數字化組合測量輔助飛機裝配質量檢測技術

謝賀年，閔奧成，梁少東，李 特

（西安航空職業技術學院 陜西 西安 710089）

1 引言

飛機由成千上萬個零件組裝而成，零件之間的裝配質量對于整個飛機的質量有著重要的影響。數字化技術在飛機裝配過程中有著重要應用，能夠有效提高裝配效率，確保裝配質量，是裝配過程中的重要技術。

2 飛機數字化測量行業的發展現狀

2.1 飛機的數字化組合測量技術發展階段

最早應用于飛機裝配流程的是運用模擬量的傳遞進行定性測量階段。因為飛機外形呈現出曲面形狀，并且需要較高的硬度及機體協調性水平，運用標準樣本、模板等實體的模擬方式可以生動表現出產品的大小及種類信息，有利于確保零部件的制造和生產步驟的精確性，為高質量的飛機制造奠定了堅實基礎。但是該過程需要大量的人力投入，耗費資金巨大，飛機制造的精確性也有待于進一步提高。隨著社會的不斷發展，人類對于飛機的精度要求不斷提高，舊式的模擬量傳遞構造方式難以滿足人類日益增長的需求。

其次，數字化技術開始廣泛應用于質量檢驗階段。此時，國際上的航空公司積極引入準確程度高、檢測范圍大、柔軟度水平合適的先進數字化測量設備，如三坐標測量設備、激光追蹤設備、雷達導航設備等，實現對關鍵特征點的檢驗，克服了舊式運用模擬量進行檢驗的方法[1]。其中，在國內的航空業應用最為廣泛的即為三坐標測量設備，借助其高準確性的測量結果，飛機制造可以達到更高的協調性水平，明顯縮短了產業的生產時間，能夠檢驗飛機表面的曲線弧度，分析相關數據繪制出數學模型，并將該模型與實際外形進行擬合，能夠很好地檢驗二者的偏差程度。除此之外，依據該數學模型還可以生成自動化的操作指令，確保飛機的各個部件生產過程符合標準。

目前，可以實現運用數字化技術對飛機裝配質量進行控制與測量。國外各個航空公司積極引入了3D的處理數據模型，并對各個零部件的制造過程實現了全程自動化測量，在裝配流程中引入離線檢測系統，確保能夠有效控制其精度，在故障發生時能夠及時處理，利用數字化反饋環節實現飛機制造與裝配的高質量性[1]。飛機的裝配流程日趨完善，且其工藝流程越加規范，推動了飛機質量的大幅提高，能夠滿足人類日益增長的出行需求。

2.2 數字化組合測量技術在飛機裝配行業的重要應用

飛機的裝配流程極其復雜，需要經過工藝設計、零部件制造、零部件裝配、整機裝配的環節。在減小不同零部件之間的距離和定位組裝點的時候，可以應用高科技技術完成對復雜模型的裝配工作，如激光定位、自動化控制、計算機編程控制等。這些技術是完成飛機裝配的重要支柱，也是裝配系統中的重要組成部分，可以使得測量數據及安裝位置更精準。其中，數字化自動鉆鉚技術在重型飛機的裝配及機身對接的過程中起著重要作用，實現了結構和功能的一體化，大幅度提高了自動化的程度，使得重型飛機部件數字化自動裝配系統廣泛應用于實際中，降低了傳統裝配中所需的生產工裝及標準工裝，有效降低了制作成本，減少了制作時間，給人們的生活帶來了極大便利[2]。

例如，激光追蹤技術在飛機裝配過程中應用較為廣泛，能夠準確地預測出飛機的輪廓形狀，精確掌握飛機上的各個零件的位置，為其裝配過程的精準性作出了巨大貢獻；數字照相測量技術能夠實現快速識別功能，詳細檢查飛機上各個零件的組長精確度，為其質量提供了強有力的保障。

3 數字化組合測量輔助飛機裝配所需的設備

3.1 局部導航定位設備

局部導航定位設備的工作原理類似于全球導航定位系統，其中局部導航定位系統主要通過紅外線脈沖完成具體點的定位。該定位設備的工作范圍具有較大的靈活空間，對于用戶數量的限制較為寬松，能夠實現對物品的360°測量，所得結果的誤差水平較小，能夠取得較高的精確性[3]，對于完成測量工作來說極為重要。

3.2 激光跟蹤設備及雷達

首先，激光跟蹤設備可以運用激光實現對目標反射器的追蹤目標，并通過角度測量系統和距離測量系統確定具體點的坐標，是目前使用較為廣泛且精確度程度較高的測量儀器。其次，激光雷達能夠將激光束瞄向目標物品，根據反射光線的位置可以確定目標物體的實際位置。結合雷達和激光的優點，該技術可以獲得相對較短的工作波長，獲取較高的測量精度水平，有效降低不確定度水平，給航天行業的發展帶來了巨大的貢獻[3]。

3.3 激光掃描及攝影測量設備

首先，根據物理學相關知識，激光經過透鏡之后會變成平面光幕，并在物體表面上映射出輪廓線條，運用信號處理器可以得到與機體輪廓相關的數據信息，對于后續質量檢測來說極為重要。這種測量設備的誤差水平較小，在測量接合縫隙寬度時可以實現精確檢查的目標。除此之外，結合具體位置處的兩幅不同圖像可以得到相應的3D圖像，通過糅合多幅圖像的部分信息，可以得到具有特定特點的多維圖像信息[3]。但是這種攝影測量技術具有缺點，例如在測量大型區域時會存在較大的誤差、測量效率較低等。因此，應根據區域面積來選擇裝配精度評價技術。另外，攝影測量技術可以測量機體局部大小，并得出具體數據信息；快速圖像識別系統能夠精確地得到飛機上的鉚釘數目，為后續質量檢測步驟奠定了基礎。

4 數字化組合測量技術流程

4.1 搭建數字化組合測量平臺

測量裝置、軟件控制系統、計算機數據處理機制等是數字化組合測量平臺的重要組成部分，通過各司其職，能夠達到收集數據、處理數據的目標，實現裝配過程的自動化控制。其中，測量裝置可以搜集到和設備相關的信息，并儲存在計算機中；軟件控制系統可以發布執行指令，完成對上述數據的處理過程；計算機數據機制能完善搜集到的數據，完成進一步加工的工作。其中，計算機控制平臺能夠實時監控測量設備，通過點對點的方式能夠提高監控效率，確保得到結果的精確性。數字化組合測量的重要組成部分即測量設備，是實現精密組裝的前提條件[1]。激光追蹤設備的核心是工控機，通過電纜的連接作用，可以實現為電路供電的功能。關節測量設備可以利用USB接口或者信息技術和飛機組件連接，以順利將搜集到的數據傳遞給上述工控機設備[2]。

4.2 組合數字化測量方案

在確定測量方案時，需要提前將多個公共基準點固定在移動測量平面上，并根據各個零部件的外部形狀劃分飛機板的區域。然后再根據已經劃分好的區域進行分塊測量，通過分析獲得移動測量平面的位置，并通過激光導航儀器確定公共基準點的具體位置，通過三維坐標的形式輸出[2]。關節測量設備可以完成對各區域公共基準點的掃描，做出飛機外殼壁的區域點云圖。將其最外層輪廓通過數學模型擬合，形成一個球體，將其和上述點云圖進行封裝，可以得到關于整個飛機的整體點云圖。通過對比圖中顯示數據與飛機的實際外形，可以判斷出飛機的質量及測量結果的精確性。組合數字化測量方案旨在得到更加精確的測量數據，并從中分析出關于飛機整體質量的信息。

4.3 分析組合測量精度及效率

數字化組合測量方法的用途由其組合測量精度及效率決定。在任何測量過程中都會存在誤差，盡量降低誤差存在的可能性及其大小才是提升效率的關鍵所在。測量設備的誤差主要是由測量過程出現錯誤引起的，會造成測量結果精確度及正確度降低。舊式的測量主要是運用5點/s的采點頻率通過激光導航儀的定位作用完成。而組合測量模式可以利用掃描頭對搜集的數據進行分析處理，如分析點云圖模塊，完成云搜集、去除噪音、采集樣本等操作過程[3]，從而確保得到結果的準確性。

4.4 數字化測量技術的處理數據過程及對輔助部位的定位測量

首先，工具集會發布相關數據信息，由SA軟件分析出公共基準點的具體位置及飛機的點云圖。其次，工具集會完成數據的拼接過程，運用公共基準點和搜集到的具體坐標進行擬合，完成對局部點云的拼接工作，得到一個整機的點云圖。通過和飛機的實際3D模型對比，進行數據分析，可以得出相應的質量檢查結果，達到準確判斷飛機質量的目標[2]。

以往的飛機裝配需要運用大量的工具夾完成定位工作，這個過程往往需要大量的人力投入，耗費時間成本較大。為有效縮短其工期，降低成本投入情況，需要積極引入新技術。例如，OMC技術能夠有效克服傳統定位方式的缺點，引入攝像機設備，在全面控制系統的同時實現了對各部分的精準定位。該技術需要運用網絡技術中的實時計算功能，需要運用編碼與解碼過程進行輔助測量，能夠識別體積十分微小的零件，具有十分強大的應用潛力。

4.5 測量過程中的輔助裝配補償分析

飛機的結構十分復雜，不同部位之間的協調性與其工作性能息息相關，因此需要采取合理措施確保其零件間的協調程度符合相關要求。航空企業可以運用數字化組合測量技術對其裝配過程進行一些補償分析，例如，在飛機的配合面有縫隙存在的情況下，可以運用添加墊片的形式提高協調程度。

5 飛機裝配形狀的組合測量技術

首先，機械設備視覺測量技術能夠在獲得各類檢測數據后實現高精度的處理過程，通過最小二乘法得出相應的擬合曲線及相應點的位置，獲得以像素為單位的邊線方程，將其轉化為數值后即可得到邊界的各個坐標，有效繪制出飛機外形。

其次，電渦流傳感器測量技術能夠根據電渦流的變化原理制作出高效率的線形測量設備，精確地得出探頭變化時與金屬導體的位移關系。通過計算飛機外形曲面的實際法線與理論法線之間的差值，能夠獲得其大致的裝配形狀信息。

6 結語

隨著社會的進步，飛機制造過程中有著越來越多的要求，需要在較短時間內制作出高質量的飛機，對數字化組合測量輔助飛機質量檢測技術提出了較高要求。該技術在提高飛機制造質量及效率方面有著重要作用，主要運用激光導航系統、激光雷達、攝影測量系統等完成測量工作。通過數據平臺的建設、分析其組合效率、數據處理工作可以得到更高的質量檢測效率。