數字化測量在航空制造中的應用與發展研究

李明章，勝永民，鞠新星，羅 兵

（航空工業洪都，江西 南昌，330024）

0 引言

伴隨著航空產品對操控性與速度的不懈追求，隨之而來的是航空產品的設計與制造對產品外形總體容差以及零部件配合容差的要求日益嚴苛，測量技術作為航空制造技術的重要支撐技術之一也因此得到了長足發展。目前，數字化測量技術與設備已然發展成為主流的航空制造測量手段，但不同的測量設備原理存在差異，導致設備的有效測量范圍、工作方式等互不相同，即使標稱測量精度一致的設備，在實際應用過程中所構建的測量場精度特性也可能存在差異。本文通過對主流數字化測量設備的測量原理、特性、數據類型、測量精度等內容進行研究綜述，對航空制造過程中合理有效的選擇測量設備、準確制定測量方案提供參考。

目前，國內外在航空制造中應用最為廣泛、技術成熟度較高的數字化測量設備主要有激光跟蹤儀、激光雷達、i GPS、工業攝影測量儀、激光掃描儀等。

1 數字化測量設備簡介

1.1 激光跟蹤儀

激光跟蹤儀的主要應用范圍包括對接測量、工裝定檢、大部件外形檢測等。目前，激光跟蹤儀的生產廠家主要有徠卡、API和法如。

1.1.1 測量原理

激光跟蹤儀測量系統通過對空間目標點的水平角、垂直角和斜距進行測量，然后按球坐標或極坐標測量原理得到空間點的三維坐標（X，Y，Z）。

設P（X，Y，Z）為被測空間點，假設點P到點O的距離為L，OP與Z軸的夾角為β，OP在XY平面內的投影與X軸的夾角為α，則點P（X，Y，Z）的表達式為[1]：

其中，α、β的值由安裝在跟蹤頭中的兩個編碼器給出，L的值通過安裝在激光頭中的激光干涉儀獲得[2]。

圖1 激光跟蹤儀測量原理示意圖

1.1.2 系統組成

激光跟蹤儀測量系統組成主要有：激光跟蹤儀主機、控制器、電纜、三腳架、計算機、數據采集軟件、靶球、測量附件、數據分析軟件等。

圖2 激光跟蹤系統組成示意圖

1.1.3 設備技術指標與優缺點

激光跟蹤儀輸出的是單點坐標，數據格式一般為“點名+X+Y+Z”，激光跟蹤儀主要特性如下：

主要優點：

1）測量精度高，絕對坐標測量精度達到10ppm，尤其是距離測量精度可以達到5ppm；

2）測量范圍廣，目前最大測程達到160米；

3）跟蹤測量，可以實現單點測量跟蹤；

4）操作方便，一般場合1～2人即可操作。主要缺點：

1）接觸式測量,需要球棱鏡接觸被測對象；

2）逐次逐點測量,一次只能測量一個點；

3）環境要求高,需要在穩定無振動環境下工作，尤其不適合廠房外或升降平臺上工作。

1.2 激光雷達

激光雷達作為航空制造裝配中常用測量設備之一，主要用于航空產品的外形快速掃描測量。目前，激光雷達的主要生產制造廠家是日本尼康公司。

1.2.1 測量原理

激光雷達采用激光器進行探測和測距，是激光技術與雷達技術相結合的產物，使雷達的工作波段擴展到光波波段，其工作波段覆蓋紅外光、可見光和紫外光。

激光雷達是一種球坐標系的測量設備，激光器在發射一束經空氣傳播到測量點并且返回的外測信號的同時又發射一束在定長光纖中傳播的內置信號。光纖的長度與固定測量距離S相對應，即對應于激光在空氣中傳播2S的距離。假設測量點的距離為L，那么激光在空氣中傳播距離為2L，經空氣返回的激光信號較在定長光纖中傳播的激光信號有Δt的時間延遲，Δt的時間延遲產生了Δf的頻率變化，并且Δt與Δf成正比。在激光雷達中，可以準確的測出頻率變化Δf，通過測量頻率變化算出時間延遲，最終得出被測點與激光雷達的距離R。被測目標的方位角和仰角分別由反射鏡和旋轉頭獲取，最后將獲得的球坐標轉換成直角坐標，即可獲得被測目標的XYZ坐標。

圖3 激光雷達測距原理圖

1.2.2 系統組成

激光雷達系統的基本組成部分包括：激光器、發射望遠鏡、接收望遠鏡、濾光器、光電探測器、信號處理單元和數據處理輸出單元等。

圖4 激光雷達系統組成示意圖

1.2.3 設備技術指標與優缺點

激光雷達的輸出是點云的坐標信息，數據量一般比較大，設備主要特性如下：

主要優點：

1）激光指引測量，不需要靶球或靶標接觸被測產品，真正的非接觸式測量；2）由于使用激光指引，使得其測量使用空間范圍基本不受限制，測量空間大；3）單點測量精度高，理論單點精度高達0.1mm；4）可實現點云掃描測量模式，實現大量點的快速采集。

主要缺點：

1）設備使用準備時間長，需要預熱1～2小時才能穩定高精度工作；2）高精度測量效率較低，在單點高精度測量模式下單點測量耗時1～2秒；3）設備總成重量大，便攜性較差；4）受限于測量原理，無法精確指引某具體位置點進行直接測量，必須靠點云計算來擬合出被測對象的幾何中心。

1.3 iGPS測量儀

iGPS（室內GPS）測量儀是航空產品裝配制造中常用測量設備之一，主要應用于航空產品的離散點測量，如飛機整機水平測量。目前，市場上進口的iGPS基本是由日本尼康公司生產的，國產的iGPS生產廠家主要是天津大學。

1.3.1 測量原理

iGPS系統主要由發射器和接收器組成。發射器發出兩個呈扇形的激光面，這兩個激光扇面的相對位置和姿態固定，與垂直平面的夾角分別為30°和-30°，扇面的俯仰覆蓋范圍為±30°，每個發射器對應的旋轉角度θ并不一樣；傳感器接收來自發射器發出的激光模擬信號，并將其傳送給放大器；接收器接收來自放大器的數字信號，并將其轉變成角度數據信息；角度信息通過調制解調器無線網絡傳輸到中央控制室的計算機中，然后利用第三方軟件把所獲角度信息處理為準確的三維坐標信息，并在整個工作區域和網絡中共享，以便工作區域內無窮多個用戶可以使用。

圖5 iGPS測量系統原理示意圖

一個發射器的測量區域內任何一個接收器只能獲得兩個角度信息，一個是俯仰角，另一個則為方位角，它們都是利用時間差計算出來的。俯仰角是通過發射器發射出來的兩個扇面分別掃觸到接收器的時間差計算而得，設第一和第二個扇面掃觸到接收器的時間分別為t1、t2，發射器與測量點之間的斜距為R，由于兩個扇面與垂直平面都有30°的夾角，所以從兩個扇面頂端到底端所對應的弧度不同，從而對應的時間也不同。通過t1、t2的時間差能夠得到兩個扇面夾角所對應的弧長S，從而得到該接收器的俯仰角β，

計算公式：S=βR（t2-t1）。

方位角是通過閘門脈沖信號掃觸的時間與兩個扇面掃觸時間的平均值的時間差來獲得的。假設接收器接收到閘門脈沖信號時兩個扇面的中心位置方位角為θ°，此時的時間為tp，把兩個扇面分別掃觸到接收器時的時間仍然記為t1、t2，然后將t1和t2的平均值與tp的時間差乘以發射器的轉速即可得到接收器的方位角α，計算公式

1.3.2 系統組成

iGPS系統主要包括激光發射器、測針、固定式接收器、工作站、標準桿和三腳架等。激光發射器主要用來主動發射激光信號；測針主要用來接觸被測量的點，實現對目標點坐標的測量；標準桿用來建立iGPS系統測量場。

圖6 iGPS系統組成圖

1.3.3 設備技術指標與優缺點

iGPS測量系統輸出的是離散點坐標值，數據格式一般為“點名+X+Y+Z”，系統的主要優缺點如下：

主要優點：

1）操作簡單，一旦建站完成，測量操作非常簡單；2）多人多點同步測量：理論上接收器數量不受限制，可以同時測量；3）測量范圍可寬展：測量范圍從幾米至數百米，可以方便擴展。

主要缺點：

1）需要固定的場地布置基站，便攜性差；2）測量精度低，目前理論精度可以達到0.2mm，但實際工程精度在0.5mm左右；3）為方便操作，需要使用無線數據傳輸，對于有保密要求的場合使用受限，如果使用有線數據傳輸則會大大降低操作的便捷性。

工程經驗表明，在同一水平面上，精度等高線以測量場中心線在水平面上的投影點為中心，呈同心圓狀分布，且距離中心越遠測量精度越低[3]。

1.4 工業攝影測量儀

工業攝影測量儀是航空產品制造中常用測量設備之一，主要應用于飛機工裝定檢、整機水平測量、靜力試驗變形檢測等。目前，市場上進口的工業攝影測量系統有美國GSI公司的V-stars系統，德國的AICON系統，國產工業攝影測量系統主要是辰維科技、海克斯康等。

1.4.1 測量原理

工業攝影測量是從相機攝影獲取的被測目標的光學圖像信息出發，經過測量平差計算處理得到被測目標的三維空間坐標。在攝影被測目標時至少應由兩臺以上高分辨率相機對被測物同時拍攝像片（或一臺相機移動位置再拍照，原理示意見圖7），得到被測物的2張以上二維圖像，經過計算機數字圖像處理、影像匹配、三角測量及平差計算等一系列處理后得到被測物精確的三維空間坐標。由于它是通過不同攝站位置的相機對多個目標點同時測量而產生了多余觀測量，從而也可以同時解算出目標及相機間的位置與姿態。

工業攝影測量中，在不同的位置（攝站）由一臺或兩臺攝影相機拍攝同一被測目標物，獲得的兩張不同角度的被測目標物的像片稱為“立體像對”。而這一過程在計算機視覺領域稱之為“雙目立體視覺”。而雙視覺幾何也稱為“極線幾何”，也就是攝影測量中的核線幾何，主要是指兩張像片之間的內部幾何投影關系，是由像片的內方位元素與兩張像片的相對姿態關系唯一確定的，與場景結構無關。

若采用雙（多）臺相機在不同的攝站點拍攝被測目標物，形成多攝站交會的多目立體模型。如圖8，設物方點Pi是由j個相機攝站（或j條光線）相交而成，由共線條件可列出j個共線方程：

圖8 多相機攝影測量原理示意圖

式中，x0、y0、f為像片的內方位元素，分別代表像主點與主距，是確定攝影相機鏡頭中心（攝影中心）相對于影像位置關系的參數，用以恢復攝影時攝影光束的形狀；X，Y，Z，φ，ω，κ為像片的外方位元素，是表達像片或攝影光束在攝影瞬間的空間位置與姿態的參數，ai、bi、ci（i=1，2，3）為像片的三個外方位元素φ，ω，κ所組成的9個方向余弦；Δx,Δy為各像點坐標相對其理論位置坐標（x,y）存在的小偏差（畸變）。由最小二乘平差原理，根據共線方程式，采用光束法平差算法進行求解，即可以獲得物方點的三維空間坐標（Xi,Yi,Zi）。

1.4.2 系統組成

工業攝影測量系統根據組成系統的相機數量不同分為單相機系統和多相機系統。單相機工業攝影測量系統的基本組成部分包括測量相機，基準尺，測量靶標，配套軟件；多相機攝影測量系統包括工業實時測量相機、控制器、定向尺、測量筆、測量標志、聯機電纜及系統軟件等，設備組成如圖9。

圖9 多相機測量系統典型組成示意圖

1.4.3 設備技術指標與優缺點

工業攝影測量系統輸出的數據是單點坐標信息，數據格式一般為“點名+（X，Y，Z”）。分別介紹單相機測量系統和多相機測量系統的主要優缺點。

單相機測量系統主要優點：

1）測量精度高，標準精度5μm+5ppm·L，4m范圍內單點測量精度優于0.025mm；2）系統自動化程度高，整個測量過程可由一名測量人員完成；3）測量速度快，一次測量可獲取成千上萬個點的三維坐標；4）測量適用范圍可達百米，適用于各種尺寸的產品測量；5）非接觸式測量，對于柔性結構的被測工件，攝影測量具有無可比擬的優勢；6）設備便攜性好，測量系統可放置在一個旅行箱中，只需一名測量人員即可攜帶設備到達任何測量現場；7）環境適應性強，測量系統可在振動、真空、高低溫等環境下進行測量，且可以在狹小的空間實現高精度測量。

單相機測量系統主要缺點：

1）不便于特征點和孔的測量，需要設計開發專用輔助測量工具才能實現特征點和孔的測量；2）大尺寸測量精度受限，由于攝影測量本身不能測量長度，需要輔助外部長度標準尺才能實現長度賦值，對于幾十米范圍的長度測量需要和跟蹤儀配合來實現高精度測量。

多相機測量系統的主要優點：

1）可對被測對象進行三維或者六維的實時測量；2）可對動態目標測量，對于運動的物體或者工件，系統可以瞬間捕捉被測對象的幾何狀態，對目標進行跟蹤測量；3）可實現多點實時跟蹤測量，系統可以跟蹤多個測量點或測量目標；4）環境適應性能力強，與機械系統和自動控制系統集成后可以在真空、振動、有毒、高危、高低溫等環境下進行測量。

多相機測量系統的主要缺點：

1）單站測量范圍受限，由于相機測量視場限制，一般單站測量范圍不超過10m；2）對于被測對象的特征點/線或者結構上的隱蔽點的測量需要測量筆。

在工程應用中，單、雙相機工業攝影測量系統在10m范圍內的測量精度分別約為0.07mm～0.1mm、0.1mm～0.15mm，實際使用精度比標稱精度略低。

1.5 手持式激光掃描儀

手持激光掃描儀是近年來新興的一種點云掃描設備，該設備憑借其超便攜、高精度等特點迅速在航空產品制造裝配中應用起來，主要應用于飛機外形掃描等。目前，市場上的手持激光掃描儀有加拿大形創的HDSCAN以及國內辰維科技的CWSCAN。

1.5.1 測量原理

手持式激光掃描儀自帶校準功能，工作時將激光線照射到物體上，兩個相機來捕捉這一瞬間的三維掃描數據，由于物體表面的曲率不同，光線照射在物體上會發生反射和折射，然后這些信息會通過第三方軟件轉換為3D圖像。

圖10 手持式激光掃描儀測量原理示意圖

1.5.2 系統組成

激光掃描測量系統由便攜式手持掃描儀、聯機電纜、標定板、計算機、測量附件、數據采集軟件、數據分析軟件和逆向建模軟件等組成。

圖11 手持式激光掃描儀系統組成示意圖

1.5.2 設備技術指標

激光掃描儀輸出的是點云數據，數據量一般較大，系統的主要優缺點如下：

主要優點：

1）掃描分辨率沒有限制，只需輸入分辨率值，不受掃描對象尺寸的影響，掃描前后可隨時更改分辨率；2）實時可視化，掃描物體的同時，用戶就可以查看被測對象的3D輪廓表面；3）自動化實現掃描結果增強，補洞、智能提取、邊界過濾器等等；4）能夠自定位，在光學反射靶上使用三角測量法，以確定其相對于被測物的位置；5)掃描結果能夠導入RE/CAD軟件使用，無需補充數據處理，從而實現快速工作流整合。

主要缺點：

1）單站測量范圍小于0.5m，與工業攝影測量系統配合使用才能實現大尺寸工件的高精度測量；2）測量時需要在被測物上黏貼大量的靶標點，測量效率低。

一般手持掃描儀標稱測量精度基本為0.03mm；在實際工程應用中，手持掃描儀的測量精度分別約為0.07mm～0.1mm，實際使用精度比標稱精度低，且隨著測量范圍的增大，設備精度損失較快。

2 數字化測量設備的分類與合理選用

按照測量設備典型條件下測量范圍的大小，數字測量設備可分為小范圍測量設備、擴展范圍測量設備和大范圍測量設備。測量范圍小于1m的設備可稱為小范圍測量設備；測量范圍大于10m的設備可稱為大范圍測量設備；測量范圍介于1m～10m之間的設備可稱為擴展范圍測量設備。例如手持激光掃描儀測量范圍比較小，當擴大測量區域面積時，精度損失比較快，通常情況下只在小范圍內使用手持激光掃描儀，因此該設備為小范圍測量設備。激光跟蹤儀、激光雷達和iGPS可以測10m以上的物體，屬于大范圍測量設備。雖然攝影測量儀也可以測量10m以上的物體，但是其典型測量范圍一般在0.5m～10m之內，因此將其歸為擴展范圍測量設備。

按照測量設備測量過程中是否需要接觸被測物體，數字測量設備可分為接觸式測量設備、半接觸式測量設備和非接觸式測量設備。例如激光跟蹤儀測量過程中需要通過靶球反射激光信號實現對物體的測量，因此激光跟蹤儀為接觸式測量設備。iGPS在測量過程中需要將測針接觸到被測物體上，因此iGPS也為接觸式測量設備。手持激光掃描儀和數字攝影測量系統雖然在測量過程中不需要直接接觸被測物體，但是在測量前需要在被測物體上粘貼靶標，因此可歸集為半接觸式測量設備。激光雷達在測量過程中直接將激光投射到被測物體表面進行測量，無需合作目標，因此為非接觸式測量設備。

此外，還可以按照測量過程中被測對象是否可移動或者變形，可將數字化測量設備分為靜態測量設備和動態測量設備等。

3 數字化測量技術在航空制造中的應用現狀

國外將測量技術單獨應用完成產品的質量檢測或集成應用搭建閉環裝配系統，都在提高飛機產品質量控制、縮短生產周期方面取得了良好的效果，這對我國飛機裝配技術的發展提供了一定的借鑒與指引。

例如沈飛國際公司在承擔的龐巴迪機身轉包生產任務中，為了提高機身壁板件、機身分段的裝配質量與效率，將數字化測量技術引入機身壁板件、機身分段的裝配過程，構建了裝配-測量體系。在機身壁板裝配中開發出新的裝配測量方法，該方法集數字化測量技術、柔性工裝技術與工業機器人技術于一體，搭建起具有自動化、柔性化的機身壁板裝配測量系統。在中機身裝配中采用數字化測量設備驅動的精細對接系統，在機身分段對接中提出機身分段測量數據虛擬對接方法，在機身分段交付發運前對其關鍵特性進行數字化測量并完成虛擬對接，確保分段發運后能夠滿足對接技術要求。通過將數字化測量技術應用到某型飛機的機身裝配過程，提高了機身部件的裝配效率、裝配質量與綜合效益，提高了沈飛國際公司在機身部件制造方面的技術實力與產品交付能力，得到了良好的工程應用效果[4]。

又例如，美國波音777飛機得益于良好的數字化測量技術的應用，使其成為世界上第一架完全意義上采用數字量傳遞進行設計、制造和驗證的飛機[5]。

此外，數字化測量技術在逆向工程、工裝/機床安裝、虛擬仿真技術、自動鉆鉚及零部件應力試驗形變動態測量等領域都發揮著不可替代的作用。

圖12 數字化測量典型應用場景

4 結論

數字化測量在航空設計制造領域正在逐步改變傳統的模擬量傳遞模式，數字化測量技術的廣泛應用不僅是制造工藝本身和制造質量檢驗的要求，更是承接適應上層航空數字化設計發展趨勢的要求[6]。

本文通過對主流數字化測量設備的測量原理、測量特點、測量精度指標及其數據類型的歸納總結，將數字化測量設備按照不同的標準進行分類，對于航空制造過程中合理地選用數字化測量技術手段具有一定的借鑒意義。