大尺寸精密測量技術(shù)及其應(yīng)用*

杜福洲，文 科

（北京航空航天大學(xué)機械工程及自動化學(xué)院，北京100191）

隨著我國高精密大型工業(yè)的快速發(fā)展，特別是在航空航天、船舶和機械制造等領(lǐng)域，產(chǎn)品尺寸不斷增大，復(fù)雜程度日益提高，自動化水平迅猛發(fā)展，需要對各類大型工件進行精密位置測量，甚至是動態(tài)的姿態(tài)測量[1-4]。以飛機制造領(lǐng)域為例，大尺寸精密測量技術(shù)已成為最主要的檢測手段。國外航空制造企業(yè)，如波音、空客、洛克希德·馬丁、羅·羅等，其大尺寸精密測量技術(shù)的應(yīng)用已由關(guān)鍵零部件的離線檢測發(fā)展到貫穿于制造和裝配的檢測過程控制和故障維護等全過程的在線自動化測量，測量依據(jù)也由二維圖樣發(fā)展為三維CAD模型[5-7]。因此，大尺寸精密測量技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)前制造領(lǐng)域研究的熱點問題。

大尺寸精密測量技術(shù)主要基于高精度、高效率的數(shù)字化測量系統(tǒng)，如三坐標(biāo)測量機、激光跟蹤儀、室內(nèi)GPS等[8-10]，不同的數(shù)字化測量系統(tǒng)測量原理、測量方法和測量范圍等不同。國外企業(yè)與研究者通過應(yīng)用大尺寸精密測量技術(shù)，很大幅度提高了測量準(zhǔn)確度和測量效率，進而提高了裝配精度和裝配質(zhì)量[11]。而國內(nèi)對大尺寸精密測量技術(shù)的應(yīng)用還處于初級階段，缺乏對大尺寸精密測量技術(shù)應(yīng)用的深入研究和系統(tǒng)分析[12]。因此，本文在分析歸納各種數(shù)字化測量系統(tǒng)的測量原理及功能基礎(chǔ)上，揭示大尺寸精密測量技術(shù)在數(shù)字化裝配過程中的重要作用，梳理總結(jié)了多測量系統(tǒng)集成與數(shù)據(jù)融合、測量輔助裝配、基于模型的測量規(guī)劃與質(zhì)量保證及面向任務(wù)的測量不確定度分析關(guān)鍵應(yīng)用技術(shù)，為大尺寸精密測量技術(shù)的應(yīng)用提供參考。

數(shù)字化測量系統(tǒng)

目前，針對大尺寸精密測量，先進的數(shù)字化測量系統(tǒng)主要有三坐標(biāo)測量機、關(guān)節(jié)測量臂、激光跟蹤儀、室內(nèi)GPS、激光雷達(dá)、數(shù)字化攝影測量等。根據(jù)接觸式測量與非接觸式測量方式將現(xiàn)有數(shù)字化測量系統(tǒng)進行分類，分析對比幾種主要參數(shù)，結(jié)果如表1所示。

（1）三坐標(biāo)測量機。

三坐標(biāo)測量機是采用3條平直導(dǎo)軌構(gòu)成1個正交坐標(biāo)系，測頭沿導(dǎo)軌運動實現(xiàn)對目標(biāo)點空間三維坐標(biāo)的測量。多用于復(fù)雜型面檢測、工夾具測量、研制過程中間測量、CNC機床或柔性生產(chǎn)線在線測量等[13-15]。目前世界上三坐標(biāo)測量機制造商中?？怂箍档氖袌稣加新首畲?。

（2）關(guān)節(jié)測量臂。

通過關(guān)節(jié)臂長度和角度信息計算得到目標(biāo)點坐標(biāo)值。它能夠克服許多正交坐標(biāo)測量機存在的局限性，具有量程大、體積小、重量輕等優(yōu)點，目前仍以6自由度的關(guān)節(jié)測量臂為主[15-16]。關(guān)節(jié)測量臂比較有影響的制造商有FARO、CimCore和ROMER。

（3）激光跟蹤儀。

通過激光干涉測距和相互垂直的高精度編碼器測角，并配合球棱鏡等合作目標(biāo)進行接觸式測量，然后根據(jù)極坐標(biāo)測量原理計算出目標(biāo)點的空間三維坐標(biāo)，如圖1所示為激光跟蹤儀測量原理圖[17-18]。目前世界上激光跟蹤儀主要由3大制造商Leica、API、FARO 制造，典型的產(chǎn)品有Leica AT901、FARO IO、API T3、ATI Radian等，國內(nèi)目前是空白。

（4）室內(nèi)GPS。

建立三維坐標(biāo)系，利用三角測量原理通過紅外線測量獲得目標(biāo)點坐標(biāo)值。圖2所示為發(fā)射器發(fā)射扇形光束與接受器接收信號時序圖[19-20]。發(fā)射器發(fā)射3路光束信號，分別是兩路繞發(fā)射器旋轉(zhuǎn)的扇形光束信號和一路LED脈沖信號，通過接收器接收到信號的時間參數(shù)，即可求解被測點水平方位角和垂直方位角。接收器接收兩個及以上發(fā)生器信號，利用三角測量原理計算目標(biāo)點的空間三維坐標(biāo)。目前國外制造商為Metric（現(xiàn)屬于Nikon Metrology）公司，國內(nèi)天津大學(xué)也開展了類似室內(nèi)GPS系統(tǒng)的研制。

（5）激光雷達(dá)。

激光雷達(dá)是在球坐標(biāo)系下通過外測激光與內(nèi)置光纖信號的頻率差異，計算被測點距離，通過角度編碼器獲取偏轉(zhuǎn)角度，實現(xiàn)目標(biāo)點空間三維坐標(biāo)的測量[21]，具有快速點測量、外形掃描測量、自動非接觸測量等功能，測量精度、分辨能力和抗干擾性能好，測量范圍大，有一定的便攜性。激光雷達(dá)由Metric公司開發(fā)，并推廣到航空航天領(lǐng)域應(yīng)用。

（6）數(shù)字化攝影測量。

通過非接觸測量獲取被攝對象信息，從多個位置和角度拍攝一定數(shù)量的數(shù)字像片，然后由計算機軟件自動處理（標(biāo)志點圖像中心自動定位、自動匹配、自動拼接和自動平差計算）得到標(biāo)志點的空間三維坐標(biāo)。該技術(shù)具有非接觸測量、適應(yīng)性好、便攜性好、技術(shù)成熟、較高精度等優(yōu)點。但是其缺點是容易受到外界環(huán)境和光源的干擾，且當(dāng)被測目標(biāo)數(shù)量增加時，數(shù)據(jù)處理過程復(fù)雜性提高，延長數(shù)據(jù)處理時間，測量實時性難以保證[22]。數(shù)字化攝影測量系統(tǒng)主要有美國GSI公司的V-STARS系統(tǒng)和德國AICON 3D公司的DPA-Pro系統(tǒng)等。

表1 大尺寸空間數(shù)字化測量系統(tǒng)對比

圖1 激光跟蹤儀測量原理圖Fig.1 Measurement principle diagram of laser tracker

圖2 室內(nèi)GPS測量原理圖Fig.2 Measurement principle diagram of indoor GPS

圖3 測量與裝配集成理論框架Fig.3 Integrated theoretical framework of measurement and assembly

大尺寸精密測量與裝配集成

隨著大尺寸精密測量技術(shù)的發(fā)展，測量過程已融入到產(chǎn)品裝配過程中，實現(xiàn)全數(shù)字量的高精度、高效率裝配過程。測量與裝配的集成不是僅將測量環(huán)節(jié)與裝配操作簡單地組合在一起，而是涉及到產(chǎn)品設(shè)計、工藝、制造、裝配、檢測等多個環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)整合與過程融合。Maropolous在提出的數(shù)字化企業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)上，提出了以測量工藝模型為核心的面向測量與裝配集成的理論框架，實現(xiàn)了裝配仿真、公差分析以及測量輔助裝配執(zhí)行各個環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)與過程集成，如圖3所示[23-24]。該框架從概念上探討了測量過程模型應(yīng)具備的特性，以及測量與裝配集成的兩類過程：虛擬的設(shè)計-裝配-驗證過程和物理的設(shè)計-裝配-測量-自動化過程。

作者在研究分析裝配和信息技術(shù)發(fā)展基礎(chǔ)上，提出基于關(guān)鍵測量特性的測量驅(qū)動裝配理論方法模型，模型實現(xiàn)了測量與裝配的集成。該集成不僅是測量技術(shù)與測量過程的應(yīng)用，還包括測量理念、測量數(shù)據(jù)、測量方法在產(chǎn)品設(shè)計、工藝以及裝配過程中的融合，如圖4所示[25]。產(chǎn)品設(shè)計階段，圍繞大尺度產(chǎn)品裝配關(guān)鍵測量特性的識別與提取，實現(xiàn)產(chǎn)品三維設(shè)計過程、裝配設(shè)計過程與數(shù)字化測量規(guī)劃過程的并行協(xié)同；產(chǎn)品預(yù)裝配階段，實現(xiàn)裝配過程的可視化仿真和基于數(shù)據(jù)的可裝配性分析；產(chǎn)品實際裝配階段，伺服控制的柔性工裝、高精度高效率的數(shù)字化測量系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)處理與分析系統(tǒng)共同構(gòu)成大尺寸數(shù)字化/自動化裝配平臺，實現(xiàn)測量驅(qū)動裝配。

多測量系統(tǒng)集成與數(shù)據(jù)融合

通過多測量系統(tǒng)的集成應(yīng)用，可以對裝配過程中各部件進行全方位一次測量，包括隱藏點和難測的關(guān)鍵點等，減少測量盲區(qū)、提高測量效率、降低測量誤差，從而保證裝配質(zhì)量。文獻[26]介紹了面向柔性裝配的多測量系統(tǒng)集成應(yīng)用框架，給出了多源異構(gòu)測量數(shù)據(jù)融合技術(shù)涉及的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換技術(shù)和基于濾波的融合算法。文獻[27]介紹了多數(shù)字化測量系統(tǒng)協(xié)同進行飛機數(shù)字化測量，給出了多傳感器融合的測量網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方法。多測量系統(tǒng)集成應(yīng)用以數(shù)字化測量設(shè)備為基礎(chǔ)，以高效率、高精度的裝配過程數(shù)據(jù)采集與反饋為目的，著重分析多測量系統(tǒng)測量過程的協(xié)同、多源異構(gòu)測量數(shù)據(jù)的融合，其具體實現(xiàn)技術(shù)如圖5所示。

不同數(shù)字化測量系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)則、數(shù)據(jù)格式等不一樣。以基于模型的統(tǒng)一測量數(shù)據(jù)集表示與互操作為基礎(chǔ)，首先應(yīng)實現(xiàn)數(shù)字化測量系統(tǒng)測量過程的協(xié)同，主要包括測量系統(tǒng)的建模、仿真與布局優(yōu)化，測量工藝過程規(guī)劃、仿真與優(yōu)化。其次，應(yīng)實現(xiàn)多測量系統(tǒng)的測量數(shù)據(jù)融合。在多種數(shù)字化測量系統(tǒng)協(xié)同工作時，共同構(gòu)建的數(shù)字化測量場將產(chǎn)生多源、異構(gòu)數(shù)據(jù)，且在不穩(wěn)定狀態(tài)下測量時，易產(chǎn)生壞點、無效的數(shù)據(jù)。再次，對測量系統(tǒng)不確定度進行分析，并構(gòu)建測量系統(tǒng)工藝能力知識庫，為測量系統(tǒng)測量過程協(xié)調(diào)與數(shù)據(jù)融合提供支撐。最后，實現(xiàn)測量輔助裝配的姿態(tài)控制。

測量數(shù)據(jù)的多源性是指，對于多種類型或多個測量系統(tǒng)共同構(gòu)建的測量場而言，同一目標(biāo)點的坐標(biāo)測量數(shù)據(jù)來源于不同的測量設(shè)備，即相對于不同的基準(zhǔn)坐標(biāo)系；測量數(shù)據(jù)的異構(gòu)性是指測量場中的各個測量設(shè)備在裝配現(xiàn)場復(fù)雜環(huán)境下采集的數(shù)據(jù)并非等精度數(shù)據(jù)，在進行坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換與統(tǒng)一的過程中，需要考慮到不同來源的測量數(shù)據(jù)的精度權(quán)重，不僅實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)本身的融合，同時也實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)精度的融合。如圖6所示為多數(shù)字化測量系統(tǒng)應(yīng)用于飛機艙段對接，采用室內(nèi)GPS作為反饋信號，引導(dǎo)機器人調(diào)整位姿進行艙段對接，激光雷達(dá)進行測量補償[28]。文獻[29]介紹一種多測量系統(tǒng)集成應(yīng)用方法，考慮了不同性質(zhì)傳感器的測距與測角的不確定度，實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的融合。與經(jīng)典測量方法進行對比，總結(jié)該應(yīng)用方法的優(yōu)點，如圖7所示為激光跟蹤儀與數(shù)字化攝影測量合作測量。

圖4 基于關(guān)鍵測量特性的測量驅(qū)動裝配理論方法模型Fig.4 Theoretical methodology model of measurement assisted assembly based on key measurement characteristics

測量輔助裝配

測量輔助裝配是大尺寸精密測量技術(shù)在產(chǎn)品數(shù)字化裝配中的重要應(yīng)用，它綜合應(yīng)用產(chǎn)品數(shù)字化定義、數(shù)字化模擬仿真、自動跟蹤測量、自動控制和機械隨動定位等技術(shù)，利用數(shù)字化測量系統(tǒng)對裝配部件位姿測量特征點跟蹤測量，并指導(dǎo)部件進行調(diào)姿，完成裝配[30]。測量輔助裝配過程，裝配關(guān)系數(shù)據(jù)模型和數(shù)據(jù)處理與分析算法始終貫穿于產(chǎn)品數(shù)字化裝配的各個階段，實現(xiàn)數(shù)據(jù)在裝配過程中的傳遞。裝配中涉及的數(shù)據(jù)、算法與操作過程是相互融合與支撐的關(guān)系，如圖8所示。

數(shù)字化裝配過程的原始數(shù)據(jù)為測量目標(biāo)點在各個坐標(biāo)系下的坐標(biāo)測量值與理論值，所有的坐標(biāo)數(shù)據(jù)構(gòu)成一個原始數(shù)據(jù)池，首先基于相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理算法進行預(yù)處理和整合，得到關(guān)鍵測量特性數(shù)據(jù)集，進而得到裝配關(guān)系數(shù)據(jù)模型；然后，通過對裝配關(guān)系數(shù)據(jù)模型的分析與求解，為數(shù)字化裝配過程提供驅(qū)動數(shù)據(jù)或決策指導(dǎo)。根據(jù)其處理的數(shù)據(jù)類型和作用，將核心算法分為數(shù)字化測量場構(gòu)建類算法、測量數(shù)據(jù)預(yù)處理類算法、裝配關(guān)系分析類算法和裝配執(zhí)行與控制類算法。

圖9所示為空客A380機身段對接中使用激光雷達(dá)MV260精確測量對接艙段上連接位置，使用Brunson公司的升降支架進行機身艙段位姿調(diào)整，數(shù)據(jù)處理后，在SA軟件中顯示了墊片實際位置以及偏差。

圖5 多測量系統(tǒng)集成及數(shù)據(jù)融合基本架構(gòu)Fig.5 Basic framework for integrating the multiple measurement systems and data fusion

圖6 應(yīng)用于飛機艙段對接的多數(shù)字化測量系統(tǒng)Fig.6 Multiple measurement systems applied in the alignment of aircraft component

圖7 激光跟蹤儀與數(shù)字化攝影測量合作測量Fig.7 Cooperation measurement of laser tracker and digital photogrammetry

基于模型的檢測規(guī)劃與質(zhì)量保證

為提高和保證產(chǎn)品質(zhì)量，對產(chǎn)品零部件實施質(zhì)量檢測是必不可少的環(huán)節(jié)。而在實施零部件檢測前，制定合理的檢測規(guī)劃尤為重要。檢測規(guī)劃是保證零部件檢測過程、檢測步驟、檢測方法、檢測工具等一致性與有效性的重要手段，通過制定合理的檢測工藝順序、明確檢測對象和檢測要求，為零部件現(xiàn)場檢測提供指導(dǎo)和依據(jù)[31]?；谌S模型的檢測規(guī)劃信息直接來源于設(shè)計數(shù)模或工藝數(shù)模，同時也將消除以往檢測工藝二義性、檢測規(guī)劃與設(shè)計更改不同步等問題。驅(qū)動數(shù)字化測量系統(tǒng)執(zhí)行檢測任務(wù)，可以實現(xiàn)數(shù)字化檢測與設(shè)計、制造的有效銜接，提高和保證產(chǎn)品質(zhì)量。

為保證數(shù)字化檢測技術(shù)得以充分發(fā)揮，作者提出了基于模型的檢測規(guī)劃與質(zhì)量保證的基本架構(gòu)，如圖10所示。該架構(gòu)分為計算機輔助三維檢測規(guī)劃和檢測數(shù)據(jù)與業(yè)務(wù)管理，通過構(gòu)建三維檢測統(tǒng)一模型，實現(xiàn)兩部分間的有效集成。

計算機輔助三維檢測規(guī)劃建立在三維建模軟件基礎(chǔ)之上，讀取從三維設(shè)計系統(tǒng)或三維工藝系統(tǒng)中得到的產(chǎn)品模型后進行檢測規(guī)劃。根據(jù)對檢測特征的研究，可以從產(chǎn)品模型中獲得檢測需求，包括檢測對象、公差值等檢測信息。針對不同檢測需求，選擇合適的檢測方式和檢測工具。依據(jù)檢測工序的先后進行檢測順序規(guī)劃。在檢測對象的幾何表面上進行合理的測點布局，然后進行測量路徑規(guī)劃，最終生成檢測規(guī)程和測量程序。三維檢測統(tǒng)一數(shù)學(xué)模型將檢測模型、輕量化模型、檢測規(guī)程、測量程序、檢測報告等集成在一個統(tǒng)一信息框架中，實現(xiàn)統(tǒng)一、規(guī)范化管理。檢測數(shù)據(jù)與業(yè)務(wù)管理的目的是為了實現(xiàn)數(shù)字化檢測業(yè)務(wù)和檢測信息的統(tǒng)一、規(guī)范化、可追溯管理。對測量數(shù)據(jù)進行分析，對加工誤差進行評定，并生成不同形式的檢測報告。

如圖11所示為配有精密轉(zhuǎn)臺的Leitz坐標(biāo)測量機，經(jīng)檢測規(guī)劃后，對葉盤進行檢測[32]。如圖12所示，文獻[33]針對重復(fù)加工的自由曲面，介紹了一種基于精度檢測規(guī)劃的誤差模型，通過測量較少的點來確定最大誤差位置，以實現(xiàn)高效測量。

圖8 測量輔助裝配中的核心算法及與數(shù)據(jù)、過程間的關(guān)系Fig.8 Relationship among the core algorithm of measurement assisted assembly, data and process

圖9 激光雷達(dá)應(yīng)用于機身段對接Fig.9 Laser radar applied in the alignment of fuselage

圖10 基于模型的檢測規(guī)劃與質(zhì)量保證Fig.10 Inspection planning and quality assurance based on model

面向任務(wù)的測量不確定度分析

傳統(tǒng)的測量方式，測量結(jié)果的評價直觀可信。但對于坐標(biāo)測量來說，測量結(jié)果的評價較抽象，不易令人信服。測量不確定度理論是在傳統(tǒng)的誤差理論上發(fā)展起來的更加科學(xué)的評價測量結(jié)果質(zhì)量的一種理論。它是一個與測量結(jié)果相關(guān)聯(lián)的，表征被測量之合理賦值的分散程度的參量，是一個統(tǒng)計學(xué)的概念，同樣也是數(shù)字化測量系統(tǒng)的固有屬性。在面向具體任務(wù)的測量不確定度分析，不僅僅是各個不確定度影響因素的簡單疊加，而是根據(jù)其對任務(wù)的影響程度和因素之間的相關(guān)性具有一定的傳遞規(guī)律。國防科技大學(xué)的楊景照描述了面向任務(wù)的測量不確定分析方案，在現(xiàn)有不確定度評估方法的基礎(chǔ)上，提出了基于測量過程仿真的測量不確定度Monte Carlo評估方法以及基于灰色理論和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的不確定度評估方法，如圖13所示[34]。

在測量數(shù)據(jù)預(yù)處理階段，可以按照相應(yīng)的方法補償或消減確定性系統(tǒng)誤差或者規(guī)律性系統(tǒng)誤差的影響。對于不確定性隨機誤差選取合適的方法評估其測量不確定度。如測量不確定度評估導(dǎo)則（GUM）中的A類評定方法和B類評定方法，ISO11530提出的試驗方法及基于模型的GUM uncertainty framework法和Monte Carlo法。文獻[35]采用蒙特卡洛方法對激光跟蹤儀在多工位分時測量所得的測量結(jié)果給予相應(yīng)的測量不確定度。文獻[36]采用仿真和試驗的方法對三坐標(biāo)測量機的測量不確定度進行評估。文獻[37]介紹了測量輔助飛機大部件裝配過程中的位姿測量不確定度數(shù)學(xué)定義、解析算法及不確定源的分析。API激光跟蹤儀T3跟蹤測量機床主軸運動，采集空間點的三維坐標(biāo)，而后通過空間誤差檢定及補償技術(shù)完成大型5軸、6軸機床的調(diào)校工作[38]。

圖11 配有精密轉(zhuǎn)臺的Leitz坐標(biāo)測量機檢測葉盤Fig.11 Blisk inspected by coordinate measuring machine Leitz equipped with precise turntable

圖12 基于CMM檢測規(guī)劃的自由曲面最大誤差測量Fig.12 Maximum error measurement for freeform surface based on CMM

圖13 面向任務(wù)的測量不確定度分析Fig.13 Uncertainty analysis of the task-oriented measurement

結(jié)束語

大尺寸精密測量技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)前制造領(lǐng)域研究的熱點問題，但廣泛應(yīng)用中的核心關(guān)鍵技術(shù)尚處在積累階段，需要不斷的應(yīng)用驗證。數(shù)字化測量系統(tǒng)正朝著便攜、網(wǎng)絡(luò)、高效、精密方向發(fā)展，大尺寸精密測量技術(shù)也已從單一技術(shù)走向多傳感器技術(shù)的融合。本文在分析大尺寸精密測量技術(shù)與數(shù)字化裝配過程的集成應(yīng)用基礎(chǔ)上，給出了多測量系統(tǒng)集成應(yīng)用及數(shù)據(jù)融合基本架構(gòu)，介紹了測量輔助裝配中的核心算法及與數(shù)據(jù)、過程間的關(guān)系，提出了基于模型的檢測規(guī)劃與質(zhì)量保證的基本架構(gòu)，總結(jié)了面向任務(wù)的測量不確定分析方法，為大尺寸精密測量技術(shù)的工程應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

相對于國外比較成熟的研究、開發(fā)和應(yīng)用大尺寸精密測量技術(shù)，國內(nèi)應(yīng)在大尺寸精密測量技術(shù)的應(yīng)用原理、應(yīng)用方法和關(guān)鍵技術(shù)上做更廣泛、更深入的研究。未來多數(shù)字化測量系統(tǒng)協(xié)同工作，構(gòu)建大尺寸數(shù)字化測量場，將帶動我國高精密大型工業(yè)生產(chǎn)模式的變革，增強我國制造業(yè)的國際競爭力。

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