李星辰

中航飛機股份有限公司漢中飛機分公司 陜西 漢中 723213

引言

飛機裝配質(zhì)量檢測技術(shù)，已經(jīng)由傳統(tǒng)的模擬量測量法，轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字化組合測量法。其主要是利用激光跟蹤儀與關(guān)節(jié)臂測量儀的優(yōu)點，對測量對象進行掃描，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息收集以及質(zhì)量檢測評估。隨著飛機制造從模擬量傳遞到數(shù)字量傳遞的轉(zhuǎn)變，以激光跟蹤儀、激光雷達、攝影測量和激光掃描為代表的數(shù)字化測量手段在飛機制造中扮演著越來越重要的角色。

1 飛機項目設(shè)計過程監(jiān)視與測量方法研究

①首先將飛機項目設(shè)計過程識別為需要監(jiān)視與測量的過程，飛機項目設(shè)計過程還包含項目策劃、頂層設(shè)計、初步設(shè)計、詳細初步設(shè)計、詳細設(shè)計等子過程。②過程能力預訂目標即為設(shè)計輸出滿足設(shè)計輸入的要求，實現(xiàn)方法合理、經(jīng)濟、良好的繼承性及完成規(guī)定的活動。③規(guī)定飛機項目設(shè)計過程監(jiān)視與測量的人員、部門和職責?？蓪⒃O(shè)計過程的監(jiān)視與測量活動視為產(chǎn)品生產(chǎn)過程的檢驗，可分別設(shè)置設(shè)計人員自檢及質(zhì)量管理人員專檢，或單獨開展，或結(jié)合開展，對于重要的過程特別是關(guān)聯(lián)關(guān)系復雜、重要度高的，檢驗必須通過組織的形式獨立開展。④分析影響過程能力的因素，確定監(jiān)視與測量的項目，確定對設(shè)計過程能力造成影響的因素，應該列為監(jiān)視與測量項目的有：設(shè)計策劃的完整及可預測性；設(shè)計輸入的完整性（涉及各子過程）；設(shè)計輸出與設(shè)計輸入的符合性（涉及各子過程）；設(shè)計評審的充分性（涉及各子過程）；評審問題的落實；設(shè)計驗證的充分性及驗證問題的落實等。⑤確定監(jiān)視與測量的方法、工具，例如，檢查、評審。產(chǎn)品檢驗要根據(jù)產(chǎn)品規(guī)范編制檢驗規(guī)程和檢驗記錄單，飛機項目設(shè)計過程監(jiān)視與測量也根據(jù)各設(shè)計階段應完成的任務(wù)編制相應的監(jiān)視與測量要求及監(jiān)視與測量用表。⑥確定監(jiān)視與測量的頻次，就像在產(chǎn)品加工流程中設(shè)置了檢驗工序一樣，在飛機項目研制網(wǎng)絡(luò)圖中設(shè)置了評審點。

2 多系統(tǒng)協(xié)同測量平臺框架設(shè)計

2.1 基本定義

2.1.1 多系統(tǒng)協(xié)同。本文中的“多系統(tǒng)協(xié)同”包含系統(tǒng)級協(xié)同、數(shù)據(jù)級協(xié)同、現(xiàn)場級協(xié)同三層含義?！跋到y(tǒng)級協(xié)同”是為完成某一測量任務(wù)采用多系統(tǒng)共同測量獲取測量數(shù)據(jù)，以達到提高測量準確度和測量效率的目的。面向測量系統(tǒng)的“系統(tǒng)級協(xié)同”是指多臺多種類數(shù)字化測量系統(tǒng)（激光跟蹤儀、激光雷達、室內(nèi)GPS、激光掃描儀、攝影測量系統(tǒng)等）共同完成測量任務(wù)，獲取統(tǒng)一基準下的測量數(shù)據(jù)。“數(shù)據(jù)級協(xié)同”是為充分利用多系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)融合手段合理給出測量結(jié)果及其評價。面向測量數(shù)據(jù)的“數(shù)據(jù)級融合”是指將測量設(shè)備數(shù)據(jù)、產(chǎn)品模型及參數(shù)等數(shù)據(jù)通過測量方案規(guī)劃、測量數(shù)據(jù)分析等手段進行融合，給出數(shù)據(jù)結(jié)果及其評價，達到數(shù)據(jù)合理有效利用。

2.1.2 測量平臺。測量平臺將數(shù)字化制造積累的大量數(shù)據(jù)按照三維模型相關(guān)定義進行分類管理和分類利用，其具體含義包括：以三維設(shè)計模型作為系統(tǒng)協(xié)同幾何量測量的核心實施依據(jù)，完成關(guān)鍵特征參量等測量信息的定義和分析。借助數(shù)字化的手段，以三維可視化環(huán)境為操作載體，以數(shù)據(jù)庫為信息載體，通過構(gòu)建一系列標準化的系統(tǒng)模型、數(shù)據(jù)接口、數(shù)據(jù)模型和算法、軟件模塊，可支持多種測量設(shè)備及其測量數(shù)據(jù)模型的導入，對測量方案設(shè)計、多種測量系統(tǒng)及數(shù)據(jù)模型基準統(tǒng)一、測量系統(tǒng)與測量任務(wù)耦合、虛擬仿真、測量數(shù)據(jù)分析及有效利用、測量結(jié)果評價、測量文件管理等環(huán)節(jié)進行組織和融合，將分散的測量系統(tǒng)、校準裝置、輔助工藝裝備、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)等硬件單元串聯(lián)起來，形成一個面向任務(wù)的綜合性幾何量測量平臺。

2.2 平臺框架

用于飛機數(shù)字化制造裝配的多系統(tǒng)協(xié)同幾何量測量平臺應包含三維模型定義模塊、多系統(tǒng)協(xié)同測量規(guī)劃與仿真模塊、多系統(tǒng)協(xié)同測量控制模塊、多系統(tǒng)協(xié)同測量數(shù)據(jù)管理模塊、多系統(tǒng)協(xié)同測量數(shù)據(jù)分析模塊以及數(shù)據(jù)庫?；谠O(shè)計的三維定義理論模型，多系統(tǒng)協(xié)同測量規(guī)劃與仿真模塊可完成大型部件數(shù)字化檢測所需的測量方案制定。在此基礎(chǔ)上，多系統(tǒng)協(xié)同測量控制模塊控制激光跟蹤儀、激光雷達、激光掃描儀、室內(nèi)GPS及攝影測量系統(tǒng)與測量輔助設(shè)備協(xié)同動作，完成大部件柔性協(xié)同測量。測量實施過程中數(shù)據(jù)信息由多系統(tǒng)協(xié)同測量數(shù)據(jù)管理模塊和多系統(tǒng)協(xié)同測量數(shù)據(jù)分析模塊進行數(shù)據(jù)融合，并集中在數(shù)據(jù)庫中存儲管理。

3 平臺各模塊的主要功能

3.1 三維模型定義模塊

基于CATIA三維環(huán)境，將幾何關(guān)鍵特征在三維模型中進行可視化表達，并定義和組織其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)三維模型中待測幾何特征的快速提取、測量信息標注與顯示。該模塊主要功能描述如下：①關(guān)鍵幾何特征提取功能能夠提取設(shè)計模型幾何信息并定義曲面、平面、邊界等基本幾何單元，構(gòu)建基本幾何特征提取模板，實現(xiàn)基于模板的關(guān)鍵幾何特征快速識別。②特征離散功能依據(jù)不同特征幾何結(jié)構(gòu)、公差要求的差異，將幾何特征結(jié)構(gòu)表征為有限有序的離散點集，為測量站位規(guī)劃仿真和測量設(shè)備現(xiàn)場測量實施提供數(shù)據(jù)引導。

3.2 規(guī)劃與仿真模塊

利用規(guī)劃與仿真技術(shù)，通過測量站位規(guī)劃、轉(zhuǎn)站路徑規(guī)劃、可達性測量、包絡(luò)檢查、站位評估等手段，解決實際測量過程中依靠人工經(jīng)驗進行站位定位引起的準確度低、效率低下等問題，從而輸出滿足測量要求的測量站位，實現(xiàn)數(shù)字化的部件測量方案構(gòu)建[1]。該模塊主要功能描述如下：①測量站位規(guī)劃功能以特征數(shù)量與分布、設(shè)備參數(shù)為輸入，結(jié)合聚類算法，完成初始站位的有效劃分。②測量仿真功能能夠顯示對各個測量區(qū)域下的初始測量站位進行蒙特卡洛仿真。通過可達性檢查、包絡(luò)檢查等，仿真并確保單簽站位下所有檢測對象可測；對關(guān)鍵特征幾何量測量準確度和協(xié)同測量現(xiàn)場構(gòu)建準確度進行仿真，評估是否滿足協(xié)同測量要求。③測量站位優(yōu)化調(diào)整功能結(jié)合基于仿真的優(yōu)化方法，能夠?qū)Σ粷M足測量要求的站位給出調(diào)整數(shù)據(jù)集，實現(xiàn)站位最優(yōu)調(diào)整。

3.3 控制模塊

結(jié)合測量設(shè)備控制協(xié)議的標準化方法，將測量控制指令轉(zhuǎn)換為測量設(shè)備可理解的運行指令，合理規(guī)劃測量設(shè)備的接口，將測量執(zhí)行指令發(fā)送至對應測量終端自動執(zhí)行，以保證對系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)的快速準確傳輸，提供滿足測量任務(wù)要求的數(shù)據(jù)。該模塊主要功能描述如下[2]：①數(shù)據(jù)統(tǒng)一功能通過多系統(tǒng)協(xié)同控制接口，將測量設(shè)備驅(qū)動接口，如SA/非SA/輔助設(shè)施（AGV等）進行統(tǒng)一，利用數(shù)據(jù)格式標準化協(xié)議，將測量終端獲取的點位/點云/圖像/其他數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)格式統(tǒng)一，全面獲取測量數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)利用價值。②測量系統(tǒng)管理功能能夠?qū)崿F(xiàn)多測量系統(tǒng)組網(wǎng)測量，進行激光跟蹤儀、激光雷達、室內(nèi)GPS、照相測量等多系統(tǒng)的添加、刪除、接口分配、任務(wù)分配、數(shù)據(jù)交換以及協(xié)同控制，并實現(xiàn)各測量設(shè)備的連接、斷開、參數(shù)設(shè)置、手動測量、自動測量等功能。

3.4 數(shù)據(jù)管理模塊

①數(shù)據(jù)采集與處理實時收集測量過程中產(chǎn)生的業(yè)務(wù)指令、實測數(shù)據(jù)、狀態(tài)信息，通過在線處理技術(shù)進行計算處理，以可視化信息反饋到服務(wù)終端形成閉環(huán)數(shù)據(jù)鏈。②數(shù)據(jù)維護與更新具有用戶權(quán)限設(shè)置、數(shù)據(jù)索引添加、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)更新等功能，從而保證數(shù)據(jù)信息實時性，提高數(shù)據(jù)利用率。

3.5 數(shù)據(jù)分析模塊[3]

①坐標系擬合功能多系統(tǒng)組網(wǎng)測量時，支持以不同方式、不同特征引導的坐標轉(zhuǎn)換方法，如點到點、點到平面、直線到直線等，并能直接輸出擬合殘差。②多系統(tǒng)協(xié)同測量數(shù)據(jù)融合功能可將對激光跟蹤儀、激光雷達、室內(nèi)GPS、照相測量等各自的測量數(shù)據(jù)統(tǒng)一到全局坐標系，實現(xiàn)多系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)的統(tǒng)一、協(xié)同測量配置分析與優(yōu)化。③基準檢測與維護功能針對裝配測量基準的偏移問題，運用基準點粗差檢測方法，實現(xiàn)測量場景的最優(yōu)構(gòu)建與檢查。④特征間幾何運算功能能夠查詢特征間相對位置關(guān)系，如點間距、點到直線的距離、直線夾角、平面夾角等。

4 系統(tǒng)工作流程

基于整機測量站為飛機整機裝配質(zhì)量測量與評價提供了一站式的解決方案，主要包括準備階段、數(shù)據(jù)獲取階段和數(shù)據(jù)處理階段三個階段[4]。①準備階段。這個階段主要包括整機測量前期的準備工作。在測量之前，首先要進行系統(tǒng)的標定，確定基站內(nèi)所有相機的外部參數(shù)，系統(tǒng)標定時需對標定結(jié)果進行評價，使其滿足整機測量的精度要求。然后將飛機移動至測量位置并按三點支撐或托架支撐的方式進行定位支撐。同時，根據(jù)飛機數(shù)模進行測量規(guī)劃，分配每個掃描儀的測量區(qū)域并生成對應的測量路徑控制指令。上述工作就緒之后，系統(tǒng)進行初始化，進行通信接口的自檢，并將自動化測量設(shè)備移動至初始位置。②數(shù)據(jù)獲取階段。準備工作就緒后，按照規(guī)劃的測量路徑，將各自動化設(shè)備運動至其設(shè)定的站位點，然后對該站位點覆蓋的區(qū)域進行掃描測量。同時，系統(tǒng)軟件同步發(fā)送相機觸發(fā)指令，基站對掃描儀的姿態(tài)進行實時測量和跟蹤。當所有區(qū)域完成數(shù)據(jù)掃描之后，自動化設(shè)備恢復至初始位姿，數(shù)據(jù)采集完畢。③數(shù)據(jù)處理階段。基站采集的參考點圖像和掃描儀采集的機表點云圖像，首先經(jīng)過三維重建，分別生成參考點和機表點的三維坐標，然后利用基于隨機抽樣一致性和奇異值分解的坐標系配準方法，將不同測量站位下的點云數(shù)據(jù)統(tǒng)一至全局坐標系下，并進行整機裝配質(zhì)量的評價[5]。

5 結(jié)束語

飛機幾何外形即整機裝配質(zhì)量，直接影響整體裝備的氣動性能、隱身性能以及結(jié)構(gòu)性能，為了更準確、高效、全面地評價飛機整機裝配質(zhì)量，本文對基于整機測量站的飛機整機裝配質(zhì)量評價方法進行了研究。對飛機項目設(shè)計過程中各個子過程應開展的工作進行認真梳理，識別過程的關(guān)鍵和重要點，正確、合理地設(shè)置既滿足質(zhì)量監(jiān)視和測量的要求，又使設(shè)計過程活動連續(xù)有效的控制點（監(jiān)視與測量項目）及控制要求（監(jiān)視與測量判定準則），是開展設(shè)計過程監(jiān)視與測量的關(guān)鍵。通過對設(shè)計過程的子過程進行監(jiān)視與測量，確保每個設(shè)計子過程都能夠按照規(guī)定的程序和要求開展活動，及時發(fā)現(xiàn)設(shè)計過程中存在的問題，特別是關(guān)聯(lián)性問題，使質(zhì)量問題的發(fā)現(xiàn)、解決措施制定、解決過程、結(jié)果驗證，能夠制度化、規(guī)范化、透明化，使其可控、可追溯。將產(chǎn)品質(zhì)量隱患消滅在設(shè)計源頭，以達到飛機項目設(shè)計過程能力不斷提升、項目研制質(zhì)量不斷提高的目的。