数字化组合测量辅助飞机装配质量检测技术

谢贺年，闵奥成，梁少东，李 特

（西安航空职业技术学院 陕西 西安 710089）

1 引言

飞机由成千上万个零件组装而成，零件之间的装配质量对于整个飞机的质量有着重要的影响。数字化技术在飞机装配过程中有着重要应用，能够有效提高装配效率，确保装配质量，是装配过程中的重要技术。

2 飞机数字化测量行业的发展现状

2.1 飞机的数字化组合测量技术发展阶段

最早应用于飞机装配流程的是运用模拟量的传递进行定性测量阶段。因为飞机外形呈现出曲面形状，并且需要较高的硬度及机体协调性水平，运用标准样本、模板等实体的模拟方式可以生动表现出产品的大小及种类信息，有利于确保零部件的制造和生产步骤的精确性，为高质量的飞机制造奠定了坚实基础。但是该过程需要大量的人力投入，耗费资金巨大，飞机制造的精确性也有待于进一步提高。随着社会的不断发展，人类对于飞机的精度要求不断提高，旧式的模拟量传递构造方式难以满足人类日益增长的需求。

其次，数字化技术开始广泛应用于质量检验阶段。此时，国际上的航空公司积极引入准确程度高、检测范围大、柔软度水平合适的先进数字化测量设备，如三坐标测量设备、激光追踪设备、雷达导航设备等，实现对关键特征点的检验，克服了旧式运用模拟量进行检验的方法[1]。其中，在国内的航空业应用最为广泛的即为三坐标测量设备，借助其高准确性的测量结果，飞机制造可以达到更高的协调性水平，明显缩短了产业的生产时间，能够检验飞机表面的曲线弧度，分析相关数据绘制出数学模型，并将该模型与实际外形进行拟合，能够很好地检验二者的偏差程度。除此之外，依据该数学模型还可以生成自动化的操作指令，确保飞机的各个部件生产过程符合标准。

目前，可以实现运用数字化技术对飞机装配质量进行控制与测量。国外各个航空公司积极引入了3D的处理数据模型，并对各个零部件的制造过程实现了全程自动化测量，在装配流程中引入离线检测系统，确保能够有效控制其精度，在故障发生时能够及时处理，利用数字化反馈环节实现飞机制造与装配的高质量性[1]。飞机的装配流程日趋完善，且其工艺流程越加规范，推动了飞机质量的大幅提高，能够满足人类日益增长的出行需求。

2.2 数字化组合测量技术在飞机装配行业的重要应用

飞机的装配流程极其复杂，需要经过工艺设计、零部件制造、零部件装配、整机装配的环节。在减小不同零部件之间的距离和定位组装点的时候，可以应用高科技技术完成对复杂模型的装配工作，如激光定位、自动化控制、计算机编程控制等。这些技术是完成飞机装配的重要支柱，也是装配系统中的重要组成部分，可以使得测量数据及安装位置更精准。其中，数字化自动钻铆技术在重型飞机的装配及机身对接的过程中起着重要作用，实现了结构和功能的一体化，大幅度提高了自动化的程度，使得重型飞机部件数字化自动装配系统广泛应用于实际中，降低了传统装配中所需的生产工装及标准工装，有效降低了制作成本，减少了制作时间，给人们的生活带来了极大便利[2]。

例如，激光追踪技术在飞机装配过程中应用较为广泛，能够准确地预测出飞机的轮廓形状，精确掌握飞机上的各个零件的位置，为其装配过程的精准性作出了巨大贡献；数字照相测量技术能够实现快速识别功能，详细检查飞机上各个零件的组长精确度，为其质量提供了强有力的保障。

3 数字化组合测量辅助飞机装配所需的设备

3.1 局部导航定位设备

局部导航定位设备的工作原理类似于全球导航定位系统，其中局部导航定位系统主要通过红外线脉冲完成具体点的定位。该定位设备的工作范围具有较大的灵活空间，对于用户数量的限制较为宽松，能够实现对物品的360°测量，所得结果的误差水平较小，能够取得较高的精确性[3]，对于完成测量工作来说极为重要。

3.2 激光跟踪设备及雷达

首先，激光跟踪设备可以运用激光实现对目标反射器的追踪目标，并通过角度测量系统和距离测量系统确定具体点的坐标，是目前使用较为广泛且精确度程度较高的测量仪器。其次，激光雷达能够将激光束瞄向目标物品，根据反射光线的位置可以确定目标物体的实际位置。结合雷达和激光的优点，该技术可以获得相对较短的工作波长，获取较高的测量精度水平，有效降低不确定度水平，给航天行业的发展带来了巨大的贡献[3]。

3.3 激光扫描及摄影测量设备

首先，根据物理学相关知识，激光经过透镜之后会变成平面光幕，并在物体表面上映射出轮廓线条，运用信号处理器可以得到与机体轮廓相关的数据信息，对于后续质量检测来说极为重要。这种测量设备的误差水平较小，在测量接合缝隙宽度时可以实现精确检查的目标。除此之外，结合具体位置处的两幅不同图像可以得到相应的3D图像，通过糅合多幅图像的部分信息，可以得到具有特定特点的多维图像信息[3]。但是这种摄影测量技术具有缺点，例如在测量大型区域时会存在较大的误差、测量效率较低等。因此，应根据区域面积来选择装配精度评价技术。另外，摄影测量技术可以测量机体局部大小，并得出具体数据信息；快速图像识别系统能够精确地得到飞机上的铆钉数目，为后续质量检测步骤奠定了基础。

4 数字化组合测量技术流程

4.1 搭建数字化组合测量平台

测量装置、软件控制系统、计算机数据处理机制等是数字化组合测量平台的重要组成部分，通过各司其职，能够达到收集数据、处理数据的目标，实现装配过程的自动化控制。其中，测量装置可以搜集到和设备相关的信息，并储存在计算机中；软件控制系统可以发布执行指令，完成对上述数据的处理过程；计算机数据机制能完善搜集到的数据，完成进一步加工的工作。其中，计算机控制平台能够实时监控测量设备，通过点对点的方式能够提高监控效率，确保得到结果的精确性。数字化组合测量的重要组成部分即测量设备，是实现精密组装的前提条件[1]。激光追踪设备的核心是工控机，通过电缆的连接作用，可以实现为电路供电的功能。关节测量设备可以利用USB接口或者信息技术和飞机组件连接，以顺利将搜集到的数据传递给上述工控机设备[2]。

4.2 组合数字化测量方案

在确定测量方案时，需要提前将多个公共基准点固定在移动测量平面上，并根据各个零部件的外部形状划分飞机板的区域。然后再根据已经划分好的区域进行分块测量，通过分析获得移动测量平面的位置，并通过激光导航仪器确定公共基准点的具体位置，通过三维坐标的形式输出[2]。关节测量设备可以完成对各区域公共基准点的扫描，做出飞机外壳壁的区域点云图。将其最外层轮廓通过数学模型拟合，形成一个球体，将其和上述点云图进行封装，可以得到关于整个飞机的整体点云图。通过对比图中显示数据与飞机的实际外形，可以判断出飞机的质量及测量结果的精确性。组合数字化测量方案旨在得到更加精确的测量数据，并从中分析出关于飞机整体质量的信息。

4.3 分析组合测量精度及效率

数字化组合测量方法的用途由其组合测量精度及效率决定。在任何测量过程中都会存在误差，尽量降低误差存在的可能性及其大小才是提升效率的关键所在。测量设备的误差主要是由测量过程出现错误引起的，会造成测量结果精确度及正确度降低。旧式的测量主要是运用5点/s的采点频率通过激光导航仪的定位作用完成。而组合测量模式可以利用扫描头对搜集的数据进行分析处理，如分析点云图模块，完成云搜集、去除噪音、采集样本等操作过程[3]，从而确保得到结果的准确性。

4.4 数字化测量技术的处理数据过程及对辅助部位的定位测量

首先，工具集会发布相关数据信息，由SA软件分析出公共基准点的具体位置及飞机的点云图。其次，工具集会完成数据的拼接过程，运用公共基准点和搜集到的具体坐标进行拟合，完成对局部点云的拼接工作，得到一个整机的点云图。通过和飞机的实际3D模型对比，进行数据分析，可以得出相应的质量检查结果，达到准确判断飞机质量的目标[2]。

以往的飞机装配需要运用大量的工具夹完成定位工作，这个过程往往需要大量的人力投入，耗费时间成本较大。为有效缩短其工期，降低成本投入情况，需要积极引入新技术。例如，OMC技术能够有效克服传统定位方式的缺点，引入摄像机设备，在全面控制系统的同时实现了对各部分的精准定位。该技术需要运用网络技术中的实时计算功能，需要运用编码与解码过程进行辅助测量，能够识别体积十分微小的零件，具有十分强大的应用潜力。

4.5 测量过程中的辅助装配补偿分析

飞机的结构十分复杂，不同部位之间的协调性与其工作性能息息相关，因此需要采取合理措施确保其零件间的协调程度符合相关要求。航空企业可以运用数字化组合测量技术对其装配过程进行一些补偿分析，例如，在飞机的配合面有缝隙存在的情况下，可以运用添加垫片的形式提高协调程度。

5 飞机装配形状的组合测量技术

首先，机械设备视觉测量技术能够在获得各类检测数据后实现高精度的处理过程，通过最小二乘法得出相应的拟合曲线及相应点的位置，获得以像素为单位的边线方程，将其转化为数值后即可得到边界的各个坐标，有效绘制出飞机外形。

其次，电涡流传感器测量技术能够根据电涡流的变化原理制作出高效率的线形测量设备，精确地得出探头变化时与金属导体的位移关系。通过计算飞机外形曲面的实际法线与理论法线之间的差值，能够获得其大致的装配形状信息。

6 结语

随着社会的进步，飞机制造过程中有着越来越多的要求，需要在较短时间内制作出高质量的飞机，对数字化组合测量辅助飞机质量检测技术提出了较高要求。该技术在提高飞机制造质量及效率方面有着重要作用，主要运用激光导航系统、激光雷达、摄影测量系统等完成测量工作。通过数据平台的建设、分析其组合效率、数据处理工作可以得到更高的质量检测效率。