淺談飛機整機裝配質量數字化測量技術

馬正 管黎明

西安飛機工業有限責任公司 陜西 西安 710089

引言

大型板壁類組件主要在飛機外形結構中使用，大型飛機蒙皮壁板，具有結構復雜、剛性強度要求高等特點，需要嚴格控制制造過程的工藝，確保零件的外形尺寸精度，同時滿足相關技術標準的要求。飛機裝配質量檢測技術，已經由傳統的模擬量測量法，轉變為數字化組合測量法。其主要是利用激光跟蹤儀與關節臂測量儀的優點，對測量對象進行掃描，從而實現數據信息收集以及質量檢測評估。

1 整機固定式測量站架構

（1）移動式激光掃描儀。移動式激光掃描儀測量原理為激光三角測量法，激光光源作為測量的指示光源，將調制后的網狀線激光投射在被測表面上，同時又被CCD相機捕獲，通過幾何光學計算方法即可求解到被測表面的點云數據。

同時，在移動式激光掃描儀上，按照一定的空間位姿關系，分布了一系列標識點。在測量過程中，當激光掃描儀上的至少3個標識點被兩個相機(Ci與Cj表示測量站中可測量到掃描儀標識點的相機)拍攝到時，即可確定激光跟蹤儀在全局坐標系下的空間姿態。移動激光掃描儀，使其掃描范圍覆蓋整個飛機，即可利用相機提供的空間位姿信息，完成測量數據的融合[1]。

（2）基站。基站由一系列分布在整個測量空間內的工業測量相機組成，用于實時定位激光掃描儀的空間姿態。測量相機采用鄭州辰維公司研發的MPS/M系列工業攝影測量系統。相機分辨率為6600×4400，最大采樣頻率達到5Hz，視場角(fieldofview，FOV)達到80°×50°。為能夠測量被動標識點，同時減少測量區域內照明等因素的影響，每個相機配備了色溫為5500K的閃光燈。

2 測量工具集軟件實現

（1）數字化復合測量工具集功能模塊劃分。根據實際測量功能需求，數字化復合測量工具集劃分為4個功能模塊:通信接口管理模塊主要用于同激光跟蹤儀、關節臂測量儀和數據采集軟件之間通信;設備參數設置模塊用于對儀器測量過程中外界環境參數補償以及激光跟蹤儀與SA軟件之間交互，如激光跟蹤儀的定點搜索、自動選取、輔助測量等內容;數據處理模塊用于測量數據分析，得出最終測量結果;點云數據采集模塊主要用于點云采集、采樣、去噪以及公共基準點與靶心擬合。

（2）數據處理流程。工具集發出消息，將各公共基準點球心坐標和飛機前緣壁板點云作為整體讀入SA軟件。利用工具集中的“建立拼接關系”命令將靶心坐標點與激光跟蹤儀測得的公共基準點擬合，實現點云拼接操作，得到整張飛機前緣壁板外形點云。導入飛機前緣壁板組件的三維模型，利用工具集中的“最佳擬合轉化”命令將定位點處擬合得到的球心點與三維模型中給定的靶心點對齊。此時，壁板件全部點云與三維模型對齊。通過進一步模型比對分析，得出評價結果，最終生成質量檢測報告。

（3）實驗分析。實驗將某型號的飛機水平尾翼前緣壁板件作為測量的目標，實驗中關節臂測量儀的掃描范圍是2.5m球形空間。因此，需要將壁板劃分為三個區域進行測量，從而得到完整的壁板外形點云。采用數字化組合測量方法，根據飛機前緣壁板位置布置測量儀器的位置，以及公共基準點的位置。根據飛機水平尾翼前緣壁板的三維模型特征點，對齊靶心點與參考特征點，通過點云拼接，使得點云與壁板的三維模型對齊，從而分析擬合誤差[2]。

3 系統工作流程

基于整機測量站為飛機整機裝配質量測量與評價提供了一站式的解決方案，主要包括準備階段、數據獲取階段和數據處理階段三個階段。

（1）準備階段。這個階段主要包括整機測量前期的準備工作。在測量之前，首先要進行系統的標定，確定基站內所有相機的外部參數，系統標定時需對標定結果進行評價，使其滿足整機測量的精度要求.然后將飛機移動至測量位置并按三點支撐或托架支撐的方式進行定位支撐。同時，根據飛機數模進行測量規劃，分配每個掃描儀的測量區域并生成對應的測量路徑控制指令。上述工作就緒之后，系統進行初始化，進行通信接口的自檢，并將自動化測量設備移動至初始位置。

（2）數據獲取階段。準備工作就緒后，按照規劃的測量路徑，將各自動化設備運動至其設定的站位點，然后對該站位點覆蓋的區域進行掃描測量。同時，系統軟件同步發送相機觸發指令，基站對掃描儀的姿態進行實時測量和跟蹤。當所有區域完成數據掃描之后，自動化設備恢復至初始位姿，數據采集完畢。

（3）數據處理階段。基站采集的參考點圖像和掃描儀采集的機表點云圖像，首先經過三維重建，分別生成參考點和機表點的三維坐標，然后利用基于隨機抽樣一致性和奇異值分解的坐標系配準方法，將不同測量站位下的點云數據統一至全局坐標系下，并進行整機裝配質量的評價[3]。

4 結束語

飛機幾何外形即整機裝配質量，直接影響整體裝備的氣動性能、隱身性能以及結構性能，為了更準確、高效、全面地評價飛機整機裝配質量，本文對基于整機測量站的飛機整機裝配質量評價方法進行了研究。