浅谈飞机整机装配质量数字化测量技术

马正 管黎明

西安飞机工业有限责任公司 陕西 西安 710089

引言

大型板壁类组件主要在飞机外形结构中使用，大型飞机蒙皮壁板，具有结构复杂、刚性强度要求高等特点，需要严格控制制造过程的工艺，确保零件的外形尺寸精度，同时满足相关技术标准的要求。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。

1 整机固定式测量站架构

（1）移动式激光扫描仪。移动式激光扫描仪测量原理为激光三角测量法，激光光源作为测量的指示光源，将调制后的网状线激光投射在被测表面上，同时又被CCD相机捕获，通过几何光学计算方法即可求解到被测表面的点云数据。

同时，在移动式激光扫描仪上，按照一定的空间位姿关系，分布了一系列标识点。在测量过程中，当激光扫描仪上的至少3个标识点被两个相机(Ci与Cj表示测量站中可测量到扫描仪标识点的相机)拍摄到时，即可确定激光跟踪仪在全局坐标系下的空间姿态。移动激光扫描仪，使其扫描范围覆盖整个飞机，即可利用相机提供的空间位姿信息，完成测量数据的融合[1]。

（2）基站。基站由一系列分布在整个测量空间内的工业测量相机组成，用于实时定位激光扫描仪的空间姿态。测量相机采用郑州辰维公司研发的MPS/M系列工业摄影测量系统。相机分辨率为6600×4400，最大采样频率达到5Hz，视场角(fieldofview，FOV)达到80°×50°。为能够测量被动标识点，同时减少测量区域内照明等因素的影响，每个相机配备了色温为5500K的闪光灯。

2 测量工具集软件实现

（1）数字化复合测量工具集功能模块划分。根据实际测量功能需求，数字化复合测量工具集划分为4个功能模块:通信接口管理模块主要用于同激光跟踪仪、关节臂测量仪和数据采集软件之间通信;设备参数设置模块用于对仪器测量过程中外界环境参数补偿以及激光跟踪仪与SA软件之间交互，如激光跟踪仪的定点搜索、自动选取、辅助测量等内容;数据处理模块用于测量数据分析，得出最终测量结果;点云数据采集模块主要用于点云采集、采样、去噪以及公共基准点与靶心拟合。

（2）数据处理流程。工具集发出消息，将各公共基准点球心坐标和飞机前缘壁板点云作为整体读入SA软件。利用工具集中的“建立拼接关系”命令将靶心坐标点与激光跟踪仪测得的公共基准点拟合，实现点云拼接操作，得到整张飞机前缘壁板外形点云。导入飞机前缘壁板组件的三维模型，利用工具集中的“最佳拟合转化”命令将定位点处拟合得到的球心点与三维模型中给定的靶心点对齐。此时，壁板件全部点云与三维模型对齐。通过进一步模型比对分析，得出评价结果，最终生成质量检测报告。

（3）实验分析。实验将某型号的飞机水平尾翼前缘壁板件作为测量的目标，实验中关节臂测量仪的扫描范围是2.5m球形空间。因此，需要将壁板划分为三个区域进行测量，从而得到完整的壁板外形点云。采用数字化组合测量方法，根据飞机前缘壁板位置布置测量仪器的位置，以及公共基准点的位置。根据飞机水平尾翼前缘壁板的三维模型特征点，对齐靶心点与参考特征点，通过点云拼接，使得点云与壁板的三维模型对齐，从而分析拟合误差[2]。

3 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。

（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[3]。

4 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。