飛機大部件裝配外形數字化組合測量方法的探究

【關鍵詞】飛機大部件裝配；數字化組合測量；坐標變換

引言

飛機制造包含復雜而精確的流程，其中機身與機翼的裝配質量會對飛機性能產生直接影響。在裝配階段，精準檢測質量問題尤為關鍵，這有益于優化效率并縮減裝配時間。然而，由于飛機尺寸龐大，存在復雜曲面，傳統測量手段具有局限性，難以滿足數字化裝配的高標準要求[1]。因此，文章研究出一種高效又精確的數字化測量方法，對于優化飛機制造質量以及縮減制造時間尤為必要。

一、飛機大部件裝配外形測量的難點分析

（一）復雜曲面測量難題

飛機大部件的外形往往包含復雜的曲面，這些曲面不是簡單的幾何形狀，而是經專門設計以符合特定空氣動力學需求的形式。傳統測量方法應對這種復雜曲面的時候，因為缺少有效的曲面數據收集手段，很難全面而精準地得到曲面的幾何信息。當遇到帶有雙曲率或者自由曲面特性的飛機部件時，傳統測量工具不能完全貼合曲面來執行測量，這樣就會造成測量數據存在遺漏或者不夠準確的情況，無法徹底呈現曲面實際的形狀[2]。

（二）大尺寸帶來的挑戰

飛機大部件的尺寸非常大，這給測量工作造成很多困難。其一，大尺寸部件對測量設備量程提出了特殊需求，普通測量設備無法包含整個測量范圍。其二，在進行大尺寸測量的時候，測量誤差極易累加。在采用長距離測量工具時，受工具自身重量、材質特性以及環境因素的影響，測量過程中大概會發生撓曲變形，進而致使測量結果出現偏差。在大尺寸空間里，測量設備的安裝、校準以及測量點的定位都變得更為繁雜，增加了測量工作的困難和不確定性。

（三）海量型面測量數據的處理

在進行飛機大部件型面測量時會產生海量的數據，如何高效地處理這些數據，無疑是一項頗具挑戰性的任務。傳統數據處理方法應對如此大規模的數據時，計算效率很低，不能快速而精準地從海量數據當中獲取到有價值的信息。并且，因為數據量很大，數據存儲也面臨壓力，需運用大容量、高性能的數據存儲設備。在數據傳送期間，還極易發生數據遺失、傳送延誤等問題，從而影響到測量工作的整體效率和準確度。

二、數字化組合測量系統的構建

（一）激光跟蹤儀

激光跟蹤儀屬于數字化合成測量系統里的關鍵組成部分，其具備測量精度高、測量范圍廣的優勢。激光跟蹤儀通過發射激光束，并對目標反射鏡的位置變化展開追蹤，可以立即得到測量點的三維坐標信息。在飛機大部件裝配外形測量環節中，激光跟蹤儀可被用來精準測量飛機大部件的總體位置與姿態，為后續的裝配調整提供精確的數據支撐。譬如進行機翼和機身的對接裝配時，激光跟蹤儀能夠隨時監測機身的位置偏差，引領裝配人員實施精確調整，以保證對接精度。不過，激光跟蹤儀還是存在一定局限性，其測角精度有所短缺，而且極易受環境因素影響，溫度、濕度、氣流等都會加大測量誤差。另外，當使用激光跟蹤儀來測量復雜部件的時候，測量視線往往會被遮擋，造成部分位置很難被測量[34]。

（二）關節臂測量儀

關節臂測量儀憑借自身的靈活性及其對復雜型面的適應能力，在數字化復合測量系統中扮演著獨特的角色。它由許多關節相互結合而形成，在測量時可以自由地彎曲和伸展，從而便捷地觸及到飛機大部件上的各個測量點，特別是對那些構造繁雜且空間狹窄的區域。關節臂測量儀能夠精準地采集到飛機大部件復雜型面的詳細數據，對于識別部件表面微小的瑕疵或者變形等情況具備比較高的敏感度。如當檢查飛機機身蒙皮的表面質量的時候，關節臂測量儀能夠順著蒙皮表面執行細致的測量，精確地察覺到表面存在的凹凸、劃痕之類的問題。然而，關節臂測量儀的測量范圍相對小一些，不太適合應用于大型飛機部件的整體性測量，而且它的測量精確度在某種程度上會被關節的磨損狀況以及手臂的長度所影響。

（三）攝影測量

攝影測量屬于借助光學原理的非接觸式測量手段，在數字化合成測量體系當中占據獨有的優勢地位。它會從諸多角度針對飛機大部件執行拍照操作，然后借由攝影測量軟件來識別并適配照片中的特征點，以此算出測量點的三維坐標。攝影測量具備測量速度快、測量范圍廣的優點，可以一次性采集眾多的測量點數據，適宜于對飛機大部件的整體外觀展開快速掃描及測量。如在實施飛機機身最初外觀測量時，攝影測量能夠即刻得到機身表面許多測量點的坐標信息，并立即創建起機身外觀的點云數據。然而攝影測量的精準度比較低，極易被光照情況、拍攝角度以及被測物體表面材質等因素影響，針對某些有著較高精度要求的測量工作來說，僅僅憑借攝影測量是無法滿足要求的。

（四）系統集成與協同工作

數字化合成測量系統不是把激光跟蹤儀、關節臂測量儀和攝影測量這三種測量設備隨意地拼湊在一起，而是通過有效的系統融合，讓它們協同運作，從而發揚各自的長處，彌補相互之間的短處。在實際測量中，先依靠攝影測量迅速地對飛機大部件執行整體性掃描，得到初步的外形數據和測量點分布情況，為后面的精準測量構筑根基。依照攝影測量所得到的結果，利用激光跟蹤儀針對大部件的關鍵部位及其整體姿態展開精密測量，以保證大部件整體的裝配精度。針對大部件上的復雜型面與局部細節部位，利用關節臂測量儀實施細致測量，以得到高精度的局部數據。通過這樣的協同工作方式，數字化合成測量系統既能保證測量精度，又能提升型面測量效率，從而滿足飛機大部件裝配外形測量的復雜需求[56]。

三、飛機大部件裝配外形的數字化組合測量優化方案

（一）測量設備的優化

要減小環境因素對激光跟蹤儀測量精度產生的影響，可以在測量現場安裝恒溫、恒濕的環境調節設備，減小溫度和濕度的波動給測量結果帶來的干擾，為激光跟蹤儀裝配高精度的測角附件來改進它的測角精度。對于關節臂測量儀來說，要按時對關節實施養護和校準，替換磨損厲害的關節零件，以此來確保測量精度。依照不同的測量任務，選取恰當規格和精度的關節臂測量儀，防止由于設備選型不合適而影響測量成果。就攝影測量而言，改良拍攝設備的安排，采用高分辨率、高幀率的相機，進而改善照片的質量。在拍攝之前也要對相機執行校準，保證相機參數正確無誤；合理規劃拍攝角度和拍攝距離，規避因為拍攝角度不合理而造成的特征點識別錯誤，從而提升攝影測量的精度。

（二）數據處理的優化

在數據處理環節，要采用先進的大數據處理算法與云計算技術，提升海量型面測量數據的處理效率，并用分布式存儲系統來化解數據存儲壓力大這一難題，并保障數據安全可靠。在進行數據傳送時，需采用加密傳送協議和高速網絡設備防止數據丟失，縮減傳送時延。優化坐標變換算法，加強多測量站點數據在全局坐標系下統一的精準度，通過人工智能算法對測量數據執行預處理，自動識別并剔除異常數據，削減人工干預，提升數據處理的準確度與效率。而在對測量數據與理論模型進行對比分析時，應采用更為先進的點云契合算法，這樣可以提升契合的精度和速度，從而更為精準地算出測量點和理論模型對應位置間的偏差。

（三）測量流程的優化

按照飛機大部件的結構特性與測量需求來制訂科學合理的測量流程。在測量之前，要對測量人員展開專業培訓，讓他們了解測量設備的操作方法及測量流程，以縮減人為操作造成的誤差。在測量過程中，構建嚴格的質量調控體系，針對每個測量環節執行質量核查并做好記錄，及時察覺和解決測量過程中產生的問題。運用攝影測量實施快速掃描之后，對點云數據執行初步檢查，保證數據的完整性和準確性。用激光跟蹤儀、關節臂測量儀執行精確測量的時候，要定期校準、檢查測量設備，從而確保測量數據的可靠性。改良測量站點的布置，減少測量設備的移動頻次，提升測量效率，運用模擬仿真技術預先規劃好測量路徑和測量點，避免在測量時出現重復操作、漏測測量點之類的情況。

（四）系統集成的優化

為了進一步提升數字化合成測量系統當中激光跟蹤儀、關節臂測量儀以及攝影測量設備彼此之間的融合與協同工作能力，需要開發系統融合軟件，實現三種測量設備之間數據的即時共享與交互，從而優化系統整體的運行效率。在軟件中設置智能決策模塊，按照不同的測量任務和測量場景，自行選取最恰當的測量設備和測量方法，做到對測量資源的理想調配。倘若測量任務是對飛機大部件執行整體外形的快速掃描，軟件就自行選取攝影測量設備；如果要對關鍵部位執行高精度測量，軟件便自行轉換到激光跟蹤儀或者關節臂測量儀。另外，還要增強系統的適配性和拓展性，以便捷地接入新的測量設備和技術，適應將來飛機制造技術發展的需求。

四、飛機機身裝配外形精度保證的應用實例

（一）測量任務與要求

在進行飛機機身裝配時，要準確保障機身外形精度，這是保證飛行性能和結構安全的關鍵。測量目標就是得到機身實際外形數據，再跟設計理論模型做對比，以此來判斷裝配過程中有無外形偏差，還要將偏差嚴格控制在規定公差之內。機身長度方向尺寸公差要求為正負0.8毫米，型面輪廓度公差要求為正負0.5毫米。裝配現場環境比較復雜，測量工作要在不影響裝配流程的情況下展開，而且要保證測量結果的準確可靠。

（二）數字化組合測量系統及其優化策略應用

飛機機身的測量任務由數字化復合測量系統負責，并且通過一系列改進措施來提升測量效果。就測量設備而言，裝配車間裝有溫濕度智能調節系統，以保證測量環境恒定不變。激光跟蹤儀加裝了高精度角度修正裝置，從而保證測量角度精確無誤。關節臂測量儀經過深入保養和校正，進而提升測量的穩定性。攝影測量階段使用高像素工業相機，對拍攝角度和距離進行科學規劃，防止因為視角引發的測量誤差。

在數據處理環節，應用大數據分析算法、云計算平臺完成大量測量數據的迅速處理與存儲。測量數據經過加密傳輸協議并通過高速光纖網絡傳輸，保障數據安全與傳輸速度，用人工智能算法對原始數據預先加工，去除干擾噪聲，用點云匹配算法把測量數據同理論模型精準比較分析。

為了優化測量流程，需要對測量人員開展專業培訓，構建嚴格的質量控制體系，改良測量站點的布局，改善測量路徑規劃，削減重復測量和無謂的移動。在系統融合層面，依靠專門的數據融合軟件，實現各種測量設備數據的即時共享和互動。利用智能決策模塊，依照測量需求自動選取最合適的測量設備和辦法，從而加強測量系統的整體協同能力。

（三）測量結果與分析

通過運用數字化組合測量系統以及優化策略，可以得到飛機機身的實際外形測量數據。將測量得到的數據同理論模型對比，將機身各個區域的外形偏差控制在規定的公差范圍之內，相較于沒有采用優化策略情形下，測量效率提升了約40%。

對測量過程和數據展開深入分析可知，優化策略在削減測量誤差、改進數據處理速度、改良測量流程等方面均收獲了明顯成效。對環境控制系統的運用在很大程度上減小了激光跟蹤儀的測量誤差，大數據處理算法以及云計算技術明顯縮短了數據處理時延，智能決策模塊的加入使得測量設備的選擇更為恰當，使設備閑置時間得以減少，整體測量效率得到極大提升，從而給飛機機身的高精度裝配提供了有力保障。

結語

飛機大部件裝配外形的數字化合成測量方法是包含激光跟蹤儀、關節臂測量儀和攝影測量的數字化合成測量系統，該系統的運用可以有效地化解傳統測量設備在精度和效率方面存在的矛盾。文章提出的改進策略涉及對測量設備、數據處理、測量流程以及系統融合等方面的改良，這些策略的實施進一步改善了測量效果，明顯改進了型面測量的效率。文章證實了該方法和改進策略的正確性與有效性，這樣不但可以加強飛機制造的質量，而且可以縮短制造時間，為飛機大部件裝配外形測量提供了一種可靠又高效的方案，對于飛機制造領域有著重要的推動意義。將來，數字化合成測量方法和改進策略可能會被更為普遍地采納，并得到進一步發展，從而順應該行業更高精度、更高效的生產需求。

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