大尺寸飛機零部件檢測技術研究進展

李彬鵬，茅 健

（上海工程技術大學 機械與汽車工程學院,上海 201620）

作為國家航空工業發展程度的重要標志，大型飛機的生產制造能力代表了一個國家的綜合實力.歐美國家的飛機制造公司早已將數字化測量系統引入飛機裝配中，以高精度的測量、控制進而提升飛機裝配精度[1].美國波音公司早在1998 年就已經開始研究iGPS 測量系統，并且已將其應用于747、787 等飛機整機的裝配線中，該系統在大尺寸工件的檢查、裝配等方面發揮著重要作用.波音公司也運用激光跟蹤儀對JSF 戰斗機的空間位姿進行檢測[2].國內一些飛機制造廠逐步引進數字化測量技術，但測量技術以及測量體系還不夠完善，其應用在某種程度上受到制約.因此，探索飛機大尺寸零部件測量技術對于提升我國航空制造技術、助力國產大型飛機的研制具有重要意義.

1 大尺寸飛機零部件檢測技術

1.1 三坐標測量法

三坐標測量法需要依靠三坐標測量機對高精度自由曲面進行檢測.三坐標測量機中，3 個互相垂直的運動軸共同建立起坐標系，測頭在其中運動.三坐標測量機工作時，將被測部件放在工作臺上，探頭逐漸移動到指定位置與被測件表面接觸，即可實時顯示出探頭中心點的精確坐標.探頭沿著工件表面移動，并在固定點位停止移動進行測量，即可得出被測部件上采樣點的坐標值，三坐標測量工作圖如圖1 所示.

圖1 三坐標測量工作圖Fig.1 Working diagram of three-coordinate measurement

史建華等[3]通過建立輔助坐標系對葉尖進行掃描，選用三坐標測量機并配以旋轉式連續掃描探頭，同時利用最佳擬合法來建立坐標系.試驗結果表明，此方法能有效減少因葉身曲率變化大、葉片剛性降低并與測針之間發生共振現象等因素對測量精度造成的影響.高繼昆等[4]通過三維曲線掃描方法測量葉盤葉片的型面，結果表明，采用三維曲線掃描測量和計算可以有效減少通過二維曲線掃描所造成的誤差，使測量結果更加準確；但三維曲線掃描方法在計算和評價時相對復雜，還需要進一步完善.張現東等[5]研究適用于葉片三坐標測量的測點優化采樣方法，引入撓度使傳統采樣方法同時適用于空間及平面曲線，并研究了葉片被測截面選取方法以減小重構誤差.歐陽婷婷等[6]針對曲面輪廓度坐標測量，提出完全基準約束、不完全基準約束與無基準約束3 種情況下的測量與擬合方法.戚明軒等[7]使用三坐標測量機采集點云數據，并利用最小二乘濾波降噪算法完成對數據的曲線曲面重構，得到符合精度要求的航空發動機葉片逆向工程數模.Stojadinovic 等[8]借助控制數據表(CDL)和.ncl(DMIS)文件實現基于坐標測量機的離線DIT，開發用于檢測標準公差類型(同心度、垂直度等)的虛擬測量系統.Forbes[9]建立近似的三坐標機行為模型用于生成點云相關的方差矩陣，并對如何將與點云相關聯的方差矩陣傳播到與派生特征相關聯的方差矩陣進行了討論.該模型可評估派生特征相關的不確定性，進而確定合適的測量儀器與方法.

綜上，三坐標測量法在飛機的葉片測量領域應用較多，適用于測量復雜曲面，具有測量精度高、自動程度高等優點，但在實際使用中會受到環境濕度、溫度等的影響，測量效率較低，不能滿足流水線生產需要，且探頭接觸可能導致工件表面劃傷或工件變形，探頭本身的半徑問題也會對測量帶來干擾，需要在結果中進行補償.近年來，非接觸式三坐標測量法正在興起，但技術尚在完善中.

1.2 激光雷達測量法

激光雷達系統包含激光發射器、接收系統與處理系統，激光雷達工作原理如圖2 所示.紅外激光器發出兩束光線，一束到達被測物表面并被反射，傳輸時間為TD；另一束在已知長度的光纖內傳輸，輸出時間為TF，當兩束光纖匯合時，輸出混頻信號，△T=TD?TF.系統中具有多根已知長度的光纖，通過比較測量的方法來完成距離測量.通過反射鏡和旋轉頭來獲取待測目標的方位角和仰角，同時轉換成直角坐標，即完成了測量.

圖2 激光雷達測量原理Fig.2 Measurement principle of lidar

亢甲杰等[10]提出需要滿足轉臺垂直軸系與水平軸系垂直、水平軸線與反射鏡面重合等條件以提高激光雷達坐標測量系統儀器精度，并對系統誤差參量進行標定和補償以消除測角誤差，提高系統坐標測量精度.崔深山等[11]通過視覺手持測量與激光掃描協同的方式對結構曲面提取點云數據，提出兩種方法融合的方案并搭建測量系統.試驗結果表明該方法可有效提高高次曲面測量精度.劉玉松等[12]將Metrascan 掃描儀和激光雷達兩種測量技術相融合，以激光雷達坐標系作為高精度基準轉換坐標系，從而提高了Metrascan 掃描精度，通過對比驗證此方法可提高飛機外形數字化測量的精度與效率.潘鑫等[13]提出一種基于激光雷達回波信號信噪比(SNR)的精度分析方法，綜合待測距離、入射角、材料屬性等因素對結果的影響，利用信噪比的變化規律結合儀器不確定度，確定了針對點云不同區域的精度修正因子.該方法有效減小測量誤差對變形量的影響.但后續為提高精度修正因子的準確度，還需要考慮各因素耦合變化的影響.張欣婷等[14]提出基于邁克爾遜干涉儀的激光雷達測距系統，其原理為差頻干涉，可通過Zemax 宏語言實現變倍距離測量，達到非接觸快速測量復雜三維曲面的目的.Yang 等[15]提出一種時空復用陣列成像激光雷達技術，利用空間和時間編碼復用技術，僅使用M個探測器即可獲得M× 22 個像素，大幅提高激光雷達的成像速度和分辨率.

綜上，激光雷達測量技術是一種高精度非接觸式測量技術，掃描所得點云包含位置信息以及色彩信息，效果如圖3 所示.激光雷達測量分辨率與準確度較高，但是激光雷達的波束極窄，容易受到外界環境干擾且探測效率較低，一般用于對飛機外形等尺寸較大的部件進行測量.

圖3 Flash 激光雷達成像Fig.3 Flash lidar imaging

1.3 室 內GPS 測量 法

室內GPS 是一種多站位大尺寸坐標測量系統，其基于光電掃描系統工作，如圖4 所示.室內GPS主要由發射站、接收器、解算工作站和信號處理器構成.每個發射站發射兩束傾斜的、勻速旋轉的激光扇面來進行掃描；接收器接收到光信號并轉化為旋轉角度；解算工作站處理時間信息并進行坐標的解算、顯示及存儲，同時還負責管理整個系統資源.

圖4 室內GPS 結構示意圖Fig.4 Schematic diagram of indoor GPS structure

趙子越等[16]設計一種室內GPS 與激光跟蹤儀協同工作的方法，提出基本約束方程構建方法，引入兩種幾何約束來構建相對約束方程，進而提高組網精度.此方法具有高精度和高效率的特點，能滿足裝備制造業中大尺寸測量任務的測量需求，但是組網精度受激光跟蹤儀站位布局的影響，未來需要繼續優化算法來提高測量網絡精度.范斌等[17]對比激光跟蹤儀和室內GPS 兩種技術，發現室內GPS 無需轉站的建網特點，可提高數字化檢測效率，但組網精度與測量精度較低，目前主要適用于測量范圍較大，需要一定測量效率且不追求高測量精度的測量環境，后續研究需要加強室內GPS 測量系統場的規劃.范景韜等[18]提出一種基于免疫優化算法的iGPS 發射器布局優化方法，得到測量不確定度模型，建立了親和度函數，使用免疫優化算法對發射器布局進行優化.仿真試驗表明，優化后布局的測量不確定度明顯低于經驗布局，精度相對較高，優化效果明顯.陳良杰等[19]采用坐標系轉換算法，統一了iGPS 測量坐標系與設計坐標系，通過加權單位四元數的位姿比對技術進行調資驅動點的當前坐標值的解算，采用“三點調資法”進行部件調資軌跡規劃，結算調資定位器各驅動軸的增量.栗輝[20]提出一種iGPS 測量系統和激光雷達協同工作的測量方法，建立飛機數字調平模型，設計了飛機水平測量方案.結果表明，該方法能測量地面設備相對于飛機局部點的精確位置關系，可用于測量多種表面的間隙、階差等.但是實際中材料屬性并非完全與理論值一致，有可能存在仿真值與實際值相脫離，因此只能將有限元計算作為輔助.不同測量設備采用不同的通訊接口，不同設備的測量數據造成的數據互通和測量數據集成極其不便.Zhou 等[21]研究了基于非共面交會原理的iGPS 雙發射機測量原理，并對其進行了不確定度分析，針對某巡邏設備iGPS 位置跟蹤實驗的iGPS 多發射機布置進行仿真設計，試驗精度可達到小于等于0.4 mm.Schmitt 等[22]展示了使用全局參考跟蹤無導向傳送帶上的大型部件的結果，同時研究了計量系統在更高頻率上檢測到微小的位置偏差的問題.

綜上，室內GPS 效率高，在飛機總裝中常會用到，如圖5 所示.通常會結合其他測量方法進行協同測量，來解決其精度較其他方法低的缺陷.但是該方法設備較多，容易受到環境的振動影響，且組網精度受布局影響，需要進一步優化.

圖5 室內GPS 在總裝中的應用Fig.5 Application of indoor GPS in final Assembly

1.4 激光跟蹤儀測量法

激光跟蹤儀是由激光測距、角度編碼以及光學跟蹤設備構成的高精度測量設備，已廣泛應用于工業大空間測量領域.激光跟蹤儀觀測點位相對于站位的水平角、垂直角以及觀測點到站位之間的距離，然后以極坐標計算的方式唯一確定觀測點的三維坐標[17].其結構原理圖如圖6 所示.

王子辰等[23]采用光跟蹤儀與柔性關節坐標測量臂相結合的測量方式，建立基于激光跟蹤多邊測量方法的特大齒輪組合式測量網絡，通過跳蛙技術確定激光跟蹤儀和柔性關節坐標測量臂間的坐標轉換關系，實現不同站位下測量臂測量數據的空間配準，通過仿真試驗對比測量數據顯示，組合式測量誤差平均值為0.007 mm，誤差標準差為0.004 mm，有效提升了測量精度.喬貴方等[24]搭建一種單激光跟蹤儀的順序多站式測量系統，將一臺激光跟蹤儀置于不同基站位置，對機器人末端位置進行獨立測量，再基于多邊測量方法計算機器人末端位置，有效優化了測量不確定度.但是系統搭建過程較為復雜，后續工作需要簡化過程并繼續優化測量精度.朱緒勝等[25]提出基于蒙特卡洛仿真的車間現場激光跟蹤儀測量站位優化方法，建立非均勻溫度場下的激光跟蹤儀測量模型，以此為基礎建立包含離散點和形位誤差兩類測量任務的不確定度評價模型與不確定度最小化的激光跟蹤儀站位優化數學模型，應用在飛機檢驗工裝測量過程中.結果顯示此模型優化了測量站位問題，提高了現場布置的合理性.汪昭義等[26]提出一種基于激光跟蹤儀的三維測邊網平差的預準直測量方法，通過搭建多個測站將定位點和測站點的坐標進行平差解算得到較高精度的定位點坐標，并分析不同測站數目下定位點的解算精度，得到局部最優測站數.試驗結果表明，三維測邊網平差解算的精度遠高于同等條件下三維邊角網平差解算精度.后續工作需要探討如何合理布設空間網點使誤差在水平和垂直方向上分布更均勻，如何結合不同儀器共同完成測量工作聯合平差處理.Gai 等[27]提出一種多站捆綁平差(BAMS)方法，通過捆綁平差將所有測量站和增強型參考系(ERS)構建成一個完整的測量坐標系(EMCS)，使用穩定的參考系點將測量坐標系轉換到裝配坐標系中，從而建立BAMS 的誤差模型.仿真試驗結果表明多站捆綁平差方法比單站最佳擬合方法的不確定度更小.Aguado 等[28]提出一種綜合考慮激光跟蹤器特性和機床特性的基于非線性優化的激光跟蹤器定位影響分析算法，該算法可有效減少準靜態誤差對機床的影響，提高了機床的精度.Zhou等[29]通過推導激光跟蹤器的點測量誤差和不確定度橢球，優化測量站，建立基于激光跟蹤器計量的測量網絡，該網絡可將眾多小反射面對準成一個高精度的表面，保證了曲面精度和縫隙寬度.Wang 等[30]通過基于多站分時測量原理的激光跟蹤儀對機床的幾何誤差進行檢測，該方法可以識別出直線軸和旋轉軸的每一種誤差，利用該誤差模型，可以通過修改加工工藝(G 代碼)來進行誤差補償，并利用新的G 代碼來提高加工精度.

綜上，激光跟蹤儀具有微米級精度，可實現快速測量和動態測量，激光跟蹤儀在民用航空制造中應用如圖7 所示.根據前面分析可知，激光跟蹤儀具有微米級精度，可實現快速測量和動態測量，但其成本較高，在測量空間較狹小的情況下不能很好地測量出被測物體的全貌.目前，研究熱點集中于測量站的優化問題和組網精度優化問題，且在研究減小不確定度方面需進一步探討.

圖7 激光跟蹤儀在民用航空制造中的應用Fig.7 Application of laser tracker in civil aviation manufacturing

1.5 機器視覺測量法

機器視覺測量將被測量目標轉換成圖像信號，傳送到專門的系統對圖像進行處理，得到其形態信息，進而轉變成數字化信號，圖像系統對數字信號進行運算來抽取目標特征進行測量.雙目視覺測量系統示意圖與硬件裝置如圖8 所示.

圖8 雙目視覺測量結構圖Fig.8 Structure diagram of binocular vision measurement

馮西等[31]設計一種二維形貌檢測系統，相機位置由光電編碼器進行精確定位，將工件分解為多個部分采集，同時為得到精確直線/圓弧方程，提出一種亞像素直線/圓弧檢測算法.試驗結果表明，此系統具有較好的魯棒性與精度.吳慶華等[32]提出一種多相機陣列大尺寸測量系統快速標定方法，通過線性平移使不同相機獲得同一個標靶特征點在不同相機坐標系下的坐標，通過標靶的線性約束來求解相機之間的位置與姿態關系.此方法可將任意相機的坐標系轉換到同一個測量坐標系中，且速度快、精度高.后續可繼續研究使用相同標靶進行相機的內參與位姿關系標定以提高效率.楊帆等[33]結合四角共線標志來約束進而對相機進行標定，將標定控制點布置在空間測量視場范圍內靠近主點的地方，利用線性變換求解標定初值，將共線標志約束尺放置在拍攝視場四角，利用交比不變性質用直線擬合求解畸變系數，優化控制點的數量得到現場標定最優解.熊峰等[34]研究大尺寸復雜精沖零件智能測量系統，該系統可對復雜的大尺寸精沖零件進行X?Y平面的高精度測量和Z方向的尺寸或粗糙度的測量，應用改進的貪心算法獲取并優化檢測路徑，拼接局部采樣圖像并與運動反饋相結合來提高測量精度.運行結果表明，系統測量600 mm×600 mm×8 mm 范圍內復雜精沖件精度可達 ± 0.010 mm.劉之遠等[35]設計一套基于雙目視覺的鈑金件邊緣檢測原型系統，其原理為向待測件投射激光條紋，系統并行處理接收信號進行增量式三維重建，其中著重討論激光條紋中心點實時提取、點云實時拼接、全局光束平差優化等關鍵技術，實現對待測件較高幀率的實時檢測.Hao 等[36]提出一種灰度圖像合成方法，其試驗結果表明，當定標部件與攝像機之間的距離等于零件與攝像機之間的距離時，測量精度可達到1 μm.He 等[37]提出一種基于序列局部圖像尺寸特征的視覺測量方法，通過將成像區域限定在光面的中心位置，可用來測量大尺寸、小變形圖像的零件，其誤差累積小，能夠滿足機械零件精密測量的要求.

機器視覺技術發展迅速，工業圖像采集硬件設備質量的不斷提高.在航空測量領域中，視覺測量具有高精度、高效率、非接觸等特點，發展前景十分良好.只需通過CCD 等工業相機就可獲取較為理想的圖像數據，但是在拍照時一般需要配備光源對測量區域進行打光，否則圖像較暗，給后續處理帶來不便.未來機器視覺發展趨向于智能化，系統能夠根據實時檢測信息進行自動反饋，提高檢測效率.將機器視覺嵌入其他系統中，借助硬件實現圖像數據的高速處理，可進一步提升其實時性.各種測量方法的優缺點以及其適用場景見表1.

表1 各測量方法優缺點及其適用場合Table 1 Advantages and disadvantages of measurement methods and their applicable occasions

2 研究展望

大尺寸部件的測量技術各有優劣，往往一種技術在某方面有突出優點，在另一些方面就具有不足.如何在保持優點的同時彌補或者消除其缺點是當前的研究方向.一些研究者通過兩種方法結合協同工作的方式進行優缺點互補，如iGPS 與激光跟蹤儀結合實現實時監控對接過程并保證后期精度.未來研究方向在于通過其他兩種或多種方法結合的方式進一步發揮測量技術的優勢.

在使用激光跟蹤儀時，因受制于飛機部件和裝配的限制，單臺激光跟蹤儀并不能單獨測量所有目標點，需要多臺激光跟蹤儀協同工作.不同激光跟蹤儀的數據相互獨立，需建立統一基準的測量場對數據進行融合，其配置優化方法與精度評價需要進一步完善.

視覺測量近年來不斷發展，目前已經能夠初步達到航空設備關鍵零部件的精密檢測標準.同時，以單目單站為主題、單目多站為協同的視覺測量已經成為航空裝備服役飛行過程中對地觀測及著陸位姿動態測量的重要途徑.高端裝備制造過程中需輔以高精密的測量手段，迫切需要效率高、成本低的視覺檢測技術來滿足生產加工需要，為加工過程中的尺寸檢測、輪廓測量等工作提供技術保障.目前由上海拓璞數控科技有限公司制造的雙五軸鏡像銑削裝備采用主動視覺測量裝置，通過在加工前對毛坯件進行掃描，得到點云數據逆向構建三維模型，再與理論模型進行對比，從而對刀具路徑進行修正.但加工完成后的測量工作仍需要通過傳統模胎進行，效率較低且成本很高.究其原因是目前視覺測量裝置無法實現對蒙皮輪廓度的精準測量，對于中間有鏤空及下陷的蒙皮測量效果不理想，未來仍需從測量角度以及針對于蒙皮受切削力彈性變形后如何通過仿真得到模擬在模胎上測量的效果等方向進行研究.

隨著飛機裝配技術的更新換代，測量技術由“定性檢測、事后檢驗”轉換為“定量測量、實時跟蹤”，徹底貫穿飛機產品的生產線，成為飛機數字化測量關鍵技術.目前對數字化測量技術又有了更高層次的要求——“智能測量、實時反饋”.通過物聯網、泛在網等技術，對飛機裝配所需物料資源與裝配過程進行監測監控，成為智能裝配體系中的“神經末梢”.

3 結語

本研究探討5 種飛機大尺寸零件的檢測技術方法，分析5 種檢測方法目前的研究熱點方向及亟待解決的不足.

1) 三坐標測量法主要分為接觸式與非接觸式兩大類.接觸式三坐標測量發展較為完善，測量精度高，針對如葉輪、深腔等復雜曲面測量效果較為理想.但該方法測量點位繁多，測量臂需要進行大量移動，導致測量效率低下，無法滿足流水線生產需求；受環境影響，機器穩定運行需要恒溫環境，且接觸探頭可能會劃傷零件表面等.非接觸式測量目前技術尚未成熟，還需進一步研究.

2) 激光雷達通過激光測距獲取被測物點位信息，為保證光路的可達性，需要將激光雷達放置于合適的位置.通常一個站位無法完成測量，需要轉站，導致其探測效率較為低下，同時因波束極窄易受環境影響，但其測量分辨率與精度較高.

3) 室內GPS 常與其他測量方法協同工作，易受測量環境的振動影響，且組網精度受布局影響.未來需對測量單元和測量網絡的測量場精度與發射器布局及目標點空間位置的量化關系進行分析.

4) 激光跟蹤儀可實現快速測量和動態測量，但是成本較高，導致在實際測量過程中通常采用單臺跟蹤儀多站位的測量方式，因此在進行測量時還需要考慮不同站位下自身所存在的建站誤差以及測量空間的大小，所以通常在測量空間較為狹小的情況下不能很好地測量出被測物體的全貌.

5) 機器視覺技術憑借其非接觸、高精度、高效率、穩定性好、可實現在機實時測量等優點，迅速成為目前研究熱點，具有良好的發展前景.未來機器視覺趨向于智能化，將機器視覺嵌入其他系統中，借助硬件實現圖像數據的高速處理，可進一步提升其實時性.

未來針對大尺寸零部件的檢測將以視覺檢測技術為主流，通過CCD 相機等成本較低的設備來完成高效率的測量工作，同時對圖像數據處理進行研究.通過在機快速檢測得到圖像數據，不占用機床生產時間，將所得數據在計算機內快速處理后得到測量結果從而判斷是否滿足加工需要.