數(shù)字化組合測(cè)量輔助飛機(jī)裝配質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)

張浩

【摘 要】數(shù)字化組合測(cè)量方法，在大型飛機(jī)壁板類組件裝配質(zhì)量檢測(cè)過(guò)程中的應(yīng)用比較廣泛。其能夠有效解決信息采集問(wèn)題，將激光跟蹤儀與關(guān)節(jié)臂測(cè)量?jī)x進(jìn)行結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字化復(fù)合測(cè)量，有效提高測(cè)量效率。基于此，論文研究了大型壁板類組件復(fù)合測(cè)量技術(shù)，在此基礎(chǔ)上，論述了測(cè)量工具集軟件實(shí)現(xiàn)的具體內(nèi)容，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。

【Abstract】 Digital combination measurement method is widely used in the assembly quality inspection process of large aircraft panel components， which can effectively solve the problem of information gathering， and combined the laser tracker and articulated arm measuring instrument to realize the digital composite measurement， so as to effectively improve the measurement efficiency. Based on this， this paper studies the composite measurement technology of large panel components. On this basis， the specific contents of the software implementation of the measurement tool set are discussed， and the experimental results are analyzed.

【關(guān)鍵詞】數(shù)字化；組合測(cè)量；飛機(jī)裝配；質(zhì)量檢測(cè)

【Keywords】digitization； combined measurement； aircraft assembly； quality inspection

【中圖分類號(hào)】TH17 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號(hào)】1673-1069（2017）11-0176-02

1 引言

大型板壁類組件主要在飛機(jī)外形結(jié)構(gòu)中使用，大型飛機(jī)蒙皮壁板，具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、剛性強(qiáng)度要求高等特點(diǎn)，需要嚴(yán)格控制制造過(guò)程的工藝，確保零件的外形尺寸精度，同時(shí)滿足相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求。飛機(jī)裝配質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)，已經(jīng)由傳統(tǒng)的模擬量測(cè)量法，轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字化組合測(cè)量法。其主要是利用激光跟蹤儀與關(guān)節(jié)臂測(cè)量?jī)x的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)測(cè)量對(duì)象進(jìn)行掃描，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息收集以及質(zhì)量檢測(cè)評(píng)估。論文對(duì)兩種數(shù)字化組合測(cè)量方式進(jìn)行研究，通過(guò)飛機(jī)水平尾翼實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證組合測(cè)量方法的有效性。

2 大型壁板類組件數(shù)字化組合測(cè)量技術(shù)

根據(jù)相關(guān)調(diào)查可知，大型飛機(jī)壁板類組件多是采用自由曲面，并且長(zhǎng)度均大于3cm。采用數(shù)字化組合測(cè)量方法，主要是利用關(guān)節(jié)臂測(cè)量?jī)x與激光跟蹤儀進(jìn)行組合測(cè)量。其中關(guān)節(jié)臂測(cè)量?jī)x可以進(jìn)行無(wú)限旋轉(zhuǎn)，數(shù)據(jù)采集比較靈活，能夠提高數(shù)據(jù)采集的效率。但是其掃描范圍具有一定的局限性，需要將壁板劃分區(qū)域，再依次測(cè)量區(qū)域的外形點(diǎn)云，最后通過(guò)有效拼接，得到壁板的整體點(diǎn)云數(shù)據(jù)。激光跟蹤儀，主要是測(cè)量拼接過(guò)程的公共點(diǎn)[1]。拼接的公共點(diǎn)屬于板壁零件的骨架，直接影響壁板類組件點(diǎn)云拼接的精準(zhǔn)度。數(shù)據(jù)采集完成之后，利用數(shù)字化復(fù)合工具集進(jìn)行測(cè)量，得出完整的外形數(shù)據(jù)，再通過(guò)工具對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行具體分析。

2.1 數(shù)字化組合測(cè)量平臺(tái)的構(gòu)建

數(shù)字化組合測(cè)量平臺(tái)，主要是由測(cè)量設(shè)備、計(jì)算機(jī)控制平臺(tái)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等構(gòu)成。其中測(cè)量設(shè)備主要的功能是進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；計(jì)算機(jī)控制平臺(tái)，主要是發(fā)布命令，對(duì)信息數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，主要作用是對(duì)測(cè)量設(shè)備采集的信息進(jìn)行加工。測(cè)量設(shè)備是進(jìn)行大型壁板類組件數(shù)字化測(cè)量的核心，激光跟蹤儀工控機(jī)屬于激光跟蹤儀的控制中心，主要的功能是傳遞信息、傳達(dá)指令等。工控機(jī)通過(guò)電纜與激光跟蹤儀進(jìn)行連接，另一端連接電路，為通信傳輸電路供電。關(guān)節(jié)臂測(cè)量?jī)x主要是對(duì)壁板類組件進(jìn)行掃描，通過(guò)USB接口或網(wǎng)絡(luò)，將采集的數(shù)據(jù)傳遞給工控機(jī)。計(jì)算機(jī)控制平臺(tái)主要是通過(guò)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的方式與測(cè)量設(shè)備進(jìn)行連接，控制平臺(tái)在接收到數(shù)據(jù)之后會(huì)進(jìn)行處理，主要是利用安裝在控制平臺(tái)上的數(shù)據(jù)處理軟件，最終得出精確的結(jié)論。

2.2 組合測(cè)量方案

組合測(cè)量方案，需要布置公共基準(zhǔn)點(diǎn)在移動(dòng)測(cè)量平臺(tái)上面，并且確保布置的公共基準(zhǔn)點(diǎn)超過(guò)3個(gè)以上。測(cè)量開(kāi)始之前，需要參考零件的外部形狀，將板壁件進(jìn)行區(qū)域劃分。根據(jù)劃分的掃描區(qū)域去確定移動(dòng)測(cè)量平臺(tái)的位置，通過(guò)激光跟蹤儀去測(cè)控各個(gè)公共基準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)。通過(guò)關(guān)節(jié)臂測(cè)量?jī)x，去掃描各個(gè)區(qū)域公共基準(zhǔn)點(diǎn)的靶球，從而得到飛機(jī)壁板各個(gè)區(qū)域的輪廓點(diǎn)云，將靶球外輪廓擬合成為球特征，再將靶心與飛機(jī)前緣壁板點(diǎn)云進(jìn)行封裝，從而獲得完整的點(diǎn)云。將點(diǎn)云與三維數(shù)據(jù)模型進(jìn)行對(duì)比，從而得出飛機(jī)壁板的質(zhì)量測(cè)量結(jié)果。

2.3 組合測(cè)量精度與效率分析

組合測(cè)量的精度與效率，是決定數(shù)字化組合測(cè)量法有效性的主要因素。組合測(cè)量的誤差，主要包括測(cè)量?jī)x器誤差、靶球外輪廓特征擬合錯(cuò)誤以及靶球自身誤差等。設(shè)備測(cè)量誤差，主要是測(cè)量過(guò)程出現(xiàn)失誤，導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集不準(zhǔn)確。根據(jù)實(shí)驗(yàn)證明，組合測(cè)量法的測(cè)量精度與效率較高，具有一定的優(yōu)勢(shì)。傳統(tǒng)的飛機(jī)裝配質(zhì)量檢測(cè)，主要采用激光跟蹤儀進(jìn)行測(cè)量，采點(diǎn)頻率主要是5點(diǎn)/s。而采用組合測(cè)量方式，利用掃描頭進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采點(diǎn)頻率可以達(dá)到30000點(diǎn)/s。組合測(cè)量方法，屬于非接觸測(cè)量，不會(huì)破壞薄壁件的結(jié)構(gòu)，能夠提高測(cè)量效率，提升測(cè)量的精度。

3 測(cè)量工具集軟件實(shí)現(xiàn)

大型飛機(jī)板壁類組件數(shù)字化組合測(cè)量，需要利用MFC開(kāi)發(fā)壁板類組件數(shù)字化復(fù)合測(cè)量工具集。其能夠與測(cè)量設(shè)備進(jìn)行連接，能夠?qū)?shù)據(jù)信息進(jìn)行補(bǔ)償，從而實(shí)現(xiàn)公共基準(zhǔn)點(diǎn)測(cè)量與點(diǎn)云掃描操作。測(cè)量工具集軟件能夠控制掃描軟件與激光跟蹤儀，采集靶心坐標(biāo)與測(cè)量數(shù)據(jù)并進(jìn)行存儲(chǔ)，再通過(guò)SA軟件底層算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而得出數(shù)據(jù)分析結(jié)果，以報(bào)告的形式進(jìn)行存儲(chǔ)。endprint

3.1 數(shù)字化復(fù)合測(cè)量工具集的功能模塊

數(shù)字化復(fù)合測(cè)量工具集的功能模塊，主要包括通信接口管理模塊、激光跟蹤儀、數(shù)據(jù)采集軟件等。其中設(shè)備參數(shù)設(shè)置模塊，主要的功能是補(bǔ)償儀器測(cè)量過(guò)程的外部環(huán)境參數(shù)，并且實(shí)現(xiàn)激光跟蹤儀與SA軟件之間的交互。激光跟蹤儀，主要是進(jìn)行定點(diǎn)搜索，輔助進(jìn)行測(cè)量。數(shù)據(jù)處理模塊，主要是對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而得出結(jié)果。點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集模塊，主要功能是進(jìn)行點(diǎn)云采集、采樣、去噪等，確保公共基準(zhǔn)點(diǎn)與靶心吻合。

3.2 數(shù)據(jù)處理流程

測(cè)量工具集軟件的數(shù)據(jù)處理流程，主要是由工具集進(jìn)行信息發(fā)布，SA軟件會(huì)讀取公共基準(zhǔn)點(diǎn)球心坐標(biāo)，以及飛機(jī)前緣壁板點(diǎn)云。通過(guò)工具集進(jìn)行拼接，將靶心坐標(biāo)與激光跟蹤儀進(jìn)行公共基準(zhǔn)點(diǎn)擬合，從而去完成點(diǎn)云拼接工作，形成完整的外形點(diǎn)云。將完整的外形點(diǎn)云傳入到飛機(jī)前緣壁板的三維模型，再通過(guò)工具集進(jìn)行擬合轉(zhuǎn)化，使得球心點(diǎn)與三維模型中的靶心進(jìn)行對(duì)齊。確保飛機(jī)壁板件所有點(diǎn)云與三維模型對(duì)齊，再利用模型進(jìn)行分析，從而得出結(jié)論，形成質(zhì)量檢測(cè)報(bào)告。

3.3 實(shí)驗(yàn)分析

實(shí)驗(yàn)將某型號(hào)的飛機(jī)水平尾翼前緣壁板件作為測(cè)量的目標(biāo)，實(shí)驗(yàn)中關(guān)節(jié)臂測(cè)量?jī)x的掃描范圍是2.5m球形空間。因此，需要將壁板劃分為三個(gè)區(qū)域進(jìn)行測(cè)量，從而得到完整的壁板外形點(diǎn)云。采用數(shù)字化組合測(cè)量方法，根據(jù)飛機(jī)前緣壁板位置布置測(cè)量?jī)x器的位置，以及公共基準(zhǔn)點(diǎn)的位置。根據(jù)飛機(jī)水平尾翼前緣壁板的三維模型特征點(diǎn)，對(duì)齊靶心點(diǎn)與參考特征點(diǎn)，通過(guò)點(diǎn)云拼接，使得點(diǎn)云與壁板的三維模型對(duì)齊，從而分析擬合誤差。具體情況如表1所示。

通過(guò)對(duì)靶心點(diǎn)與三維模型參考點(diǎn)的擬合誤差值進(jìn)行分析，可以得到三維模型的偏差矢量圖。矢量圖根據(jù)不同誤差值，分別用不同顏色表示，從而顯示實(shí)際點(diǎn)云與三維模型的誤差，通過(guò)數(shù)據(jù)分析，最終得出質(zhì)量檢測(cè)報(bào)告。

4 結(jié)論

綜上所述，利用數(shù)字化組合測(cè)量，輔助飛機(jī)裝配質(zhì)量檢測(cè)，能夠提高測(cè)量的精度，降低誤差的范圍，具有較強(qiáng)的可行性。利用激光跟蹤儀，能夠提高點(diǎn)云拼接的準(zhǔn)確度。通過(guò)關(guān)節(jié)臂測(cè)量?jī)x，可以進(jìn)行非接觸掃描，提高了測(cè)量的精度與效率。數(shù)字化組合測(cè)量方式，具有速度快、效率高等特點(diǎn)，數(shù)據(jù)采集比較完善，質(zhì)量檢測(cè)的準(zhǔn)確性較高。

【參考文獻(xiàn)】

【1】景喜雙，張鵬飛，王志佳，等.數(shù)字化組合測(cè)量輔助飛機(jī)裝配質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，41（07）：1196-1201.endprint