关于数字化测量技术在飞机装配中的应用探析

李星辰

中航飞机股份有限公司汉中飞机分公司 陕西 汉中 723213

引言

飞机装配质量检测技术，已经由传统的模拟量测量法，转变为数字化组合测量法。其主要是利用激光跟踪仪与关节臂测量仪的优点，对测量对象进行扫描，从而实现数据信息收集以及质量检测评估。随着飞机制造从模拟量传递到数字量传递的转变，以激光跟踪仪、激光雷达、摄影测量和激光扫描为代表的数字化测量手段在飞机制造中扮演着越来越重要的角色。

1 飞机项目设计过程监视与测量方法研究

①首先将飞机项目设计过程识别为需要监视与测量的过程，飞机项目设计过程还包含项目策划、顶层设计、初步设计、详细初步设计、详细设计等子过程。②过程能力预订目标即为设计输出满足设计输入的要求，实现方法合理、经济、良好的继承性及完成规定的活动。③规定飞机项目设计过程监视与测量的人员、部门和职责。可将设计过程的监视与测量活动视为产品生产过程的检验，可分别设置设计人员自检及质量管理人员专检，或单独开展，或结合开展，对于重要的过程特别是关联关系复杂、重要度高的，检验必须通过组织的形式独立开展。④分析影响过程能力的因素，确定监视与测量的项目，确定对设计过程能力造成影响的因素，应该列为监视与测量项目的有：设计策划的完整及可预测性；设计输入的完整性（涉及各子过程）；设计输出与设计输入的符合性（涉及各子过程）；设计评审的充分性（涉及各子过程）；评审问题的落实；设计验证的充分性及验证问题的落实等。⑤确定监视与测量的方法、工具，例如，检查、评审。产品检验要根据产品规范编制检验规程和检验记录单，飞机项目设计过程监视与测量也根据各设计阶段应完成的任务编制相应的监视与测量要求及监视与测量用表。⑥确定监视与测量的频次，就像在产品加工流程中设置了检验工序一样，在飞机项目研制网络图中设置了评审点。

2 多系统协同测量平台框架设计

2.1 基本定义

2.1.1 多系统协同。本文中的“多系统协同”包含系统级协同、数据级协同、现场级协同三层含义。“系统级协同”是为完成某一测量任务采用多系统共同测量获取测量数据，以达到提高测量准确度和测量效率的目的。面向测量系统的“系统级协同”是指多台多种类数字化测量系统（激光跟踪仪、激光雷达、室内GPS、激光扫描仪、摄影测量系统等）共同完成测量任务，获取统一基准下的测量数据。“数据级协同”是为充分利用多系统测量数据，通过数据融合手段合理给出测量结果及其评价。面向测量数据的“数据级融合”是指将测量设备数据、产品模型及参数等数据通过测量方案规划、测量数据分析等手段进行融合，给出数据结果及其评价，达到数据合理有效利用。

2.1.2 测量平台。测量平台将数字化制造积累的大量数据按照三维模型相关定义进行分类管理和分类利用，其具体含义包括：以三维设计模型作为系统协同几何量测量的核心实施依据，完成关键特征参量等测量信息的定义和分析。借助数字化的手段，以三维可视化环境为操作载体，以数据库为信息载体，通过构建一系列标准化的系统模型、数据接口、数据模型和算法、软件模块，可支持多种测量设备及其测量数据模型的导入，对测量方案设计、多种测量系统及数据模型基准统一、测量系统与测量任务耦合、虚拟仿真、测量数据分析及有效利用、测量结果评价、测量文件管理等环节进行组织和融合，将分散的测量系统、校准装置、辅助工艺装备、数据库系统等硬件单元串联起来，形成一个面向任务的综合性几何量测量平台。

2.2 平台框架

用于飞机数字化制造装配的多系统协同几何量测量平台应包含三维模型定义模块、多系统协同测量规划与仿真模块、多系统协同测量控制模块、多系统协同测量数据管理模块、多系统协同测量数据分析模块以及数据库。基于设计的三维定义理论模型，多系统协同测量规划与仿真模块可完成大型部件数字化检测所需的测量方案制定。在此基础上，多系统协同测量控制模块控制激光跟踪仪、激光雷达、激光扫描仪、室内GPS及摄影测量系统与测量辅助设备协同动作，完成大部件柔性协同测量。测量实施过程中数据信息由多系统协同测量数据管理模块和多系统协同测量数据分析模块进行数据融合，并集中在数据库中存储管理。

3 平台各模块的主要功能

3.1 三维模型定义模块

基于CATIA三维环境，将几何关键特征在三维模型中进行可视化表达，并定义和组织其数据结构，以实现三维模型中待测几何特征的快速提取、测量信息标注与显示。该模块主要功能描述如下：①关键几何特征提取功能能够提取设计模型几何信息并定义曲面、平面、边界等基本几何单元，构建基本几何特征提取模板，实现基于模板的关键几何特征快速识别。②特征离散功能依据不同特征几何结构、公差要求的差异，将几何特征结构表征为有限有序的离散点集，为测量站位规划仿真和测量设备现场测量实施提供数据引导。

3.2 规划与仿真模块

利用规划与仿真技术，通过测量站位规划、转站路径规划、可达性测量、包络检查、站位评估等手段，解决实际测量过程中依靠人工经验进行站位定位引起的准确度低、效率低下等问题，从而输出满足测量要求的测量站位，实现数字化的部件测量方案构建[1]。该模块主要功能描述如下：①测量站位规划功能以特征数量与分布、设备参数为输入，结合聚类算法，完成初始站位的有效划分。②测量仿真功能能够显示对各个测量区域下的初始测量站位进行蒙特卡洛仿真。通过可达性检查、包络检查等，仿真并确保单签站位下所有检测对象可测；对关键特征几何量测量准确度和协同测量现场构建准确度进行仿真，评估是否满足协同测量要求。③测量站位优化调整功能结合基于仿真的优化方法，能够对不满足测量要求的站位给出调整数据集，实现站位最优调整。

3.3 控制模块

结合测量设备控制协议的标准化方法，将测量控制指令转换为测量设备可理解的运行指令，合理规划测量设备的接口，将测量执行指令发送至对应测量终端自动执行，以保证对系统测量数据的快速准确传输，提供满足测量任务要求的数据。该模块主要功能描述如下[2]：①数据统一功能通过多系统协同控制接口，将测量设备驱动接口，如SA/非SA/辅助设施（AGV等）进行统一，利用数据格式标准化协议，将测量终端获取的点位/点云/图像/其他数据进行数据格式统一，全面获取测量数据，提高数据利用价值。②测量系统管理功能能够实现多测量系统组网测量，进行激光跟踪仪、激光雷达、室内GPS、照相测量等多系统的添加、删除、接口分配、任务分配、数据交换以及协同控制，并实现各测量设备的连接、断开、参数设置、手动测量、自动测量等功能。

3.4 数据管理模块

①数据采集与处理实时收集测量过程中产生的业务指令、实测数据、状态信息，通过在线处理技术进行计算处理，以可视化信息反馈到服务终端形成闭环数据链。②数据维护与更新具有用户权限设置、数据索引添加、数据结构更新等功能，从而保证数据信息实时性，提高数据利用率。

3.5 数据分析模块[3]

①坐标系拟合功能多系统组网测量时，支持以不同方式、不同特征引导的坐标转换方法，如点到点、点到平面、直线到直线等，并能直接输出拟合残差。②多系统协同测量数据融合功能可将对激光跟踪仪、激光雷达、室内GPS、照相测量等各自的测量数据统一到全局坐标系，实现多系统测量数据的统一、协同测量配置分析与优化。③基准检测与维护功能针对装配测量基准的偏移问题，运用基准点粗差检测方法，实现测量场景的最优构建与检查。④特征间几何运算功能能够查询特征间相对位置关系，如点间距、点到直线的距离、直线夹角、平面夹角等。

4 系统工作流程

基于整机测量站为飞机整机装配质量测量与评价提供了一站式的解决方案，主要包括准备阶段、数据获取阶段和数据处理阶段三个阶段[4]。①准备阶段。这个阶段主要包括整机测量前期的准备工作。在测量之前，首先要进行系统的标定，确定基站内所有相机的外部参数，系统标定时需对标定结果进行评价，使其满足整机测量的精度要求。然后将飞机移动至测量位置并按三点支撑或托架支撑的方式进行定位支撑。同时，根据飞机数模进行测量规划，分配每个扫描仪的测量区域并生成对应的测量路径控制指令。上述工作就绪之后，系统进行初始化，进行通信接口的自检，并将自动化测量设备移动至初始位置。②数据获取阶段。准备工作就绪后，按照规划的测量路径，将各自动化设备运动至其设定的站位点，然后对该站位点覆盖的区域进行扫描测量。同时，系统软件同步发送相机触发指令，基站对扫描仪的姿态进行实时测量和跟踪。当所有区域完成数据扫描之后，自动化设备恢复至初始位姿，数据采集完毕。③数据处理阶段。基站采集的参考点图像和扫描仪采集的机表点云图像，首先经过三维重建，分别生成参考点和机表点的三维坐标，然后利用基于随机抽样一致性和奇异值分解的坐标系配准方法，将不同测量站位下的点云数据统一至全局坐标系下，并进行整机装配质量的评价[5]。

5 结束语

飞机几何外形即整机装配质量，直接影响整体装备的气动性能、隐身性能以及结构性能，为了更准确、高效、全面地评价飞机整机装配质量，本文对基于整机测量站的飞机整机装配质量评价方法进行了研究。对飞机项目设计过程中各个子过程应开展的工作进行认真梳理，识别过程的关键和重要点，正确、合理地设置既满足质量监视和测量的要求，又使设计过程活动连续有效的控制点（监视与测量项目）及控制要求（监视与测量判定准则），是开展设计过程监视与测量的关键。通过对设计过程的子过程进行监视与测量，确保每个设计子过程都能够按照规定的程序和要求开展活动，及时发现设计过程中存在的问题，特别是关联性问题，使质量问题的发现、解决措施制定、解决过程、结果验证，能够制度化、规范化、透明化，使其可控、可追溯。将产品质量隐患消灭在设计源头，以达到飞机项目设计过程能力不断提升、项目研制质量不断提高的目的。