飛機部件外形數字化測量技術研究

牛潤軍

(中航飛機股份有限公司 漢中飛機分公司，陜西 漢中 723213)

飛機部件外形數字化測量技術研究

牛潤軍

(中航飛機股份有限公司 漢中飛機分公司，陜西 漢中 723213)

摘要：針對傳統飛機部件外形測量存在的問題，在分析當前數字化測量設備特點的基礎上，以數字攝影測量設備為主、以激光跟蹤儀為輔，提出了一種基于空間定位的飛機部件外形測量的新方法，研究了其詳細技術方案和測量流程，建立了測量坐標系轉換模型。通過分析誤差產生的原因，找到了飛機制造過程中待改進的環(huán)節(jié)。

關鍵詞：飛機；部件外形；數字化測量

傳統飛機部件外形測量主要采用裝配檢驗夾具或檢驗樣板[1]，檢查其型面吻合性，即部件外形上某點實際相對理論的間隙值。該方法存在如下幾方面問題：1)檢測結果為間接值，不能直接反映型面偏差狀態(tài)；2)檢測結果受檢測裝備和人為因素影響大，檢測準確度不高；3)檢測手段專用單一，無法滿足不同飛機不同部件檢測需要；4)檢測方法復雜，尤其是大中型飛機需多人配合才能滿足，檢測效率低下。采用數字化測量技術，能夠快速而準確地實現飛機部件外形評價，對有效提升機身飛機制造質量具有重要意義。

1測量設備選擇

目前，大尺寸空間數字化測量設備主要包括激光跟蹤儀、iGPS測量系統、激光雷達和數字攝影測量設備[2]。

激光跟蹤儀是一臺以激光為測距手段并配以反射標靶的儀器，它同時配有繞2個軸轉動的測角機構，形成一個完整球坐標測量系統。其可以用來測量靜止目標，跟蹤和測量移動目標或它們的組合。其原理是利用激光來跟蹤目標反射器，通過自身的測角系統和激光絕對測距系統來確定空間點的坐標。

根據GPS的測量原理，人們提出了基于區(qū)域GPS技術的三維測量理念，進而開發(fā)出了一種具有高精度、高可靠性和高效率的iGPS系統。其原理是通過激光發(fā)射器發(fā)射激光產生2個激光平面，在工作區(qū)域旋轉，對水平角及垂直角進行測量。通過幾個不同發(fā)射器的組合，可以計算測量點的三維坐標[3]。

激光雷達是一種球坐標系的光學測量設備，可以進行全自動化的高精度、非接觸式測量。其測量原理是使雷達的工作波段擴展到光波波段，以激光束代替微波，投向被測目標，依據目標上大量的反射光線獲得被測目標的空間坐標及位置。

數字攝影測量系統是建立在攝影測量數字成像圖像處理和精密測量原理基礎上的新型精密測量技術，其采用類似于經緯儀系統的空間交匯三角測量模型，基于高性能數字成像器件作為傳感元件，在不同空間位置對被測物體拍攝2張以上的照片，結合圖像處理及模式識別技術實現對目標物體被測點的自動識別瞄準和角度測量，計算出被測物體測量點的三維空間坐標，獲得被測物的曲面結構、外形尺寸和相對位置等信息。

為全面評價常用數字化測量設備的特點，本文從測量精度、測量范圍、應用范圍、操作性、設備成熟度、價格和行業(yè)普及度等7個方面進行分析，其結果見表1。

表1　常用數字化設備對比分析表

根據表1可知，激光跟蹤儀、激光雷達和數字攝影測量系統均能滿足機身部件對接面外形測量要求，但綜合考慮設備操作性、價格及行業(yè)普及度，本文選定數字攝影測量系統作為研究的主要設備。

2測量方案設計

本文選定的飛機部件外形測量工序為飛機部件總裝工序完成后，但在下架前，其方案可以定義為基于空間定位的飛機部件外形數字化測量方法(見圖1)，具體包含如下5個方面。

1)在被測飛機部件裝配夾具上設置坐標系基準點，包括TB點(工裝地標點)和ERS點(增強坐標系統點)，坐標系基準點能夠包容被測飛機部件最大外形。

2)在被測飛機部件對接面外形上，使用數字攝影測量系統反光標記點，設置數據采集點。

3)選取其中4個數據采集點作為公共測量點，要求4個公共測量點形成2條基準測量尺，基準測量尺長度應盡量接近被測飛機機身的最大直徑。

4)通過激光跟蹤儀采集坐標系基準點數據，建立與飛機設計坐標系統的工作坐標系。在工作坐標系下，通過激光跟蹤儀采集已選定的公共測量點數據，實現坐標轉換。

5)采用三維數字攝影測量系統對被測飛機外形上的數據采集點進行環(huán)繞拍攝。通過虛擬基準測量尺，還原并定位由三維數字攝影測量系統采集的被測飛機部件對接面外形測量點數據。在專業(yè)圖像處理軟件中與飛機設計三維模型進行比較，形成飛機部件對接面外形測量結果。

圖1　測量方案示意圖

3測量流程設計

采用基于空間定位的飛機部件外形數字化測量方法，可以方便地獲取飛機表面三維數據，其基本測量流程如圖2所示。

圖2　測量流程圖

其關鍵是根據所需測量的部件特點，預先制定出測量計劃，測量計劃中一般包括如下內容。

1)可測性分析。應盡量選取可表征機體特征，又目視可測的特征點作為測量點，如特征點非常重要，而又不能目視可測，則需要根據特征點的位置特征將其設計為轉站可測點或關節(jié)臂配合可測點。

2)測量設備的放置方式和高度。應使所確定的被測特征點盡可能都成為單一位置目視可測點和轉站可測點，以盡量減少測量過程中的設備移動；另外，還應考慮測量設備與被測物的距離，盡量減小測量誤差。

4測量坐標系轉換模型建立

基于空間定位的飛機部件外形數字化測量方法，關鍵點在于實現測量坐標系(數字化攝像系統建立的1#坐標系)轉換至飛機坐標系(激光跟蹤儀建立的0#坐標系)；因此，首先應解決的是求出2個坐標系之間的轉換關系，即應求出Δx0、Δy0、Δz0和A。解決這個問題的辦法就是借助公共測量點。下述分析借助3個公共測量點在n個坐標系下的坐標值進行轉站測量的方法。

圖3　公共測量點坐標變換示意圖

公共測量點的坐標變換原理如圖3所示，在圖3中，0#原坐標系為飛機坐標系，1#新坐標系為測量坐標系，B、C、D為3個公共測量點，在2個坐標系下分別測量其空間三維坐標。

(1)

轉換矩陣A中的元素aij是2個坐標系中坐標軸單位矢量之間的關系的待定參量，A為：

(2)

設公共測量點B在0#坐標系下的坐標為B0(xb0，yb0，zb0)，在1#坐標系下的坐標為B1(xb1，yb1，zb1)，坐標變換公式為：

(3)

將式1代入式3，整理得：

(4)

即：

(5)

設其他2個公共測量點C和D在0#坐標系下的坐標為C0(xc0，yc0，zc0)和D0(xd0，yd0，zd0)，在1#坐標系下的坐標為C1(xc1，yc1，zc1)和D1(xd1，yd1，zd1)，將它們帶入式5中可得：

(6)

將式5和式6聯立，可求得A矩陣中的9個參數。由此可知，空間中任意一點從0#坐標系轉換到1#坐標系下的公式為：

(7)

5工程驗證

針對某型機機身外形測量，采用基于空間的定位的飛機部件外形測量方法，共采集了外形測量點3 370個，其檢測結果通過專業(yè)軟件處理，并對比技術標準，得到了誤差分析圖(見圖4)。通過分析誤差產生的原因，工程技術人員找到了飛機制造過程中待改進的環(huán)節(jié)，從而在后續(xù)提升了飛機的制造質量。

圖4　誤差分析圖

6結語

近年來，國內在飛機數字化測量技術上的研究處于快速發(fā)展階段，并形成了一些典型應用案例。在此基礎上，建議國內各航空制造企業(yè)借力當前各型飛機快速研制，通過與國內大學院校和科研院所合作，突破關鍵核心技術，以縮小與國際先進水平的差距，從而推動我國航空制造業(yè)技術水平的不斷發(fā)展。

參考文獻

[1] 胡愈剛，孫安全，王曉平，等.飛機蒙皮數字化制造技術應用研究[J].新技術新工藝，2014(10):19-22.

[2] 黃桂平,欽桂勤.大尺寸三坐標測量方法與系統[J]. 宇航計測技術，2007(4):15-19.

[3] 吳曉峰,張國雄.室內GPS測量系統及其在飛機裝配中的應用[J].航空精密制造技術，2006(5):33-36.

責任編輯鄭練

The Research on Digital Measuring of Aircraft Components Shape

NIU Runjun

(AVIC Aircraft Co., Ltd., Hanzhong 723213, China)

Abstract：Aiming at the problems of traditional aircraft components shape measurement, analyze the characteristics of the current digital measuring equipment, and choice the measurement equipment to digital photogrammetry equipment while supplemented by laser tracker. Then propose a new method for measuring of aircraft components shape, and introduce the detailed technical scheme and measurement process. Engineering technicians have improved the level of the link of aircraft manufacturing.

Key words:aircraft, components shape, digital measuring

收稿日期：2015-05-18

作者簡介：牛潤軍(1980-)，男，高級工程師，主要從事飛機裝配技術、制造過程信息化管理等方面的研究。

中圖分類號：V 262.4+4

文獻標志碼:A