基于飛機部件制造過程中測量技術的研究及應用

吳杰　易朝輝　閔偉

摘? 要：介紹了飛機零部件制造過程中數字化測量系統的應用情況，利用數字化測量系統的高精度測量、控制和分析能力，獲取被測對象準確的形狀尺寸或空間位姿信息，提高飛機產品的制造與裝配質量。

關鍵詞：數字化測量 飛機 過程應用

1引言

民航客機是一項復雜且難度較大的工程，具有外形要求嚴格、產品構型眾多、零部件材料與形狀各異、內部結構復雜、空間緊湊、各種系統布置密集和零組件數量巨大等特點。飛機零部件制造的精準度決定著飛機的質量，因此零部件制造之后的測量工作十分重要。

先進的測量技術是現代飛機研制過程中的關鍵技術，是確定零件、組件、部件及全機加工、裝配精度的檢驗與實施技術，而且數字化測量技術也是現代飛機數字化制造的重要組成部分，其核心思想是以各種數字化測量設備（如三坐標測量機、激光跟蹤儀、電子經緯儀、激光雷達等）為工具，利用數字化測量系統的高精度測量、控制和分析能力，對測量對象實施快速、精準、自動化的測量，獲取其準確的形狀尺寸或空間位姿信息[1]，并與理論數模等標準依據進行比對得到相關的制造誤差、裝配誤差等精度信息，或進一步與控制系統集成，提高飛機產品的制造與裝配精度。

數字化測量技術的出現，不僅保證了產品制造的準確度，提高了生產效率，同時實現了飛機產品從設計、制造到裝配及測量的全數字量傳遞。為此，本文結合某飛機零部件的制造過程，將數字化測量系統在其中的應用情況進行簡要介紹。

2 數字化測量系統

數字測量系統是一套利用數字設備技術和計算機控制來完成自動、快速、準確的測量目標、任務和工作的組織系統。數字化測量系統可以幫助制造企業實現零件的精確測量和控制，完成零件幾何形狀和整體形狀的三維分析，從而使設計和制造更快，工藝制造更優化。而且采用數字化測量技術可改變傳統的模擬量傳遞模式，通過測量系統的數據采集、計算機數據處理分析等過程，把被測對象的幾何量尺寸及形位公差直觀的在計算機屏幕上展現出來，形成連續的信息轉化過程和良性的循環反饋，達到高效生產組織的目的[2]。某飛機部件制造過程中的數字化測量系統主要使用坐標測量機和激光跟蹤儀測量技術。

坐標測量機是通過測頭系統與工件的相對移動，探測工件表面點三維坐標的測量系統。通過將被測物體置于三坐標測量機的測量空間，利用接觸或非接觸探測系統獲得被測物體上各測點的坐標位置，根據這些點的空間坐標值，由軟件進行數學運算，求出待測的幾何尺寸和形狀、位置。因此，坐標測量機具備高精度、高效率和萬能性的特點，是完成各種零部件幾何量測量與質量控制的理想解決方案[3]。

激光跟蹤儀測量系統是一套以激光為測距手段的測量系統，主要由激光跟蹤頭、靶標球、控制器、測量附件和用戶計算機等功能部件組成，可用來測量靜止目標、或者跟蹤、測量移動的目標?？稍跅l件苛刻的生產現場環境中使用，不同與坐標測量機、可移動便攜測量，熱穩定性和耐用性非常高，可有效測量飛機零部件，降低測量時間和成本，較快的完成裝配任務。同時，具有斷光后立即能夠續接上的功能，并可立即開始跟蹤被測目標，能以高精度測量絕對距離，精準獲得快速移動目標的位置，實現動態測量，且測量速度非?？臁?/p>

2.1機械加工類零件的測量

隨著現代化制造工業的蓬勃發展，機械制造行業對加工精度要求不斷提高，對零部件的尺寸和形位公差提出了嚴格的要求，在加工設備提高工效、自動化程度更高的基礎上，測量手段不但要精準，而且要高效。因此，采用坐標測量機的數字化測量技術，可達到高精度、高效率、數字化、柔性化等目的。

某飛機中如門框壁板機加框等零件均采用三坐標測量機實施檢測，采用坐標測量機的數字化測量技術發展了幾十年、已趨進成熟，生產型、計量型等多種精度等級的坐標測量機均能滿足現代先進制造的需要，它具有測量精準， 效率高， 穩定性強， 范圍大等特點。分別利用龍門式測量系統及橋式測量機進行測量，通過配備觸發式測頭、接觸式掃描測頭以及非接觸式光學測頭，實現了從規則幾何形狀零件到復雜工件的測量、評價與分析，達到數字化傳遞的目標。

2.2蒙皮下陷及外型的測量

隨著技術發展，飛機尺寸越來越大，蒙皮也隨之變大，同時增加了下陷特征用于減輕飛機重量，下陷特征通常位于飛機蒙皮內表面，處于長桁與框梁所夾空隙。

現代大飛機蒙皮具有曲率大、曲面薄的特征，早期采用明膠圖來檢測蒙皮下陷，由于明膠圖對環境要求較高，故難以保證檢測精度;同時，在檢測蒙皮型面及輪廓時，若采用貼膜及模具刻線檢測等傳統方式，根據貼合度只能判斷零件是否合格，無法量化偏差情況，無法給后續裝配提供建議。

因此，采用基于激光跟蹤儀及T-SCAN掃描系統的數字化測量技術，有效的解決了蒙皮下陷及外型的測量，有利于后續制造根據偏差情況來協調裝配，使零件質量信息高效、無縫的對接裝配成為可能，進而提升產品質量。T-SCAN高速手持式三維激光掃描儀，配合激光跟蹤使用，具有較高的數據采集效率，1秒中最多能夠采集210000個點，平均數據采集率為7000點/秒，高效的數據采集特點在微小特征的測量方面具有較大的優勢[4]。

在具體實施過程中，驅動激光跟蹤儀引光映射到理論測量點的位置，手持T-SCAN工具，選定掃描的開始方向，在該方向垂直面內按照垂直角度的步頻率獲取起始掃描線上的各離散點，然后沿著掃描方向增加角度步頻率，獲取下一列掃描線上的離散點，依次對特征掃描直至獲取覆蓋特征的全部離散點數據，形成點云進而數據分析。

3 數字化測量系統在型架裝配中的應用

由于飛機結構不同于一般機械，在其裝配過程中，不能單靠自身形狀和尺寸的加工準確性來裝配出合格的部件，而采用一些特殊的裝配工藝準備，在完成飛機產品從零組件到部件的裝配過程中，用以控制其形狀、幾何參數，且具有定位功能[5]。

民用航空裝配工裝的設計、制造均采用數字量傳遞，代替了以樣板、標工、外形卡板等為代表的傳統模擬量傳遞。因激光跟蹤儀集目標點的角度、距離測量和實時跟蹤于一身，水平和垂直方向的角度測量與距離測量結合在一起，反射鏡心的3D坐標便唯一確定，其坐標可以轉換到任意工裝或零件的坐標系統中[6]。

激光跟蹤儀測量系統在飛機型架裝配檢測中具有以下優點：無需搭建標尺、轉接板等，大大提高工裝制造和返修的裝配精度和生產效率;大型工裝現場裝配、測量，無需分解;數字化工藝裝備定檢，便于數據檢索和追溯。

4數字化測量系統在部件裝配過程中的應用

4.1某部件總裝站位介紹

激光跟蹤儀能夠對定位機構、目標產品等進行監控，并采集裝配對象的必要站姿信息，處理、傳遞數據信息給中央控制臺和控制系統，以幫助自動定位機構的位姿運動。

以某前機身總裝站位為例，主要完成機身總裝、定位及機身上、下半部對合工作，依據主制造商產品交付規范書的要求采集產品交付數據，通過測量產品的邊緣、表面等一組特征點來跟蹤產品是否調姿到位。前機身總裝定位系統具有柔性工裝定位的特點，應用了測量輔助裝配技術（MAA），MAA裝配實施過程中主要有三大系統：測量系統、具有（x、y、z、l、j、k）的定位系統及運籌和模擬軟件系統。其中，激光跟蹤儀負責測量環節，主要識別所有參與裝配過程的曲面幾何量以及識別整個部件的幾何量，確定部件的最佳位置;定位系統負責在激光跟蹤儀的引導下移動被裝配部件，按照需要的姿態以一定的速度移動部件到最終位置;計算機系統則負責運動指導及反饋，將最優的計算結果反饋至定位系統。這三大系統建立在測量輔助裝配技術（MAA）的閉環反饋和迭代交互計算上，以最終的裝配工藝為目標。在此系統構成中，使用激光跟蹤儀通過固定在移動部件上的多個反射靶來監控和指導定位系統的定位。

測量輔助裝配技術（MAA）的優勢在于：減少工裝、減少工裝的定期檢驗、提高檢測和裝配精度、在模型設計階段進行數據測量數據整合、工裝和機身同時進行數字定義、進行數據仿真輔助測量規劃。

4.2部件位姿的調整及跟蹤測量

前機身總裝上、下半部及客艙地板對接前，采用激光跟蹤儀測量系統對部件托架關鍵點進行測量，并對部件對接面的關鍵點進行測量;在對接控制系統中根據測量數據構建出對接部件和托架的實際位姿，分析、模擬部件和部件、托架和托架對接的最優路徑，設定數控定位器立柱上支撐點的運動參數，控制伺服電機驅動托架和部件在X、Y、Z三個坐標系方向，以及α、β、γ角的移動和調整，實現部件的對接[7]。

因整個大部件對接過程中的定位精度由數字化測量系統、數控定位器的精度保證，也即大部件對接控制系統在部件對接過程中存在對接誤差，因此在大部件對接過程中，須借用激光測量系統對部件托架的關鍵點進行實時測量，以便實現對部件位姿的實時跟蹤。具體流程如下：

1）前機身下半部進入總裝定位系統，通過產品下部托架與數控定位器立柱關聯、支撐;

2）前機身客艙地板網格進入總裝定位系統，客艙地板與托架關聯，由數控定位器立柱上面4個點支撐;通過激光跟蹤儀測量系統對工藝設計時已規劃好產品上待測量點（如地板滑軌孔等）進行測量，通過測量軟件將測量點實測值與理論值對比，分析偏差值;通過不斷擬合、分析，調整數控定位器立柱上面4個支撐點的X、Y、Z三個坐標系方向，以及α、β、γ角的移動，最終將客艙地板網格以最優狀態在總裝定位系統中定位。

3）以客艙地板的位姿為基準，通過激光跟蹤儀測量系統對工藝設計時已規劃好下半部產品上待測量點（如蒙皮端面、長桁位置等）進行測量，通過測量軟件將測量點實測值與理論值對比，分析偏差值;通過不斷擬合、分析，調整數控定位器立柱上下半部托架4個支撐點的X、Y、Z三個坐標系方向，以及α、β、γ角的移動，實現機身下半部位姿調整，并最終將機身下半部位以最優狀態在總裝定位系統中定位。

4） 前機身上半部與托架關聯后，進入總裝定位系統，由數控定位器立柱上面4個點支撐;與下半部位姿調整方法一樣，最終將機身上半部位以最優狀態在總裝定位系統中定位。

5） 前機身上、下半部對合后，采用柔性制孔設備進行上下半部對接處制孔。

5 數字化測量系統在艙門裝配中的應用

隨著激光跟蹤儀技術的產生，能夠應用于全自動模式，使得測量效率更高，六自由度具備高精度，可應用于任何機器人定位系統，使之從普通的機器人轉變為非常精準的計量裝置。因此現在普遍將Leica T-MAC固定在機器人上，使之與激光跟蹤儀配合，指引機器人工作。

在飛機艙門裝配制造過程中，便采用了自動制孔機器人設備，使用激光跟蹤儀附加六維姿態測量附件T-MAC引導機器人進行機身打孔。將專門用于測定受測物體姿態的T-MAC固定于機器人的手臂，引導機器人在機身表面鉆孔，從而提高鉆孔質量、鉚接質量和生產效率。

6 結束語

現代飛機制造具有高精度、低成本、柔性化、數字化等顯著特征，要求能夠在第一時間了解測量結果，以便實時對加工進行調整。在某飛機的制造過程中，廣泛使用了數字化測量技術，快速評估且保證了產品質量。同時，深入推進數字化測量技術的應用，有助于提升飛機制造的效率和質量，不僅保證了飛機零件制造、裝配的準確度，而且還實現了飛機產品全過程的數字量傳遞。

參考文獻

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[7]穆尚琦，付莉.基于某型機大部件數字化對接技術的研究及應用.中國設備工程.2019（1）。