照相測(cè)量技術(shù)在飛機(jī)大部件檢測(cè)中的研究與應(yīng)用

陳 彥，李曉寧，王 聲，肖望東，張大鈞

(中航飛機(jī)股份有限公司漢中飛機(jī)分公司 工程技術(shù)部，陜西 漢中 723213)

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照相測(cè)量技術(shù)在飛機(jī)大部件檢測(cè)中的研究與應(yīng)用

陳 彥，李曉寧，王 聲，肖望東，張大鈞

(中航飛機(jī)股份有限公司漢中飛機(jī)分公司 工程技術(shù)部，陜西 漢中 723213)

數(shù)字化測(cè)量技術(shù)是自動(dòng)化、智能化裝配裝備發(fā)展的技術(shù)基礎(chǔ)和關(guān)鍵，測(cè)量系統(tǒng)直接為設(shè)備提供位置信息，可有效避免設(shè)備定位誤差對(duì)系統(tǒng)定位精度的影響。現(xiàn)代飛機(jī)制造領(lǐng)域常見(jiàn)的數(shù)字化測(cè)量技術(shù)與系統(tǒng)主要包括激光跟蹤儀、電子經(jīng)緯儀、電子全站儀、室內(nèi)GPS(iGPS)、自動(dòng)制孔系統(tǒng)中的孔位找正與法向找正、工業(yè)近景攝影測(cè)量和激光雷達(dá)等。以中航工業(yè)陜飛在某型機(jī)首次采取的工業(yè)近景攝影測(cè)量技術(shù)(照相測(cè)量技術(shù))為例，對(duì)照相測(cè)量技術(shù)開(kāi)展的研究與應(yīng)用工作進(jìn)行了系統(tǒng)的介紹。

數(shù)字化測(cè)量；攝影測(cè)量；V-Stars測(cè)量系統(tǒng)；PolyWorks軟件；激光跟蹤儀

現(xiàn)代飛機(jī)對(duì)輕質(zhì)、經(jīng)濟(jì)、安全和長(zhǎng)壽命的追求，對(duì)飛機(jī)制造、安裝精度提出了更高的要求，其中飛機(jī)部件裝配精度在很大程度上決定了飛機(jī)的最終質(zhì)量。傳統(tǒng)的飛機(jī)部件裝配主要依靠工裝和工藝補(bǔ)償來(lái)保證零部件之間的協(xié)調(diào)，依靠模線(xiàn)樣板、光學(xué)儀器等裝備檢測(cè)裝配質(zhì)量。上述方法精度差、效率低，已不能適應(yīng)現(xiàn)代飛機(jī)發(fā)展的需求。國(guó)外飛機(jī)制造公司已經(jīng)開(kāi)始大規(guī)模將數(shù)字化測(cè)量系統(tǒng)引入飛機(jī)裝配中，利用數(shù)字化測(cè)量系統(tǒng)高精度的測(cè)量、控制和分析系統(tǒng)，提升飛機(jī)裝配精度。數(shù)字化測(cè)量系統(tǒng)是以測(cè)量檢測(cè)軟件為核心，以數(shù)字化測(cè)量設(shè)備為實(shí)施工具，能夠?qū)Υ郎y(cè)對(duì)象實(shí)施快速、精確、自動(dòng)化的測(cè)量，獲取其準(zhǔn)確的三維形狀或位姿信息，并能夠?qū)y(cè)量結(jié)果進(jìn)行分析評(píng)估的一整套測(cè)量系統(tǒng)。

由于飛機(jī)大部件具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、外形尺寸大的特點(diǎn)，按傳統(tǒng)工藝方法，對(duì)飛機(jī)氣動(dòng)外形的檢測(cè)往往依賴(lài)于工裝卡板、模線(xiàn)樣板等，無(wú)法對(duì)飛機(jī)外形進(jìn)行準(zhǔn)確檢測(cè)，而與其他國(guó)內(nèi)的數(shù)字化測(cè)量技術(shù)手段(如：激光跟蹤儀、電子經(jīng)緯儀、電子全站儀、室內(nèi)GPS(iGPS)和激光雷達(dá))相比，照相測(cè)量技術(shù)具有測(cè)量精度高、測(cè)量速度快、測(cè)量范圍尺寸大、操作靈活、便攜性強(qiáng)、環(huán)境適應(yīng)性高(不易受溫度變化、振動(dòng)等外界因素的干擾)、無(wú)需開(kāi)機(jī)預(yù)熱和價(jià)格相對(duì)便宜等諸多卓越優(yōu)勢(shì)。結(jié)合飛機(jī)的外形與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，經(jīng)過(guò)權(quán)衡利弊后，決定采用照相測(cè)量技術(shù)對(duì)中航飛機(jī)股份有限公司漢中飛機(jī)分公司某型機(jī)機(jī)身后段的對(duì)接區(qū)域外形輪廓進(jìn)行檢測(cè)。

通過(guò)對(duì)某型機(jī)后機(jī)身對(duì)接區(qū)域的外形輪廓進(jìn)行測(cè)量，并以三維理論數(shù)模為基準(zhǔn)比對(duì)分析后機(jī)身產(chǎn)品的輪廓準(zhǔn)確度及偏差分布，打通從飛機(jī)設(shè)計(jì)、零件制造到部件裝配的數(shù)字化、一體化流程，形成設(shè)計(jì)—制造—檢測(cè)數(shù)字量傳遞的閉環(huán)控制。

1 照相測(cè)量技術(shù)及原理

三維數(shù)字照相測(cè)量技術(shù)是建立在數(shù)字成像圖像處理和精密測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)上的一種新型精密測(cè)量技術(shù)，數(shù)字化照相測(cè)量系統(tǒng)利用結(jié)構(gòu)感光技術(shù)、測(cè)量技術(shù)和計(jì)算機(jī)視覺(jué)分析技術(shù)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行多次多角度照相，以獲得數(shù)字圖像信息，從而依據(jù)三角測(cè)量原理，解算出點(diǎn)云空間坐標(biāo)。雖然關(guān)于攝影測(cè)量技術(shù)的研究幾乎是自照相機(jī)發(fā)明以來(lái)就開(kāi)始了，數(shù)字近景測(cè)量技術(shù)仍然是一門(mén)“年輕”的技術(shù)，它繼承了“攝影測(cè)量與遙感”領(lǐng)域的許多知識(shí)和技術(shù)，同時(shí)又發(fā)展出許多自身特有的技術(shù)和方法，比如設(shè)置人工標(biāo)志點(diǎn)等。

它的基本原理(見(jiàn)圖1)是通過(guò)1臺(tái)(或者多臺(tái))高分辨率的數(shù)字相機(jī)對(duì)被測(cè)物攝影，采用回光反射標(biāo)志得到物體的數(shù)字影像，經(jīng)計(jì)算機(jī)圖像處理后可以得到反射標(biāo)志點(diǎn)精確的X、Y、Z坐標(biāo)。它是通過(guò)不同位置的相機(jī)對(duì)多個(gè)目標(biāo)同時(shí)測(cè)量，從而可以解算出相機(jī)間的位置和姿態(tài)關(guān)系，以及目標(biāo)點(diǎn)的三維坐標(biāo)。設(shè)測(cè)量點(diǎn)Pi處有j個(gè)攝站(j條光線(xiàn))相交，則共有j個(gè)共線(xiàn)方程[1]。根據(jù)最小二乘原理，將多條光線(xiàn)(束)的共線(xiàn)方程聯(lián)立求解(光線(xiàn)束法平差)可以求得目標(biāo)點(diǎn)的空間坐標(biāo)(X，Y，Z)，以獲得被測(cè)物體曲面結(jié)構(gòu)、外形尺寸和相對(duì)位置等信息。

圖1 照相測(cè)量技術(shù)原理圖

2 照相測(cè)量技術(shù)在中航工業(yè)陜飛的應(yīng)用

2.1 實(shí)施照相測(cè)量技術(shù)的總體策劃

選擇合適的機(jī)型，確定關(guān)鍵測(cè)量部位，依據(jù)照相測(cè)量技術(shù)的測(cè)量操作流程，對(duì)選定的關(guān)鍵部位實(shí)施測(cè)量，并以理論三維數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，通過(guò)專(zhuān)業(yè)的計(jì)算機(jī)軟件對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比對(duì)分析，從而確定出測(cè)量部位實(shí)物的外形準(zhǔn)確度，最終形成該實(shí)物的外形誤差分析報(bào)告。整個(gè)測(cè)量的總體策劃示意圖如圖2所示。

圖2 照相測(cè)量總體策劃示意圖

2.2 照相測(cè)量的實(shí)施過(guò)程

2.2.1 測(cè)量準(zhǔn)備

按照技術(shù)交付規(guī)范及相關(guān)設(shè)計(jì)技術(shù)要求，選取了某型機(jī)對(duì)接框(48框)前蒙皮環(huán)向端面至48框處機(jī)身外形開(kāi)展測(cè)量工作。照相測(cè)量的設(shè)備選取美國(guó)GSI公司V-Stars數(shù)字?jǐn)z影單相測(cè)量系統(tǒng)，該套系統(tǒng)利用高精度的INCA3相機(jī)，在不同的位置和方向，對(duì)同一物體進(jìn)行拍攝獲取圖像，軟件自動(dòng)處理圖像，通過(guò)圖像匹配等處理及相關(guān)數(shù)學(xué)計(jì)算后得到點(diǎn)的三維坐標(biāo)。該系統(tǒng)的測(cè)量原理圖及測(cè)量設(shè)備如圖3和圖4所示。

圖3 V-Stars數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)照相測(cè)量示意圖

圖4 V-Stars數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)設(shè)備圖

2.2.2 布設(shè)標(biāo)記

2.2.2.1 粘貼反光標(biāo)志

在拍攝照片前，需要通過(guò)反光標(biāo)志、概略自動(dòng)定向棒和基準(zhǔn)尺等人工標(biāo)志將被測(cè)部件目標(biāo)化。V-Stars系統(tǒng)只能識(shí)別布設(shè)的反光標(biāo)志，無(wú)法直接對(duì)被測(cè)物進(jìn)行測(cè)量，只有通過(guò)直接或間接地布設(shè)人工標(biāo)志，將被測(cè)物目標(biāo)化，方可進(jìn)行測(cè)量。

反光標(biāo)志的種類(lèi)很多(見(jiàn)圖5)，它的質(zhì)地、形狀和大小與測(cè)量方法、測(cè)量對(duì)象的要求和環(huán)境有關(guān)。它在照相測(cè)量中的作用是作為控制點(diǎn)(已知點(diǎn))或者是待測(cè)未知點(diǎn)。

圖5 反光標(biāo)志種類(lèi)示意圖

結(jié)合本次的測(cè)量對(duì)象，選擇直徑為3 mm的人工反光標(biāo)志及編碼點(diǎn)，根據(jù)布設(shè)規(guī)劃，從某型機(jī)機(jī)身對(duì)接區(qū)域蒙皮表面48框鉚釘處至蒙皮環(huán)向端面約275 mm寬的范圍內(nèi)，粘貼3～4圈反光標(biāo)志，以及一定數(shù)量的編碼點(diǎn)。被測(cè)量的部位及反光標(biāo)志粘貼的位置如圖6所示。

圖6 被測(cè)量對(duì)接區(qū)域的反光標(biāo)志粘貼及建立基準(zhǔn)尺的示意圖

2.2.2.2 基準(zhǔn)尺的選擇與建立

在沒(méi)有給定基準(zhǔn)尺的情況下，照相測(cè)量獲得點(diǎn)云模型是無(wú)尺寸信息的，只是一個(gè)等比縮放體，因此需要加入一個(gè)尺度去還原物體的真實(shí)尺寸。如果能確定點(diǎn)云中某兩點(diǎn)間的真實(shí)距離，那么就可以計(jì)算完整點(diǎn)云模型的尺寸信息，因此應(yīng)先開(kāi)展基準(zhǔn)尺的選擇與確立工作。

由于本次部件測(cè)量區(qū)域的最大尺寸遠(yuǎn)大于攝影測(cè)量系統(tǒng)自帶的銦鋼基準(zhǔn)尺，另外，激光跟蹤儀測(cè)量長(zhǎng)距離的精度遠(yuǎn)高于銦鋼尺；因此，選擇激光跟蹤儀來(lái)獲得基準(zhǔn)長(zhǎng)度。在測(cè)量部件上部保型框表面和下部支承工裝型架上，共固定4個(gè)激光跟蹤儀靶座(見(jiàn)圖6中三角)，形成2條基準(zhǔn)長(zhǎng)度(見(jiàn)圖6中虛線(xiàn))以保證測(cè)量精度，且2條基準(zhǔn)長(zhǎng)度應(yīng)盡量接近后機(jī)身框體的最大直徑。

2.2.3 拍攝影像

考慮相機(jī)鏡頭視場(chǎng)角、攝影距離、測(cè)量精度、測(cè)量場(chǎng)地和后機(jī)身尺寸等問(wèn)題，采用局部攝影、整體解算的方法，整體解算以編碼標(biāo)志作為圖像之間的公共連接點(diǎn)。測(cè)量部件對(duì)接區(qū)域整體外形規(guī)則，無(wú)明顯攝影死角或難測(cè)量區(qū)域，因此測(cè)量方案是環(huán)向圍繞飛機(jī)測(cè)量部件對(duì)接區(qū)域進(jìn)行均勻拍攝測(cè)量，然后針對(duì)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換公共點(diǎn)的區(qū)域，配合攝影測(cè)量專(zhuān)用工裝，進(jìn)行重復(fù)拍攝，實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量部件對(duì)接區(qū)域的全面攝影。

2.2.4 數(shù)據(jù)處理

2.2.4.1 測(cè)量坐標(biāo)系與飛機(jī)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換

攝影測(cè)量過(guò)程中建立的工作坐標(biāo)系與飛機(jī)設(shè)計(jì)坐標(biāo)系并不重合，因此，需要通過(guò)公共點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換。借助激光跟蹤儀和工裝ERS系統(tǒng)，通過(guò)測(cè)量工裝ERS點(diǎn)，完成激光跟蹤儀在飛機(jī)設(shè)計(jì)坐標(biāo)系下的建站，隨后通過(guò)激光跟蹤儀測(cè)量之前布設(shè)的4個(gè)靶座所對(duì)應(yīng)靶標(biāo)點(diǎn)的空間坐標(biāo)，該坐標(biāo)即為飛機(jī)設(shè)計(jì)坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)。轉(zhuǎn)換過(guò)程的原理圖如圖7所示。通過(guò)完成測(cè)量坐標(biāo)系與飛機(jī)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換工作，為測(cè)量數(shù)據(jù)與基于飛機(jī)坐標(biāo)系下的理論數(shù)據(jù)的比對(duì)工作奠定基礎(chǔ)[2-3]。

圖7 測(cè)量坐標(biāo)系與飛機(jī)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換原理示意圖

2.2.4.2 生成點(diǎn)云數(shù)據(jù)

將攝影的照片數(shù)據(jù)導(dǎo)入V-Stars軟件中，完成后測(cè)量部件對(duì)接區(qū)域外形點(diǎn)云數(shù)據(jù)的解算、基準(zhǔn)尺的賦予和工作坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換等工作，輸出對(duì)接部位外形輪廓的IGS格式點(diǎn)云數(shù)據(jù)。應(yīng)用V-Stars軟件將拍攝數(shù)據(jù)生成點(diǎn)云數(shù)據(jù)的過(guò)程如圖8所示。

圖8 應(yīng)用V-Stars軟件將拍攝數(shù)據(jù)生成點(diǎn)云數(shù)據(jù)的過(guò)程示意圖

2.2.4.3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的后處理

V-Stars軟件解算獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)既包含了飛機(jī)部件的真實(shí)外形、尺寸等信息，又包含了測(cè)量過(guò)程中被測(cè)部件表面不規(guī)則反光點(diǎn)、形體階差和空間噪點(diǎn)等冗余點(diǎn)，需要在點(diǎn)云結(jié)算平差工作完成后，刪除冗余點(diǎn)云，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理與優(yōu)化。最終用于后機(jī)身外形準(zhǔn)確度比對(duì)的照相測(cè)量實(shí)測(cè)外形點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖9所示，圖9中游離于密集點(diǎn)云外的6個(gè)孤立點(diǎn)為通過(guò)照相測(cè)量工裝靶球采集的坐標(biāo)轉(zhuǎn)化公共點(diǎn)，其中1#與4#、3#與6#這2組公共點(diǎn)間的直線(xiàn)距離被選定為照相測(cè)量點(diǎn)云數(shù)據(jù)的基準(zhǔn)尺。

圖9 經(jīng)過(guò)點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理、優(yōu)化后最終生成點(diǎn)云數(shù)據(jù)的示意圖

2.2.5 比對(duì)檢測(cè)

2.2.5.1 數(shù)據(jù)導(dǎo)入比對(duì)工作

本次用于比對(duì)的三維理論數(shù)據(jù)模型與實(shí)物測(cè)量點(diǎn)云數(shù)據(jù)主要在PolyWorks軟件中的IMInspect Probing模塊下進(jìn)行，將處理后的部件測(cè)量區(qū)域外形點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入PolyWorks/IMInspect Probing軟件模塊中，同時(shí)導(dǎo)入部件測(cè)量區(qū)域外形數(shù)模作為參考(見(jiàn)圖10)，比對(duì)實(shí)測(cè)外形數(shù)據(jù)與理論數(shù)模的偏差，獲得部件測(cè)量關(guān)鍵區(qū)域外形偏差分布圖，以及測(cè)量點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)信息，分析總結(jié)得到對(duì)接區(qū)域外形準(zhǔn)確度，并根據(jù)交付需求輸出測(cè)量分析報(bào)告。

圖10 將三維數(shù)模導(dǎo)入PolyWorks軟件界面比對(duì)檢測(cè)的示意圖

2.2.5.2 數(shù)據(jù)分析報(bào)告

針對(duì)部件測(cè)量區(qū)域(48框前蒙皮環(huán)向端面至48框)外形準(zhǔn)確度測(cè)量問(wèn)題，通過(guò)V-Stars單相機(jī)測(cè)量系統(tǒng)及萊卡激光跟蹤儀測(cè)量系統(tǒng)，采集部件對(duì)接區(qū)域外形測(cè)量點(diǎn)，共1 836個(gè)。參考交付要求，設(shè)定-2.00～2.00區(qū)間為低標(biāo)公差，-3.00～3.00為公差范圍。經(jīng)軟件計(jì)算統(tǒng)計(jì)，低標(biāo)公差外點(diǎn)數(shù)為388個(gè)，占全部點(diǎn)數(shù)的21.133%，公差外點(diǎn)數(shù)為196個(gè)，占全部點(diǎn)數(shù)的10.675%。

部件測(cè)量區(qū)域外形誤差分布色差圖如圖11所示，其中正向最大誤差數(shù)值為+6.475，負(fù)向最大誤差為-2.776。由誤差數(shù)值按比例放大后可以看出，因?yàn)槊善ご罱咏Y(jié)構(gòu)的存在，使正向誤差呈現(xiàn)明顯的波浪型分布狀態(tài)。在蒙皮搭接處，因?yàn)樵O(shè)計(jì)數(shù)模并沒(méi)有體現(xiàn)出相應(yīng)結(jié)構(gòu)，點(diǎn)云在此處會(huì)出現(xiàn)明顯的突增，整個(gè)測(cè)量范圍內(nèi)的最大正向誤差也出現(xiàn)在該部件右下部蒙皮搭接處。

圖11 部件測(cè)量區(qū)域外形誤差分布色差圖

按照理論數(shù)據(jù)要求，去除搭接處蒙皮的厚度，重新設(shè)定誤差色標(biāo)后，得到誤差分布圖(見(jiàn)圖12)。其中，符合誤差要求(-2.00～2.00)的點(diǎn)共1 448個(gè)，占全部點(diǎn)云的78.67%；允許超差(-3.00～-2.00和2.00～3.00)的點(diǎn)共192個(gè)，占全部點(diǎn)云的10.45%；超出誤差允許范圍(≥±3.00)的點(diǎn)共196個(gè)，占全部點(diǎn)云的10.675%。

圖12 與理論狀態(tài)一致的部件測(cè)量區(qū)域外形誤差分布色差圖

3 結(jié)語(yǔ)

照相測(cè)量技術(shù)因?yàn)槠錅y(cè)量精度高、測(cè)量速度快、便攜性好和經(jīng)濟(jì)等一些列卓越優(yōu)點(diǎn)，在大部件外形測(cè)量的其他數(shù)字化測(cè)量手段的比較中脫穎而出。它的成功應(yīng)用不但保證了飛機(jī)部件的研制質(zhì)量，全面地提升了飛機(jī)部件制造的可靠性，也為打通從設(shè)計(jì)、制造到裝配的數(shù)字化、一體化流程起到了積極的意義。此外，它在航空制造產(chǎn)業(yè)中的模具檢測(cè)、逆向構(gòu)形等諸多領(lǐng)域均有廣闊的應(yīng)用前景。

[1] 黃桂平,欽桂勤,盧成靜.數(shù)字近景攝影大尺寸三坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)V-STARS的測(cè)試與應(yīng)用[J].宇航計(jì)測(cè)技術(shù),2009,29(2):5-9.

[2] 王彥喜,閔俊,劉剛.激光跟蹤儀在飛機(jī)型架裝配中的應(yīng)用[J].航空制造技術(shù),2010(19):3-6.

[3] 牛潤(rùn)軍.飛機(jī)部件外形數(shù)字化測(cè)量技術(shù)研究[J]. 新技術(shù)新工藝, 2015(11):42-44.

責(zé)任編輯 鄭練

Research and Application of Photographic Measurement Technology in the Detection of Large Parts of Aircraft

CHEN Yan, LI Xiaoning, WANG Sheng, XIAO Wangdong, ZHANG Dajun

(Engineering and Technology Department, Hanzhong Branch, AVIC Aircraft Co., Ltd., Hanzhong 723213, China)

The digital measurement technology is the technology foundation and key of automation, intelligentized equipment development. The measurement system is directly for the equipment to provide location information, and can effectively avoid the effect of the positioning errors on the positioning precision of the system equipment. The modern aircraft manufacturing field of common digital measurement technology and system mainly includes a laser tracker, electronic theodolite, electronic theodolite indoor GPS (iGPS), automatic system holes in the hole position, industrial close range photogrammetry, laser radar and so on. The AVIC Shaanxi aircraft in a certain type of aircraft takes industrial close range photogrammetry technology (photogrammetry) as an example for the first time, the detailed photographic measurement technology to carry out research and application system is introduced.

digital photography measurement, measurement, V-Stars measurement system, PolyWorks software, laser tracker

TH 744

A

陳彥(1984-)，男，大學(xué)本科，主要從事金屬材料熱處理等方面的研究。

2016-05-18