關(guān)于數(shù)字化測(cè)量技術(shù)在飛機(jī)裝配中的應(yīng)用探析

李星辰

中航飛機(jī)股份有限公司漢中飛機(jī)分公司 陜西 漢中 723213

引言

飛機(jī)裝配質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)，已經(jīng)由傳統(tǒng)的模擬量測(cè)量法，轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字化組合測(cè)量法。其主要是利用激光跟蹤儀與關(guān)節(jié)臂測(cè)量?jī)x的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)測(cè)量對(duì)象進(jìn)行掃描，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息收集以及質(zhì)量檢測(cè)評(píng)估。隨著飛機(jī)制造從模擬量傳遞到數(shù)字量傳遞的轉(zhuǎn)變，以激光跟蹤儀、激光雷達(dá)、攝影測(cè)量和激光掃描為代表的數(shù)字化測(cè)量手段在飛機(jī)制造中扮演著越來(lái)越重要的角色。

1 飛機(jī)項(xiàng)目設(shè)計(jì)過(guò)程監(jiān)視與測(cè)量方法研究

①首先將飛機(jī)項(xiàng)目設(shè)計(jì)過(guò)程識(shí)別為需要監(jiān)視與測(cè)量的過(guò)程，飛機(jī)項(xiàng)目設(shè)計(jì)過(guò)程還包含項(xiàng)目策劃、頂層設(shè)計(jì)、初步設(shè)計(jì)、詳細(xì)初步設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)等子過(guò)程。②過(guò)程能力預(yù)訂目標(biāo)即為設(shè)計(jì)輸出滿足設(shè)計(jì)輸入的要求，實(shí)現(xiàn)方法合理、經(jīng)濟(jì)、良好的繼承性及完成規(guī)定的活動(dòng)。③規(guī)定飛機(jī)項(xiàng)目設(shè)計(jì)過(guò)程監(jiān)視與測(cè)量的人員、部門和職責(zé)?？蓪⒃O(shè)計(jì)過(guò)程的監(jiān)視與測(cè)量活動(dòng)視為產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程的檢驗(yàn)，可分別設(shè)置設(shè)計(jì)人員自檢及質(zhì)量管理人員專檢，或單獨(dú)開(kāi)展，或結(jié)合開(kāi)展，對(duì)于重要的過(guò)程特別是關(guān)聯(lián)關(guān)系復(fù)雜、重要度高的，檢驗(yàn)必須通過(guò)組織的形式獨(dú)立開(kāi)展。④分析影響過(guò)程能力的因素，確定監(jiān)視與測(cè)量的項(xiàng)目，確定對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程能力造成影響的因素，應(yīng)該列為監(jiān)視與測(cè)量項(xiàng)目的有：設(shè)計(jì)策劃的完整及可預(yù)測(cè)性；設(shè)計(jì)輸入的完整性（涉及各子過(guò)程）；設(shè)計(jì)輸出與設(shè)計(jì)輸入的符合性（涉及各子過(guò)程）；設(shè)計(jì)評(píng)審的充分性（涉及各子過(guò)程）；評(píng)審問(wèn)題的落實(shí)；設(shè)計(jì)驗(yàn)證的充分性及驗(yàn)證問(wèn)題的落實(shí)等。⑤確定監(jiān)視與測(cè)量的方法、工具，例如，檢查、評(píng)審。產(chǎn)品檢驗(yàn)要根據(jù)產(chǎn)品規(guī)范編制檢驗(yàn)規(guī)程和檢驗(yàn)記錄單，飛機(jī)項(xiàng)目設(shè)計(jì)過(guò)程監(jiān)視與測(cè)量也根據(jù)各設(shè)計(jì)階段應(yīng)完成的任務(wù)編制相應(yīng)的監(jiān)視與測(cè)量要求及監(jiān)視與測(cè)量用表。⑥確定監(jiān)視與測(cè)量的頻次，就像在產(chǎn)品加工流程中設(shè)置了檢驗(yàn)工序一樣，在飛機(jī)項(xiàng)目研制網(wǎng)絡(luò)圖中設(shè)置了評(píng)審點(diǎn)。

2 多系統(tǒng)協(xié)同測(cè)量平臺(tái)框架設(shè)計(jì)

2.1 基本定義

2.1.1 多系統(tǒng)協(xié)同。本文中的“多系統(tǒng)協(xié)同”包含系統(tǒng)級(jí)協(xié)同、數(shù)據(jù)級(jí)協(xié)同、現(xiàn)場(chǎng)級(jí)協(xié)同三層含義?！跋到y(tǒng)級(jí)協(xié)同”是為完成某一測(cè)量任務(wù)采用多系統(tǒng)共同測(cè)量獲取測(cè)量數(shù)據(jù)，以達(dá)到提高測(cè)量準(zhǔn)確度和測(cè)量效率的目的。面向測(cè)量系統(tǒng)的“系統(tǒng)級(jí)協(xié)同”是指多臺(tái)多種類數(shù)字化測(cè)量系統(tǒng)（激光跟蹤儀、激光雷達(dá)、室內(nèi)GPS、激光掃描儀、攝影測(cè)量系統(tǒng)等）共同完成測(cè)量任務(wù)，獲取統(tǒng)一基準(zhǔn)下的測(cè)量數(shù)據(jù)?！皵?shù)據(jù)級(jí)協(xié)同”是為充分利用多系統(tǒng)測(cè)量數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)融合手段合理給出測(cè)量結(jié)果及其評(píng)價(jià)。面向測(cè)量數(shù)據(jù)的“數(shù)據(jù)級(jí)融合”是指將測(cè)量設(shè)備數(shù)據(jù)、產(chǎn)品模型及參數(shù)等數(shù)據(jù)通過(guò)測(cè)量方案規(guī)劃、測(cè)量數(shù)據(jù)分析等手段進(jìn)行融合，給出數(shù)據(jù)結(jié)果及其評(píng)價(jià)，達(dá)到數(shù)據(jù)合理有效利用。

2.1.2 測(cè)量平臺(tái)。測(cè)量平臺(tái)將數(shù)字化制造積累的大量數(shù)據(jù)按照三維模型相關(guān)定義進(jìn)行分類管理和分類利用，其具體含義包括：以三維設(shè)計(jì)模型作為系統(tǒng)協(xié)同幾何量測(cè)量的核心實(shí)施依據(jù)，完成關(guān)鍵特征參量等測(cè)量信息的定義和分析。借助數(shù)字化的手段，以三維可視化環(huán)境為操作載體，以數(shù)據(jù)庫(kù)為信息載體，通過(guò)構(gòu)建一系列標(biāo)準(zhǔn)化的系統(tǒng)模型、數(shù)據(jù)接口、數(shù)據(jù)模型和算法、軟件模塊，可支持多種測(cè)量設(shè)備及其測(cè)量數(shù)據(jù)模型的導(dǎo)入，對(duì)測(cè)量方案設(shè)計(jì)、多種測(cè)量系統(tǒng)及數(shù)據(jù)模型基準(zhǔn)統(tǒng)一、測(cè)量系統(tǒng)與測(cè)量任務(wù)耦合、虛擬仿真、測(cè)量數(shù)據(jù)分析及有效利用、測(cè)量結(jié)果評(píng)價(jià)、測(cè)量文件管理等環(huán)節(jié)進(jìn)行組織和融合，將分散的測(cè)量系統(tǒng)、校準(zhǔn)裝置、輔助工藝裝備、數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)等硬件單元串聯(lián)起來(lái)，形成一個(gè)面向任務(wù)的綜合性幾何量測(cè)量平臺(tái)。

2.2 平臺(tái)框架

用于飛機(jī)數(shù)字化制造裝配的多系統(tǒng)協(xié)同幾何量測(cè)量平臺(tái)應(yīng)包含三維模型定義模塊、多系統(tǒng)協(xié)同測(cè)量規(guī)劃與仿真模塊、多系統(tǒng)協(xié)同測(cè)量控制模塊、多系統(tǒng)協(xié)同測(cè)量數(shù)據(jù)管理模塊、多系統(tǒng)協(xié)同測(cè)量數(shù)據(jù)分析模塊以及數(shù)據(jù)庫(kù)?；谠O(shè)計(jì)的三維定義理論模型，多系統(tǒng)協(xié)同測(cè)量規(guī)劃與仿真模塊可完成大型部件數(shù)字化檢測(cè)所需的測(cè)量方案制定。在此基礎(chǔ)上，多系統(tǒng)協(xié)同測(cè)量控制模塊控制激光跟蹤儀、激光雷達(dá)、激光掃描儀、室內(nèi)GPS及攝影測(cè)量系統(tǒng)與測(cè)量輔助設(shè)備協(xié)同動(dòng)作，完成大部件柔性協(xié)同測(cè)量。測(cè)量實(shí)施過(guò)程中數(shù)據(jù)信息由多系統(tǒng)協(xié)同測(cè)量數(shù)據(jù)管理模塊和多系統(tǒng)協(xié)同測(cè)量數(shù)據(jù)分析模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，并集中在數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)管理。

3 平臺(tái)各模塊的主要功能

3.1 三維模型定義模塊

基于CATIA三維環(huán)境，將幾何關(guān)鍵特征在三維模型中進(jìn)行可視化表達(dá)，并定義和組織其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)三維模型中待測(cè)幾何特征的快速提取、測(cè)量信息標(biāo)注與顯示。該模塊主要功能描述如下：①關(guān)鍵幾何特征提取功能能夠提取設(shè)計(jì)模型幾何信息并定義曲面、平面、邊界等基本幾何單元，構(gòu)建基本幾何特征提取模板，實(shí)現(xiàn)基于模板的關(guān)鍵幾何特征快速識(shí)別。②特征離散功能依據(jù)不同特征幾何結(jié)構(gòu)、公差要求的差異，將幾何特征結(jié)構(gòu)表征為有限有序的離散點(diǎn)集，為測(cè)量站位規(guī)劃仿真和測(cè)量設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量實(shí)施提供數(shù)據(jù)引導(dǎo)。

3.2 規(guī)劃與仿真模塊

利用規(guī)劃與仿真技術(shù)，通過(guò)測(cè)量站位規(guī)劃、轉(zhuǎn)站路徑規(guī)劃、可達(dá)性測(cè)量、包絡(luò)檢查、站位評(píng)估等手段，解決實(shí)際測(cè)量過(guò)程中依靠人工經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行站位定位引起的準(zhǔn)確度低、效率低下等問(wèn)題，從而輸出滿足測(cè)量要求的測(cè)量站位，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的部件測(cè)量方案構(gòu)建[1]。該模塊主要功能描述如下：①測(cè)量站位規(guī)劃功能以特征數(shù)量與分布、設(shè)備參數(shù)為輸入，結(jié)合聚類算法，完成初始站位的有效劃分。②測(cè)量仿真功能能夠顯示對(duì)各個(gè)測(cè)量區(qū)域下的初始測(cè)量站位進(jìn)行蒙特卡洛仿真。通過(guò)可達(dá)性檢查、包絡(luò)檢查等，仿真并確保單簽站位下所有檢測(cè)對(duì)象可測(cè)；對(duì)關(guān)鍵特征幾何量測(cè)量準(zhǔn)確度和協(xié)同測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)構(gòu)建準(zhǔn)確度進(jìn)行仿真，評(píng)估是否滿足協(xié)同測(cè)量要求。③測(cè)量站位優(yōu)化調(diào)整功能結(jié)合基于仿真的優(yōu)化方法，能夠?qū)Σ粷M足測(cè)量要求的站位給出調(diào)整數(shù)據(jù)集，實(shí)現(xiàn)站位最優(yōu)調(diào)整。

3.3 控制模塊

結(jié)合測(cè)量設(shè)備控制協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)化方法，將測(cè)量控制指令轉(zhuǎn)換為測(cè)量設(shè)備可理解的運(yùn)行指令，合理規(guī)劃測(cè)量設(shè)備的接口，將測(cè)量執(zhí)行指令發(fā)送至對(duì)應(yīng)測(cè)量終端自動(dòng)執(zhí)行，以保證對(duì)系統(tǒng)測(cè)量數(shù)據(jù)的快速準(zhǔn)確傳輸，提供滿足測(cè)量任務(wù)要求的數(shù)據(jù)。該模塊主要功能描述如下[2]：①數(shù)據(jù)統(tǒng)一功能通過(guò)多系統(tǒng)協(xié)同控制接口，將測(cè)量設(shè)備驅(qū)動(dòng)接口，如SA/非SA/輔助設(shè)施（AGV等）進(jìn)行統(tǒng)一，利用數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)議，將測(cè)量終端獲取的點(diǎn)位/點(diǎn)云/圖像/其他數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)格式統(tǒng)一，全面獲取測(cè)量數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)利用價(jià)值。②測(cè)量系統(tǒng)管理功能能夠?qū)崿F(xiàn)多測(cè)量系統(tǒng)組網(wǎng)測(cè)量，進(jìn)行激光跟蹤儀、激光雷達(dá)、室內(nèi)GPS、照相測(cè)量等多系統(tǒng)的添加、刪除、接口分配、任務(wù)分配、數(shù)據(jù)交換以及協(xié)同控制，并實(shí)現(xiàn)各測(cè)量設(shè)備的連接、斷開(kāi)、參數(shù)設(shè)置、手動(dòng)測(cè)量、自動(dòng)測(cè)量等功能。

3.4 數(shù)據(jù)管理模塊

①數(shù)據(jù)采集與處理實(shí)時(shí)收集測(cè)量過(guò)程中產(chǎn)生的業(yè)務(wù)指令、實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)、狀態(tài)信息，通過(guò)在線處理技術(shù)進(jìn)行計(jì)算處理，以可視化信息反饋到服務(wù)終端形成閉環(huán)數(shù)據(jù)鏈。②數(shù)據(jù)維護(hù)與更新具有用戶權(quán)限設(shè)置、數(shù)據(jù)索引添加、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)更新等功能，從而保證數(shù)據(jù)信息實(shí)時(shí)性，提高數(shù)據(jù)利用率。

3.5 數(shù)據(jù)分析模塊[3]

①坐標(biāo)系擬合功能多系統(tǒng)組網(wǎng)測(cè)量時(shí)，支持以不同方式、不同特征引導(dǎo)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法，如點(diǎn)到點(diǎn)、點(diǎn)到平面、直線到直線等，并能直接輸出擬合殘差。②多系統(tǒng)協(xié)同測(cè)量數(shù)據(jù)融合功能可將對(duì)激光跟蹤儀、激光雷達(dá)、室內(nèi)GPS、照相測(cè)量等各自的測(cè)量數(shù)據(jù)統(tǒng)一到全局坐標(biāo)系，實(shí)現(xiàn)多系統(tǒng)測(cè)量數(shù)據(jù)的統(tǒng)一、協(xié)同測(cè)量配置分析與優(yōu)化。③基準(zhǔn)檢測(cè)與維護(hù)功能針對(duì)裝配測(cè)量基準(zhǔn)的偏移問(wèn)題，運(yùn)用基準(zhǔn)點(diǎn)粗差檢測(cè)方法，實(shí)現(xiàn)測(cè)量場(chǎng)景的最優(yōu)構(gòu)建與檢查。④特征間幾何運(yùn)算功能能夠查詢特征間相對(duì)位置關(guān)系，如點(diǎn)間距、點(diǎn)到直線的距離、直線夾角、平面夾角等。

4 系統(tǒng)工作流程

基于整機(jī)測(cè)量站為飛機(jī)整機(jī)裝配質(zhì)量測(cè)量與評(píng)價(jià)提供了一站式的解決方案，主要包括準(zhǔn)備階段、數(shù)據(jù)獲取階段和數(shù)據(jù)處理階段三個(gè)階段[4]。①準(zhǔn)備階段。這個(gè)階段主要包括整機(jī)測(cè)量前期的準(zhǔn)備工作。在測(cè)量之前，首先要進(jìn)行系統(tǒng)的標(biāo)定，確定基站內(nèi)所有相機(jī)的外部參數(shù)，系統(tǒng)標(biāo)定時(shí)需對(duì)標(biāo)定結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)，使其滿足整機(jī)測(cè)量的精度要求。然后將飛機(jī)移動(dòng)至測(cè)量位置并按三點(diǎn)支撐或托架支撐的方式進(jìn)行定位支撐。同時(shí)，根據(jù)飛機(jī)數(shù)模進(jìn)行測(cè)量規(guī)劃，分配每個(gè)掃描儀的測(cè)量區(qū)域并生成對(duì)應(yīng)的測(cè)量路徑控制指令。上述工作就緒之后，系統(tǒng)進(jìn)行初始化，進(jìn)行通信接口的自檢，并將自動(dòng)化測(cè)量設(shè)備移動(dòng)至初始位置。②數(shù)據(jù)獲取階段。準(zhǔn)備工作就緒后，按照規(guī)劃的測(cè)量路徑，將各自動(dòng)化設(shè)備運(yùn)動(dòng)至其設(shè)定的站位點(diǎn)，然后對(duì)該站位點(diǎn)覆蓋的區(qū)域進(jìn)行掃描測(cè)量。同時(shí)，系統(tǒng)軟件同步發(fā)送相機(jī)觸發(fā)指令，基站對(duì)掃描儀的姿態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量和跟蹤。當(dāng)所有區(qū)域完成數(shù)據(jù)掃描之后，自動(dòng)化設(shè)備恢復(fù)至初始位姿，數(shù)據(jù)采集完畢。③數(shù)據(jù)處理階段?；静杉膮⒖键c(diǎn)圖像和掃描儀采集的機(jī)表點(diǎn)云圖像，首先經(jīng)過(guò)三維重建，分別生成參考點(diǎn)和機(jī)表點(diǎn)的三維坐標(biāo)，然后利用基于隨機(jī)抽樣一致性和奇異值分解的坐標(biāo)系配準(zhǔn)方法，將不同測(cè)量站位下的點(diǎn)云數(shù)據(jù)統(tǒng)一至全局坐標(biāo)系下，并進(jìn)行整機(jī)裝配質(zhì)量的評(píng)價(jià)[5]。

5 結(jié)束語(yǔ)

飛機(jī)幾何外形即整機(jī)裝配質(zhì)量，直接影響整體裝備的氣動(dòng)性能、隱身性能以及結(jié)構(gòu)性能，為了更準(zhǔn)確、高效、全面地評(píng)價(jià)飛機(jī)整機(jī)裝配質(zhì)量，本文對(duì)基于整機(jī)測(cè)量站的飛機(jī)整機(jī)裝配質(zhì)量評(píng)價(jià)方法進(jìn)行了研究。對(duì)飛機(jī)項(xiàng)目設(shè)計(jì)過(guò)程中各個(gè)子過(guò)程應(yīng)開(kāi)展的工作進(jìn)行認(rèn)真梳理，識(shí)別過(guò)程的關(guān)鍵和重要點(diǎn)，正確、合理地設(shè)置既滿足質(zhì)量監(jiān)視和測(cè)量的要求，又使設(shè)計(jì)過(guò)程活動(dòng)連續(xù)有效的控制點(diǎn)（監(jiān)視與測(cè)量項(xiàng)目）及控制要求（監(jiān)視與測(cè)量判定準(zhǔn)則），是開(kāi)展設(shè)計(jì)過(guò)程監(jiān)視與測(cè)量的關(guān)鍵。通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程的子過(guò)程進(jìn)行監(jiān)視與測(cè)量，確保每個(gè)設(shè)計(jì)子過(guò)程都能夠按照規(guī)定的程序和要求開(kāi)展活動(dòng)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)過(guò)程中存在的問(wèn)題，特別是關(guān)聯(lián)性問(wèn)題，使質(zhì)量問(wèn)題的發(fā)現(xiàn)、解決措施制定、解決過(guò)程、結(jié)果驗(yàn)證，能夠制度化、規(guī)范化、透明化，使其可控、可追溯。將產(chǎn)品質(zhì)量隱患消滅在設(shè)計(jì)源頭，以達(dá)到飛機(jī)項(xiàng)目設(shè)計(jì)過(guò)程能力不斷提升、項(xiàng)目研制質(zhì)量不斷提高的目的。