王 巍 金文瀚 王曹旭 沙菲尤

(①沈陽(yáng)航空航天大學(xué)航空航天工程學(xué)部，遼寧 沈陽(yáng) 110136；②中航沈飛民用飛機(jī)有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽(yáng) 110168；③沈陽(yáng)航空航天大學(xué)國(guó)際教育學(xué)院 遼寧 沈陽(yáng) 110136)

飛機(jī)機(jī)身上的關(guān)鍵特征是影響飛機(jī)產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵因素，因此在飛機(jī)產(chǎn)品交付之前要對(duì)機(jī)身關(guān)鍵特征進(jìn)行測(cè)量，驗(yàn)證其制造精度是否符合要求。在測(cè)量過程中，為了提高工作效率，提高測(cè)量準(zhǔn)確度，基于模擬量傳遞的傳統(tǒng)測(cè)量方法已經(jīng)被數(shù)字化測(cè)量逐漸取代[1-3]。雖然數(shù)字化測(cè)量技術(shù)可以大大提高測(cè)量速度，并且具有更高的準(zhǔn)確度，但是同樣不可能保證百分之百準(zhǔn)確，在測(cè)量過程中同樣存在偏差，因此需要制定出一種優(yōu)化的測(cè)量方法，盡可能的提高測(cè)量精度。

1 大型飛機(jī)的典型測(cè)量方法

數(shù)字化測(cè)量設(shè)備與三維測(cè)量軟件的結(jié)合使用具有測(cè)量精度高、攜帶方便、環(huán)境適應(yīng)廣等優(yōu)點(diǎn)[4]，使得飛機(jī)的生產(chǎn)效率產(chǎn)生了革命性的突破，在國(guó)內(nèi)外絕大多數(shù)航空企業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用。

1.1 典型測(cè)量方法

利用靶球和靶球座，通過接觸式測(cè)量方式直接獲取基準(zhǔn)孔圓心的實(shí)際點(diǎn)位信息，與理論值擬合建立飛機(jī)坐標(biāo)系，在該坐標(biāo)系下對(duì)整個(gè)機(jī)身所有的關(guān)鍵特征進(jìn)行測(cè)量。由于機(jī)身尺寸過大，因此要進(jìn)行轉(zhuǎn)站，同樣利用靶球和靶球座獲取均勻布置在機(jī)身四周基準(zhǔn)塊(公共點(diǎn))的點(diǎn)位信息來完成轉(zhuǎn)站。在各個(gè)站位下測(cè)量對(duì)應(yīng)的關(guān)鍵特征，進(jìn)而完成所有關(guān)鍵特征的測(cè)量。其流程如圖1所示。

1.2 典型測(cè)量方法的缺點(diǎn)

利用靶球和靶球座獲取基準(zhǔn)孔圓心的實(shí)際點(diǎn)位信息時(shí)，如果實(shí)際測(cè)量工作中由于工作人員的操作失誤造成靶球座與基準(zhǔn)孔不能夠充分接觸，測(cè)量得到的點(diǎn)位信息必然存在偏差，那么擬合出來的飛機(jī)坐標(biāo)系一定存在偏差，三維測(cè)量軟件會(huì)直觀的顯示當(dāng)前擬合偏差值，一旦偏差值超差，該坐標(biāo)系將不可使用，因此要分析超差的原因并且按照上述步驟重新建立飛機(jī)坐標(biāo)系，造成時(shí)間的浪費(fèi)。

如果只建立一次飛機(jī)坐標(biāo)系，通過不斷地轉(zhuǎn)站進(jìn)行測(cè)量，勢(shì)必會(huì)造成誤差不斷積累。因?yàn)檗D(zhuǎn)站是通過兩個(gè)站位之間的公共點(diǎn)進(jìn)行擬合，每轉(zhuǎn)站一次系統(tǒng)自身就會(huì)產(chǎn)生一定的擬合偏差；而且轉(zhuǎn)站前后，測(cè)量同一個(gè)公共點(diǎn)時(shí)很可能出現(xiàn)兩次獲得的公共點(diǎn)的位置存在偏差的情況，同樣會(huì)對(duì)擬合產(chǎn)生影響，如果轉(zhuǎn)站次數(shù)過多，將會(huì)導(dǎo)致后續(xù)測(cè)量的數(shù)據(jù)誤差越來越大。原本關(guān)鍵特征的制造精度符合要求，但是由于測(cè)量誤差過大，導(dǎo)致關(guān)鍵特征的偏差值超差，出現(xiàn)“假超差”現(xiàn)象。

如果采用轉(zhuǎn)站，各個(gè)站位之間相互聯(lián)系，前一個(gè)站位會(huì)對(duì)后一個(gè)站位產(chǎn)生影響。在測(cè)量工作完成之后，要將所有關(guān)鍵特征的測(cè)量數(shù)據(jù)與理論值對(duì)比進(jìn)行誤差分析，一旦偏差較大，將會(huì)重新對(duì)超差的關(guān)鍵特征測(cè)量一次，如果仍然超差將會(huì)返修。假設(shè)測(cè)量過程中是在6個(gè)站位下完成全部測(cè)量，經(jīng)過數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)四、五、六3個(gè)站位下的關(guān)鍵特征均超差，實(shí)際上五、六站位下的關(guān)鍵特征符合要求，但是由于在站位四下測(cè)量時(shí)出現(xiàn)操作失誤、設(shè)備移動(dòng)等問題，由于工作人員疏忽并未發(fā)現(xiàn)而繼續(xù)測(cè)量，對(duì)五、六站位的測(cè)量產(chǎn)生影響，導(dǎo)致原本符合要求卻由此致使出現(xiàn)超差的情況。此時(shí)將無法分析在哪個(gè)站位上測(cè)量時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)誤。

以機(jī)身前后兩端的基準(zhǔn)孔作為基準(zhǔn)建立飛機(jī)坐標(biāo)系。如果在該坐標(biāo)系下通過轉(zhuǎn)站完成所有關(guān)鍵特征的測(cè)量，即所有關(guān)鍵特征的點(diǎn)位信息均是以機(jī)身前后兩端的基準(zhǔn)孔作為基準(zhǔn)。對(duì)于大型飛機(jī)，機(jī)身較長(zhǎng)，尤其是中機(jī)身，由于機(jī)身自身的重力集中在機(jī)身中段，會(huì)造成機(jī)身發(fā)生彈性變形。如果機(jī)身中段相對(duì)兩端發(fā)生形變，機(jī)身中段關(guān)鍵特征的實(shí)際位置就會(huì)發(fā)生改變，即與機(jī)身前后兩端基準(zhǔn)孔相對(duì)位置發(fā)生改變，如果仍然將其作為基準(zhǔn)對(duì)機(jī)身中段進(jìn)行測(cè)量，必然會(huì)產(chǎn)生誤差。

2 大型飛機(jī)的優(yōu)化測(cè)量方法

針對(duì)上述方法所存在的缺陷，在典型測(cè)量方法的基礎(chǔ)上提出一種優(yōu)化方法。在建立飛機(jī)坐標(biāo)系時(shí)，通過直線與平面相交的方式得到基準(zhǔn)孔的實(shí)際圓心位置；同時(shí)根據(jù)機(jī)身關(guān)鍵特征的分布劃分測(cè)量站位，分別在各個(gè)站位重新建立飛機(jī)坐標(biāo)系，在各個(gè)站位下分別測(cè)量對(duì)應(yīng)區(qū)域內(nèi)的關(guān)鍵特征。

2.1 飛機(jī)坐標(biāo)系的建立

飛機(jī)坐標(biāo)系(產(chǎn)品設(shè)計(jì)坐標(biāo)系)的建立目的在于，將機(jī)器坐標(biāo)系與飛機(jī)坐標(biāo)系建立一種聯(lián)系。

目前建立飛機(jī)坐標(biāo)系的主要方法就是通過獲取基準(zhǔn)孔圓心的點(diǎn)位信息，利用最佳擬合的方法創(chuàng)建飛機(jī)坐標(biāo)系，因此基準(zhǔn)孔圓心點(diǎn)位信息的測(cè)量準(zhǔn)確度是影響飛機(jī)坐標(biāo)系精度的重要因素之一。

建立坐標(biāo)系時(shí)通過直線與平面相交得到基準(zhǔn)孔圓心的間接方式取代傳統(tǒng)的通過接觸式測(cè)量直接獲取圓心點(diǎn)位信息的方式。即在基準(zhǔn)孔圓心所在的平面上只需利用靶球(無需靶球座)測(cè)量任意3個(gè)點(diǎn)A、B、C(至少3個(gè)點(diǎn))，所測(cè)量的點(diǎn)要盡可能的均勻分布在基準(zhǔn)孔周圍，通過這3個(gè)點(diǎn)創(chuàng)建一個(gè)平面；然后利用“雙點(diǎn)式”轉(zhuǎn)接套(如圖2所示)在基準(zhǔn)孔的軸線方向上測(cè)量?jī)蓚€(gè)點(diǎn)D、E，通過這兩個(gè)點(diǎn)創(chuàng)建一直線；最后通過平面與直線相交得到一個(gè)點(diǎn)，即基準(zhǔn)孔的圓心。如圖3所示。

根據(jù)機(jī)身上關(guān)鍵測(cè)量特征的分布情況，進(jìn)行測(cè)量站位的劃分，爭(zhēng)取在每個(gè)站位上能夠測(cè)量盡可能多的關(guān)鍵測(cè)量特征，并保證各個(gè)站位均有用于建立飛機(jī)坐標(biāo)系的基準(zhǔn)孔。測(cè)量過程中，在每個(gè)站位下均采用上述方式重新建立飛機(jī)坐標(biāo)系，即劃分幾個(gè)站位便建立幾次飛機(jī)坐標(biāo)系，在各個(gè)站位下獨(dú)立測(cè)量，互不影響。

2.2 轉(zhuǎn)站的定義

由于基準(zhǔn)孔有時(shí)會(huì)分布在機(jī)身的兩端，不能在一個(gè)站位下測(cè)量到所有的基準(zhǔn)孔，此時(shí)無法完成飛機(jī)坐標(biāo)系的創(chuàng)建，因此要進(jìn)行轉(zhuǎn)站，獲取全部基準(zhǔn)孔圓心的點(diǎn)位信息[5]。

轉(zhuǎn)站是指采用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換點(diǎn)(又稱公共觀測(cè)點(diǎn)，簡(jiǎn)稱公共點(diǎn))創(chuàng)建各個(gè)站位儀器測(cè)量坐標(biāo)系的聯(lián)系，并將所有站位測(cè)量數(shù)據(jù)統(tǒng)一配準(zhǔn)到其中一個(gè)站位的測(cè)量坐標(biāo)系下[6]。

2.3 轉(zhuǎn)站技術(shù)的優(yōu)化

目前典型的方法同樣是通過靶球和靶球座獲取基準(zhǔn)塊圓心的實(shí)際位置，如圖4所示。由于測(cè)量過程中存在接觸不緊密等原因?qū)е罗D(zhuǎn)站前后測(cè)量同一個(gè)公共點(diǎn)時(shí)，得到兩個(gè)不同的實(shí)際位置，必然影響轉(zhuǎn)站的準(zhǔn)確度。因此同樣采用上述方法得到圓心實(shí)際位置，如圖5所示。

2.4 測(cè)量機(jī)身的關(guān)鍵特征

在各個(gè)站位下分別建立完飛機(jī)坐標(biāo)系之后，便開始在各個(gè)已經(jīng)劃分好的站位下測(cè)量機(jī)身的關(guān)鍵特征。測(cè)量過程中不再采用直線與平面相交的方式，因?yàn)闄C(jī)身均是曲面，無法完成平面的創(chuàng)建，通過靶球和T-probe直接完成測(cè)量即可。所有關(guān)鍵特征測(cè)量完畢之后，雖然每個(gè)站位下的機(jī)器均處于同一個(gè)飛機(jī)坐標(biāo)系下，即測(cè)量數(shù)據(jù)處于同一個(gè)坐標(biāo)系下，但是每個(gè)站位下的數(shù)據(jù)均分塊存在，并未存儲(chǔ)在同一個(gè)組合中。因此通過“組合管理器”功能將不同的機(jī)器下的測(cè)量數(shù)據(jù)統(tǒng)一在一個(gè)機(jī)器下，即整合到一個(gè)組合中，此時(shí)相當(dāng)于激光跟蹤儀在一個(gè)站位下測(cè)量了所有站位下的基準(zhǔn)孔和關(guān)鍵特征，再將組合中所有基準(zhǔn)點(diǎn)的實(shí)測(cè)值與理論值進(jìn)行一次最佳擬合，這樣能夠進(jìn)一步提高擬合的精度。最后再將所有的測(cè)量數(shù)據(jù)導(dǎo)出與理論數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。

2.5 優(yōu)化后測(cè)量方法的優(yōu)點(diǎn)

利用靶球在表面測(cè)量任意點(diǎn)的時(shí)候不存在接觸是否充分的問題，只要將靶球放在平面上即可，因此擬合出來的平面精確度較高；在軸線方向上借助“雙點(diǎn)式”轉(zhuǎn)接套測(cè)量點(diǎn)的時(shí)候，無論轉(zhuǎn)接套底座與基準(zhǔn)孔圓心所在的表面是否充分接觸都無所謂，只要滿足所采集的點(diǎn)在基準(zhǔn)孔軸線方向上即可。因此，通過直線與平面相交的方式得到的圓心實(shí)際位置更加接近理論值位置，可以不受人為等因素的干擾，穩(wěn)定性更好。

同時(shí)，在不同站位下分別重新建立飛機(jī)坐標(biāo)系進(jìn)行測(cè)量，可以避免由于多次轉(zhuǎn)站帶來的誤差積累，測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確度更高；而且在各站位下均重新建立飛機(jī)坐標(biāo)系，各站位之間不存在任何聯(lián)系，彼此之間互不影響。假如測(cè)量工作完成之后，經(jīng)過與理論值分析比較發(fā)現(xiàn)部分關(guān)鍵特征的制造精度誤差較大，能夠非常容易地知道是在哪個(gè)站位上出現(xiàn)了問題，進(jìn)而針對(duì)該站位進(jìn)行問題分析。

如果在每個(gè)站位下選取對(duì)應(yīng)的基準(zhǔn)重新建立坐標(biāo)系，由于基準(zhǔn)與關(guān)鍵特征的距離較近，即使機(jī)身發(fā)生彈性變形，基準(zhǔn)與關(guān)鍵特征之間的相對(duì)位置也不會(huì)受到多大影響，基本保持不變。

3 優(yōu)化方法在某型飛機(jī)中機(jī)身測(cè)量中的應(yīng)用

以某型飛機(jī)中機(jī)身為例，使用激光跟蹤儀和SA軟件來完成中機(jī)身的測(cè)量，如圖6所示。

3.1 確定激光跟蹤儀的安裝位置

首先分析機(jī)身關(guān)鍵測(cè)量特征的分布進(jìn)行站位的劃分，爭(zhēng)取在每個(gè)站位上激光跟蹤儀可以測(cè)量盡可能多的關(guān)鍵特征，從而減少站位的數(shù)量，節(jié)省工作時(shí)間。根據(jù)已經(jīng)劃分好的站位并結(jié)合該站位下地面基準(zhǔn)塊的分布確定激光跟蹤儀的最終安裝位置。站位分布如圖7所示。

3.2 建立飛機(jī)坐標(biāo)系

以站位三的測(cè)量為例，通過基準(zhǔn)孔建立飛機(jī)坐標(biāo)系，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工藝人員制定的基準(zhǔn)，該站位下基準(zhǔn)孔數(shù)量為6個(gè)，前后地板梁上各有2個(gè)，座椅滑軌上2個(gè)。其分布如圖8所示。

由于基準(zhǔn)孔分布在機(jī)身的兩側(cè)，不能在一個(gè)站位下測(cè)量所有基準(zhǔn)孔，因此要進(jìn)行轉(zhuǎn)站，在兩個(gè)站位下測(cè)量基準(zhǔn)孔，如圖9所示。

測(cè)量完所有基準(zhǔn)孔之后，由MA4-1、MA4-2、MA4-3構(gòu)造出平面，由MA-4、MA4-5構(gòu)造出軸線，通過相交得到基準(zhǔn)孔的圓心MA4，其他基準(zhǔn)孔同理，如圖10所示。

最后基于測(cè)量系統(tǒng)軟件，在最小二乘法的基礎(chǔ)上對(duì)各個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)在設(shè)計(jì)制造基準(zhǔn)方向加入權(quán)重比例系數(shù)[8]，保證在各個(gè)方向的裝配準(zhǔn)確度,利用最佳擬合法建立飛機(jī)坐標(biāo)系，其結(jié)果如圖11所示。其他站位建立飛機(jī)坐標(biāo)系的方法同上。

3.3 測(cè)量機(jī)身各關(guān)鍵特征

利用關(guān)鍵特征進(jìn)行測(cè)量對(duì)提高產(chǎn)品檢測(cè)的準(zhǔn)確性，縮短檢測(cè)周期，具有重要意義[9]。某型飛機(jī)中機(jī)身主要分成中前機(jī)身、中中機(jī)身、中后機(jī)身三段，其中中前機(jī)身的關(guān)鍵特征包括滑軌導(dǎo)孔、滑軌端部、長(zhǎng)桁端部、蒙皮端部外形等；中中機(jī)身包括上位鎖鉸鏈、襟翼導(dǎo)軌接頭、應(yīng)急門蒙皮端面外形等；中后機(jī)身包括滑軌導(dǎo)孔、滑軌端部、蒙皮端部外形、帶板外形和端部等，通過在不同站位分別建立飛機(jī)坐標(biāo)系，獨(dú)立檢測(cè)對(duì)應(yīng)區(qū)域內(nèi)的關(guān)鍵特征，如圖12所示。

利用T-probe、靶球、靶球座、轉(zhuǎn)接套測(cè)量檢測(cè)各關(guān)鍵特征，如圖13所示。同時(shí)T-probe以及T-cam可以對(duì)隱藏的關(guān)鍵特征進(jìn)行測(cè)量，有利于減少轉(zhuǎn)站的次數(shù)，進(jìn)而縮短飛機(jī)的制造周期[10]。測(cè)量完所有的關(guān)鍵特征之后，將各個(gè)站位下的關(guān)鍵特征和基準(zhǔn)孔的測(cè)量數(shù)據(jù)分別整合到某個(gè)站位下的關(guān)鍵特征和基準(zhǔn)孔兩個(gè)組合中，再將該站位下基準(zhǔn)孔組合中所有基準(zhǔn)點(diǎn)的實(shí)測(cè)值與理論值進(jìn)行一次最佳擬合。最后將關(guān)鍵特征組合中的測(cè)量數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，分析各關(guān)鍵特征的制造精度。

4 結(jié)語

如何提高飛機(jī)的生產(chǎn)效率一直是航空企業(yè)的研究熱點(diǎn)。到目前為止，數(shù)字化測(cè)量設(shè)備的應(yīng)用改變了傳統(tǒng)的機(jī)身測(cè)量檢測(cè)方式，但是尚未形成一種行業(yè)內(nèi)認(rèn)可的測(cè)量方法。針對(duì)當(dāng)前測(cè)量方法存在的不足提出通過直線與平面相交的方式得到基準(zhǔn)孔圓心建立飛機(jī)坐標(biāo)系，同時(shí)在各個(gè)站位下分別重新建立飛機(jī)坐標(biāo)系獨(dú)立測(cè)量的方法。該方法具有更高的測(cè)量精度，可以縮短測(cè)量工作時(shí)長(zhǎng)，能夠及時(shí)對(duì)超差位置作出合理的解決方案，進(jìn)而提高飛機(jī)的生產(chǎn)效率，節(jié)約制造成本，對(duì)航空企業(yè)的發(fā)展具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

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