數(shù)字化組合測(cè)量輔助飛機(jī)裝配質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)

謝賀年，閔奧成，梁少東，李 特

（西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西 西安 710089）

1 引言

飛機(jī)由成千上萬個(gè)零件組裝而成，零件之間的裝配質(zhì)量對(duì)于整個(gè)飛機(jī)的質(zhì)量有著重要的影響。數(shù)字化技術(shù)在飛機(jī)裝配過程中有著重要應(yīng)用，能夠有效提高裝配效率，確保裝配質(zhì)量，是裝配過程中的重要技術(shù)。

2 飛機(jī)數(shù)字化測(cè)量行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 飛機(jī)的數(shù)字化組合測(cè)量技術(shù)發(fā)展階段

最早應(yīng)用于飛機(jī)裝配流程的是運(yùn)用模擬量的傳遞進(jìn)行定性測(cè)量階段。因?yàn)轱w機(jī)外形呈現(xiàn)出曲面形狀，并且需要較高的硬度及機(jī)體協(xié)調(diào)性水平，運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)樣本、模板等實(shí)體的模擬方式可以生動(dòng)表現(xiàn)出產(chǎn)品的大小及種類信息，有利于確保零部件的制造和生產(chǎn)步驟的精確性，為高質(zhì)量的飛機(jī)制造奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。但是該過程需要大量的人力投入，耗費(fèi)資金巨大，飛機(jī)制造的精確性也有待于進(jìn)一步提高。隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，人類對(duì)于飛機(jī)的精度要求不斷提高，舊式的模擬量傳遞構(gòu)造方式難以滿足人類日益增長的需求。

其次，數(shù)字化技術(shù)開始廣泛應(yīng)用于質(zhì)量檢驗(yàn)階段。此時(shí)，國際上的航空公司積極引入準(zhǔn)確程度高、檢測(cè)范圍大、柔軟度水平合適的先進(jìn)數(shù)字化測(cè)量設(shè)備，如三坐標(biāo)測(cè)量設(shè)備、激光追蹤設(shè)備、雷達(dá)導(dǎo)航設(shè)備等，實(shí)現(xiàn)對(duì)關(guān)鍵特征點(diǎn)的檢驗(yàn)，克服了舊式運(yùn)用模擬量進(jìn)行檢驗(yàn)的方法[1]。其中，在國內(nèi)的航空業(yè)應(yīng)用最為廣泛的即為三坐標(biāo)測(cè)量設(shè)備，借助其高準(zhǔn)確性的測(cè)量結(jié)果，飛機(jī)制造可以達(dá)到更高的協(xié)調(diào)性水平，明顯縮短了產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)時(shí)間，能夠檢驗(yàn)飛機(jī)表面的曲線弧度，分析相關(guān)數(shù)據(jù)繪制出數(shù)學(xué)模型，并將該模型與實(shí)際外形進(jìn)行擬合，能夠很好地檢驗(yàn)二者的偏差程度。除此之外，依據(jù)該數(shù)學(xué)模型還可以生成自動(dòng)化的操作指令，確保飛機(jī)的各個(gè)部件生產(chǎn)過程符合標(biāo)準(zhǔn)。

目前，可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)用數(shù)字化技術(shù)對(duì)飛機(jī)裝配質(zhì)量進(jìn)行控制與測(cè)量。國外各個(gè)航空公司積極引入了3D的處理數(shù)據(jù)模型，并對(duì)各個(gè)零部件的制造過程實(shí)現(xiàn)了全程自動(dòng)化測(cè)量，在裝配流程中引入離線檢測(cè)系統(tǒng)，確保能夠有效控制其精度，在故障發(fā)生時(shí)能夠及時(shí)處理，利用數(shù)字化反饋環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)飛機(jī)制造與裝配的高質(zhì)量性[1]。飛機(jī)的裝配流程日趨完善，且其工藝流程越加規(guī)范，推動(dòng)了飛機(jī)質(zhì)量的大幅提高，能夠滿足人類日益增長的出行需求。

2.2 數(shù)字化組合測(cè)量技術(shù)在飛機(jī)裝配行業(yè)的重要應(yīng)用

飛機(jī)的裝配流程極其復(fù)雜，需要經(jīng)過工藝設(shè)計(jì)、零部件制造、零部件裝配、整機(jī)裝配的環(huán)節(jié)。在減小不同零部件之間的距離和定位組裝點(diǎn)的時(shí)候，可以應(yīng)用高科技技術(shù)完成對(duì)復(fù)雜模型的裝配工作，如激光定位、自動(dòng)化控制、計(jì)算機(jī)編程控制等。這些技術(shù)是完成飛機(jī)裝配的重要支柱，也是裝配系統(tǒng)中的重要組成部分，可以使得測(cè)量數(shù)據(jù)及安裝位置更精準(zhǔn)。其中，數(shù)字化自動(dòng)鉆鉚技術(shù)在重型飛機(jī)的裝配及機(jī)身對(duì)接的過程中起著重要作用，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)和功能的一體化，大幅度提高了自動(dòng)化的程度，使得重型飛機(jī)部件數(shù)字化自動(dòng)裝配系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于實(shí)際中，降低了傳統(tǒng)裝配中所需的生產(chǎn)工裝及標(biāo)準(zhǔn)工裝，有效降低了制作成本，減少了制作時(shí)間，給人們的生活帶來了極大便利[2]。

例如，激光追蹤技術(shù)在飛機(jī)裝配過程中應(yīng)用較為廣泛，能夠準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)出飛機(jī)的輪廓形狀，精確掌握飛機(jī)上的各個(gè)零件的位置，為其裝配過程的精準(zhǔn)性作出了巨大貢獻(xiàn)；數(shù)字照相測(cè)量技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)快速識(shí)別功能，詳細(xì)檢查飛機(jī)上各個(gè)零件的組長精確度，為其質(zhì)量提供了強(qiáng)有力的保障。

3 數(shù)字化組合測(cè)量輔助飛機(jī)裝配所需的設(shè)備

3.1 局部導(dǎo)航定位設(shè)備

局部導(dǎo)航定位設(shè)備的工作原理類似于全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)，其中局部導(dǎo)航定位系統(tǒng)主要通過紅外線脈沖完成具體點(diǎn)的定位。該定位設(shè)備的工作范圍具有較大的靈活空間，對(duì)于用戶數(shù)量的限制較為寬松，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)物品的360°測(cè)量，所得結(jié)果的誤差水平較小，能夠取得較高的精確性[3]，對(duì)于完成測(cè)量工作來說極為重要。

3.2 激光跟蹤設(shè)備及雷達(dá)

首先，激光跟蹤設(shè)備可以運(yùn)用激光實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)反射器的追蹤目標(biāo)，并通過角度測(cè)量系統(tǒng)和距離測(cè)量系統(tǒng)確定具體點(diǎn)的坐標(biāo)，是目前使用較為廣泛且精確度程度較高的測(cè)量儀器。其次，激光雷達(dá)能夠?qū)⒓す馐橄蚰繕?biāo)物品，根據(jù)反射光線的位置可以確定目標(biāo)物體的實(shí)際位置。結(jié)合雷達(dá)和激光的優(yōu)點(diǎn)，該技術(shù)可以獲得相對(duì)較短的工作波長，獲取較高的測(cè)量精度水平，有效降低不確定度水平，給航天行業(yè)的發(fā)展帶來了巨大的貢獻(xiàn)[3]。

3.3 激光掃描及攝影測(cè)量設(shè)備

首先，根據(jù)物理學(xué)相關(guān)知識(shí)，激光經(jīng)過透鏡之后會(huì)變成平面光幕，并在物體表面上映射出輪廓線條，運(yùn)用信號(hào)處理器可以得到與機(jī)體輪廓相關(guān)的數(shù)據(jù)信息，對(duì)于后續(xù)質(zhì)量檢測(cè)來說極為重要。這種測(cè)量設(shè)備的誤差水平較小，在測(cè)量接合縫隙寬度時(shí)可以實(shí)現(xiàn)精確檢查的目標(biāo)。除此之外，結(jié)合具體位置處的兩幅不同圖像可以得到相應(yīng)的3D圖像，通過糅合多幅圖像的部分信息，可以得到具有特定特點(diǎn)的多維圖像信息[3]。但是這種攝影測(cè)量技術(shù)具有缺點(diǎn)，例如在測(cè)量大型區(qū)域時(shí)會(huì)存在較大的誤差、測(cè)量效率較低等。因此，應(yīng)根據(jù)區(qū)域面積來選擇裝配精度評(píng)價(jià)技術(shù)。另外，攝影測(cè)量技術(shù)可以測(cè)量機(jī)體局部大小，并得出具體數(shù)據(jù)信息；快速圖像識(shí)別系統(tǒng)能夠精確地得到飛機(jī)上的鉚釘數(shù)目，為后續(xù)質(zhì)量檢測(cè)步驟奠定了基礎(chǔ)。

4 數(shù)字化組合測(cè)量技術(shù)流程

4.1 搭建數(shù)字化組合測(cè)量平臺(tái)

測(cè)量裝置、軟件控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理機(jī)制等是數(shù)字化組合測(cè)量平臺(tái)的重要組成部分，通過各司其職，能夠達(dá)到收集數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)的目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)裝配過程的自動(dòng)化控制。其中，測(cè)量裝置可以搜集到和設(shè)備相關(guān)的信息，并儲(chǔ)存在計(jì)算機(jī)中；軟件控制系統(tǒng)可以發(fā)布執(zhí)行指令，完成對(duì)上述數(shù)據(jù)的處理過程；計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)機(jī)制能完善搜集到的數(shù)據(jù)，完成進(jìn)一步加工的工作。其中，計(jì)算機(jī)控制平臺(tái)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控測(cè)量設(shè)備，通過點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的方式能夠提高監(jiān)控效率，確保得到結(jié)果的精確性。數(shù)字化組合測(cè)量的重要組成部分即測(cè)量設(shè)備，是實(shí)現(xiàn)精密組裝的前提條件[1]。激光追蹤設(shè)備的核心是工控機(jī)，通過電纜的連接作用，可以實(shí)現(xiàn)為電路供電的功能。關(guān)節(jié)測(cè)量設(shè)備可以利用USB接口或者信息技術(shù)和飛機(jī)組件連接，以順利將搜集到的數(shù)據(jù)傳遞給上述工控機(jī)設(shè)備[2]。

4.2 組合數(shù)字化測(cè)量方案

在確定測(cè)量方案時(shí)，需要提前將多個(gè)公共基準(zhǔn)點(diǎn)固定在移動(dòng)測(cè)量平面上，并根據(jù)各個(gè)零部件的外部形狀劃分飛機(jī)板的區(qū)域。然后再根據(jù)已經(jīng)劃分好的區(qū)域進(jìn)行分塊測(cè)量，通過分析獲得移動(dòng)測(cè)量平面的位置，并通過激光導(dǎo)航儀器確定公共基準(zhǔn)點(diǎn)的具體位置，通過三維坐標(biāo)的形式輸出[2]。關(guān)節(jié)測(cè)量設(shè)備可以完成對(duì)各區(qū)域公共基準(zhǔn)點(diǎn)的掃描，做出飛機(jī)外殼壁的區(qū)域點(diǎn)云圖。將其最外層輪廓通過數(shù)學(xué)模型擬合，形成一個(gè)球體，將其和上述點(diǎn)云圖進(jìn)行封裝，可以得到關(guān)于整個(gè)飛機(jī)的整體點(diǎn)云圖。通過對(duì)比圖中顯示數(shù)據(jù)與飛機(jī)的實(shí)際外形，可以判斷出飛機(jī)的質(zhì)量及測(cè)量結(jié)果的精確性。組合數(shù)字化測(cè)量方案旨在得到更加精確的測(cè)量數(shù)據(jù)，并從中分析出關(guān)于飛機(jī)整體質(zhì)量的信息。

4.3 分析組合測(cè)量精度及效率

數(shù)字化組合測(cè)量方法的用途由其組合測(cè)量精度及效率決定。在任何測(cè)量過程中都會(huì)存在誤差，盡量降低誤差存在的可能性及其大小才是提升效率的關(guān)鍵所在。測(cè)量設(shè)備的誤差主要是由測(cè)量過程出現(xiàn)錯(cuò)誤引起的，會(huì)造成測(cè)量結(jié)果精確度及正確度降低。舊式的測(cè)量主要是運(yùn)用5點(diǎn)/s的采點(diǎn)頻率通過激光導(dǎo)航儀的定位作用完成。而組合測(cè)量模式可以利用掃描頭對(duì)搜集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，如分析點(diǎn)云圖模塊，完成云搜集、去除噪音、采集樣本等操作過程[3]，從而確保得到結(jié)果的準(zhǔn)確性。

4.4 數(shù)字化測(cè)量技術(shù)的處理數(shù)據(jù)過程及對(duì)輔助部位的定位測(cè)量

首先，工具集會(huì)發(fā)布相關(guān)數(shù)據(jù)信息，由SA軟件分析出公共基準(zhǔn)點(diǎn)的具體位置及飛機(jī)的點(diǎn)云圖。其次，工具集會(huì)完成數(shù)據(jù)的拼接過程，運(yùn)用公共基準(zhǔn)點(diǎn)和搜集到的具體坐標(biāo)進(jìn)行擬合，完成對(duì)局部點(diǎn)云的拼接工作，得到一個(gè)整機(jī)的點(diǎn)云圖。通過和飛機(jī)的實(shí)際3D模型對(duì)比，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，可以得出相應(yīng)的質(zhì)量檢查結(jié)果，達(dá)到準(zhǔn)確判斷飛機(jī)質(zhì)量的目標(biāo)[2]。

以往的飛機(jī)裝配需要運(yùn)用大量的工具夾完成定位工作，這個(gè)過程往往需要大量的人力投入，耗費(fèi)時(shí)間成本較大。為有效縮短其工期，降低成本投入情況，需要積極引入新技術(shù)。例如，OMC技術(shù)能夠有效克服傳統(tǒng)定位方式的缺點(diǎn)，引入攝像機(jī)設(shè)備，在全面控制系統(tǒng)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了對(duì)各部分的精準(zhǔn)定位。該技術(shù)需要運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中的實(shí)時(shí)計(jì)算功能，需要運(yùn)用編碼與解碼過程進(jìn)行輔助測(cè)量，能夠識(shí)別體積十分微小的零件，具有十分強(qiáng)大的應(yīng)用潛力。

4.5 測(cè)量過程中的輔助裝配補(bǔ)償分析

飛機(jī)的結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，不同部位之間的協(xié)調(diào)性與其工作性能息息相關(guān)，因此需要采取合理措施確保其零件間的協(xié)調(diào)程度符合相關(guān)要求。航空企業(yè)可以運(yùn)用數(shù)字化組合測(cè)量技術(shù)對(duì)其裝配過程進(jìn)行一些補(bǔ)償分析，例如，在飛機(jī)的配合面有縫隙存在的情況下，可以運(yùn)用添加墊片的形式提高協(xié)調(diào)程度。

5 飛機(jī)裝配形狀的組合測(cè)量技術(shù)

首先，機(jī)械設(shè)備視覺測(cè)量技術(shù)能夠在獲得各類檢測(cè)數(shù)據(jù)后實(shí)現(xiàn)高精度的處理過程，通過最小二乘法得出相應(yīng)的擬合曲線及相應(yīng)點(diǎn)的位置，獲得以像素為單位的邊線方程，將其轉(zhuǎn)化為數(shù)值后即可得到邊界的各個(gè)坐標(biāo)，有效繪制出飛機(jī)外形。

其次，電渦流傳感器測(cè)量技術(shù)能夠根據(jù)電渦流的變化原理制作出高效率的線形測(cè)量設(shè)備，精確地得出探頭變化時(shí)與金屬導(dǎo)體的位移關(guān)系。通過計(jì)算飛機(jī)外形曲面的實(shí)際法線與理論法線之間的差值，能夠獲得其大致的裝配形狀信息。

6 結(jié)語

隨著社會(huì)的進(jìn)步，飛機(jī)制造過程中有著越來越多的要求，需要在較短時(shí)間內(nèi)制作出高質(zhì)量的飛機(jī)，對(duì)數(shù)字化組合測(cè)量輔助飛機(jī)質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)提出了較高要求。該技術(shù)在提高飛機(jī)制造質(zhì)量及效率方面有著重要作用，主要運(yùn)用激光導(dǎo)航系統(tǒng)、激光雷達(dá)、攝影測(cè)量系統(tǒng)等完成測(cè)量工作。通過數(shù)據(jù)平臺(tái)的建設(shè)、分析其組合效率、數(shù)據(jù)處理工作可以得到更高的質(zhì)量檢測(cè)效率。