飛機裝配幾何量質量檢測體系構建及關鍵技術*

（航空工業沈陽飛機工業（集團）有限公司，沈陽 110850）

數字化制造是現代化高端飛機制造技術發展方向，對提高整機質量、確保飛機性能、縮短生產周期、降低生產成本、延長服役周期等均具有重要意義。數字化幾何量檢測已經成為新一代飛機數字化制造重要基礎支撐技術之一。新一代飛機隱身、輕質、長航時、低成本和長壽命等性能需求，特別是隱身性能需求，對飛機裝配精度提出了極高要求。直尺、卡尺、塞尺、卡板、量規等傳統檢測手段難以滿足新一代飛機裝配過程需求。另外，傳統飛機裝配過程遵循“定性檢測、事后檢驗”[1]的檢測模式，也已無法滿足新一代飛機高精度裝配質量控制要求。針對新一代飛機裝配過程質控要求，開展幾何量質量檢測體系構建及關鍵技術研究具有重要意義。

精密檢測是確保飛機裝配質量最為直接的保障手段之一，飛機裝配過程中涉及的檢測內容與方法眾多，主要分為3類[2]：（1）幾何量的檢測，即產品形狀及位置的測量；（2）物理量的檢測，即裝配力、變形量、殘余應力、質量特性等的檢測；（3）狀態量的檢測，包括產品裝配狀態、干涉情況、密封性能等的檢驗。其中，飛機裝配過程幾何量檢測是最為關鍵的內容，直接影響飛機氣動外形、組部件準確度和表面質量控制，進而影響飛機氣動性能和隱身性能。

近年來飛機裝配幾何量檢測技術取得了重要進展，檢測精度與效率得到了大幅度提高[3]。檢測方法主要包括接觸式檢測和非接觸式檢測。接觸式檢測方法在產品三維幾何估計[4]、檢測點的分布和數量[5]、分步式檢測方法[6]等方面取得了重要突破。針對非接觸式測量方法，國內外學者提出了眾多新的模型與算法，如基于知識的視覺理論模型[7]、基于深度學習的視覺識別[8]和單目視覺檢測[9–10]等。正是由于上述技術的突破，裝配過程幾何量檢測設備不斷推陳出新，精度、穩定性、通用性等技術指標不斷提高，極大地拓展了數字化檢測技術在飛機裝配領域的應用。波音、空客、洛克希德·馬丁等國外航空公司已經普遍采用數字化檢測設備進行產品三維檢測與質量控制，開發并形成了飛機產品三維檢測規劃與數據分析體系，制定了數字化三維檢測技術規范，形成了完整的數字化檢測技術體系[11]。此外，檢測設備與工藝裝備的深度融合成為裝配技術發展的重要趨勢。諸如激光跟蹤儀等測試設備廣泛應用于F–35、A400M、A350等先進飛機的總裝對接中。在F–35的中后機身對接中，洛·馬公司基于激光跟蹤儀設計制造的自動化、模塊化工裝，使用激光三角傳感器精確調整鉆頭位置并測量鉆孔尺寸[12]。

本文針對新一代飛機裝配幾何量檢測需求，詳細梳理目前飛機裝配幾何量檢測特征，提出新一代飛機裝配幾何量檢測體系構建方案，并對其關鍵技術進行了詳細分析。

新一代飛機裝配過程幾何量檢測需求分析

新一代飛機氣動外形先進、隱身性高，裝配過程必須同時關注局部關鍵特征和整機外形精度。飛機裝配涉及組部件關鍵交點與特征點、全機水平測量點、表面質量特性、氣動外形檢測等一系列質控問題。為提高飛機裝配質量，確保整機產品性能，利用先進測量技術和方法進行裝配過程控制和最終幾何特征與設計要求的一致性檢測是現代飛機數字化制造的一項重要內容。飛機幾何特征的多樣性、裝配流程的復雜性以及裝配的高協調性要求，對飛機裝配過程提出了不同測量需求，本文主要從空間點位測量和三維外形測量兩方面進行介紹。

1 空間點位精度檢測

飛機裝配過程中，需要將工裝和零部件上的某些特征點作為質量評價關鍵要素，通過測量工具獲取三維坐標數據并進行精度評價。常見的應用有以下4種。

（1）組部件裝配關鍵特征點檢測。

在飛機裝配過程數字化、自動化技術背景下，在組部件裝配階段，大型結構件常以自身為基準進行裝配定位，如梁、框、肋等構件利用裝配孔、槽等特征實現自定位，減少裝配工裝定位器使用，使工裝簡單化、通用化。自定位特征通常多選用構件“K”孔（定位基準孔）、交點孔、叉耳端面等，在飛機裝配過程中，這些特征均需嚴格控制，特征點的檢測精度控制優劣直接影響組部件裝配質量。

（2）部件對合點檢測。

在飛機總裝過程中，采用數字化柔性對接工裝是提高對接精度和效率的有效手段。在部件對合過程前后，需要測量各部件上已標記出的對合裝配控制點，將測量數據傳遞給對合平臺計算分析，計算分析系統將實測值與理論值進行匹配分析，得到部件位姿偏差，進而將位姿偏差反饋給控制系統，驅動對合平臺定位器調整部件姿態并完成自動對合。為提高對接效率，有效提高裝配對接精度，對合過程中需要進行實時動態引導，部件到位后再進行坐標精確測量和定位精度確認。

（3）水平測量點檢測。

水平測量是飛機裝配過程中的綜合性檢測環節，表征飛機裝配各部件相對位置安裝精度，是飛機裝配質量及安全性的重要判據。傳統的飛機水平測量在全機調平的前提下，利用水準儀與標尺等配合進行高度方向基準測量，利用鉛錘、卷尺等對飛機水平測量點進行檢測，再將各測量數據向飛機坐標系投影計算各部件安裝角度，通過與水平測量公差進行比對評價飛機裝配質量。因傳統的基于模擬量的測量工具精度較低，測量過程需要人工參與，測量誤差大，測量效率低，實施過程復雜。隨著大空間激光技術的不斷發展，激光跟蹤儀和工作空間測量定位系統（Workshop measuring and positioning system，wMPS）得到了廣泛應用，無需進行飛機跳屏操作，可直接獲取水平測量點三維坐標，自動化程度高，測量精度與效率均得到大幅提高。但需要強調的是，隨著飛機性能對氣動外形、表面工藝要求越來越高，傳統基于離散坐標的水平測量評價方式已經無法滿足目前測量需求，引入三維高分辨率點云技術進行整體評價已經成為新一代裝配技術發展的必然方向。

（4）工裝關鍵功能點實時監測。

裝配工裝關鍵功能點的定位精度直接影響飛機裝配質量與可靠性。傳統的裝配過程定期檢測工裝關鍵功能點狀態以保障裝備對接精度。在定檢周期內，并無有效方法進行實時監控，導致部件裝配不協調時有發生，產生裝配質量問題。工裝關鍵功能點實時監控是確保裝配全過程穩定可靠的必要手段。通過借助wMPS測量系統，將光電接收器放置在待監測點，長時間連續實時記錄關鍵功能點空間位置，進而評價位置一致性與穩定性。

2 飛機復雜外形形貌測量

飛機外形形貌檢測是質量評定的另一項重要內容。飛機部件尺寸大，制造精度要求高，外形曲面復雜，表面光滑度和波紋度要求高，對三維形貌測量精度和效率提出了挑戰。傳統的飛機裝配過程中，依據裝配型架上的外形卡板用塞尺等進行外形測量，測量手段落后，測量精度低，難以進行全面的質量評定。同時，隨著飛機性能要求的提高，對飛機表面質量的要求也在不斷提高，如鉚釘釘頭的凸凹量、蒙皮對縫間隙與階差等與表面質量相關的要素均需要進行嚴格的控制。以某型號飛機為例，基本外形偏差最大為±3.0mm，最小為+0.4mm、–0.6mm，蒙皮對縫間隙的最大允許值為1.5mm，最小值為1.0mm，階差（包括順航向和垂直航向）的最大允許值為1.2mm，最小值為0.3mm；而不同區域中沉頭螺栓（螺釘）頭凸凹量的極限偏差最小僅為0.15mm。對于普通的測量手段而言，難以精確地顯示測量結果，通常采用簡單定性的方式給出結論。

此外，新一代飛機高隱身特性的要求、某些關鍵部位的特殊設計和制造工藝對其裝配過程檢測技術提出了新的挑戰，如整機氣動外形和進氣道外表面的檢測等。進氣道是隱身戰機的一個重要組成部分，進氣道隱身性能優劣決定著新一代飛機能否滿足隱身設計要求。新一代飛機采用“S”進氣道，進氣道結構復雜，開敞性極差，不利于在飛機裝配過程中對進氣道表面質量進行在線檢測。同時，新一代飛機進氣道對縫間隙和階差檢測精度要求進一步提高。以“S”進氣道為代表的飛機復雜狹窄內腔表面檢測對測量設備提出了更高的要求。

傳統的飛機表面質量檢查方法采用傳統人工抽檢方式進行，完全依托檢驗人員的經驗，采取目視檢查方法，選取表面質量接近超差位置，利用塞尺對表面質量質疑位置進行抽檢，進氣道的表面質量檢測位置有限，并未實現進氣道的全覆蓋，并且對縫間隙與階差檢測結果受檢驗人員自身影響較大，無法滿足裝配質量檢測要求。四代機裝配表面對縫間隙與階差要求全覆蓋，即對縫間隙與階差要求每150mm設置1個檢測點，其中目視可見明顯階差/間隙或曲率較大的蒙皮對合處，應增加2~3個測量點，表面對縫間隙與階差檢測工作量相比三代機大幅度增加。另外，傳統的以塞尺為代表的檢測工具分辨率較低，檢測效率、檢測精度、抗干擾性等均無法滿足四代機裝配質量評估要求。

隨著飛機數字化柔性裝配的發展，數字化測量系統開始大規模地應用于飛機裝配中。常用的數字化測量系統主要有關節臂測量機、攝影測量系統、激光跟蹤儀、激光雷達和室內空間測量系統等。各測量系統性能對比分析如表1所示。其中，激光跟蹤儀、激光雷達和室內空間測量系統具有相對精度高、測量范圍大的優點，可用于工裝安裝、部件裝配定位、對接裝配及裝配質量檢測等生產環節，是實現飛機數字化柔性裝配的主要測量工具。關節臂測量機和攝影測量系統具有體積小、便于攜帶的優點，可用于某些特定裝配質量檢測指標的檢測或與輔助精密測量設備進行協同測量。

新一代飛機裝配幾何量質量檢測體系構建

針對飛機裝配過程檢測對象復雜、組部件數量眾多、檢測精度要求高等特點，基于現有測量技術設備，構建了飛機裝配幾何量檢測體系，該體系側重于裝配檢測質量管理平臺開發和集成，以解決飛機裝配過程檢測數字化與自動化程度低、車間管理技術手段落后等問題。由于飛機裝配測量本身是復雜的跨尺度測量問題，單一設備無法在測量范圍、測量分辨率方面同時滿足測量需求，因此飛機裝配幾何量質量檢測是各種測量設備的綜合運用過程，需要各個工藝流程通盤考慮，根據上述測量需求和現有設備測量性能特點，提出了飛機裝配幾何量質量檢測體系總體架構，如圖1所示。

飛機裝配幾何量檢測體系主要包括對象層、設備層、軟件層及企業信息平臺。對象層包括飛機裝配全過程待測幾何量特征。設備層協調管理各類空間三維測量設備，通過融合多源測量系統協同完成全局與局部測量任務。軟件層則實現測量數據的收集、整理、融合、比對、分析等功能，結合產品尺寸公差等設計標準生成分析報告。企業信息平臺負責接收質量管理平臺的輸出數據及改進建議反饋。

圖1 飛機裝配幾何量質量檢測體系總體架構Fig.1 Framework of aircraft assembling geometrical quality inspection system

裝配檢測質量管理平臺輸入數據來自兩個方面：一是數字化工藝平臺的裝配工藝過程、裝配模型、尺寸公差、測量目標和基準（模型上）；二是現場裝配車間測量設備（由iGPS和下屬激光跟蹤儀、關節臂、掃描儀等組成）的測量結果數據。裝配檢測質量管理平臺輸出數據去往3個方面：一是將測量系統配置方案、測量工藝規程（腳本）和測量程序輸出到裝配車間現場，以便構建測量系統（場）、驅動測量儀器系統，指導工人測量操作；二是將采集的測量結果數據進行數據處理和分析后，以統一測量數據集的形式反饋給數字化工藝平臺，包括產品檢測數據、裝配工裝檢測數據、工序件檢測數據和工序件夾具檢測數據；三是根據測量數據的分析結果，將有關產品關鍵特征/特性、尺寸公差的可測量性分析報告及改進建議反饋數字化工藝平臺。

1 面向不同檢測要素的檢測方法分析

飛機裝配過程幾何量檢測對象多樣、涉及的測量與檢測方法及工具各異，需要根據檢測對象具體要求合理匹配檢測設備。依據裝配過程的檢測特征，從檢測精度、檢測成本、檢測效率和檢測可靠性4個維度，對裝配過程檢測特征與檢測設備匹配，匹配關系見表2。針對裝配過程中的不同檢測特征，利用裝配檢測計劃編制與管理模塊生成檢測規劃方案，最終完成不同裝配特征的檢測。

2 裝配檢測計劃編制與管理模塊

裝配檢測計劃編制與管理模塊實現了檢驗計劃編制、更改、審簽、發布等功能，裝配檢測計劃定版流程如圖2所示。該模塊是以PPR（.CATProcess格式）文件為載體，并存儲檢測信息，同時需滿足檢測計劃管理、升版、維護及檢測工藝設計等要求。通過裝配質量檢測平臺與企業內部工藝系統互聯互通，該模塊可查詢MBOM結構、工藝分工及各種工藝資源庫。在對上述信息分析的基礎上，策劃裝配檢測方案和針對不同檢測對象選用不同檢測設備。該模塊可隨時查詢裝配工藝編制進展和狀態，當裝配工藝規程編制完成后，將數據推送給檢測人員，檢測人員利用相關工藝信息、產品模型信息和資源模型信息，針對實際需要編制裝配檢測計劃，插入檢測工序或工步。

裝配檢測計劃對應的檢驗工步，存儲于PPR文件中Process節點下，并保持與裝配工藝規程文件（包含版本信息）、裝配工藝工步節點的關聯關系。裝配檢測計劃相關信息以數據庫記錄的形式進行存儲，當在CATIA中進行三維裝配檢測規程信息的表達時，以自定義的數據文件格式及數據結構為載體，動態加載，保證信息的實時有效。模塊涉及三維組部件信息，從LCA系統中獲取，并進行輕量化處理后，在三維裝配檢測規程中顯示和加載。對于歷史版本的裝配檢驗規程，該模塊通過審簽流程控制，保留所有歷史數據和必要的更改說明信息以供追溯。對于以有效性為關鍵字的查詢，使用最新版有效原則進行管理。

3 裝配質量檢測數據管理與分析模塊

裝配質量檢測數據管理與分析模塊實現了關鍵過程數據、點云數據、單點數據的信息采集及統計分析功能，根據數據特征，能夠生成直方圖、箱線圖、控制圖等，裝配質量檢測數據管理與分析模塊架構如圖3所示。

表2 裝配過程檢測特征與檢測設備匹配關系Table 2 Mapping of assembling inspection features and equipments

圖2 裝配檢測計劃定版流程Fig.2 Flow path of assembling inspection plan

圖3 裝配質量檢測數據管理與分析模塊架構Fig.3 Framework of management and analysis module for assembling quality inspection data

在關鍵過程數據分析方面，對于其他系統數據，支持以固定格式導入。根據統計結果實現對測量數據均值和方差計算，并對數據進行過濾和選擇，依據相應出圖條件生成分析圖表。針對連續型數據，繪制均值控制圖、單值控制圖；針對離散型數據，繪制缺陷率控制圖等。技術人員可對統計結果進行篩選與剔除，可對篩選與剔除后結果進行分析，繪制控制圖，統計和分析結果可以表格及文檔等形式輸出。該模塊具有錯誤信息修改功能，即由于人為等原因，導致錄入的信息有誤，需要重新錄入的情況。錯誤信息修改只能由原信息錄入者進行修改，其他操作人員只有查看信息權限。

在點云數據管理與分析方面，統計出的點云數據于檢測報告中體現，同時對相應產品的點云數據進行編號、上傳等管理。云數據、檢測報告與被測產品一一對應，存儲于數據庫。

在單點數據管理與分析方面，能夠與其他信息系統集成，對于其他系統的數據，支持以固定格式導入。相關數據信息既可手動錄入，亦可導入基于固定模版的格式數據。對于單點數據該模塊實現了單件產品理論值與實際測量值數據的結構化管理。

飛機裝配過程幾何量檢測關鍵技術

1 復雜裝配現場多源異構整體測量工藝仿真及精度優化

針對航空數字化制造現場大空間、高精度、多信息、低成本以及高效可靠的測量需求，深入分析多源異構整體測量網絡所面臨的精度、效率問題，通過完成基于三維空間誤差分析的測量數據評估及精度優化方法、基于產品數模的多源異構整體測量網絡誤差仿真方法和面向復雜裝配現場的多站整體測量網絡智能優化算法的研究，最終搭建基于數模的通用精度分析模塊。

異構網絡坐標測量中，被測目標的坐標由來自多個測量單元（系統）的測量信息合成，這一過程稱為測量數據融合。各測量系統的測量數據均在其自身坐標系下獲得，將測量數據融合細分為測量單元的坐標系統一和被測量目標的坐標解算兩個步驟。現有網絡化測量技術在測量信息的處理方式上為異構網絡提供了重要的借鑒意義。依靠冗余測量信息，同步完成多個測量單元的坐標系統一及多個被測目標的坐標解算，不僅避免了因多次坐標系轉換造成的不確定度累計，而且充分利用了冗余測量信息，有助于提高解算精度及魯棒性。

測量的過程，即是測量不確定度傳遞的過程，對其進行準確量化和正確表達，是異構網絡精度分析的具體表現，不僅保證了異構網絡測量結果可靠性，還為異構網絡的儀器選型、布局優化提供了重要依據。基于現有多源測量數據融合解算原理，分別基于GUM法和蒙特卡洛方法實現了異構多站網絡坐標不確定度的統一分析與表達，構建了單點測量數據有效性評價方法。面向真實產品數模綜合現場遮擋、環境等影響因素構建接近真實測量狀態的誤差仿真理論體系。同時，由于異構測量網絡涉及多個測量系統，傳統的面向多系統的專用測量軟件無法滿足仿真及測量需求。構建了用于異構測量網絡不確定度分析的仿真及測量平臺，引入神經網絡等智能算法、計算機圖形學標準三維模型物理仿真算法，從儀器有效測量區域、視線遮擋、測量精度及成本4方面描述了異構網絡測站類型、數量、布局綜合優化等問題。

分析歸納了大尺寸坐標測量系統的不確定度來源，建立了儀器測量坐標不確定度及其測量范圍的通用描述模型，基于單點空間誤差分析結果構建單次測量數據測量有效性評價方法，并以測量系統的校準結果或歷史測量數據設計先驗權值，實現了多幾何量融合坐標測量精度的動態優化。

2 三維點云數據的擬合與對齊技術

點云數據擬合與對齊通常采用兩種方式進行，一是應用點云數據分析模塊中的最佳擬合對齊方式，該方法是基于最小二乘原理，通過匹配同名點，將轉站殘差最小化，獲得點云數據匹配的最佳結果；二是基于關鍵特征點的點云配準，通過在產品上識別高精度定位特征，對點云數據添加幾何約束條件，使獲取的點云數據轉換至測量坐標系下，從而實現最優點云匹配。飛機裝配制造過程中，零件結構復雜多樣，形貌結構多變、尺寸跨度大，部分零件無法識別出可對點云數據進行完全約束的關鍵特征信息。通過對擬合原理進行深入研究，結合大量工程試驗，對于無法實現完全約束的產品，提出了一種最佳擬合方式與基于特征的擬合方式相結合的融合擬合方式，獲得最佳的擬合效果。首先利用部分高精度特征對點云數據進行初始約束，排除無效點云數據的干擾，在初始約束的基礎上將有效點云數據與產品標準三維模型進行最佳擬合（基于最小二乘法）。經工程化對比試驗驗證，以上3種擬合方式的綜合應用可覆蓋不同產品特征的數字化檢測，擬合方式與產品特征匹配關系見表3。

3 基于整體測量場的多系統協同測量技術

以大部件對接和整機外形檢測為代表的部裝、總裝過程產品尺寸較大（5~20m），結構復雜，被測特征多樣，測量“跨尺度”特點突出，需要將測量過程與工藝緊密結合。在現有測量條件下，沒有任何單一測量設備能夠整體滿足上述測量需求，將現場大空間遠距離整體測量定位和有限空間近距離高精度、高分辨率形貌數據獲取相結合構成跨尺度組合測量系統，是唯一可行的解決手段。相比于傳統跟蹤儀單站測量，以室內GPS、多相機測量網絡為代表的多站整體測量網絡可通過增加測量單元數目、改變單元類型或調整單元布局在不損失精度的前提下滿足不同尺度空間覆蓋要求，適應不同測量條件，可作為實現飛機數字化裝配現場整體測量的基礎設備，但還需結合各個系統優勢特點，解決設備間接口、系統同步、數據配準及數據融合問題，構造精度統一的最優系統。

表3 組部件裝配檢測特征與擬合方式匹配關系Table 3 Matching of parts set assembling inspection features and fit method

本文提出一種基于室內GPS全局定位，同時融合攝影測量、藍光三維掃描、光電校靶等多設備作為測量終端的跨尺度組合測量系統，實現了室內GPS系統與視覺測量系統的精確協同，建立了滿足部裝總裝測量需求的組合測量方法。通過前期分析仿真設計，針對不同待測幾何特征、不同工藝流程，提出個性化視覺測量方案，同時采用兼顧精度、效率、量程的室內GPS多站整體場實現全局精度控制，在測量終端集成wMPS接收器實現終端定位。測量終端可根據待測特征及測量需求靈活選擇視覺形貌測量設備、結構光輪廓測量設備等完成點、面等幾何特征高精度測量。針對全局測量場校準，通過wMPS發射端及接收端改進提升了硬件性能。通過激光干涉測長及多邊定位方法構建了用于整體測量場全局定向和精度補償的高精度控制場，進一步提高了全局測量精度，提高了跨尺度協同測量系統的整體性能，建立了滿足總裝測量需求、現場可用的高精度多源異構整體測量網絡，具體實施技術路線如圖4所示。

結論

飛機裝配幾何量高精度測量是新一代飛機裝配過程質量保證的重要手段。幾何量測量方法的不斷發展為新一代飛機裝配技術發展帶來了變革。通過開展裝配幾何量質量檢測體系構建及關鍵技術研究，開發了裝配檢測質量管理平臺，實現了檢測數據管理信息化，通過準確、高效的算法對檢測數據進行分析，并將檢測分析結果反饋飛機裝配過程，形成基于檢測的裝配過程閉環控制，為后續裝配提供數據支撐，同步提升了飛機裝配過程質控能力。

圖4 基于整體測量場的多系統協同測量技術路線圖Fig.4 Multi-system synergy measurement technical line based on overall measurement field