基于飞机部件制造过程中测量技术的研究及应用

吴杰　易朝辉　闵伟

摘  要：介绍了飞机零部件制造过程中数字化测量系统的应用情况，利用数字化测量系统的高精度测量、控制和分析能力，获取被测对象准确的形状尺寸或空间位姿信息，提高飞机产品的制造与装配质量。

关键词：数字化测量 飞机 过程应用

1引言

民航客机是一项复杂且难度较大的工程，具有外形要求严格、产品构型众多、零部件材料与形状各异、内部结构复杂、空间紧凑、各种系统布置密集和零组件数量巨大等特点。飞机零部件制造的精准度决定着飞机的质量，因此零部件制造之后的测量工作十分重要。

先进的测量技术是现代飞机研制过程中的关键技术，是确定零件、组件、部件及全机加工、装配精度的检验与实施技术，而且数字化测量技术也是现代飞机数字化制造的重要组成部分，其核心思想是以各种数字化测量设备（如三坐标测量机、激光跟踪仪、电子经纬仪、激光雷达等）为工具，利用数字化测量系统的高精度测量、控制和分析能力，对测量对象实施快速、精准、自动化的测量，获取其准确的形状尺寸或空间位姿信息[1]，并与理论数模等标准依据进行比对得到相关的制造误差、装配误差等精度信息，或进一步与控制系统集成，提高飞机产品的制造与装配精度。

数字化测量技术的出现，不仅保证了产品制造的准确度，提高了生产效率，同时实现了飞机产品从设计、制造到装配及测量的全数字量传递。为此，本文结合某飞机零部件的制造过程，将数字化测量系统在其中的应用情况进行简要介绍。

2 数字化测量系统

数字测量系统是一套利用数字设备技术和计算机控制来完成自动、快速、准确的测量目标、任务和工作的组织系统。数字化测量系统可以帮助制造企业实现零件的精确测量和控制，完成零件几何形状和整体形状的三维分析，从而使设计和制造更快，工艺制造更优化。而且采用数字化测量技术可改变传统的模拟量传递模式，通过测量系统的数据采集、计算机数据处理分析等过程，把被测对象的几何量尺寸及形位公差直观的在计算机屏幕上展现出来，形成连续的信息转化过程和良性的循环反馈，达到高效生产组织的目的[2]。某飞机部件制造过程中的数字化测量系统主要使用坐标测量机和激光跟踪仪测量技术。

坐标测量机是通过测头系统与工件的相对移动，探测工件表面点三维坐标的测量系统。通过将被测物体置于三坐标测量机的测量空间，利用接触或非接触探测系统获得被测物体上各测点的坐标位置，根据这些点的空间坐标值，由软件进行数学运算，求出待测的几何尺寸和形状、位置。因此，坐标测量机具备高精度、高效率和万能性的特点，是完成各种零部件几何量测量与质量控制的理想解决方案[3]。

激光跟踪仪测量系统是一套以激光为测距手段的测量系统，主要由激光跟踪头、靶标球、控制器、测量附件和用户计算机等功能部件组成，可用来测量静止目标、或者跟踪、测量移动的目标。可在条件苛刻的生产现场环境中使用，不同与坐标测量机、可移动便携测量，热稳定性和耐用性非常高，可有效测量飞机零部件，降低测量时间和成本，较快的完成装配任务。同时，具有断光后立即能够续接上的功能，并可立即开始跟踪被测目标，能以高精度测量绝对距离，精准获得快速移动目标的位置，实现动态测量，且测量速度非常快。

2.1机械加工类零件的测量

随着现代化制造工业的蓬勃发展，机械制造行业对加工精度要求不断提高，对零部件的尺寸和形位公差提出了严格的要求，在加工设备提高工效、自动化程度更高的基础上，测量手段不但要精准，而且要高效。因此，采用坐标测量机的数字化测量技术，可达到高精度、高效率、数字化、柔性化等目的。

某飞机中如门框壁板机加框等零件均采用三坐标测量机实施检测，采用坐标测量机的数字化测量技术发展了几十年、已趋进成熟，生产型、计量型等多种精度等级的坐标测量机均能满足现代先进制造的需要，它具有测量精准， 效率高， 稳定性强， 范围大等特点。分别利用龙门式测量系统及桥式测量机进行测量，通过配备触发式测头、接触式扫描测头以及非接触式光学测头，实现了从规则几何形状零件到复杂工件的测量、评价与分析，达到数字化传递的目标。

2.2蒙皮下陷及外型的测量

随着技术发展，飞机尺寸越来越大，蒙皮也随之变大，同时增加了下陷特征用于减轻飞机重量，下陷特征通常位于飞机蒙皮内表面，处于长桁与框梁所夹空隙。

现代大飞机蒙皮具有曲率大、曲面薄的特征，早期采用明胶图来检测蒙皮下陷，由于明胶图对环境要求较高，故难以保证检测精度;同时，在检测蒙皮型面及轮廓时，若采用贴膜及模具刻线检测等传统方式，根据贴合度只能判断零件是否合格，无法量化偏差情况，无法给后续装配提供建议。

因此，采用基于激光跟踪仪及T-SCAN扫描系统的数字化测量技术，有效的解决了蒙皮下陷及外型的测量，有利于后续制造根据偏差情况来协调装配，使零件质量信息高效、无缝的对接装配成为可能，进而提升产品质量。T-SCAN高速手持式三维激光扫描仪，配合激光跟踪使用，具有较高的数据采集效率，1秒中最多能够采集210000个点，平均数据采集率为7000点/秒，高效的数据采集特点在微小特征的测量方面具有较大的优势[4]。

在具体实施过程中，驱动激光跟踪仪引光映射到理论测量点的位置，手持T-SCAN工具，选定扫描的开始方向，在该方向垂直面内按照垂直角度的步频率获取起始扫描线上的各离散点，然后沿着扫描方向增加角度步频率，获取下一列扫描线上的离散点，依次对特征扫描直至获取覆盖特征的全部离散点数据，形成点云进而数据分析。

3 數字化测量系统在型架装配中的应用

由于飞机结构不同于一般机械，在其装配过程中，不能单靠自身形状和尺寸的加工准确性来装配出合格的部件，而采用一些特殊的装配工艺准备，在完成飞机产品从零组件到部件的装配过程中，用以控制其形状、几何参数，且具有定位功能[5]。

民用航空装配工装的设计、制造均采用数字量传递，代替了以样板、标工、外形卡板等为代表的传统模拟量传递。因激光跟踪仪集目标点的角度、距离测量和实时跟踪于一身，水平和垂直方向的角度测量与距离测量结合在一起，反射镜心的3D坐标便唯一确定，其坐标可以转换到任意工装或零件的坐标系统中[6]。

激光跟踪仪测量系统在飞机型架装配检测中具有以下优点：无需搭建标尺、转接板等，大大提高工装制造和返修的装配精度和生产效率;大型工装现场装配、测量，无需分解;数字化工艺装备定检，便于数据检索和追溯。

4数字化测量系统在部件装配过程中的应用

4.1某部件总装站位介绍

激光跟踪仪能够对定位机构、目标产品等进行监控，并采集装配对象的必要站姿信息，处理、传递数据信息给中央控制台和控制系统，以帮助自动定位机构的位姿运动。

以某前机身总装站位为例，主要完成机身总装、定位及机身上、下半部对合工作，依据主制造商产品交付规范书的要求采集产品交付数据，通过测量产品的边缘、表面等一组特征点来跟踪产品是否调姿到位。前机身总装定位系统具有柔性工装定位的特点，应用了测量辅助装配技术（MAA），MAA装配实施过程中主要有三大系统：测量系统、具有（x、y、z、l、j、k）的定位系统及运筹和模拟软件系统。其中，激光跟踪仪负责测量环节，主要识别所有参与装配过程的曲面几何量以及识别整个部件的几何量，确定部件的最佳位置;定位系统负责在激光跟踪仪的引导下移动被装配部件，按照需要的姿态以一定的速度移动部件到最终位置;计算机系统则负责运动指导及反馈，将最优的计算结果反馈至定位系统。这三大系统建立在测量辅助装配技术（MAA）的闭环反馈和迭代交互计算上，以最终的装配工艺为目标。在此系统构成中，使用激光跟踪仪通过固定在移动部件上的多个反射靶来监控和指导定位系统的定位。

测量辅助装配技术（MAA）的优势在于：减少工装、减少工装的定期检验、提高检测和装配精度、在模型设计阶段进行数据测量数据整合、工装和机身同时进行数字定义、进行数据仿真辅助测量规划。

4.2部件位姿的调整及跟踪测量

前机身总装上、下半部及客舱地板对接前，采用激光跟踪仪测量系统对部件托架关键点进行测量，并对部件对接面的关键点进行测量;在对接控制系统中根据测量数据构建出对接部件和托架的实际位姿，分析、模拟部件和部件、托架和托架对接的最优路径，设定数控定位器立柱上支撑点的运动参数，控制伺服电机驱动托架和部件在X、Y、Z三个坐标系方向，以及α、β、γ角的移动和调整，实现部件的对接[7]。

因整个大部件对接过程中的定位精度由数字化测量系统、数控定位器的精度保证，也即大部件对接控制系统在部件对接过程中存在对接误差，因此在大部件对接过程中，须借用激光测量系统对部件托架的关键点进行实时测量，以便实现对部件位姿的实时跟踪。具体流程如下：

1）前机身下半部进入总装定位系统，通过产品下部托架与数控定位器立柱关联、支撑;

2）前机身客舱地板网格进入总装定位系统，客舱地板与托架关联，由数控定位器立柱上面4个点支撑;通过激光跟踪仪测量系统对工艺设计时已规划好产品上待测量点（如地板滑轨孔等）进行测量，通过测量软件将测量点实测值与理论值对比，分析偏差值;通过不断拟合、分析，调整数控定位器立柱上面4个支撑点的X、Y、Z三个坐标系方向，以及α、β、γ角的移动，最终将客舱地板网格以最优状态在总装定位系统中定位。

3）以客舱地板的位姿为基准，通过激光跟踪仪测量系统对工艺设计时已规划好下半部产品上待测量点（如蒙皮端面、长桁位置等）进行测量，通过测量软件将测量点实测值与理论值对比，分析偏差值;通过不断拟合、分析，调整数控定位器立柱上下半部托架4个支撑点的X、Y、Z三个坐标系方向，以及α、β、γ角的移动，实现机身下半部位姿调整，并最终将机身下半部位以最优状态在总装定位系统中定位。

4） 前机身上半部与托架关联后，进入总装定位系统，由数控定位器立柱上面4个点支撑;与下半部位姿调整方法一样，最终将机身上半部位以最优状态在总装定位系统中定位。

5） 前机身上、下半部对合后，采用柔性制孔设备进行上下半部对接处制孔。

5 数字化测量系统在舱门装配中的应用

随着激光跟踪仪技术的产生，能够应用于全自动模式，使得测量效率更高，六自由度具备高精度，可应用于任何机器人定位系统，使之从普通的机器人转变为非常精准的计量装置。因此现在普遍将Leica T-MAC固定在机器人上，使之与激光跟踪仪配合，指引机器人工作。

在飞机舱门装配制造过程中，便采用了自动制孔机器人设备，使用激光跟踪仪附加六维姿态测量附件T-MAC引导机器人进行机身打孔。将专门用于测定受测物体姿态的T-MAC固定于机器人的手臂，引导机器人在机身表面钻孔，从而提高钻孔质量、铆接质量和生产效率。

6 结束语

现代飞机制造具有高精度、低成本、柔性化、数字化等显著特征，要求能够在第一时间了解测量结果，以便实时对加工进行调整。在某飞机的制造过程中，广泛使用了数字化测量技术，快速评估且保证了产品质量。同时，深入推进数字化测量技术的应用，有助于提升飞机制造的效率和质量，不仅保证了飞机零件制造、装配的准确度，而且还实现了飞机产品全过程的数字量传递。

参考文献

[1]季青松，牛润军，王梅.面向大飞机总装自动化生产的数字化测量系统应用.航空制造技术.2013（1）。

[2]雷宝，贺韡，王永红.飞机部件外形三维数字摄影测量技术.航空制造技术.2013（7）。

[3]海克斯康.零部件制造计量解决方案.2010。

[4]李栋，李泷杲，李琦，高瑞.基于激光扫描的飞机蒙皮下陷特征点提取.航空制造技术.2018（5）。

[5]靳江艷，黄翔，卢鹄，李泷杲.飞机设计域向工装域映射机理研究.航空学报.2012（12）。

[6]邹方，张书生.飞机总装自动化校准对接系统.航空制造技术.2008（4）。

[7]穆尚琦，付莉.基于某型机大部件数字化对接技术的研究及应用.中国设备工程.2019（1）。