吳麗麗，王 燕，劉勝蘭，葉 南，張麗艷

(1. 中航工業(yè)沈陽飛機工業(yè)（集團）有限公司質(zhì)保部，沈陽 110000；2. 南京航空航天大學機電學院，南京 210016)

蒙皮零件是構(gòu)成飛機外形的主要零件，其制造質(zhì)量對飛機的氣動性能有著重要影響，對蒙皮零件進行外形檢測是制造過程中的一個重要環(huán)節(jié)。

目前，我國航空制造業(yè)仍然主要采用傳統(tǒng)的實物對比外形檢測方法，將蒙皮零件放置并定位在檢驗?zāi)Ｌド?，通過卡尺、塞尺等工具來測量蒙皮與模胎間的間隙誤差，對一些工具難以實施的部位則只能通過視覺來觀察是否與模胎刻線相吻合，通過觸覺來感知是否與模胎相貼合。這種實物對比檢測方法耗費人力，檢測精度不高，所能檢測的部位也不夠全面，無法滿足現(xiàn)代飛機制造對快速高精度檢測的要求，采用數(shù)字化檢測是蒙皮檢測的一個發(fā)展方向。

在數(shù)字化檢測過程中，數(shù)據(jù)測量是第一步。由于蒙皮通常為曲面且剛度相對較弱，近年來迅速發(fā)展的光學測量設(shè)備具有無接觸力、靈活性好、測量精度較高、易于獲取復(fù)雜型面三維數(shù)據(jù)等優(yōu)點，因而對蒙皮零件的測量具有較好的應(yīng)用前景。根據(jù)采用的傳感器和測量原理的不同，光學測量方法有光學掃描、攝影測量、激光跟蹤、激光雷達、室內(nèi)GPS等[1-2]，上述方法在飛機裝配過程中已有不少應(yīng)用[3-4]，但在飛機蒙皮檢測中的應(yīng)用還處于探索階段。對飛機蒙皮零件進行數(shù)字化檢測，需要解決以下關(guān)鍵問題：

（1）檢測內(nèi)容的確定。需要根據(jù)數(shù)字化檢測易于獲得零件表面點的特點以及工程實際來確定檢測內(nèi)容，而非完全依照以往模擬量方法所能檢測的內(nèi)容。

（2）測量方法的選擇。零件的大小、形狀變化、檢測內(nèi)容以及檢測要求等的不同，適用的數(shù)字化檢測方法也會不同，需要在實踐中進行總結(jié)并形成檢測規(guī)范。

（3）測量現(xiàn)場條件的要求。大尺寸易變形的蒙皮零件必須考慮變形對測量的影響，因此需要對模胎支撐、局部加壓等測量條件進行研究與規(guī)范。另外，光學測量設(shè)備對蒙皮表面的光學情況、是否有振動等測量條件也有要求。

（4）測量數(shù)據(jù)的處理與評價。其中的難點是如何高精度、可靠地將測量數(shù)據(jù)與理論數(shù)模進行配準，蒙皮零件多為自由曲面且很多零件存在孔位或者邊緣線進行輔助定位的情況，配準情況也就更為復(fù)雜 。

本文選用光學測量方法中的光學掃描和攝影測量兩種典型方法對蒙皮零件測量過程中的技術(shù)條件進行研究，首先在分析蒙皮零件檢測技術(shù)要求和工程實踐基礎(chǔ)上確定蒙皮零件的數(shù)字化檢測內(nèi)容，然后從測量前準備、蒙皮零件放置、蒙皮零件外形測量等方面的技術(shù)條件進行闡述。

1 蒙皮零件數(shù)字化檢測內(nèi)容

對一般機械零件的檢測，可參考國際標準化組織（ISO）為產(chǎn)品開發(fā)全過程而構(gòu)建的“產(chǎn)品幾何技術(shù)規(guī)范(Geometrical Product Specifications，GPS)”系列標準，其中ISO1101-2004[5]、ISO5459-2011[6]分別對幾何公差（包括形狀公差、方向公差、位置公差）、基準與基準體系等方面內(nèi)容進行了定義，規(guī)定了基本要求和方法。類似的還有我國國家標準GB/T 1182-2008[7]、GB/T 17851-2010[8]也對產(chǎn)品幾何特性相關(guān)內(nèi)容進行了規(guī)定。ASME Y14.5-2009[9]則是一美國標準，對零件幾何要素的公差定義、公差標注、基準元素設(shè)定、基準參考體系建立等的原理、要求與方法進行了規(guī)定。飛機蒙皮是一類帶有自由曲面的鈑金件，形狀復(fù)雜且容易變形，部分內(nèi)容可參考上述標準，但目前航空企業(yè)對蒙皮的外形質(zhì)量要求更多地主要參照技術(shù)標準文件“飛機鈑金件尺寸公差及技術(shù)條件（HB 6470-1990）”[10]和“一般公差（HB 5800-1999）”[11]。

標準HB6470-1990中給出了蒙皮零件的曲面外緣型值公差、單曲面蒙皮的百分比連線波紋度、周邊外形尺寸公差、周邊端面的表面粗糙度要求、表面質(zhì)量要求等要求與技術(shù)條件。前3項內(nèi)容涉及零件的尺寸和外形，適合于進行數(shù)字化檢測，其余內(nèi)容則需采用其他方法進行檢測。隨著檢測技術(shù)與公差技術(shù)的不斷發(fā)展，在工程上越來越多的采用形狀、位置公差這類綜合公差來代替尺寸公差這一單項公差。因此，根據(jù)工程實際和術(shù)語統(tǒng)一的要求，本文將“曲面外緣型值公差”用“面輪廓度公差” 來代替，“周邊外形尺寸公差”用“周邊的線輪廓度公差”來代替，“單曲面蒙皮的百分比連線波紋度”用“截面線的線輪廓度公差”來代替。參考上述航空標準并結(jié)合工程實際，將蒙皮零件的數(shù)字化檢測內(nèi)容分為3類：蒙皮表面、特征線和導孔，如圖1所示，其中特征線包括蒙皮的周邊線和表面上的截面線。蒙皮表面誤差用面輪廓度來表示；特征線誤差用線輪廓度來表示；對導孔則主要檢測孔直徑、孔到周邊的位置度、孔間距等誤差。

圖1 蒙皮零件數(shù)字化檢測內(nèi)容Fig.1 Digital inspection items for an aircraft skin part

2 測量方法與技術(shù)條件

下面首先介紹光學掃描和攝影測量兩種典型的光學測量方法，然后針對這兩種方法，從測量前準備、蒙皮零件放置、蒙皮零件外形測量、測量后零件處理等方面闡述相關(guān)的技術(shù)條件。

2.1 測量方法

光學掃描和攝影測量是光學測量方法中具有代表性的兩類方法，兩者均可以測量復(fù)雜曲面表面數(shù)據(jù)。光學掃描適合采集零件表面的大量點云數(shù)據(jù)，對復(fù)雜零件可以通過變換測量角度進行多角度測量，然后進行數(shù)據(jù)拼合，但拼合過程容易產(chǎn)生累積誤差。攝影測量采集零件表面粘貼的標記點，數(shù)據(jù)點密度較稀疏，優(yōu)點是獲得的數(shù)據(jù)點沒有累積誤差。對蒙皮零件的周邊線和導孔則可通過手持式測量筆和視覺適配器來進行測量。

本文試驗中采用Gom公司的Atos光學掃描系統(tǒng)和Tritop攝影測量系統(tǒng)。Atos系統(tǒng)單次掃描測量范圍為（320×240）～（1400×1050）mm2，測量誤差為10 μm+10 μm/m。Tritop系統(tǒng)的測量范圍為（0.5～100）m，測量誤差為4μm+4μm/m。Atos中配套的手持式測量筆和視覺適配器如圖2所示。測量筆通過人工手持可以測量筆端能接觸的任何部位，能夠測量鈑金件上的邊緣輪廓（直線或曲線均可）、孔輪廓等數(shù)據(jù)。視覺適配器主要包括L型、П型、角型、銷釘型和半球型。L型可以得到軸線方向，如將其側(cè)面貼住圓柱邊緣，可測量到圓柱的軸線方向（與L型塊側(cè)面平行）；П型可以得到直邊，如將其貼住鈑金件的切割直線邊緣，可測量該直邊；角型可以得到棱邊，如將其兩個內(nèi)表面分別貼住零件直角處的兩個平面，可測量棱邊；銷釘型可以得到圓柱孔的中心軸；半球型放置在孔上則其中心與孔中心共軸。

另外，通過對光學掃描獲得的密集點云進行截面求交，可以得到蒙皮表面上的截面線。因此，采用上述兩類方法可以完全滿足蒙皮零件表面、特征線和導孔的測量。

2.2 測量前準備

光學測量方法對零件的表面光學有一定的要求，對高度反光或黑色的蒙皮零件需要在表面上均勻噴涂顯影劑。

光學掃描和攝影測量通常要求在零件表面上黏貼一些紙質(zhì)或塑料標記點，直接黏貼在表面即可。對攝影測量，由于數(shù)據(jù)點密度過于稀疏難以描述曲面，因此標記點間的最大間隔距離不能太大。已有的檢測經(jīng)驗和國際上發(fā)達國家航空企業(yè)的檢測文件（如文獻[12]）中通常對一個球面的測量是要求每10°上至少分布一個測量點。類似的，自由曲面上測量點的分布與曲率半徑相關(guān)，設(shè)曲面某區(qū)域的曲率半徑為R，測量數(shù)據(jù)最大間隔距離則為2R×3.14/36，但一個曲面上的最少測量數(shù)據(jù)數(shù)量不得少于26個。例如當曲面曲率半徑為100 mm時，測量數(shù)據(jù)點最大間隔距離為17.44mm，數(shù)據(jù)點總數(shù)不少于26個。

2.3 蒙皮零件放置

蒙皮零件為薄壁件且尺寸大，容易在重力或者其他外力的作用下產(chǎn)生變形，因此需要對蒙皮零件進行一定的支撐。由于一些蒙皮零件的公差要求是在外載加力的條件下給出的，相應(yīng)的此零件應(yīng)該在加外載力的情況下進行測量。

在數(shù)字化測量時蒙皮零件放置分為自由狀態(tài)、模胎支撐、模胎支撐并加外力3種方式，如圖3所示。自由狀態(tài)是指蒙皮零件在不受力的自由情況下放置在工作平臺上，測量過程中可以移動零件位置。模胎支撐是指蒙皮零件需放置在與零件配套的模胎上，測量過程中不能移動零件，如進行多角度測量，則移動測量設(shè)備。模胎支撐并加外力方式中蒙皮放在模胎上，加力采用懸掛砂袋或者采用加力器的方式在蒙皮表面上施壓。

圖2 手持式測量筆和視覺適配器Fig.2 Handhold measuring pen and visual adapters

圖3 測量時蒙皮零件放置方式Fig.3 Way of placement for measuring aircraft skin parts

表1 蒙皮零件測量時放置狀態(tài)

借鑒標準文件HB 6470-1990中對曲面外緣型值公差的檢驗加壓規(guī)定并結(jié)合工程實踐，本文給出蒙皮零件測量時放置狀態(tài)的技術(shù)要求，如表1所示（其中“▲”后面的數(shù)字表示所加工藝載荷的大小，例如“▲”50表示加50N的力）。對大尺寸蒙皮零件可以多處加壓，相鄰兩個加壓點的距離為400～500mm。

2.4 蒙皮零件外形測量

2.4.1 表面測量

測量蒙皮表面可單獨采用攝影測量方法或者光學掃描測量方法，也可綜合采用兩種設(shè)備。綜合使用時，先用攝影測量方法獲取蒙皮表面黏貼的標記點坐標，這些標記點就可用來對多視角掃描的點云進行高精度的拼合。

單獨采用攝影測量設(shè)備的情況為：單向尺寸＞2m、曲面形狀平緩曲率半徑＞250mm的大型蒙皮，且離散點的間隔距離＞50mm也能滿足數(shù)量要求。

單獨采用光學掃描測量設(shè)備的情況為：＜500×500 mm2的小尺寸蒙皮，且測量角度變換的次數(shù)≤于6次。對其他情況則建議綜合采用兩種設(shè)備。

2.4.2 特征線測量

特征線包括蒙皮的周邊線和表面上的截面線，截面線通常位于蒙皮曲度方向的橫切面上或者縱切面上。

周邊線宜采用光學掃描測量設(shè)備中配套的特征視覺適配器，或者手持式測筆來測量。前者用于邊緣為直邊的情況，后者既可用于直邊也可用于曲邊。零件周邊輪廓測量點分布最大間隔為2R×3.14/36（R為曲率半徑），一條邊上的最少測量點為5個。

截面線可采用對表面點云數(shù)據(jù)進行截面求交的間接測量法，也可采用手持式測筆進行直接測量，本文建議采用前者，會有更好測量精度。

2.4.3 導孔測量

蒙皮零件上導孔采用光學掃描測量設(shè)備中配套的特征視覺適配器來測量，或者手持式測筆來測量。采用特征視覺適配器測量時，特征視覺適配器與孔之間的配合間隙應(yīng)＜孔徑極限偏差的1/3。例如銷釘型適配器中銷的直徑應(yīng)該與孔直徑相配合且滿足間隙要求，半球型適配器比孔徑大即可形成自適應(yīng)配合。采用手持式測筆通常針對孔徑較大且無法選用合適的特征視覺適配器的情況，每個導孔至少測量4個以上的數(shù)據(jù)點。

2.4.4 測量后表面清理

測量完成后，需對零件表面進行清理。對黏貼在零件表面的標記點用酒精棉球擦拭清除；對測量前表面上噴涂有顯影劑的零件用清水清洗，表面自然干燥。

3 檢測定位與誤差計算

獲得測量數(shù)據(jù)后，還需進行檢測定位，也就是采用其中定位基準部位的測量數(shù)據(jù)點與理論模型進行配準。在目前的一些商用測量數(shù)據(jù)分析軟件中，大都提供最佳配準和六點定位等配準方法，本文對此不進行具體討論。在檢測定位后，就可分別計算曲面輪廓度、邊線輪廓度等的誤差。

4 測量試驗

利用本文提出的蒙皮零件測量技術(shù)條件，對大量蒙皮零件進行了測量試驗。某剛度較好的蒙皮零件的測量過程如圖4所示。蒙皮零件實物如圖4（a）所示，在本次測量中直接放置在工作平臺上；對蒙皮表面采用綜合測量方法，即先用攝影測量獲得零件表面上的標記點，然后用三維掃描獲得零件的表面點云，對其中的邊線采用手持測筆的測量方式，圖4（b）為對該處進行測量的現(xiàn)場；對表面上的導孔則采用半球型的特征視覺適配器來測量；圖4（c）為測量數(shù)據(jù)，包括蒙皮表面、右側(cè)邊線和兩個導孔。檢測定位后蒙皮表面的面輪廓度誤差分布情況如圖4（d）所示。該蒙皮零件的面輪廓度公差為±0.7mm，從圖4（d）中可以看到，大量區(qū)域超差，在靠近邊緣處誤差超出3mm，這一結(jié)果為該零件的質(zhì)量評估和后續(xù)的制造工藝改進提供了有力的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

圖4 蒙皮零件測量實例Fig. 4 Measuring case of a skin part

5 結(jié)束語

本文對飛機蒙皮零件的數(shù)字化測量技術(shù)進行了研究，在分析蒙皮零件檢測技術(shù)要求和工程實踐基礎(chǔ)上確定蒙皮零件的檢測內(nèi)容，討論采用光學測量方法對蒙皮零件進行測量所需的具體技術(shù)條件。

目前，數(shù)字化測量方法的測量效率是影響其在蒙皮檢測中得到廣泛應(yīng)用的難點。對小型蒙皮且僅使用Atos系統(tǒng)就能滿足測量要求的，熟練的測量人員所用的測量時間＜30min，但使用傳統(tǒng)檢測工裝檢測有時只需要幾min；對大型蒙皮則需綜合采用Tritop系統(tǒng)與Atos系統(tǒng)，測量時間會長達幾個h甚至更長，不過使用傳統(tǒng)檢測工裝有時也需花費數(shù)h，但數(shù)字化測量獲得的數(shù)據(jù)卻更精確全面，這是傳統(tǒng)方法無法比擬的。

因此，基于光學的數(shù)字化檢測方法目前主要適合對蒙皮零件進行抽檢，如需在生產(chǎn)過程中對零件進行批檢，還需要研究測量設(shè)備的自動化控制、零件的定位裝夾等方法來進一步提高檢測效率。

[1]ESTLER W T, EDMUNDSON K L, PEGGS G N, et al. Largescale metrology-an update[J]. CIRP Annals-Manufacturing Technology,2002, 51(2):587-609.

[2]PEGGS G N, MAROPOULOS P G, HUGHES E B, et al. Recent developments in large-scale dimensional metrology[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part B: Journal of Engineering Manufacture, 2009, 223 (6):571-595.

[3]安志勇,曹秒,段潔.數(shù)字化測量技術(shù)在飛機裝配中的應(yīng)用[J].航空制造技術(shù), 2013(18):48-51 AN Zhiyong, CAO Miao, DUAN Jie. Application of digital measurement technology in aircraft assembly[J]. Aeronautical Manufacturing Technology, 2013(18):48-51.

[4]鄒愛麗,王亮,李東升,等. 數(shù)字化測量技術(shù)及系統(tǒng)在飛機裝配中的應(yīng)用[J], 航空制造技術(shù), 2011(21):73-75.ZHOU Aili, WANG Liang, LI Dongsheng, et al. Application of digital measuring system in aircraft assembly[J]. Aeronautical Manufacturing Technology, 2011(21):73-75.

[5]International Organization for Standardization. Geometrical product specifications - geometrical tolerancing -tolerances of form,orientation, location and run-out: ISO1101-2004[S]. International Organization for Standardization, 2004.

[6]International Organization for Standardization. Geometrical product specifications (GPS) - geometrical tolerancing - datums and datum systems :ISO5459-2011[S]. International Organization for Standardization, 2011.

[7]中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局,中國國家標準化管理委員會.產(chǎn)品幾何技術(shù)規(guī)范(GPS)幾何公差 形狀、方向、位置和跳動：GB/T 1182-2008[S]. 北京：中國標準出版社, 2008.General Administration of Quality Supervision, Inspection and Quarantine of the PRC, China National Standardizing Committee.Geometrical product specifications - geometrical tolerancing - tolerances of form, orientation, location and run-out: GB/T 1182-2008[S]. Beijing:Stardards Press of China, 2008.

[8]中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會. 產(chǎn)品幾何技術(shù)規(guī)范(GPS)幾何公差基準和基準體系:GB/T 17851-2010[S]. 北京：中國標準出版社, 2011.General Administration of Quality Supervision, Inspection and Quarantine of the PRC, China National standardizing committee. Geometric product specifications (GPS) - geometric tolerancing - datums and datum system: GB/T 17851-2010. [S]. Beijing : Stardards Press of China, 2011.

[9]Dimensioning and tolerancing: ASME Y14.5-1994[S]. American Society of Mechanical Engineers, 1994.

[10]程寶渠，池大杰，杜鳳花.飛機鈑金件尺寸公差及技術(shù)條件:HB 6470-1990[S]. 北京：航空航天工業(yè)部, 1990.CHEN Baoqu, CHI Dajie, DU Fenghua. Geometric tolerancing and techonical specification for aircraft Sheet metal part: HB 6470-1990[S].Beijing: Ministry for Aeronautic & Astronautics Industry, 1990.

[11]王林壽，陳小杰，劉啟國.一般公差 : HB 5800-1999[S]. 北京：中國航空航業(yè)總公司, 1999.WANG Linshou, CHEN Xiaojie, LIU Qiguo. General tolerancing: HB 5800-1999 [S]. Beijing: China Aviation Industry Corporation, 1999.

[12]Northrop Grumman Corporation. Inspection guidelines for sheetmetal detail parts & assemblies: QOS-0033[S]. United States of America: BM&ES Quality, Safety & Mission Assurance, Northrop Grumman Corporation, 2009.