機加工、裝配、測試等各個環節中，高精度數字化測量技術與機器人技術、數字控制技術、計算機技術、傳感器技術的融合，不僅大幅度提高了飛機制造的生產能力和自動化水平，還為保證飛機產品的產品質量和服役性能發揮著越來越重要的作用。

高精度、低成本、柔性化、數字化為特征的現代飛機制造業的高速發展過程中，高精度數字化測量技術為數控機床的校準與誤差補償、產品加工質量在機測量、測量輔助機器人鉆鉚技術、測量輔助裝配技術、工裝產品逆向工程、產品力學性能測試、復合材料無損檢測技術、工裝產品制造/裝配質量驗證等提供了精確、高效、海量的數據支持。

數字化工廠和智能制造快速發展的背景下，在多類型測量設備/傳感器發展、融合的同時，飛機制造業還需對制造現場測量精度的快速標定、飛機產品測量方案的自主化決策、復雜環境下飛機產品力學性能高精度測量技術、基于MBD技術的測量數據集成及接口的標準化進行進一步的深入研究和應用。