飛機(jī)部件外形數(shù)字化測量技術(shù)研究

牛潤軍

(中航飛機(jī)股份有限公司 漢中飛機(jī)分公司，陜西 漢中 723213)

飛機(jī)部件外形數(shù)字化測量技術(shù)研究

牛潤軍

(中航飛機(jī)股份有限公司 漢中飛機(jī)分公司，陜西 漢中 723213)

摘要：針對傳統(tǒng)飛機(jī)部件外形測量存在的問題，在分析當(dāng)前數(shù)字化測量設(shè)備特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，以數(shù)字?jǐn)z影測量設(shè)備為主、以激光跟蹤儀為輔，提出了一種基于空間定位的飛機(jī)部件外形測量的新方法，研究了其詳細(xì)技術(shù)方案和測量流程，建立了測量坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換模型。通過分析誤差產(chǎn)生的原因，找到了飛機(jī)制造過程中待改進(jìn)的環(huán)節(jié)。

關(guān)鍵詞：飛機(jī)；部件外形；數(shù)字化測量

傳統(tǒng)飛機(jī)部件外形測量主要采用裝配檢驗(yàn)夾具或檢驗(yàn)樣板[1]，檢查其型面吻合性，即部件外形上某點(diǎn)實(shí)際相對理論的間隙值。該方法存在如下幾方面問題：1)檢測結(jié)果為間接值，不能直接反映型面偏差狀態(tài)；2)檢測結(jié)果受檢測裝備和人為因素影響大，檢測準(zhǔn)確度不高；3)檢測手段專用單一，無法滿足不同飛機(jī)不同部件檢測需要；4)檢測方法復(fù)雜，尤其是大中型飛機(jī)需多人配合才能滿足，檢測效率低下。采用數(shù)字化測量技術(shù)，能夠快速而準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)飛機(jī)部件外形評價(jià)，對有效提升機(jī)身飛機(jī)制造質(zhì)量具有重要意義。

1測量設(shè)備選擇

目前，大尺寸空間數(shù)字化測量設(shè)備主要包括激光跟蹤儀、iGPS測量系統(tǒng)、激光雷達(dá)和數(shù)字?jǐn)z影測量設(shè)備[2]。

激光跟蹤儀是一臺(tái)以激光為測距手段并配以反射標(biāo)靶的儀器，它同時(shí)配有繞2個(gè)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的測角機(jī)構(gòu)，形成一個(gè)完整球坐標(biāo)測量系統(tǒng)。其可以用來測量靜止目標(biāo)，跟蹤和測量移動(dòng)目標(biāo)或它們的組合。其原理是利用激光來跟蹤目標(biāo)反射器，通過自身的測角系統(tǒng)和激光絕對測距系統(tǒng)來確定空間點(diǎn)的坐標(biāo)。

根據(jù)GPS的測量原理，人們提出了基于區(qū)域GPS技術(shù)的三維測量理念，進(jìn)而開發(fā)出了一種具有高精度、高可靠性和高效率的iGPS系統(tǒng)。其原理是通過激光發(fā)射器發(fā)射激光產(chǎn)生2個(gè)激光平面，在工作區(qū)域旋轉(zhuǎn)，對水平角及垂直角進(jìn)行測量。通過幾個(gè)不同發(fā)射器的組合，可以計(jì)算測量點(diǎn)的三維坐標(biāo)[3]。

激光雷達(dá)是一種球坐標(biāo)系的光學(xué)測量設(shè)備，可以進(jìn)行全自動(dòng)化的高精度、非接觸式測量。其測量原理是使雷達(dá)的工作波段擴(kuò)展到光波波段，以激光束代替微波，投向被測目標(biāo)，依據(jù)目標(biāo)上大量的反射光線獲得被測目標(biāo)的空間坐標(biāo)及位置。

數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)是建立在攝影測量數(shù)字成像圖像處理和精密測量原理基礎(chǔ)上的新型精密測量技術(shù)，其采用類似于經(jīng)緯儀系統(tǒng)的空間交匯三角測量模型，基于高性能數(shù)字成像器件作為傳感元件，在不同空間位置對被測物體拍攝2張以上的照片，結(jié)合圖像處理及模式識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)物體被測點(diǎn)的自動(dòng)識(shí)別瞄準(zhǔn)和角度測量，計(jì)算出被測物體測量點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)，獲得被測物的曲面結(jié)構(gòu)、外形尺寸和相對位置等信息。

為全面評價(jià)常用數(shù)字化測量設(shè)備的特點(diǎn)，本文從測量精度、測量范圍、應(yīng)用范圍、操作性、設(shè)備成熟度、價(jià)格和行業(yè)普及度等7個(gè)方面進(jìn)行分析，其結(jié)果見表1。

表1　常用數(shù)字化設(shè)備對比分析表

根據(jù)表1可知，激光跟蹤儀、激光雷達(dá)和數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)均能滿足機(jī)身部件對接面外形測量要求，但綜合考慮設(shè)備操作性、價(jià)格及行業(yè)普及度，本文選定數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)作為研究的主要設(shè)備。

2測量方案設(shè)計(jì)

本文選定的飛機(jī)部件外形測量工序?yàn)轱w機(jī)部件總裝工序完成后，但在下架前，其方案可以定義為基于空間定位的飛機(jī)部件外形數(shù)字化測量方法(見圖1)，具體包含如下5個(gè)方面。

1)在被測飛機(jī)部件裝配夾具上設(shè)置坐標(biāo)系基準(zhǔn)點(diǎn)，包括TB點(diǎn)(工裝地標(biāo)點(diǎn))和ERS點(diǎn)(增強(qiáng)坐標(biāo)系統(tǒng)點(diǎn))，坐標(biāo)系基準(zhǔn)點(diǎn)能夠包容被測飛機(jī)部件最大外形。

2)在被測飛機(jī)部件對接面外形上，使用數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)反光標(biāo)記點(diǎn)，設(shè)置數(shù)據(jù)采集點(diǎn)。

3)選取其中4個(gè)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)作為公共測量點(diǎn)，要求4個(gè)公共測量點(diǎn)形成2條基準(zhǔn)測量尺，基準(zhǔn)測量尺長度應(yīng)盡量接近被測飛機(jī)機(jī)身的最大直徑。

4)通過激光跟蹤儀采集坐標(biāo)系基準(zhǔn)點(diǎn)數(shù)據(jù)，建立與飛機(jī)設(shè)計(jì)坐標(biāo)系統(tǒng)的工作坐標(biāo)系。在工作坐標(biāo)系下，通過激光跟蹤儀采集已選定的公共測量點(diǎn)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。

5)采用三維數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)對被測飛機(jī)外形上的數(shù)據(jù)采集點(diǎn)進(jìn)行環(huán)繞拍攝。通過虛擬基準(zhǔn)測量尺，還原并定位由三維數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)采集的被測飛機(jī)部件對接面外形測量點(diǎn)數(shù)據(jù)。在專業(yè)圖像處理軟件中與飛機(jī)設(shè)計(jì)三維模型進(jìn)行比較，形成飛機(jī)部件對接面外形測量結(jié)果。

圖1　測量方案示意圖

3測量流程設(shè)計(jì)

采用基于空間定位的飛機(jī)部件外形數(shù)字化測量方法，可以方便地獲取飛機(jī)表面三維數(shù)據(jù)，其基本測量流程如圖2所示。

圖2　測量流程圖

其關(guān)鍵是根據(jù)所需測量的部件特點(diǎn)，預(yù)先制定出測量計(jì)劃，測量計(jì)劃中一般包括如下內(nèi)容。

1)可測性分析。應(yīng)盡量選取可表征機(jī)體特征，又目視可測的特征點(diǎn)作為測量點(diǎn)，如特征點(diǎn)非常重要，而又不能目視可測，則需要根據(jù)特征點(diǎn)的位置特征將其設(shè)計(jì)為轉(zhuǎn)站可測點(diǎn)或關(guān)節(jié)臂配合可測點(diǎn)。

2)測量設(shè)備的放置方式和高度。應(yīng)使所確定的被測特征點(diǎn)盡可能都成為單一位置目視可測點(diǎn)和轉(zhuǎn)站可測點(diǎn)，以盡量減少測量過程中的設(shè)備移動(dòng)；另外，還應(yīng)考慮測量設(shè)備與被測物的距離，盡量減小測量誤差。

4測量坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換模型建立

基于空間定位的飛機(jī)部件外形數(shù)字化測量方法，關(guān)鍵點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)測量坐標(biāo)系(數(shù)字化攝像系統(tǒng)建立的1#坐標(biāo)系)轉(zhuǎn)換至飛機(jī)坐標(biāo)系(激光跟蹤儀建立的0#坐標(biāo)系)；因此，首先應(yīng)解決的是求出2個(gè)坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，即應(yīng)求出Δx0、Δy0、Δz0和A。解決這個(gè)問題的辦法就是借助公共測量點(diǎn)。下述分析借助3個(gè)公共測量點(diǎn)在n個(gè)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值進(jìn)行轉(zhuǎn)站測量的方法。

圖3　公共測量點(diǎn)坐標(biāo)變換示意圖

公共測量點(diǎn)的坐標(biāo)變換原理如圖3所示，在圖3中，0#原坐標(biāo)系為飛機(jī)坐標(biāo)系，1#新坐標(biāo)系為測量坐標(biāo)系，B、C、D為3個(gè)公共測量點(diǎn)，在2個(gè)坐標(biāo)系下分別測量其空間三維坐標(biāo)。

(1)

轉(zhuǎn)換矩陣A中的元素aij是2個(gè)坐標(biāo)系中坐標(biāo)軸單位矢量之間的關(guān)系的待定參量，A為：

(2)

設(shè)公共測量點(diǎn)B在0#坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為B0(xb0，yb0，zb0)，在1#坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為B1(xb1，yb1，zb1)，坐標(biāo)變換公式為：

(3)

將式1代入式3，整理得：

(4)

即：

(5)

設(shè)其他2個(gè)公共測量點(diǎn)C和D在0#坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為C0(xc0，yc0，zc0)和D0(xd0，yd0，zd0)，在1#坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為C1(xc1，yc1，zc1)和D1(xd1，yd1，zd1)，將它們帶入式5中可得：

(6)

將式5和式6聯(lián)立，可求得A矩陣中的9個(gè)參數(shù)。由此可知，空間中任意一點(diǎn)從0#坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到1#坐標(biāo)系下的公式為：

(7)

5工程驗(yàn)證

針對某型機(jī)機(jī)身外形測量，采用基于空間的定位的飛機(jī)部件外形測量方法，共采集了外形測量點(diǎn)3 370個(gè)，其檢測結(jié)果通過專業(yè)軟件處理，并對比技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，得到了誤差分析圖(見圖4)。通過分析誤差產(chǎn)生的原因，工程技術(shù)人員找到了飛機(jī)制造過程中待改進(jìn)的環(huán)節(jié)，從而在后續(xù)提升了飛機(jī)的制造質(zhì)量。

圖4　誤差分析圖

6結(jié)語

近年來，國內(nèi)在飛機(jī)數(shù)字化測量技術(shù)上的研究處于快速發(fā)展階段，并形成了一些典型應(yīng)用案例。在此基礎(chǔ)上，建議國內(nèi)各航空制造企業(yè)借力當(dāng)前各型飛機(jī)快速研制，通過與國內(nèi)大學(xué)院校和科研院所合作，突破關(guān)鍵核心技術(shù)，以縮小與國際先進(jìn)水平的差距，從而推動(dòng)我國航空制造業(yè)技術(shù)水平的不斷發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1] 胡愈剛，孫安全，王曉平，等.飛機(jī)蒙皮數(shù)字化制造技術(shù)應(yīng)用研究[J].新技術(shù)新工藝，2014(10):19-22.

[2] 黃桂平,欽桂勤.大尺寸三坐標(biāo)測量方法與系統(tǒng)[J]. 宇航計(jì)測技術(shù)，2007(4):15-19.

[3] 吳曉峰,張國雄.室內(nèi)GPS測量系統(tǒng)及其在飛機(jī)裝配中的應(yīng)用[J].航空精密制造技術(shù)，2006(5):33-36.

責(zé)任編輯鄭練

The Research on Digital Measuring of Aircraft Components Shape

NIU Runjun

(AVIC Aircraft Co., Ltd., Hanzhong 723213, China)

Abstract：Aiming at the problems of traditional aircraft components shape measurement, analyze the characteristics of the current digital measuring equipment, and choice the measurement equipment to digital photogrammetry equipment while supplemented by laser tracker. Then propose a new method for measuring of aircraft components shape, and introduce the detailed technical scheme and measurement process. Engineering technicians have improved the level of the link of aircraft manufacturing.

Key words:aircraft, components shape, digital measuring

收稿日期：2015-05-18

作者簡介：牛潤軍(1980-)，男，高級工程師，主要從事飛機(jī)裝配技術(shù)、制造過程信息化管理等方面的研究。

中圖分類號：V 262.4+4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A