飛機裝配大尺寸多系統(tǒng)測量場構(gòu)建及應用*

趙建國，臺春雷，劉 哲，王 崇，白繼鵬

（航空工業(yè)沈陽飛機工業(yè)（ 集團）有限公司，沈陽 110034）

新一代飛機在性能、研制效率等方面均有大幅提高，隱身和長壽命作為重要指標，對機體結(jié)構(gòu)、氣動外形、表面間隙階差等質(zhì)量特性都有很高的要求。傳統(tǒng)的模線、樣板、量規(guī)等模擬量協(xié)調(diào)方式難以滿足新一代飛機研制需求。隨著數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，三維測量技術(shù)已融入飛機裝配的各個環(huán)節(jié)，應用模式由交付質(zhì)量驗收檢測向工藝質(zhì)量過程控制轉(zhuǎn)變。飛機尺寸大，測量需求差異較大，裝配現(xiàn)場需要多測量系統(tǒng)協(xié)同工作，亟須發(fā)展大尺寸、高精度、兼容性強、擴展性好、組網(wǎng)快速的整體測量場構(gòu)建技術(shù)，為保證飛機裝配質(zhì)量奠定基礎(chǔ)。

飛機制造一般為多品種小批量，甚至是單件生產(chǎn)，傳統(tǒng)模擬量協(xié)調(diào)制造方法存在質(zhì)量穩(wěn)定性差、效率低等問題，隨著數(shù)字化制造技術(shù)的發(fā)展，世界各國都將數(shù)字化制造作為發(fā)展方向，而數(shù)字化測量作為重要支撐技術(shù)更是必不可少?；诋a(chǎn)品單一數(shù)據(jù)源的數(shù)字量協(xié)調(diào)體系是現(xiàn)代飛機制造技術(shù)特點，更是飛機裝配的發(fā)展方向。裝配過程工序多，飛機零部件在各工序間流轉(zhuǎn)，數(shù)字測量技術(shù)為保證飛機零部件的精確定位提供了基礎(chǔ)保障[1]。在國外飛機制造企業(yè)，軍機如F–22和F–35戰(zhàn)機，民用飛機如波音787、A380等在裝配過程中，iGPS、激光跟蹤儀、激光雷達等數(shù)字化光學測量技術(shù)獲得了成功應用，大大提高了飛機裝配精度和自動化水平，顯著縮短了飛機裝配周期。近年來國內(nèi)引進大量先進數(shù)字化測量設(shè)備，相應的應用技術(shù)得到了長足發(fā)展，如為滿足差異化測量需求的飛機復雜裝配件的協(xié)同測量技術(shù)[2]、基于激光跟蹤儀EMSCON的二次開發(fā)[3]等。飛機尺寸大，局部精度要求高，建立一個大尺寸、高精度的全局測量場至關(guān)重要。國內(nèi)外開展了大量研究，如大尺寸整體測量場的構(gòu)建與誤差評定[4–6]。多系統(tǒng)協(xié)調(diào)測量方面，文獻[7–8]綜合考慮測量儀器的適應范圍、測量不確定度、測量經(jīng)濟性指標，針對產(chǎn)品測量需求，提出了合理的測量儀器選型方法和多系統(tǒng)組合應用方法。在三維測量場標定方面，USMN（Unified spatial metrology network）技術(shù)基于激光跟蹤儀的測量原理及測量不確定度分析，通過試驗研究了角度和距離對測量誤差分布的影響，通過平差優(yōu)化算法，提高三維測量場的標定精度[9–11]。

針對飛機裝配現(xiàn)場對大尺寸、高精度、多系統(tǒng)協(xié)同的測量需求，基于激光跟蹤儀開展飛機裝配大尺寸多系統(tǒng)測量場構(gòu)建技術(shù)研究，建立適應大型部件裝配的整體測量場，為飛機數(shù)字化裝配提供基準統(tǒng)一的測量信息數(shù)據(jù)，對保證數(shù)據(jù)的順利傳遞和高效利用、促進飛機裝配工藝技術(shù)水平的不斷完善、增強新一代飛機快速研制能力、提高航空工業(yè)核心競爭力至關(guān)重要。

1 測量場構(gòu)建

飛機具有較大尺寸 （22m×16m× 6m），測量特征包括點、線、面，測量精度和尺度要求差異較大，裝配現(xiàn)場測量設(shè)備種類眾多，通過開展基準點優(yōu)化、測量基準場兼容性和基準點標定等技術(shù)研究，綜合考慮測量精度、測量效率和測量成本，搭建覆蓋裝配工作區(qū)域的統(tǒng)一測量基準網(wǎng)，兼顧多種數(shù)字化測量設(shè)備，滿足飛機裝配對大尺寸、高精度、多系統(tǒng)協(xié)同、擴展性好、兼容性強和快速組網(wǎng)的測量需求，為保證飛機裝配質(zhì)量和效率奠定基礎(chǔ)。

1.1 基準點優(yōu)化設(shè)計

測量基準點設(shè)計應綜合考慮測量精度、測量范圍、待測部件結(jié)構(gòu)特點和測量儀器等因素，開展測量點布置工藝仿真與優(yōu)化設(shè)計。工藝規(guī)劃主要工作內(nèi)容包括基準點選取、測量儀器站位設(shè)計、測量工藝仿真與優(yōu)化等，具體如下。

（1）基準點選取原則。

a.基準點應設(shè)置在測量專用地基或固定梁、柱上，測量基準點應穩(wěn)定、抗震和通視性好，易被測量儀器識別等；

b.基準點構(gòu)成的測量空間應將所有測量點位包含在內(nèi) （可包絡飛機總體結(jié)構(gòu)）；

c.基準點布置密度應綜合考慮測量工藝和測量設(shè)備需求，保證單機單次建站可供選擇基準點數(shù)量不少于4個，且被選用基準點不得共線或共面。

（2）測量儀器站位設(shè)計。在能夠滿足測量需求的前提下，盡量采取最少的站位數(shù)量，以減輕測量儀器轉(zhuǎn)站誤差對測量精度的影響。

（3）測量工藝仿真與優(yōu)化。根據(jù)飛機裝配對測量工藝需求，綜合考慮各測量儀器原理、工作范圍、測量工位、空間布置和測量可達性等，依據(jù)上文（1）和（2）中原則初步確定基準點和測量站位規(guī)劃方案，建立測量工藝模型，以測量精度、操作方便性和經(jīng)濟性等為優(yōu)化指標，通過測量工藝過程仿真，對測量基準點和站位布局方案進行迭代優(yōu)化，最終確定基準點優(yōu)化設(shè)計方案，如圖1所示。

圖1 測量工藝規(guī)劃與仿真Fig.1 Measurement process planning and simulation

1.2 測量基準場兼容性設(shè)計

裝配現(xiàn)場數(shù)字化測量儀器種類多，如iGPS、激光跟蹤儀、激光雷達、三維掃描儀、工業(yè)相機、關(guān)節(jié)臂和光筆等，每種測量儀器都有其獨特的原理、適用范圍，包括接觸式和非接觸式，相對式和絕對坐標測量等。測量場構(gòu)建應系統(tǒng)分析設(shè)備應用特點和適應范圍，充分發(fā)揮各種測量手段的優(yōu)勢，優(yōu)化集成測量方案，兼顧測量精度、效率和成本，對現(xiàn)場測量儀器具有較高的兼容性，實現(xiàn)測量基準的統(tǒng)一，保證各系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)高效交互。

iGPS、激光跟蹤儀和激光雷達為空間點測量，iGPS和激光跟蹤儀的接收器或反射鏡可選1.5inch（1 inch= 2.54cm）標準球，如圖2（a）所示，球心為測量反饋值，激光雷達可掃描1.5inch標準球球面，通過擬合反饋球心值。工業(yè)相機和掃描儀采用相機成像，為面測量，可測量圖2（b）反光標識，標識為圓形，測量反饋圓形形心坐標值（形心與球心重合）。關(guān)節(jié)臂和光筆為接觸式點測量，可通過測量1.5inch標準球球面，通過擬合反饋球心值。

綜上所述，結(jié)合各設(shè)備測量反饋值特點，測量基準點選為采用1.5inch球心，不同儀器配備圖2（a）和（b）式測量部件和標準1.5inch圓球，配合圖2（c）式基準座，實現(xiàn)坐標基準的統(tǒng)一。對于空間狹小結(jié)構(gòu)，不便于安裝1.5inch測量部件時，可采用圖2（d）式角度反光標識，但圓形標識形心與底座偏移量與1.5inch測量部件一致。

圖2 基準點標識與基座Fig.2 Datum mark and base

1.3 測量基準場標定方法

在飛機裝配現(xiàn)場，測量基準場標定儀器一般采用激光雷達和激光跟蹤儀等，可單獨或多種儀器聯(lián)合使用，與測量設(shè)備的應用原理無關(guān)，下文以裝配現(xiàn)場多見的激光跟蹤儀為例，闡述標定方法。激光跟蹤儀為球坐標測量系統(tǒng)，基于角度傳感和測長技術(shù)，其長度量值利用激光干涉測距讀取，激光干涉精度高可直接溯源至激光波長，對整體測量誤差影響較小。水平角和俯仰角采用兩個角度編碼器測量，在測量線的切向產(chǎn)生較大誤差，測量不確定度與距離成正比，是激光跟蹤儀坐標測量主要誤差源。大型部件裝配現(xiàn)場，對精度要求不高的任務，三維測量場標定一般由激光跟蹤儀直接測量獲取。激光跟蹤儀20m距離測量不確定度達到0.2mm（現(xiàn)場測試經(jīng)驗值），對于高精度測量場標定，無法滿足測量基準場的高精度標定需求。

利用激光跟蹤儀內(nèi)置的激光干涉儀測長精度高、現(xiàn)場使用方便的優(yōu)點，基于多站位冗余測量長度約束方法，采用多站位首尾閉環(huán)測量，依不確定度為每個擬合元素分配權(quán)重，經(jīng)加權(quán)平差優(yōu)化處理，可降低測角誤差對總體標定精度的影響。如圖3所示，通過跟蹤儀在多個測量站位（分布在空間不同位置）對標定現(xiàn)場的多個測量基準點進行測量，利用基準點坐標的不變性（基準點固定不變）及高精度長度測量值（讀取激光跟蹤儀長度值）建立測量誤差方程，通過優(yōu)化算法解算基準點空間坐標，從而降低跟蹤儀測角誤差影響，最終實現(xiàn)和跟蹤儀干涉測長精度相對應的精密三維測量場精度，以此提高測量基準網(wǎng)標定精度。

基準點分布在不同高度層次上，利用激光跟蹤儀在m個站位對n個基準點進行測量，逐個站位記錄實測數(shù)據(jù)。激光跟蹤儀采用球坐標模式，基于實測數(shù)據(jù)提取長度測量值l、水平角測量值θ和垂直角測量值φ。建立測量模型的約束方程為

式中，為激光跟蹤儀在站位i對基準點j的測量值的實測值 （i=1，2，…，m；j=1，2，…，n）。lij、θij、φij為基準點j在站位i坐標系下的測量值的最優(yōu)值，由基準點j的三維坐標的最優(yōu)值pj= （xj，yj，zj）、站位i到全局坐標系的旋轉(zhuǎn)角（αi，βi，γi）和平移向量Ti計算得到。

其中，

因此，整體目標方程為

式中，wl、wθ和wφ是長度約束方程和角度約束方程的權(quán)重。由于激光跟蹤儀的測長精度高于測角精度，根據(jù)現(xiàn)場情況，建立各個測量站的測量模型，得到各測量站的協(xié)方差矩陣和雅可比矩陣，按矩陣加權(quán)線性最小方差最優(yōu)融合準則，求取長度約束方程和角度約束方程的權(quán)重。

此外，激光跟蹤儀的測量不確定度也有差別，特別是選用不同品牌的儀器，首先應校準儀器，確定每臺設(shè)備自身的不確定度。在尋優(yōu)迭代過程中，加權(quán)最小二乘法較為常用，本文采用Levenberg-Marquardt算法，屬于非線性最小二乘算法，兼具梯度法和牛頓法的優(yōu)點，即收斂速度快、可全局收斂。因此，采用Levenberg–Marquardt算法對整體目標方程進行解算，從而得到基準點高精度的三維坐標，構(gòu)建三維精密控制場。

2 測量場精度驗證及應用

數(shù)字化測量技術(shù)不僅是飛機裝配質(zhì)量控制的重要手段，更為現(xiàn)場自動化設(shè)備提供閉環(huán)控制數(shù)據(jù)支持，利于在飛機制造過程中形成完整的數(shù)據(jù)鏈，對修正質(zhì)量偏差、促進飛機制造工藝迭代優(yōu)化有重要作用。測量基準場是保證飛機裝配質(zhì)量的基礎(chǔ)，下文對精度驗證和工程應用情況進行介紹。

2.1 標定精度驗證

飛機大部件裝配現(xiàn)場對測量范圍的需求通常大于20m，激光跟蹤儀所用標準尺不超過2m，無法驗證測量基準網(wǎng)標定精度。激光干涉儀測長精度為0.5μm/m，大型設(shè)備精度評價應用較多，通過與激光干涉儀對比，驗證測量基準網(wǎng)標定精度。

利用大型數(shù)控機床導軌（超過20m），導軌直線精度較高，如圖4所示，采用4臺激光跟蹤儀和1臺激光干涉儀，特制儀器支座，將激光干涉儀反射鏡和激光跟蹤儀1.5inch靶球集成在儀器支座上，相對位置固定，并在現(xiàn)場預先布置好基準點球座?，F(xiàn)場溫度為（23±1）℃，濕度70%。標定前，準備激光干涉儀和激光跟蹤儀使其具備工作狀態(tài)，將儀器支座放置在機床床身上，放置好反射鏡和靶球，將機床運行至一端邊界處，調(diào)整激光干涉儀，并記錄為初始位置，同時各激光跟蹤儀測量1.5inch靶球記錄實測值。然后移動機床床身，儀器支座隨床身一起運動，激光干涉儀和激光跟蹤儀再次測量，記錄當前數(shù)據(jù)，以激光干涉儀兩次測量差值作為標準長度。激光跟蹤儀完成各基準點測量后，通過多站位冗余測量長度約束算法，實現(xiàn)測量基準場的標定，提取出與激光干涉儀集成的靶球坐標值，計算兩點間距離，并與激光干涉儀得到的標準長度對比，驗證測量基準場標定精度。

圖4 精度驗證Fig.4 Accuracy verification

激光干涉儀得到的機床兩次位置距離標準長度為18000.035mm，相應靶球經(jīng)解算得到的距離為18000.077mm， 誤差為0.042mm（據(jù)工程經(jīng)驗，激光跟蹤儀不經(jīng)優(yōu)化測量誤差約為0.2mm），證明標定精度顯著提高，滿足飛機裝配使用需求。

2.2 多系統(tǒng)測量應用

飛機裝配從零組件、段件、部件、全機對合、總裝各工序均離不開數(shù)字化測量，測量特征包括交點、K孔、框梁軸線、重要型面、氣動外形、波紋度、間隙和階差等，測量特征分布在機身各處，需要多種測量設(shè)備進行數(shù)據(jù)采集。為開展質(zhì)量評價工作，以往通過人工處理將大量數(shù)據(jù)統(tǒng)一至飛機坐標系下，存在效率低、轉(zhuǎn)換精度低等問題。整體測量基準場的建立，便于多設(shè)備的協(xié)同工作，且測量坐標系唯一，節(jié)約了人工成本，提高了坐標轉(zhuǎn)換精度，大尺寸多系統(tǒng)測量基準場的典型應用場景如下。

（1）照相測量長度校準。照相測量操作簡單，對現(xiàn)場環(huán)境要求較低，一般用于機身氣動外形測量。照相測量利用相機拍攝被測物體的圖像，建立被測物體與相機之間的相對位置關(guān)系，通過對不同位置圖像進行解算，從而獲得被測物體表面的三維信息。單幅圖像屬于二維測量，由于缺少長度約束，大尺寸測量精度受限。借助高精度的測量基準場，配合球型反光標識 （圖2（b）），可為照相測量提供多方向的長度約束，測量誤差可控制在0.2mm以內(nèi)，顯著提高了機體氣動外形的測量精度。

（2）掃描數(shù)據(jù)融合。三維掃描測量比照相測量精細，可用于評價間隙、階差和氣動外形，但限于掃描幅面限制，大尺寸測量需要進行數(shù)據(jù)拼接，測量時利用光學跟蹤系統(tǒng)確定掃描儀空間位置，完成掃描儀的精確定位，進而實現(xiàn)多幅圖像的融合。為保證測量精度，光學跟蹤系統(tǒng)一般工作范圍不超過5m，測量過程需要多次轉(zhuǎn)站，測量精度損失較大?；诟呔鹊臏y量基準場，光學跟蹤系統(tǒng)能夠快速建立飛機坐標系，而且顯著降低了多次轉(zhuǎn)站誤差累積的影響，經(jīng)工程測試，不同區(qū)域掃描數(shù)據(jù)融合精度不低于0.1mm。

（3）大部件對接調(diào)姿。飛機大型部件對接，由于部件尺寸較大，測量范圍超過了20m，為保證對接精度，測量工藝需結(jié)合產(chǎn)品裝配結(jié)構(gòu)要求，在工藝準備期間通過大量模擬仿真，確定測量站位和工藝測量點布局，對合過程中保證激光跟蹤儀位置固定，一旦出現(xiàn)位置變化，兩對合部件需重新進行調(diào)整。在形成高精度的測量基準場后，測量基準點布置在工作現(xiàn)場四周，如圖5所示，在測量基準場范圍內(nèi)激光跟蹤儀轉(zhuǎn)站誤差可有效控制在0.05mm以內(nèi)，顯著提高了測量設(shè)備的使用靈活性，降低了現(xiàn)場返工率。

圖5 大部件對接工藝試驗Fig.5 Butt joint process test of large parts

（4）關(guān)鍵傳感器數(shù)據(jù)修正。如航炮校靶、飛參傳感器等修正，需飛機結(jié)構(gòu)裝配完成后在總裝階段進行，以往采用大量工裝和支架，將飛機調(diào)整至準確位置，生產(chǎn)準備周期長，而且調(diào)整過程費時費力。通過上述測量基準場構(gòu)建技術(shù)，將基準點布置在飛機關(guān)鍵特征上，如圖6所示，各傳感器修正時，利用激光跟蹤儀等儀器快速恢復飛機坐標系，并為各傳感器調(diào)整提供閉環(huán)控制數(shù)據(jù)。調(diào)整過程無需調(diào)整飛機姿態(tài)，而且省去了大量工裝和支架，數(shù)據(jù)修正時間縮短70%以上，調(diào)整精度不低于0.1mm。

圖6 校靶過程的數(shù)字化測量Fig.6 Digital measurement of target calibration process

3 結(jié)論

（1）開展面向飛機裝配的大尺寸多系統(tǒng)測量基準場構(gòu)建技術(shù)研究，提出了基準點優(yōu)化設(shè)計原則，提高了測量基準場對各數(shù)字化測量儀器的兼容性，基于多站位冗余測量長度約束方法，采用激光跟蹤儀對飛機裝配現(xiàn)場測量基準場進行標定，得到基準點高精度的三維坐標，構(gòu)建了三維精密控制場。

（2）設(shè)計了大尺寸多系統(tǒng)測量基準場標定精度的驗證試驗方案，通過與激光干涉儀對比，測量不確定度可控制在0.05mm以內(nèi)，驗證了大尺寸多系統(tǒng)測量基準場構(gòu)建技術(shù)的可行性。

（3）以照相測量長度約束、掃描數(shù)據(jù)融合、大部件對接調(diào)姿和關(guān)鍵傳感器數(shù)據(jù)修正為例，闡述了大尺寸多系統(tǒng)測量基準場在飛機裝配過程中的應用，驗證了技術(shù)的有效性，促進了面向飛機裝配測量工藝技術(shù)提升，提高了飛機裝配質(zhì)量和生產(chǎn)效率。