飞机装配大尺寸多系统测量场构建及应用*

2022-07-15赵建国台春雷白继鹏

航空制造技术 2022年5期

赵建国，台春雷，刘哲，王崇，白继鹏

（航空工业沈阳飞机工业（集团）有限公司，沈阳 110034）

新一代飞机在性能、研制效率等方面均有大幅提高，隐身和长寿命作为重要指标，对机体结构、气动外形、表面间隙阶差等质量特性都有很高的要求。传统的模线、样板、量规等模拟量协调方式难以满足新一代飞机研制需求。随着数字化技术的发展，三维测量技术已融入飞机装配的各个环节，应用模式由交付质量验收检测向工艺质量过程控制转变。飞机尺寸大，测量需求差异较大，装配现场需要多测量系统协同工作，亟须发展大尺寸、高精度、兼容性强、扩展性好、组网快速的整体测量场构建技术，为保证飞机装配质量奠定基础。

飞机制造一般为多品种小批量，甚至是单件生产，传统模拟量协调制造方法存在质量稳定性差、效率低等问题，随着数字化制造技术的发展，世界各国都将数字化制造作为发展方向，而数字化测量作为重要支撑技术更是必不可少。基于产品单一数据源的数字量协调体系是现代飞机制造技术特点，更是飞机装配的发展方向。装配过程工序多，飞机零部件在各工序间流转，数字测量技术为保证飞机零部件的精确定位提供了基础保障[1]。在国外飞机制造企业，军机如F–22和F–35战机，民用飞机如波音787、A380等在装配过程中，iGPS、激光跟踪仪、激光雷达等数字化光学测量技术获得了成功应用，大大提高了飞机装配精度和自动化水平，显著缩短了飞机装配周期。近年来国内引进大量先进数字化测量设备，相应的应用技术得到了长足发展，如为满足差异化测量需求的飞机复杂装配件的协同测量技术[2]、基于激光跟踪仪EMSCON的二次开发[3]等。飞机尺寸大，局部精度要求高，建立一个大尺寸、高精度的全局测量场至关重要。国内外开展了大量研究，如大尺寸整体测量场的构建与误差评定[4–6]。多系统协调测量方面，文献[7–8]综合考虑测量仪器的适应范围、测量不确定度、测量经济性指标，针对产品测量需求，提出了合理的测量仪器选型方法和多系统组合应用方法。在三维测量场标定方面，USMN（Unified spatial metrology network）技术基于激光跟踪仪的测量原理及测量不确定度分析，通过试验研究了角度和距离对测量误差分布的影响，通过平差优化算法，提高三维测量场的标定精度[9–11]。

针对飞机装配现场对大尺寸、高精度、多系统协同的测量需求，基于激光跟踪仪开展飞机装配大尺寸多系统测量场构建技术研究，建立适应大型部件装配的整体测量场，为飞机数字化装配提供基准统一的测量信息数据，对保证数据的顺利传递和高效利用、促进飞机装配工艺技术水平的不断完善、增强新一代飞机快速研制能力、提高航空工业核心竞争力至关重要。

1 测量场构建

飞机具有较大尺寸（22m×16m× 6m），测量特征包括点、线、面，测量精度和尺度要求差异较大，装配现场测量设备种类众多，通过开展基准点优化、测量基准场兼容性和基准点标定等技术研究，综合考虑测量精度、测量效率和测量成本，搭建覆盖装配工作区域的统一测量基准网，兼顾多种数字化测量设备，满足飞机装配对大尺寸、高精度、多系统协同、扩展性好、兼容性强和快速组网的测量需求，为保证飞机装配质量和效率奠定基础。

1.1 基准点优化设计

测量基准点设计应综合考虑测量精度、测量范围、待测部件结构特点和测量仪器等因素，开展测量点布置工艺仿真与优化设计。工艺规划主要工作内容包括基准点选取、测量仪器站位设计、测量工艺仿真与优化等，具体如下。

（1）基准点选取原则。

a.基准点应设置在测量专用地基或固定梁、柱上，测量基准点应稳定、抗震和通视性好，易被测量仪器识别等；

b.基准点构成的测量空间应将所有测量点位包含在内（可包络飞机总体结构）；

c.基准点布置密度应综合考虑测量工艺和测量设备需求，保证单机单次建站可供选择基准点数量不少于4个，且被选用基准点不得共线或共面。

（2）测量仪器站位设计。在能够满足测量需求的前提下，尽量采取最少的站位数量，以减轻测量仪器转站误差对测量精度的影响。

（3）测量工艺仿真与优化。根据飞机装配对测量工艺需求，综合考虑各测量仪器原理、工作范围、测量工位、空间布置和测量可达性等，依据上文（1）和（2）中原则初步确定基准点和测量站位规划方案，建立测量工艺模型，以测量精度、操作方便性和经济性等为优化指标，通过测量工艺过程仿真，对测量基准点和站位布局方案进行迭代优化，最终确定基准点优化设计方案，如图1所示。

图1 测量工艺规划与仿真Fig.1 Measurement process planning and simulation

1.2 测量基准场兼容性设计

装配现场数字化测量仪器种类多，如iGPS、激光跟踪仪、激光雷达、三维扫描仪、工业相机、关节臂和光笔等，每种测量仪器都有其独特的原理、适用范围，包括接触式和非接触式，相对式和绝对坐标测量等。测量场构建应系统分析设备应用特点和适应范围，充分发挥各种测量手段的优势，优化集成测量方案，兼顾测量精度、效率和成本，对现场测量仪器具有较高的兼容性，实现测量基准的统一，保证各系统测量数据高效交互。

iGPS、激光跟踪仪和激光雷达为空间点测量，iGPS和激光跟踪仪的接收器或反射镜可选1.5inch（1 inch= 2.54cm）标准球，如图2（a）所示，球心为测量反馈值，激光雷达可扫描1.5inch标准球球面，通过拟合反馈球心值。工业相机和扫描仪采用相机成像，为面测量，可测量图2（b）反光标识，标识为圆形，测量反馈圆形形心坐标值（形心与球心重合）。关节臂和光笔为接触式点测量，可通过测量1.5inch标准球球面，通过拟合反馈球心值。

综上所述，结合各设备测量反馈值特点，测量基准点选为采用1.5inch球心，不同仪器配备图2（a）和（b）式测量部件和标准1.5inch圆球，配合图2（c）式基准座，实现坐标基准的统一。对于空间狭小结构，不便于安装1.5inch测量部件时，可采用图2（d）式角度反光标识，但圆形标识形心与底座偏移量与1.5inch测量部件一致。

图2 基准点标识与基座Fig.2 Datum mark and base

1.3 测量基准场标定方法

在飞机装配现场，测量基准场标定仪器一般采用激光雷达和激光跟踪仪等，可单独或多种仪器联合使用，与测量设备的应用原理无关，下文以装配现场多见的激光跟踪仪为例，阐述标定方法。激光跟踪仪为球坐标测量系统，基于角度传感和测长技术，其长度量值利用激光干涉测距读取，激光干涉精度高可直接溯源至激光波长，对整体测量误差影响较小。水平角和俯仰角采用两个角度编码器测量，在测量线的切向产生较大误差，测量不确定度与距离成正比，是激光跟踪仪坐标测量主要误差源。大型部件装配现场，对精度要求不高的任务，三维测量场标定一般由激光跟踪仪直接测量获取。激光跟踪仪20m距离测量不确定度达到0.2mm（现场测试经验值），对于高精度测量场标定，无法满足测量基准场的高精度标定需求。

利用激光跟踪仪内置的激光干涉仪测长精度高、现场使用方便的优点，基于多站位冗余测量长度约束方法，采用多站位首尾闭环测量，依不确定度为每个拟合元素分配权重，经加权平差优化处理，可降低测角误差对总体标定精度的影响。如图3所示，通过跟踪仪在多个测量站位（分布在空间不同位置）对标定现场的多个测量基准点进行测量，利用基准点坐标的不变性（基准点固定不变）及高精度长度测量值（读取激光跟踪仪长度值）建立测量误差方程，通过优化算法解算基准点空间坐标，从而降低跟踪仪测角误差影响，最终实现和跟踪仪干涉测长精度相对应的精密三维测量场精度，以此提高测量基准网标定精度。

基准点分布在不同高度层次上，利用激光跟踪仪在m个站位对n个基准点进行测量，逐个站位记录实测数据。激光跟踪仪采用球坐标模式，基于实测数据提取长度测量值l、水平角测量值θ和垂直角测量值φ。建立测量模型的约束方程为

式中，为激光跟踪仪在站位i对基准点j的测量值的实测值（i=1，2，…，m；j=1，2，…，n）。lij、θij、φij为基准点j在站位i坐标系下的测量值的最优值，由基准点j的三维坐标的最优值pj= （xj，yj，zj）、站位i到全局坐标系的旋转角（αi，βi，γi）和平移向量Ti计算得到。

其中，

因此，整体目标方程为

式中，wl、wθ和wφ是长度约束方程和角度约束方程的权重。由于激光跟踪仪的测长精度高于测角精度，根据现场情况，建立各个测量站的测量模型，得到各测量站的协方差矩阵和雅可比矩阵，按矩阵加权线性最小方差最优融合准则，求取长度约束方程和角度约束方程的权重。

此外，激光跟踪仪的测量不确定度也有差别，特别是选用不同品牌的仪器，首先应校准仪器，确定每台设备自身的不确定度。在寻优迭代过程中，加权最小二乘法较为常用，本文采用Levenberg-Marquardt算法，属于非线性最小二乘算法，兼具梯度法和牛顿法的优点，即收敛速度快、可全局收敛。因此，采用Levenberg–Marquardt算法对整体目标方程进行解算，从而得到基准点高精度的三维坐标，构建三维精密控制场。

2 测量场精度验证及应用

数字化测量技术不仅是飞机装配质量控制的重要手段，更为现场自动化设备提供闭环控制数据支持，利于在飞机制造过程中形成完整的数据链，对修正质量偏差、促进飞机制造工艺迭代优化有重要作用。测量基准场是保证飞机装配质量的基础，下文对精度验证和工程应用情况进行介绍。

2.1 标定精度验证

飞机大部件装配现场对测量范围的需求通常大于20m，激光跟踪仪所用标准尺不超过2m，无法验证测量基准网标定精度。激光干涉仪测长精度为0.5μm/m，大型设备精度评价应用较多，通过与激光干涉仪对比，验证测量基准网标定精度。

利用大型数控机床导轨（超过20m），导轨直线精度较高，如图4所示，采用4台激光跟踪仪和1台激光干涉仪，特制仪器支座，将激光干涉仪反射镜和激光跟踪仪1.5inch靶球集成在仪器支座上，相对位置固定，并在现场预先布置好基准点球座。现场温度为（23±1）℃，湿度70%。标定前，准备激光干涉仪和激光跟踪仪使其具备工作状态，将仪器支座放置在机床床身上，放置好反射镜和靶球，将机床运行至一端边界处，调整激光干涉仪，并记录为初始位置，同时各激光跟踪仪测量1.5inch靶球记录实测值。然后移动机床床身，仪器支座随床身一起运动，激光干涉仪和激光跟踪仪再次测量，记录当前数据，以激光干涉仪两次测量差值作为标准长度。激光跟踪仪完成各基准点测量后，通过多站位冗余测量长度约束算法，实现测量基准场的标定，提取出与激光干涉仪集成的靶球坐标值，计算两点间距离，并与激光干涉仪得到的标准长度对比，验证测量基准场标定精度。

图4 精度验证Fig.4 Accuracy verification

激光干涉仪得到的机床两次位置距离标准长度为18000.035mm，相应靶球经解算得到的距离为18000.077mm，误差为0.042mm（据工程经验，激光跟踪仪不经优化测量误差约为0.2mm），证明标定精度显著提高，满足飞机装配使用需求。

2.2 多系统测量应用

飞机装配从零组件、段件、部件、全机对合、总装各工序均离不开数字化测量，测量特征包括交点、K孔、框梁轴线、重要型面、气动外形、波纹度、间隙和阶差等，测量特征分布在机身各处，需要多种测量设备进行数据采集。为开展质量评价工作，以往通过人工处理将大量数据统一至飞机坐标系下，存在效率低、转换精度低等问题。整体测量基准场的建立，便于多设备的协同工作，且测量坐标系唯一，节约了人工成本，提高了坐标转换精度，大尺寸多系统测量基准场的典型应用场景如下。

（1）照相测量长度校准。照相测量操作简单，对现场环境要求较低，一般用于机身气动外形测量。照相测量利用相机拍摄被测物体的图像，建立被测物体与相机之间的相对位置关系，通过对不同位置图像进行解算，从而获得被测物体表面的三维信息。单幅图像属于二维测量，由于缺少长度约束，大尺寸测量精度受限。借助高精度的测量基准场，配合球型反光标识（图2（b）），可为照相测量提供多方向的长度约束，测量误差可控制在0.2mm以内，显著提高了机体气动外形的测量精度。

（2）扫描数据融合。三维扫描测量比照相测量精细，可用于评价间隙、阶差和气动外形，但限于扫描幅面限制，大尺寸测量需要进行数据拼接，测量时利用光学跟踪系统确定扫描仪空间位置，完成扫描仪的精确定位，进而实现多幅图像的融合。为保证测量精度，光学跟踪系统一般工作范围不超过5m，测量过程需要多次转站，测量精度损失较大。基于高精度的测量基准场，光学跟踪系统能够快速建立飞机坐标系，而且显著降低了多次转站误差累积的影响，经工程测试，不同区域扫描数据融合精度不低于0.1mm。

（3）大部件对接调姿。飞机大型部件对接，由于部件尺寸较大，测量范围超过了20m，为保证对接精度，测量工艺需结合产品装配结构要求，在工艺准备期间通过大量模拟仿真，确定测量站位和工艺测量点布局，对合过程中保证激光跟踪仪位置固定，一旦出现位置变化，两对合部件需重新进行调整。在形成高精度的测量基准场后，测量基准点布置在工作现场四周，如图5所示，在测量基准场范围内激光跟踪仪转站误差可有效控制在0.05mm以内，显著提高了测量设备的使用灵活性，降低了现场返工率。

图5 大部件对接工艺试验Fig.5 Butt joint process test of large parts

（4）关键传感器数据修正。如航炮校靶、飞参传感器等修正，需飞机结构装配完成后在总装阶段进行，以往采用大量工装和支架，将飞机调整至准确位置，生产准备周期长，而且调整过程费时费力。通过上述测量基准场构建技术，将基准点布置在飞机关键特征上，如图6所示，各传感器修正时，利用激光跟踪仪等仪器快速恢复飞机坐标系，并为各传感器调整提供闭环控制数据。调整过程无需调整飞机姿态，而且省去了大量工装和支架，数据修正时间缩短70%以上，调整精度不低于0.1mm。