淺談飛機(jī)整機(jī)裝配質(zhì)量數(shù)字化測(cè)量技術(shù)

馬正 管黎明

西安飛機(jī)工業(yè)有限責(zé)任公司 陜西 西安 710089

引言

大型板壁類組件主要在飛機(jī)外形結(jié)構(gòu)中使用，大型飛機(jī)蒙皮壁板，具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、剛性強(qiáng)度要求高等特點(diǎn)，需要嚴(yán)格控制制造過(guò)程的工藝，確保零件的外形尺寸精度，同時(shí)滿足相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求。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。

1 整機(jī)固定式測(cè)量站架構(gòu)

（1）移動(dòng)式激光掃描儀。移動(dòng)式激光掃描儀測(cè)量原理為激光三角測(cè)量法，激光光源作為測(cè)量的指示光源，將調(diào)制后的網(wǎng)狀線激光投射在被測(cè)表面上，同時(shí)又被CCD相機(jī)捕獲，通過(guò)幾何光學(xué)計(jì)算方法即可求解到被測(cè)表面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

同時(shí)，在移動(dòng)式激光掃描儀上，按照一定的空間位姿關(guān)系，分布了一系列標(biāo)識(shí)點(diǎn)。在測(cè)量過(guò)程中，當(dāng)激光掃描儀上的至少3個(gè)標(biāo)識(shí)點(diǎn)被兩個(gè)相機(jī)(Ci與Cj表示測(cè)量站中可測(cè)量到掃描儀標(biāo)識(shí)點(diǎn)的相機(jī))拍攝到時(shí)，即可確定激光跟蹤儀在全局坐標(biāo)系下的空間姿態(tài)。移動(dòng)激光掃描儀，使其掃描范圍覆蓋整個(gè)飛機(jī)，即可利用相機(jī)提供的空間位姿信息，完成測(cè)量數(shù)據(jù)的融合[1]。

（2）基站?；居梢幌盗蟹植荚谡麄€(gè)測(cè)量空間內(nèi)的工業(yè)測(cè)量相機(jī)組成，用于實(shí)時(shí)定位激光掃描儀的空間姿態(tài)。測(cè)量相機(jī)采用鄭州辰維公司研發(fā)的MPS/M系列工業(yè)攝影測(cè)量系統(tǒng)。相機(jī)分辨率為6600×4400，最大采樣頻率達(dá)到5Hz，視場(chǎng)角(fieldofview，F(xiàn)OV)達(dá)到80°×50°。為能夠測(cè)量被動(dòng)標(biāo)識(shí)點(diǎn)，同時(shí)減少測(cè)量區(qū)域內(nèi)照明等因素的影響，每個(gè)相機(jī)配備了色溫為5500K的閃光燈。

2 測(cè)量工具集軟件實(shí)現(xiàn)

（1）數(shù)字化復(fù)合測(cè)量工具集功能模塊劃分。根據(jù)實(shí)際測(cè)量功能需求，數(shù)字化復(fù)合測(cè)量工具集劃分為4個(gè)功能模塊:通信接口管理模塊主要用于同激光跟蹤儀、關(guān)節(jié)臂測(cè)量?jī)x和數(shù)據(jù)采集軟件之間通信;設(shè)備參數(shù)設(shè)置模塊用于對(duì)儀器測(cè)量過(guò)程中外界環(huán)境參數(shù)補(bǔ)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(diǎn)搜索、自動(dòng)選取、輔助測(cè)量等內(nèi)容;數(shù)據(jù)處理模塊用于測(cè)量數(shù)據(jù)分析，得出最終測(cè)量結(jié)果;點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集模塊主要用于點(diǎn)云采集、采樣、去噪以及公共基準(zhǔn)點(diǎn)與靶心擬合。

（2）數(shù)據(jù)處理流程。工具集發(fā)出消息，將各公共基準(zhǔn)點(diǎn)球心坐標(biāo)和飛機(jī)前緣壁板點(diǎn)云作為整體讀入SA軟件。利用工具集中的“建立拼接關(guān)系”命令將靶心坐標(biāo)點(diǎn)與激光跟蹤儀測(cè)得的公共基準(zhǔn)點(diǎn)擬合，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云拼接操作，得到整張飛機(jī)前緣壁板外形點(diǎn)云。導(dǎo)入飛機(jī)前緣壁板組件的三維模型，利用工具集中的“最佳擬合轉(zhuǎn)化”命令將定位點(diǎn)處擬合得到的球心點(diǎn)與三維模型中給定的靶心點(diǎn)對(duì)齊。此時(shí)，壁板件全部點(diǎn)云與三維模型對(duì)齊。通過(guò)進(jìn)一步模型比對(duì)分析，得出評(píng)價(jià)結(jié)果，最終生成質(zhì)量檢測(cè)報(bào)告。

（3）實(shí)驗(yàn)分析。實(shí)驗(yàn)將某型號(hào)的飛機(jī)水平尾翼前緣壁板件作為測(cè)量的目標(biāo)，實(shí)驗(yàn)中關(guān)節(jié)臂測(cè)量?jī)x的掃描范圍是2.5m球形空間。因此，需要將壁板劃分為三個(gè)區(qū)域進(jìn)行測(cè)量，從而得到完整的壁板外形點(diǎn)云。采用數(shù)字化組合測(cè)量方法，根據(jù)飛機(jī)前緣壁板位置布置測(cè)量?jī)x器的位置，以及公共基準(zhǔn)點(diǎn)的位置。根據(jù)飛機(jī)水平尾翼前緣壁板的三維模型特征點(diǎn)，對(duì)齊靶心點(diǎn)與參考特征點(diǎn)，通過(guò)點(diǎn)云拼接，使得點(diǎn)云與壁板的三維模型對(duì)齊，從而分析擬合誤差[2]。

3 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。

（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)[3]。

4 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。