大尺寸飛機(jī)零部件檢測(cè)技術(shù)研究進(jìn)展

李彬鵬，茅 健

（上海工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院,上海 201620）

作為國(guó)家航空工業(yè)發(fā)展程度的重要標(biāo)志，大型飛機(jī)的生產(chǎn)制造能力代表了一個(gè)國(guó)家的綜合實(shí)力.歐美國(guó)家的飛機(jī)制造公司早已將數(shù)字化測(cè)量系統(tǒng)引入飛機(jī)裝配中，以高精度的測(cè)量、控制進(jìn)而提升飛機(jī)裝配精度[1].美國(guó)波音公司早在1998 年就已經(jīng)開始研究iGPS 測(cè)量系統(tǒng)，并且已將其應(yīng)用于747、787 等飛機(jī)整機(jī)的裝配線中，該系統(tǒng)在大尺寸工件的檢查、裝配等方面發(fā)揮著重要作用.波音公司也運(yùn)用激光跟蹤儀對(duì)JSF 戰(zhàn)斗機(jī)的空間位姿進(jìn)行檢測(cè)[2].國(guó)內(nèi)一些飛機(jī)制造廠逐步引進(jìn)數(shù)字化測(cè)量技術(shù)，但測(cè)量技術(shù)以及測(cè)量體系還不夠完善，其應(yīng)用在某種程度上受到制約.因此，探索飛機(jī)大尺寸零部件測(cè)量技術(shù)對(duì)于提升我國(guó)航空制造技術(shù)、助力國(guó)產(chǎn)大型飛機(jī)的研制具有重要意義.

1 大尺寸飛機(jī)零部件檢測(cè)技術(shù)

1.1 三坐標(biāo)測(cè)量法

三坐標(biāo)測(cè)量法需要依靠三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)對(duì)高精度自由曲面進(jìn)行檢測(cè).三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)中，3 個(gè)互相垂直的運(yùn)動(dòng)軸共同建立起坐標(biāo)系，測(cè)頭在其中運(yùn)動(dòng).三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)工作時(shí)，將被測(cè)部件放在工作臺(tái)上，探頭逐漸移動(dòng)到指定位置與被測(cè)件表面接觸，即可實(shí)時(shí)顯示出探頭中心點(diǎn)的精確坐標(biāo).探頭沿著工件表面移動(dòng)，并在固定點(diǎn)位停止移動(dòng)進(jìn)行測(cè)量，即可得出被測(cè)部件上采樣點(diǎn)的坐標(biāo)值，三坐標(biāo)測(cè)量工作圖如圖1 所示.

圖1 三坐標(biāo)測(cè)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(biāo)系對(duì)葉尖進(jìn)行掃描，選用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)并配以旋轉(zhuǎn)式連續(xù)掃描探頭，同時(shí)利用最佳擬合法來建立坐標(biāo)系.試驗(yàn)結(jié)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(cè)針之間發(fā)生共振現(xiàn)象等因素對(duì)測(cè)量精度造成的影響.高繼昆等[4]通過三維曲線掃描方法測(cè)量葉盤葉片的型面，結(jié)果表明，采用三維曲線掃描測(cè)量和計(jì)算可以有效減少通過二維曲線掃描所造成的誤差，使測(cè)量結(jié)果更加準(zhǔn)確；但三維曲線掃描方法在計(jì)算和評(píng)價(jià)時(shí)相對(duì)復(fù)雜，還需要進(jìn)一步完善.張現(xiàn)東等[5]研究適用于葉片三坐標(biāo)測(cè)量的測(cè)點(diǎn)優(yōu)化采樣方法，引入撓度使傳統(tǒng)采樣方法同時(shí)適用于空間及平面曲線，并研究了葉片被測(cè)截面選取方法以減小重構(gòu)誤差.歐陽婷婷等[6]針對(duì)曲面輪廓度坐標(biāo)測(cè)量，提出完全基準(zhǔn)約束、不完全基準(zhǔn)約束與無基準(zhǔn)約束3 種情況下的測(cè)量與擬合方法.戚明軒等[7]使用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并利用最小二乘濾波降噪算法完成對(duì)數(shù)據(jù)的曲線曲面重構(gòu)，得到符合精度要求的航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片逆向工程數(shù)模.Stojadinovic 等[8]借助控制數(shù)據(jù)表(CDL)和.ncl(DMIS)文件實(shí)現(xiàn)基于坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的離線DIT，開發(fā)用于檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)公差類型(同心度、垂直度等)的虛擬測(cè)量系統(tǒng).Forbes[9]建立近似的三坐標(biāo)機(jī)行為模型用于生成點(diǎn)云相關(guān)的方差矩陣，并對(duì)如何將與點(diǎn)云相關(guān)聯(lián)的方差矩陣傳播到與派生特征相關(guān)聯(lián)的方差矩陣進(jìn)行了討論.該模型可評(píng)估派生特征相關(guān)的不確定性，進(jìn)而確定合適的測(cè)量?jī)x器與方法.

綜上，三坐標(biāo)測(cè)量法在飛機(jī)的葉片測(cè)量領(lǐng)域應(yīng)用較多，適用于測(cè)量復(fù)雜曲面，具有測(cè)量精度高、自動(dòng)程度高等優(yōu)點(diǎn)，但在實(shí)際使用中會(huì)受到環(huán)境濕度、溫度等的影響，測(cè)量效率較低，不能滿足流水線生產(chǎn)需要，且探頭接觸可能導(dǎo)致工件表面劃傷或工件變形，探頭本身的半徑問題也會(huì)對(duì)測(cè)量帶來干擾，需要在結(jié)果中進(jìn)行補(bǔ)償.近年來，非接觸式三坐標(biāo)測(cè)量法正在興起，但技術(shù)尚在完善中.

1.2 激光雷達(dá)測(cè)量法

激光雷達(dá)系統(tǒng)包含激光發(fā)射器、接收系統(tǒng)與處理系統(tǒng)，激光雷達(dá)工作原理如圖2 所示.紅外激光器發(fā)出兩束光線，一束到達(dá)被測(cè)物表面并被反射，傳輸時(shí)間為TD；另一束在已知長(zhǎng)度的光纖內(nèi)傳輸，輸出時(shí)間為TF，當(dāng)兩束光纖匯合時(shí)，輸出混頻信號(hào)，△T=TD?TF.系統(tǒng)中具有多根已知長(zhǎng)度的光纖，通過比較測(cè)量的方法來完成距離測(cè)量.通過反射鏡和旋轉(zhuǎn)頭來獲取待測(cè)目標(biāo)的方位角和仰角，同時(shí)轉(zhuǎn)換成直角坐標(biāo)，即完成了測(cè)量.

圖2 激光雷達(dá)測(cè)量原理Fig.2 Measurement principle of lidar

亢甲杰等[10]提出需要滿足轉(zhuǎn)臺(tái)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(dá)坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)儀器精度，并對(duì)系統(tǒng)誤差參量進(jìn)行標(biāo)定和補(bǔ)償以消除測(cè)角誤差，提高系統(tǒng)坐標(biāo)測(cè)量精度.崔深山等[11]通過視覺手持測(cè)量與激光掃描協(xié)同的方式對(duì)結(jié)構(gòu)曲面提取點(diǎn)云數(shù)據(jù)，提出兩種方法融合的方案并搭建測(cè)量系統(tǒng).試驗(yàn)結(jié)果表明該方法可有效提高高次曲面測(cè)量精度.劉玉松等[12]將Metrascan 掃描儀和激光雷達(dá)兩種測(cè)量技術(shù)相融合，以激光雷達(dá)坐標(biāo)系作為高精度基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換坐標(biāo)系，從而提高了Metrascan 掃描精度，通過對(duì)比驗(yàn)證此方法可提高飛機(jī)外形數(shù)字化測(cè)量的精度與效率.潘鑫等[13]提出一種基于激光雷達(dá)回波信號(hào)信噪比(SNR)的精度分析方法，綜合待測(cè)距離、入射角、材料屬性等因素對(duì)結(jié)果的影響，利用信噪比的變化規(guī)律結(jié)合儀器不確定度，確定了針對(duì)點(diǎn)云不同區(qū)域的精度修正因子.該方法有效減小測(cè)量誤差對(duì)變形量的影響.但后續(xù)為提高精度修正因子的準(zhǔn)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(dá)測(cè)距系統(tǒng)，其原理為差頻干涉，可通過Zemax 宏語言實(shí)現(xiàn)變倍距離測(cè)量，達(dá)到非接觸快速測(cè)量復(fù)雜三維曲面的目的.Yang 等[15]提出一種時(shí)空復(fù)用陣列成像激光雷達(dá)技術(shù)，利用空間和時(shí)間編碼復(fù)用技術(shù)，僅使用M個(gè)探測(cè)器即可獲得M× 22 個(gè)像素，大幅提高激光雷達(dá)的成像速度和分辨率.

綜上，激光雷達(dá)測(cè)量技術(shù)是一種高精度非接觸式測(cè)量技術(shù)，掃描所得點(diǎn)云包含位置信息以及色彩信息，效果如圖3 所示.激光雷達(dá)測(cè)量分辨率與準(zhǔn)確度較高，但是激光雷達(dá)的波束極窄，容易受到外界環(huán)境干擾且探測(cè)效率較低，一般用于對(duì)飛機(jī)外形等尺寸較大的部件進(jìn)行測(cè)量.

圖3 Flash 激光雷達(dá)成像Fig.3 Flash lidar imaging

1.3 室 內(nèi)GPS 測(cè)量 法

室內(nèi)GPS 是一種多站位大尺寸坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)，其基于光電掃描系統(tǒng)工作，如圖4 所示.室內(nèi)GPS主要由發(fā)射站、接收器、解算工作站和信號(hào)處理器構(gòu)成.每個(gè)發(fā)射站發(fā)射兩束傾斜的、勻速旋轉(zhuǎn)的激光扇面來進(jìn)行掃描；接收器接收到光信號(hào)并轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)角度；解算工作站處理時(shí)間信息并進(jìn)行坐標(biāo)的解算、顯示及存儲(chǔ)，同時(shí)還負(fù)責(zé)管理整個(gè)系統(tǒng)資源.

圖4 室內(nèi)GPS 結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of indoor GPS structure

趙子越等[16]設(shè)計(jì)一種室內(nèi)GPS 與激光跟蹤儀協(xié)同工作的方法，提出基本約束方程構(gòu)建方法，引入兩種幾何約束來構(gòu)建相對(duì)約束方程，進(jìn)而提高組網(wǎng)精度.此方法具有高精度和高效率的特點(diǎn)，能滿足裝備制造業(yè)中大尺寸測(cè)量任務(wù)的測(cè)量需求，但是組網(wǎng)精度受激光跟蹤儀站位布局的影響，未來需要繼續(xù)優(yōu)化算法來提高測(cè)量網(wǎng)絡(luò)精度.范斌等[17]對(duì)比激光跟蹤儀和室內(nèi)GPS 兩種技術(shù)，發(fā)現(xiàn)室內(nèi)GPS 無需轉(zhuǎn)站的建網(wǎng)特點(diǎn)，可提高數(shù)字化檢測(cè)效率，但組網(wǎng)精度與測(cè)量精度較低，目前主要適用于測(cè)量范圍較大，需要一定測(cè)量效率且不追求高測(cè)量精度的測(cè)量環(huán)境，后續(xù)研究需要加強(qiáng)室內(nèi)GPS 測(cè)量系統(tǒng)場(chǎng)的規(guī)劃.范景韜等[18]提出一種基于免疫優(yōu)化算法的iGPS 發(fā)射器布局優(yōu)化方法，得到測(cè)量不確定度模型，建立了親和度函數(shù)，使用免疫優(yōu)化算法對(duì)發(fā)射器布局進(jìn)行優(yōu)化.仿真試驗(yàn)表明，優(yōu)化后布局的測(cè)量不確定度明顯低于經(jīng)驗(yàn)布局，精度相對(duì)較高，優(yōu)化效果明顯.陳良杰等[19]采用坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換算法，統(tǒng)一了iGPS 測(cè)量坐標(biāo)系與設(shè)計(jì)坐標(biāo)系，通過加權(quán)單位四元數(shù)的位姿比對(duì)技術(shù)進(jìn)行調(diào)資驅(qū)動(dòng)點(diǎn)的當(dāng)前坐標(biāo)值的解算，采用“三點(diǎn)調(diào)資法”進(jìn)行部件調(diào)資軌跡規(guī)劃，結(jié)算調(diào)資定位器各驅(qū)動(dòng)軸的增量.栗輝[20]提出一種iGPS 測(cè)量系統(tǒng)和激光雷達(dá)協(xié)同工作的測(cè)量方法，建立飛機(jī)數(shù)字調(diào)平模型，設(shè)計(jì)了飛機(jī)水平測(cè)量方案.結(jié)果表明，該方法能測(cè)量地面設(shè)備相對(duì)于飛機(jī)局部點(diǎn)的精確位置關(guān)系，可用于測(cè)量多種表面的間隙、階差等.但是實(shí)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(shí)際值相脫離，因此只能將有限元計(jì)算作為輔助.不同測(cè)量設(shè)備采用不同的通訊接口，不同設(shè)備的測(cè)量數(shù)據(jù)造成的數(shù)據(jù)互通和測(cè)量數(shù)據(jù)集成極其不便.Zhou 等[21]研究了基于非共面交會(huì)原理的iGPS 雙發(fā)射機(jī)測(cè)量原理，并對(duì)其進(jìn)行了不確定度分析，針對(duì)某巡邏設(shè)備iGPS 位置跟蹤實(shí)驗(yàn)的iGPS 多發(fā)射機(jī)布置進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，試驗(yàn)精度可達(dá)到小于等于0.4 mm.Schmitt 等[22]展示了使用全局參考跟蹤無導(dǎo)向傳送帶上的大型部件的結(jié)果，同時(shí)研究了計(jì)量系統(tǒng)在更高頻率上檢測(cè)到微小的位置偏差的問題.

綜上，室內(nèi)GPS 效率高，在飛機(jī)總裝中常會(huì)用到，如圖5 所示.通常會(huì)結(jié)合其他測(cè)量方法進(jìn)行協(xié)同測(cè)量，來解決其精度較其他方法低的缺陷.但是該方法設(shè)備較多，容易受到環(huán)境的振動(dòng)影響，且組網(wǎng)精度受布局影響，需要進(jìn)一步優(yōu)化.

圖5 室內(nèi)GPS 在總裝中的應(yīng)用Fig.5 Application of indoor GPS in final Assembly

1.4 激光跟蹤儀測(cè)量法

激光跟蹤儀是由激光測(cè)距、角度編碼以及光學(xué)跟蹤設(shè)備構(gòu)成的高精度測(cè)量設(shè)備，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)大空間測(cè)量領(lǐng)域.激光跟蹤儀觀測(cè)點(diǎn)位相對(duì)于站位的水平角、垂直角以及觀測(cè)點(diǎn)到站位之間的距離，然后以極坐標(biāo)計(jì)算的方式唯一確定觀測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)[17].其結(jié)構(gòu)原理圖如圖6 所示.

王子辰等[23]采用光跟蹤儀與柔性關(guān)節(jié)坐標(biāo)測(cè)量臂相結(jié)合的測(cè)量方式，建立基于激光跟蹤多邊測(cè)量方法的特大齒輪組合式測(cè)量網(wǎng)絡(luò)，通過跳蛙技術(shù)確定激光跟蹤儀和柔性關(guān)節(jié)坐標(biāo)測(cè)量臂間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系，實(shí)現(xiàn)不同站位下測(cè)量臂測(cè)量數(shù)據(jù)的空間配準(zhǔn)，通過仿真試驗(yàn)對(duì)比測(cè)量數(shù)據(jù)顯示，組合式測(cè)量誤差平均值為0.007 mm，誤差標(biāo)準(zhǔn)差為0.004 mm，有效提升了測(cè)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(cè)量系統(tǒng)，將一臺(tái)激光跟蹤儀置于不同基站位置，對(duì)機(jī)器人末端位置進(jìn)行獨(dú)立測(cè)量，再基于多邊測(cè)量方法計(jì)算機(jī)器人末端位置，有效優(yōu)化了測(cè)量不確定度.但是系統(tǒng)搭建過程較為復(fù)雜，后續(xù)工作需要簡(jiǎn)化過程并繼續(xù)優(yōu)化測(cè)量精度.朱緒勝等[25]提出基于蒙特卡洛仿真的車間現(xiàn)場(chǎng)激光跟蹤儀測(cè)量站位優(yōu)化方法，建立非均勻溫度場(chǎng)下的激光跟蹤儀測(cè)量模型，以此為基礎(chǔ)建立包含離散點(diǎn)和形位誤差兩類測(cè)量任務(wù)的不確定度評(píng)價(jià)模型與不確定度最小化的激光跟蹤儀站位優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用在飛機(jī)檢驗(yàn)工裝測(cè)量過程中.結(jié)果顯示此模型優(yōu)化了測(cè)量站位問題，提高了現(xiàn)場(chǎng)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(cè)邊網(wǎng)平差的預(yù)準(zhǔn)直測(cè)量方法，通過搭建多個(gè)測(cè)站將定位點(diǎn)和測(cè)站點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行平差解算得到較高精度的定位點(diǎn)坐標(biāo)，并分析不同測(cè)站數(shù)目下定位點(diǎn)的解算精度，得到局部最優(yōu)測(cè)站數(shù).試驗(yàn)結(jié)果表明，三維測(cè)邊網(wǎng)平差解算的精度遠(yuǎn)高于同等條件下三維邊角網(wǎng)平差解算精度.后續(xù)工作需要探討如何合理布設(shè)空間網(wǎng)點(diǎn)使誤差在水平和垂直方向上分布更均勻，如何結(jié)合不同儀器共同完成測(cè)量工作聯(lián)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(cè)量站和增強(qiáng)型參考系(ERS)構(gòu)建成一個(gè)完整的測(cè)量坐標(biāo)系(EMCS)，使用穩(wěn)定的參考系點(diǎn)將測(cè)量坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到裝配坐標(biāo)系中，從而建立BAMS 的誤差模型.仿真試驗(yàn)結(jié)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(jī)床特性的基于非線性優(yōu)化的激光跟蹤器定位影響分析算法，該算法可有效減少準(zhǔn)靜態(tài)誤差對(duì)機(jī)床的影響，提高了機(jī)床的精度.Zhou等[29]通過推導(dǎo)激光跟蹤器的點(diǎn)測(cè)量誤差和不確定度橢球，優(yōu)化測(cè)量站，建立基于激光跟蹤器計(jì)量的測(cè)量網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)可將眾多小反射面對(duì)準(zhǔn)成一個(gè)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(shí)測(cè)量原理的激光跟蹤儀對(duì)機(jī)床的幾何誤差進(jìn)行檢測(cè)，該方法可以識(shí)別出直線軸和旋轉(zhuǎn)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(jìn)行誤差補(bǔ)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(jí)精度，可實(shí)現(xiàn)快速測(cè)量和動(dòng)態(tài)測(cè)量，激光跟蹤儀在民用航空制造中應(yīng)用如圖7 所示.根據(jù)前面分析可知，激光跟蹤儀具有微米級(jí)精度，可實(shí)現(xiàn)快速測(cè)量和動(dòng)態(tài)測(cè)量，但其成本較高，在測(cè)量空間較狹小的情況下不能很好地測(cè)量出被測(cè)物體的全貌.目前，研究熱點(diǎn)集中于測(cè)量站的優(yōu)化問題和組網(wǎng)精度優(yōu)化問題，且在研究減小不確定度方面需進(jìn)一步探討.

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

1.5 機(jī)器視覺測(cè)量法

機(jī)器視覺測(cè)量將被測(cè)量目標(biāo)轉(zhuǎn)換成圖像信號(hào)，傳送到專門的系統(tǒng)對(duì)圖像進(jìn)行處理，得到其形態(tài)信息，進(jìn)而轉(zhuǎn)變成數(shù)字化信號(hào)，圖像系統(tǒng)對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算來抽取目標(biāo)特征進(jìn)行測(cè)量.雙目視覺測(cè)量系統(tǒng)示意圖與硬件裝置如圖8 所示.

圖8 雙目視覺測(cè)量結(jié)構(gòu)圖Fig.8 Structure diagram of binocular vision measurement

馮西等[31]設(shè)計(jì)一種二維形貌檢測(cè)系統(tǒng)，相機(jī)位置由光電編碼器進(jìn)行精確定位，將工件分解為多個(gè)部分采集，同時(shí)為得到精確直線/圓弧方程，提出一種亞像素直線/圓弧檢測(cè)算法.試驗(yàn)結(jié)果表明，此系統(tǒng)具有較好的魯棒性與精度.吳慶華等[32]提出一種多相機(jī)陣列大尺寸測(cè)量系統(tǒng)快速標(biāo)定方法，通過線性平移使不同相機(jī)獲得同一個(gè)標(biāo)靶特征點(diǎn)在不同相機(jī)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，通過標(biāo)靶的線性約束來求解相機(jī)之間的位置與姿態(tài)關(guān)系.此方法可將任意相機(jī)的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到同一個(gè)測(cè)量坐標(biāo)系中，且速度快、精度高.后續(xù)可繼續(xù)研究使用相同標(biāo)靶進(jìn)行相機(jī)的內(nèi)參與位姿關(guān)系標(biāo)定以提高效率.楊帆等[33]結(jié)合四角共線標(biāo)志來約束進(jìn)而對(duì)相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定，將標(biāo)定控制點(diǎn)布置在空間測(cè)量視場(chǎng)范圍內(nèi)靠近主點(diǎn)的地方，利用線性變換求解標(biāo)定初值，將共線標(biāo)志約束尺放置在拍攝視場(chǎng)四角，利用交比不變性質(zhì)用直線擬合求解畸變系數(shù)，優(yōu)化控制點(diǎn)的數(shù)量得到現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定最優(yōu)解.熊峰等[34]研究大尺寸復(fù)雜精沖零件智能測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)可對(duì)復(fù)雜的大尺寸精沖零件進(jìn)行X?Y平面的高精度測(cè)量和Z方向的尺寸或粗糙度的測(cè)量，應(yīng)用改進(jìn)的貪心算法獲取并優(yōu)化檢測(cè)路徑，拼接局部采樣圖像并與運(yùn)動(dòng)反饋相結(jié)合來提高測(cè)量精度.運(yùn)行結(jié)果表明，系統(tǒng)測(cè)量600 mm×600 mm×8 mm 范圍內(nèi)復(fù)雜精沖件精度可達(dá) ± 0.010 mm.劉之遠(yuǎn)等[35]設(shè)計(jì)一套基于雙目視覺的鈑金件邊緣檢測(cè)原型系統(tǒng)，其原理為向待測(cè)件投射激光條紋，系統(tǒng)并行處理接收信號(hào)進(jìn)行增量式三維重建，其中著重討論激光條紋中心點(diǎn)實(shí)時(shí)提取、點(diǎn)云實(shí)時(shí)拼接、全局光束平差優(yōu)化等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)件較高幀率的實(shí)時(shí)檢測(cè).Hao 等[36]提出一種灰度圖像合成方法，其試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)定標(biāo)部件與攝像機(jī)之間的距離等于零件與攝像機(jī)之間的距離時(shí)，測(cè)量精度可達(dá)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(cè)量方法，通過將成像區(qū)域限定在光面的中心位置，可用來測(cè)量大尺寸、小變形圖像的零件，其誤差累積小，能夠滿足機(jī)械零件精密測(cè)量的要求.

機(jī)器視覺技術(shù)發(fā)展迅速，工業(yè)圖像采集硬件設(shè)備質(zhì)量的不斷提高.在航空測(cè)量領(lǐng)域中，視覺測(cè)量具有高精度、高效率、非接觸等特點(diǎn)，發(fā)展前景十分良好.只需通過CCD 等工業(yè)相機(jī)就可獲取較為理想的圖像數(shù)據(jù)，但是在拍照時(shí)一般需要配備光源對(duì)測(cè)量區(qū)域進(jìn)行打光，否則圖像較暗，給后續(xù)處理帶來不便.未來機(jī)器視覺發(fā)展趨向于智能化，系統(tǒng)能夠根據(jù)實(shí)時(shí)檢測(cè)信息進(jìn)行自動(dòng)反饋，提高檢測(cè)效率.將機(jī)器視覺嵌入其他系統(tǒng)中，借助硬件實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的高速處理，可進(jìn)一步提升其實(shí)時(shí)性.各種測(cè)量方法的優(yōu)缺點(diǎn)以及其適用場(chǎng)景見表1.

表1 各測(cè)量方法優(yōu)缺點(diǎn)及其適用場(chǎng)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(cè)量技術(shù)各有優(yōu)劣，往往一種技術(shù)在某方面有突出優(yōu)點(diǎn)，在另一些方面就具有不足.如何在保持優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)彌補(bǔ)或者消除其缺點(diǎn)是當(dāng)前的研究方向.一些研究者通過兩種方法結(jié)合協(xié)同工作的方式進(jìn)行優(yōu)缺點(diǎn)互補(bǔ)，如iGPS 與激光跟蹤儀結(jié)合實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控對(duì)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(jié)合的方式進(jìn)一步發(fā)揮測(cè)量技術(shù)的優(yōu)勢(shì).

在使用激光跟蹤儀時(shí)，因受制于飛機(jī)部件和裝配的限制，單臺(tái)激光跟蹤儀并不能單獨(dú)測(cè)量所有目標(biāo)點(diǎn)，需要多臺(tái)激光跟蹤儀協(xié)同工作.不同激光跟蹤儀的數(shù)據(jù)相互獨(dú)立，需建立統(tǒng)一基準(zhǔn)的測(cè)量場(chǎng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，其配置優(yōu)化方法與精度評(píng)價(jià)需要進(jìn)一步完善.

視覺測(cè)量近年來不斷發(fā)展，目前已經(jīng)能夠初步達(dá)到航空設(shè)備關(guān)鍵零部件的精密檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn).同時(shí)，以單目單站為主題、單目多站為協(xié)同的視覺測(cè)量已經(jīng)成為航空裝備服役飛行過程中對(duì)地觀測(cè)及著陸位姿動(dòng)態(tài)測(cè)量的重要途徑.高端裝備制造過程中需輔以高精密的測(cè)量手段，迫切需要效率高、成本低的視覺檢測(cè)技術(shù)來滿足生產(chǎn)加工需要，為加工過程中的尺寸檢測(cè)、輪廓測(cè)量等工作提供技術(shù)保障.目前由上海拓璞數(shù)控科技有限公司制造的雙五軸鏡像銑削裝備采用主動(dòng)視覺測(cè)量裝置，通過在加工前對(duì)毛坯件進(jìn)行掃描，得到點(diǎn)云數(shù)據(jù)逆向構(gòu)建三維模型，再與理論模型進(jìn)行對(duì)比，從而對(duì)刀具路徑進(jìn)行修正.但加工完成后的測(cè)量工作仍需要通過傳統(tǒng)模胎進(jìn)行，效率較低且成本很高.究其原因是目前視覺測(cè)量裝置無法實(shí)現(xiàn)對(duì)蒙皮輪廓度的精準(zhǔn)測(cè)量，對(duì)于中間有鏤空及下陷的蒙皮測(cè)量效果不理想，未來仍需從測(cè)量角度以及針對(duì)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(cè)量的效果等方向進(jìn)行研究.

隨著飛機(jī)裝配技術(shù)的更新?lián)Q代，測(cè)量技術(shù)由“定性檢測(cè)、事后檢驗(yàn)”轉(zhuǎn)換為“定量測(cè)量、實(shí)時(shí)跟蹤”，徹底貫穿飛機(jī)產(chǎn)品的生產(chǎn)線，成為飛機(jī)數(shù)字化測(cè)量關(guān)鍵技術(shù).目前對(duì)數(shù)字化測(cè)量技術(shù)又有了更高層次的要求——“智能測(cè)量、實(shí)時(shí)反饋”.通過物聯(lián)網(wǎng)、泛在網(wǎng)等技術(shù)，對(duì)飛機(jī)裝配所需物料資源與裝配過程進(jìn)行監(jiān)測(cè)監(jiān)控，成為智能裝配體系中的“神經(jīng)末梢”.

3 結(jié)語

本研究探討5 種飛機(jī)大尺寸零件的檢測(cè)技術(shù)方法，分析5 種檢測(cè)方法目前的研究熱點(diǎn)方向及亟待解決的不足.

1) 三坐標(biāo)測(cè)量法主要分為接觸式與非接觸式兩大類.接觸式三坐標(biāo)測(cè)量發(fā)展較為完善，測(cè)量精度高，針對(duì)如葉輪、深腔等復(fù)雜曲面測(cè)量效果較為理想.但該方法測(cè)量點(diǎn)位繁多，測(cè)量臂需要進(jìn)行大量移動(dòng)，導(dǎo)致測(cè)量效率低下，無法滿足流水線生產(chǎn)需求；受環(huán)境影響，機(jī)器穩(wěn)定運(yùn)行需要恒溫環(huán)境，且接觸探頭可能會(huì)劃傷零件表面等.非接觸式測(cè)量目前技術(shù)尚未成熟，還需進(jìn)一步研究.

2) 激光雷達(dá)通過激光測(cè)距獲取被測(cè)物點(diǎn)位信息，為保證光路的可達(dá)性，需要將激光雷達(dá)放置于合適的位置.通常一個(gè)站位無法完成測(cè)量，需要轉(zhuǎn)站，導(dǎo)致其探測(cè)效率較為低下，同時(shí)因波束極窄易受環(huán)境影響，但其測(cè)量分辨率與精度較高.

3) 室內(nèi)GPS 常與其他測(cè)量方法協(xié)同工作，易受測(cè)量環(huán)境的振動(dòng)影響，且組網(wǎng)精度受布局影響.未來需對(duì)測(cè)量單元和測(cè)量網(wǎng)絡(luò)的測(cè)量場(chǎng)精度與發(fā)射器布局及目標(biāo)點(diǎn)空間位置的量化關(guān)系進(jìn)行分析.

4) 激光跟蹤儀可實(shí)現(xiàn)快速測(cè)量和動(dòng)態(tài)測(cè)量，但是成本較高，導(dǎo)致在實(shí)際測(cè)量過程中通常采用單臺(tái)跟蹤儀多站位的測(cè)量方式，因此在進(jìn)行測(cè)量時(shí)還需要考慮不同站位下自身所存在的建站誤差以及測(cè)量空間的大小，所以通常在測(cè)量空間較為狹小的情況下不能很好地測(cè)量出被測(cè)物體的全貌.

5) 機(jī)器視覺技術(shù)憑借其非接觸、高精度、高效率、穩(wěn)定性好、可實(shí)現(xiàn)在機(jī)實(shí)時(shí)測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，迅速成為目前研究熱點(diǎn)，具有良好的發(fā)展前景.未來機(jī)器視覺趨向于智能化，將機(jī)器視覺嵌入其他系統(tǒng)中，借助硬件實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的高速處理，可進(jìn)一步提升其實(shí)時(shí)性.

未來針對(duì)大尺寸零部件的檢測(cè)將以視覺檢測(cè)技術(shù)為主流，通過CCD 相機(jī)等成本較低的設(shè)備來完成高效率的測(cè)量工作，同時(shí)對(duì)圖像數(shù)據(jù)處理進(jìn)行研究.通過在機(jī)快速檢測(cè)得到圖像數(shù)據(jù)，不占用機(jī)床生產(chǎn)時(shí)間，將所得數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)內(nèi)快速處理后得到測(cè)量結(jié)果從而判斷是否滿足加工需要.