飛機(jī)裝配幾何量質(zhì)量檢測(cè)體系構(gòu)建及關(guān)鍵技術(shù)*

（航空工業(yè)沈陽(yáng)飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限公司，沈陽(yáng) 110850）

數(shù)字化制造是現(xiàn)代化高端飛機(jī)制造技術(shù)發(fā)展方向，對(duì)提高整機(jī)質(zhì)量、確保飛機(jī)性能、縮短生產(chǎn)周期、降低生產(chǎn)成本、延長(zhǎng)服役周期等均具有重要意義。數(shù)字化幾何量檢測(cè)已經(jīng)成為新一代飛機(jī)數(shù)字化制造重要基礎(chǔ)支撐技術(shù)之一。新一代飛機(jī)隱身、輕質(zhì)、長(zhǎng)航時(shí)、低成本和長(zhǎng)壽命等性能需求，特別是隱身性能需求，對(duì)飛機(jī)裝配精度提出了極高要求。直尺、卡尺、塞尺、卡板、量規(guī)等傳統(tǒng)檢測(cè)手段難以滿(mǎn)足新一代飛機(jī)裝配過(guò)程需求。另外，傳統(tǒng)飛機(jī)裝配過(guò)程遵循“定性檢測(cè)、事后檢驗(yàn)”[1]的檢測(cè)模式，也已無(wú)法滿(mǎn)足新一代飛機(jī)高精度裝配質(zhì)量控制要求。針對(duì)新一代飛機(jī)裝配過(guò)程質(zhì)控要求，開(kāi)展幾何量質(zhì)量檢測(cè)體系構(gòu)建及關(guān)鍵技術(shù)研究具有重要意義。

精密檢測(cè)是確保飛機(jī)裝配質(zhì)量最為直接的保障手段之一，飛機(jī)裝配過(guò)程中涉及的檢測(cè)內(nèi)容與方法眾多，主要分為3類(lèi)[2]：（1）幾何量的檢測(cè)，即產(chǎn)品形狀及位置的測(cè)量；（2）物理量的檢測(cè)，即裝配力、變形量、殘余應(yīng)力、質(zhì)量特性等的檢測(cè)；（3）狀態(tài)量的檢測(cè)，包括產(chǎn)品裝配狀態(tài)、干涉情況、密封性能等的檢驗(yàn)。其中，飛機(jī)裝配過(guò)程幾何量檢測(cè)是最為關(guān)鍵的內(nèi)容，直接影響飛機(jī)氣動(dòng)外形、組部件準(zhǔn)確度和表面質(zhì)量控制，進(jìn)而影響飛機(jī)氣動(dòng)性能和隱身性能。

近年來(lái)飛機(jī)裝配幾何量檢測(cè)技術(shù)取得了重要進(jìn)展，檢測(cè)精度與效率得到了大幅度提高[3]。檢測(cè)方法主要包括接觸式檢測(cè)和非接觸式檢測(cè)。接觸式檢測(cè)方法在產(chǎn)品三維幾何估計(jì)[4]、檢測(cè)點(diǎn)的分布和數(shù)量[5]、分步式檢測(cè)方法[6]等方面取得了重要突破。針對(duì)非接觸式測(cè)量方法，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了眾多新的模型與算法，如基于知識(shí)的視覺(jué)理論模型[7]、基于深度學(xué)習(xí)的視覺(jué)識(shí)別[8]和單目視覺(jué)檢測(cè)[9–10]等。正是由于上述技術(shù)的突破，裝配過(guò)程幾何量檢測(cè)設(shè)備不斷推陳出新，精度、穩(wěn)定性、通用性等技術(shù)指標(biāo)不斷提高，極大地拓展了數(shù)字化檢測(cè)技術(shù)在飛機(jī)裝配領(lǐng)域的應(yīng)用。波音、空客、洛克希德·馬丁等國(guó)外航空公司已經(jīng)普遍采用數(shù)字化檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行產(chǎn)品三維檢測(cè)與質(zhì)量控制，開(kāi)發(fā)并形成了飛機(jī)產(chǎn)品三維檢測(cè)規(guī)劃與數(shù)據(jù)分析體系，制定了數(shù)字化三維檢測(cè)技術(shù)規(guī)范，形成了完整的數(shù)字化檢測(cè)技術(shù)體系[11]。此外，檢測(cè)設(shè)備與工藝裝備的深度融合成為裝配技術(shù)發(fā)展的重要趨勢(shì)。諸如激光跟蹤儀等測(cè)試設(shè)備廣泛應(yīng)用于F–35、A400M、A350等先進(jìn)飛機(jī)的總裝對(duì)接中。在F–35的中后機(jī)身對(duì)接中，洛·馬公司基于激光跟蹤儀設(shè)計(jì)制造的自動(dòng)化、模塊化工裝，使用激光三角傳感器精確調(diào)整鉆頭位置并測(cè)量鉆孔尺寸[12]。

本文針對(duì)新一代飛機(jī)裝配幾何量檢測(cè)需求，詳細(xì)梳理目前飛機(jī)裝配幾何量檢測(cè)特征，提出新一代飛機(jī)裝配幾何量檢測(cè)體系構(gòu)建方案，并對(duì)其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)分析。

新一代飛機(jī)裝配過(guò)程幾何量檢測(cè)需求分析

新一代飛機(jī)氣動(dòng)外形先進(jìn)、隱身性高，裝配過(guò)程必須同時(shí)關(guān)注局部關(guān)鍵特征和整機(jī)外形精度。飛機(jī)裝配涉及組部件關(guān)鍵交點(diǎn)與特征點(diǎn)、全機(jī)水平測(cè)量點(diǎn)、表面質(zhì)量特性、氣動(dòng)外形檢測(cè)等一系列質(zhì)控問(wèn)題。為提高飛機(jī)裝配質(zhì)量，確保整機(jī)產(chǎn)品性能，利用先進(jìn)測(cè)量技術(shù)和方法進(jìn)行裝配過(guò)程控制和最終幾何特征與設(shè)計(jì)要求的一致性檢測(cè)是現(xiàn)代飛機(jī)數(shù)字化制造的一項(xiàng)重要內(nèi)容。飛機(jī)幾何特征的多樣性、裝配流程的復(fù)雜性以及裝配的高協(xié)調(diào)性要求，對(duì)飛機(jī)裝配過(guò)程提出了不同測(cè)量需求，本文主要從空間點(diǎn)位測(cè)量和三維外形測(cè)量?jī)煞矫孢M(jìn)行介紹。

1 空間點(diǎn)位精度檢測(cè)

飛機(jī)裝配過(guò)程中，需要將工裝和零部件上的某些特征點(diǎn)作為質(zhì)量評(píng)價(jià)關(guān)鍵要素，通過(guò)測(cè)量工具獲取三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)并進(jìn)行精度評(píng)價(jià)。常見(jiàn)的應(yīng)用有以下4種。

（1）組部件裝配關(guān)鍵特征點(diǎn)檢測(cè)。

在飛機(jī)裝配過(guò)程數(shù)字化、自動(dòng)化技術(shù)背景下，在組部件裝配階段，大型結(jié)構(gòu)件常以自身為基準(zhǔn)進(jìn)行裝配定位，如梁、框、肋等構(gòu)件利用裝配孔、槽等特征實(shí)現(xiàn)自定位，減少裝配工裝定位器使用，使工裝簡(jiǎn)單化、通用化。自定位特征通常多選用構(gòu)件“K”孔（定位基準(zhǔn)孔）、交點(diǎn)孔、叉耳端面等，在飛機(jī)裝配過(guò)程中，這些特征均需嚴(yán)格控制，特征點(diǎn)的檢測(cè)精度控制優(yōu)劣直接影響組部件裝配質(zhì)量。

（2）部件對(duì)合點(diǎn)檢測(cè)。

在飛機(jī)總裝過(guò)程中，采用數(shù)字化柔性對(duì)接工裝是提高對(duì)接精度和效率的有效手段。在部件對(duì)合過(guò)程前后，需要測(cè)量各部件上已標(biāo)記出的對(duì)合裝配控制點(diǎn)，將測(cè)量數(shù)據(jù)傳遞給對(duì)合平臺(tái)計(jì)算分析，計(jì)算分析系統(tǒng)將實(shí)測(cè)值與理論值進(jìn)行匹配分析，得到部件位姿偏差，進(jìn)而將位姿偏差反饋給控制系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)對(duì)合平臺(tái)定位器調(diào)整部件姿態(tài)并完成自動(dòng)對(duì)合。為提高對(duì)接效率，有效提高裝配對(duì)接精度，對(duì)合過(guò)程中需要進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)引導(dǎo)，部件到位后再進(jìn)行坐標(biāo)精確測(cè)量和定位精度確認(rèn)。

（3）水平測(cè)量點(diǎn)檢測(cè)。

水平測(cè)量是飛機(jī)裝配過(guò)程中的綜合性檢測(cè)環(huán)節(jié)，表征飛機(jī)裝配各部件相對(duì)位置安裝精度，是飛機(jī)裝配質(zhì)量及安全性的重要判據(jù)。傳統(tǒng)的飛機(jī)水平測(cè)量在全機(jī)調(diào)平的前提下，利用水準(zhǔn)儀與標(biāo)尺等配合進(jìn)行高度方向基準(zhǔn)測(cè)量，利用鉛錘、卷尺等對(duì)飛機(jī)水平測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，再將各測(cè)量數(shù)據(jù)向飛機(jī)坐標(biāo)系投影計(jì)算各部件安裝角度，通過(guò)與水平測(cè)量公差進(jìn)行比對(duì)評(píng)價(jià)飛機(jī)裝配質(zhì)量。因傳統(tǒng)的基于模擬量的測(cè)量工具精度較低，測(cè)量過(guò)程需要人工參與，測(cè)量誤差大，測(cè)量效率低，實(shí)施過(guò)程復(fù)雜。隨著大空間激光技術(shù)的不斷發(fā)展，激光跟蹤儀和工作空間測(cè)量定位系統(tǒng)（Workshop measuring and positioning system，wMPS）得到了廣泛應(yīng)用，無(wú)需進(jìn)行飛機(jī)跳屏操作，可直接獲取水平測(cè)量點(diǎn)三維坐標(biāo)，自動(dòng)化程度高，測(cè)量精度與效率均得到大幅提高。但需要強(qiáng)調(diào)的是，隨著飛機(jī)性能對(duì)氣動(dòng)外形、表面工藝要求越來(lái)越高，傳統(tǒng)基于離散坐標(biāo)的水平測(cè)量評(píng)價(jià)方式已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足目前測(cè)量需求，引入三維高分辨率點(diǎn)云技術(shù)進(jìn)行整體評(píng)價(jià)已經(jīng)成為新一代裝配技術(shù)發(fā)展的必然方向。

（4）工裝關(guān)鍵功能點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

裝配工裝關(guān)鍵功能點(diǎn)的定位精度直接影響飛機(jī)裝配質(zhì)量與可靠性。傳統(tǒng)的裝配過(guò)程定期檢測(cè)工裝關(guān)鍵功能點(diǎn)狀態(tài)以保障裝備對(duì)接精度。在定檢周期內(nèi)，并無(wú)有效方法進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，導(dǎo)致部件裝配不協(xié)調(diào)時(shí)有發(fā)生，產(chǎn)生裝配質(zhì)量問(wèn)題。工裝關(guān)鍵功能點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)控是確保裝配全過(guò)程穩(wěn)定可靠的必要手段。通過(guò)借助wMPS測(cè)量系統(tǒng)，將光電接收器放置在待監(jiān)測(cè)點(diǎn)，長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)實(shí)時(shí)記錄關(guān)鍵功能點(diǎn)空間位置，進(jìn)而評(píng)價(jià)位置一致性與穩(wěn)定性。

2 飛機(jī)復(fù)雜外形形貌測(cè)量

飛機(jī)外形形貌檢測(cè)是質(zhì)量評(píng)定的另一項(xiàng)重要內(nèi)容。飛機(jī)部件尺寸大，制造精度要求高，外形曲面復(fù)雜，表面光滑度和波紋度要求高，對(duì)三維形貌測(cè)量精度和效率提出了挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的飛機(jī)裝配過(guò)程中，依據(jù)裝配型架上的外形卡板用塞尺等進(jìn)行外形測(cè)量，測(cè)量手段落后，測(cè)量精度低，難以進(jìn)行全面的質(zhì)量評(píng)定。同時(shí)，隨著飛機(jī)性能要求的提高，對(duì)飛機(jī)表面質(zhì)量的要求也在不斷提高，如鉚釘釘頭的凸凹量、蒙皮對(duì)縫間隙與階差等與表面質(zhì)量相關(guān)的要素均需要進(jìn)行嚴(yán)格的控制。以某型號(hào)飛機(jī)為例，基本外形偏差最大為±3.0mm，最小為+0.4mm、–0.6mm，蒙皮對(duì)縫間隙的最大允許值為1.5mm，最小值為1.0mm，階差（包括順航向和垂直航向）的最大允許值為1.2mm，最小值為0.3mm；而不同區(qū)域中沉頭螺栓（螺釘）頭凸凹量的極限偏差最小僅為0.15mm。對(duì)于普通的測(cè)量手段而言，難以精確地顯示測(cè)量結(jié)果，通常采用簡(jiǎn)單定性的方式給出結(jié)論。

此外，新一代飛機(jī)高隱身特性的要求、某些關(guān)鍵部位的特殊設(shè)計(jì)和制造工藝對(duì)其裝配過(guò)程檢測(cè)技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)，如整機(jī)氣動(dòng)外形和進(jìn)氣道外表面的檢測(cè)等。進(jìn)氣道是隱身戰(zhàn)機(jī)的一個(gè)重要組成部分，進(jìn)氣道隱身性能優(yōu)劣決定著新一代飛機(jī)能否滿(mǎn)足隱身設(shè)計(jì)要求。新一代飛機(jī)采用“S”進(jìn)氣道，進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)復(fù)雜，開(kāi)敞性極差，不利于在飛機(jī)裝配過(guò)程中對(duì)進(jìn)氣道表面質(zhì)量進(jìn)行在線檢測(cè)。同時(shí)，新一代飛機(jī)進(jìn)氣道對(duì)縫間隙和階差檢測(cè)精度要求進(jìn)一步提高。以“S”進(jìn)氣道為代表的飛機(jī)復(fù)雜狹窄內(nèi)腔表面檢測(cè)對(duì)測(cè)量設(shè)備提出了更高的要求。

傳統(tǒng)的飛機(jī)表面質(zhì)量檢查方法采用傳統(tǒng)人工抽檢方式進(jìn)行，完全依托檢驗(yàn)人員的經(jīng)驗(yàn)，采取目視檢查方法，選取表面質(zhì)量接近超差位置，利用塞尺對(duì)表面質(zhì)量質(zhì)疑位置進(jìn)行抽檢，進(jìn)氣道的表面質(zhì)量檢測(cè)位置有限，并未實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣道的全覆蓋，并且對(duì)縫間隙與階差檢測(cè)結(jié)果受檢驗(yàn)人員自身影響較大，無(wú)法滿(mǎn)足裝配質(zhì)量檢測(cè)要求。四代機(jī)裝配表面對(duì)縫間隙與階差要求全覆蓋，即對(duì)縫間隙與階差要求每150mm設(shè)置1個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，其中目視可見(jiàn)明顯階差/間隙或曲率較大的蒙皮對(duì)合處，應(yīng)增加2~3個(gè)測(cè)量點(diǎn)，表面對(duì)縫間隙與階差檢測(cè)工作量相比三代機(jī)大幅度增加。另外，傳統(tǒng)的以塞尺為代表的檢測(cè)工具分辨率較低，檢測(cè)效率、檢測(cè)精度、抗干擾性等均無(wú)法滿(mǎn)足四代機(jī)裝配質(zhì)量評(píng)估要求。

隨著飛機(jī)數(shù)字化柔性裝配的發(fā)展，數(shù)字化測(cè)量系統(tǒng)開(kāi)始大規(guī)模地應(yīng)用于飛機(jī)裝配中。常用的數(shù)字化測(cè)量系統(tǒng)主要有關(guān)節(jié)臂測(cè)量機(jī)、攝影測(cè)量系統(tǒng)、激光跟蹤儀、激光雷達(dá)和室內(nèi)空間測(cè)量系統(tǒng)等。各測(cè)量系統(tǒng)性能對(duì)比分析如表1所示。其中，激光跟蹤儀、激光雷達(dá)和室內(nèi)空間測(cè)量系統(tǒng)具有相對(duì)精度高、測(cè)量范圍大的優(yōu)點(diǎn)，可用于工裝安裝、部件裝配定位、對(duì)接裝配及裝配質(zhì)量檢測(cè)等生產(chǎn)環(huán)節(jié)，是實(shí)現(xiàn)飛機(jī)數(shù)字化柔性裝配的主要測(cè)量工具。關(guān)節(jié)臂測(cè)量機(jī)和攝影測(cè)量系統(tǒng)具有體積小、便于攜帶的優(yōu)點(diǎn)，可用于某些特定裝配質(zhì)量檢測(cè)指標(biāo)的檢測(cè)或與輔助精密測(cè)量設(shè)備進(jìn)行協(xié)同測(cè)量。

新一代飛機(jī)裝配幾何量質(zhì)量檢測(cè)體系構(gòu)建

針對(duì)飛機(jī)裝配過(guò)程檢測(cè)對(duì)象復(fù)雜、組部件數(shù)量眾多、檢測(cè)精度要求高等特點(diǎn)，基于現(xiàn)有測(cè)量技術(shù)設(shè)備，構(gòu)建了飛機(jī)裝配幾何量檢測(cè)體系，該體系側(cè)重于裝配檢測(cè)質(zhì)量管理平臺(tái)開(kāi)發(fā)和集成，以解決飛機(jī)裝配過(guò)程檢測(cè)數(shù)字化與自動(dòng)化程度低、車(chē)間管理技術(shù)手段落后等問(wèn)題。由于飛機(jī)裝配測(cè)量本身是復(fù)雜的跨尺度測(cè)量問(wèn)題，單一設(shè)備無(wú)法在測(cè)量范圍、測(cè)量分辨率方面同時(shí)滿(mǎn)足測(cè)量需求，因此飛機(jī)裝配幾何量質(zhì)量檢測(cè)是各種測(cè)量設(shè)備的綜合運(yùn)用過(guò)程，需要各個(gè)工藝流程通盤(pán)考慮，根據(jù)上述測(cè)量需求和現(xiàn)有設(shè)備測(cè)量性能特點(diǎn)，提出了飛機(jī)裝配幾何量質(zhì)量檢測(cè)體系總體架構(gòu)，如圖1所示。

飛機(jī)裝配幾何量檢測(cè)體系主要包括對(duì)象層、設(shè)備層、軟件層及企業(yè)信息平臺(tái)。對(duì)象層包括飛機(jī)裝配全過(guò)程待測(cè)幾何量特征。設(shè)備層協(xié)調(diào)管理各類(lèi)空間三維測(cè)量設(shè)備，通過(guò)融合多源測(cè)量系統(tǒng)協(xié)同完成全局與局部測(cè)量任務(wù)。軟件層則實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的收集、整理、融合、比對(duì)、分析等功能，結(jié)合產(chǎn)品尺寸公差等設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)生成分析報(bào)告。企業(yè)信息平臺(tái)負(fù)責(zé)接收質(zhì)量管理平臺(tái)的輸出數(shù)據(jù)及改進(jìn)建議反饋。

圖1 飛機(jī)裝配幾何量質(zhì)量檢測(cè)體系總體架構(gòu)Fig.1 Framework of aircraft assembling geometrical quality inspection system

裝配檢測(cè)質(zhì)量管理平臺(tái)輸入數(shù)據(jù)來(lái)自?xún)蓚€(gè)方面：一是數(shù)字化工藝平臺(tái)的裝配工藝過(guò)程、裝配模型、尺寸公差、測(cè)量目標(biāo)和基準(zhǔn)（模型上）；二是現(xiàn)場(chǎng)裝配車(chē)間測(cè)量設(shè)備（由iGPS和下屬激光跟蹤儀、關(guān)節(jié)臂、掃描儀等組成）的測(cè)量結(jié)果數(shù)據(jù)。裝配檢測(cè)質(zhì)量管理平臺(tái)輸出數(shù)據(jù)去往3個(gè)方面：一是將測(cè)量系統(tǒng)配置方案、測(cè)量工藝規(guī)程（腳本）和測(cè)量程序輸出到裝配車(chē)間現(xiàn)場(chǎng)，以便構(gòu)建測(cè)量系統(tǒng)（場(chǎng)）、驅(qū)動(dòng)測(cè)量?jī)x器系統(tǒng)，指導(dǎo)工人測(cè)量操作；二是將采集的測(cè)量結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析后，以統(tǒng)一測(cè)量數(shù)據(jù)集的形式反饋給數(shù)字化工藝平臺(tái)，包括產(chǎn)品檢測(cè)數(shù)據(jù)、裝配工裝檢測(cè)數(shù)據(jù)、工序件檢測(cè)數(shù)據(jù)和工序件夾具檢測(cè)數(shù)據(jù)；三是根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)的分析結(jié)果，將有關(guān)產(chǎn)品關(guān)鍵特征/特性、尺寸公差的可測(cè)量性分析報(bào)告及改進(jìn)建議反饋數(shù)字化工藝平臺(tái)。

1 面向不同檢測(cè)要素的檢測(cè)方法分析

飛機(jī)裝配過(guò)程幾何量檢測(cè)對(duì)象多樣、涉及的測(cè)量與檢測(cè)方法及工具各異，需要根據(jù)檢測(cè)對(duì)象具體要求合理匹配檢測(cè)設(shè)備。依據(jù)裝配過(guò)程的檢測(cè)特征，從檢測(cè)精度、檢測(cè)成本、檢測(cè)效率和檢測(cè)可靠性4個(gè)維度，對(duì)裝配過(guò)程檢測(cè)特征與檢測(cè)設(shè)備匹配，匹配關(guān)系見(jiàn)表2。針對(duì)裝配過(guò)程中的不同檢測(cè)特征，利用裝配檢測(cè)計(jì)劃編制與管理模塊生成檢測(cè)規(guī)劃方案，最終完成不同裝配特征的檢測(cè)。

2 裝配檢測(cè)計(jì)劃編制與管理模塊

裝配檢測(cè)計(jì)劃編制與管理模塊實(shí)現(xiàn)了檢驗(yàn)計(jì)劃編制、更改、審簽、發(fā)布等功能，裝配檢測(cè)計(jì)劃定版流程如圖2所示。該模塊是以PPR（.CATProcess格式）文件為載體，并存儲(chǔ)檢測(cè)信息，同時(shí)需滿(mǎn)足檢測(cè)計(jì)劃管理、升版、維護(hù)及檢測(cè)工藝設(shè)計(jì)等要求。通過(guò)裝配質(zhì)量檢測(cè)平臺(tái)與企業(yè)內(nèi)部工藝系統(tǒng)互聯(lián)互通，該模塊可查詢(xún)MBOM結(jié)構(gòu)、工藝分工及各種工藝資源庫(kù)。在對(duì)上述信息分析的基礎(chǔ)上，策劃裝配檢測(cè)方案和針對(duì)不同檢測(cè)對(duì)象選用不同檢測(cè)設(shè)備。該模塊可隨時(shí)查詢(xún)裝配工藝編制進(jìn)展和狀態(tài)，當(dāng)裝配工藝規(guī)程編制完成后，將數(shù)據(jù)推送給檢測(cè)人員，檢測(cè)人員利用相關(guān)工藝信息、產(chǎn)品模型信息和資源模型信息，針對(duì)實(shí)際需要編制裝配檢測(cè)計(jì)劃，插入檢測(cè)工序或工步。

裝配檢測(cè)計(jì)劃對(duì)應(yīng)的檢驗(yàn)工步，存儲(chǔ)于PPR文件中Process節(jié)點(diǎn)下，并保持與裝配工藝規(guī)程文件（包含版本信息）、裝配工藝工步節(jié)點(diǎn)的關(guān)聯(lián)關(guān)系。裝配檢測(cè)計(jì)劃相關(guān)信息以數(shù)據(jù)庫(kù)記錄的形式進(jìn)行存儲(chǔ)，當(dāng)在CATIA中進(jìn)行三維裝配檢測(cè)規(guī)程信息的表達(dá)時(shí)，以自定義的數(shù)據(jù)文件格式及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為載體，動(dòng)態(tài)加載，保證信息的實(shí)時(shí)有效。模塊涉及三維組部件信息，從LCA系統(tǒng)中獲取，并進(jìn)行輕量化處理后，在三維裝配檢測(cè)規(guī)程中顯示和加載。對(duì)于歷史版本的裝配檢驗(yàn)規(guī)程，該模塊通過(guò)審簽流程控制，保留所有歷史數(shù)據(jù)和必要的更改說(shuō)明信息以供追溯。對(duì)于以有效性為關(guān)鍵字的查詢(xún)，使用最新版有效原則進(jìn)行管理。

3 裝配質(zhì)量檢測(cè)數(shù)據(jù)管理與分析模塊

裝配質(zhì)量檢測(cè)數(shù)據(jù)管理與分析模塊實(shí)現(xiàn)了關(guān)鍵過(guò)程數(shù)據(jù)、點(diǎn)云數(shù)據(jù)、單點(diǎn)數(shù)據(jù)的信息采集及統(tǒng)計(jì)分析功能，根據(jù)數(shù)據(jù)特征，能夠生成直方圖、箱線圖、控制圖等，裝配質(zhì)量檢測(cè)數(shù)據(jù)管理與分析模塊架構(gòu)如圖3所示。

表2 裝配過(guò)程檢測(cè)特征與檢測(cè)設(shè)備匹配關(guān)系Table 2 Mapping of assembling inspection features and equipments

圖2 裝配檢測(cè)計(jì)劃定版流程Fig.2 Flow path of assembling inspection plan

圖3 裝配質(zhì)量檢測(cè)數(shù)據(jù)管理與分析模塊架構(gòu)Fig.3 Framework of management and analysis module for assembling quality inspection data

在關(guān)鍵過(guò)程數(shù)據(jù)分析方面，對(duì)于其他系統(tǒng)數(shù)據(jù)，支持以固定格式導(dǎo)入。根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)均值和方差計(jì)算，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行過(guò)濾和選擇，依據(jù)相應(yīng)出圖條件生成分析圖表。針對(duì)連續(xù)型數(shù)據(jù)，繪制均值控制圖、單值控制圖；針對(duì)離散型數(shù)據(jù)，繪制缺陷率控制圖等。技術(shù)人員可對(duì)統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行篩選與剔除，可對(duì)篩選與剔除后結(jié)果進(jìn)行分析，繪制控制圖，統(tǒng)計(jì)和分析結(jié)果可以表格及文檔等形式輸出。該模塊具有錯(cuò)誤信息修改功能，即由于人為等原因，導(dǎo)致錄入的信息有誤，需要重新錄入的情況。錯(cuò)誤信息修改只能由原信息錄入者進(jìn)行修改，其他操作人員只有查看信息權(quán)限。

在點(diǎn)云數(shù)據(jù)管理與分析方面，統(tǒng)計(jì)出的點(diǎn)云數(shù)據(jù)于檢測(cè)報(bào)告中體現(xiàn)，同時(shí)對(duì)相應(yīng)產(chǎn)品的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行編號(hào)、上傳等管理。云數(shù)據(jù)、檢測(cè)報(bào)告與被測(cè)產(chǎn)品一一對(duì)應(yīng)，存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫(kù)。

在單點(diǎn)數(shù)據(jù)管理與分析方面，能夠與其他信息系統(tǒng)集成，對(duì)于其他系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，支持以固定格式導(dǎo)入。相關(guān)數(shù)據(jù)信息既可手動(dòng)錄入，亦可導(dǎo)入基于固定模版的格式數(shù)據(jù)。對(duì)于單點(diǎn)數(shù)據(jù)該模塊實(shí)現(xiàn)了單件產(chǎn)品理論值與實(shí)際測(cè)量值數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化管理。

飛機(jī)裝配過(guò)程幾何量檢測(cè)關(guān)鍵技術(shù)

1 復(fù)雜裝配現(xiàn)場(chǎng)多源異構(gòu)整體測(cè)量工藝仿真及精度優(yōu)化

針對(duì)航空數(shù)字化制造現(xiàn)場(chǎng)大空間、高精度、多信息、低成本以及高效可靠的測(cè)量需求，深入分析多源異構(gòu)整體測(cè)量網(wǎng)絡(luò)所面臨的精度、效率問(wèn)題，通過(guò)完成基于三維空間誤差分析的測(cè)量數(shù)據(jù)評(píng)估及精度優(yōu)化方法、基于產(chǎn)品數(shù)模的多源異構(gòu)整體測(cè)量網(wǎng)絡(luò)誤差仿真方法和面向復(fù)雜裝配現(xiàn)場(chǎng)的多站整體測(cè)量網(wǎng)絡(luò)智能優(yōu)化算法的研究，最終搭建基于數(shù)模的通用精度分析模塊。

異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)坐標(biāo)測(cè)量中，被測(cè)目標(biāo)的坐標(biāo)由來(lái)自多個(gè)測(cè)量單元（系統(tǒng)）的測(cè)量信息合成，這一過(guò)程稱(chēng)為測(cè)量數(shù)據(jù)融合。各測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量數(shù)據(jù)均在其自身坐標(biāo)系下獲得，將測(cè)量數(shù)據(jù)融合細(xì)分為測(cè)量單元的坐標(biāo)系統(tǒng)一和被測(cè)量目標(biāo)的坐標(biāo)解算兩個(gè)步驟?，F(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)化測(cè)量技術(shù)在測(cè)量信息的處理方式上為異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)提供了重要的借鑒意義。依靠冗余測(cè)量信息，同步完成多個(gè)測(cè)量單元的坐標(biāo)系統(tǒng)一及多個(gè)被測(cè)目標(biāo)的坐標(biāo)解算，不僅避免了因多次坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換造成的不確定度累計(jì)，而且充分利用了冗余測(cè)量信息，有助于提高解算精度及魯棒性。

測(cè)量的過(guò)程，即是測(cè)量不確定度傳遞的過(guò)程，對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確量化和正確表達(dá)，是異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)精度分析的具體表現(xiàn)，不僅保證了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)測(cè)量結(jié)果可靠性，還為異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的儀器選型、布局優(yōu)化提供了重要依據(jù)。基于現(xiàn)有多源測(cè)量數(shù)據(jù)融合解算原理，分別基于GUM法和蒙特卡洛方法實(shí)現(xiàn)了異構(gòu)多站網(wǎng)絡(luò)坐標(biāo)不確定度的統(tǒng)一分析與表達(dá)，構(gòu)建了單點(diǎn)測(cè)量數(shù)據(jù)有效性評(píng)價(jià)方法。面向真實(shí)產(chǎn)品數(shù)模綜合現(xiàn)場(chǎng)遮擋、環(huán)境等影響因素構(gòu)建接近真實(shí)測(cè)量狀態(tài)的誤差仿真理論體系。同時(shí)，由于異構(gòu)測(cè)量網(wǎng)絡(luò)涉及多個(gè)測(cè)量系統(tǒng)，傳統(tǒng)的面向多系統(tǒng)的專(zhuān)用測(cè)量軟件無(wú)法滿(mǎn)足仿真及測(cè)量需求。構(gòu)建了用于異構(gòu)測(cè)量網(wǎng)絡(luò)不確定度分析的仿真及測(cè)量平臺(tái)，引入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等智能算法、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)標(biāo)準(zhǔn)三維模型物理仿真算法，從儀器有效測(cè)量區(qū)域、視線遮擋、測(cè)量精度及成本4方面描述了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)測(cè)站類(lèi)型、數(shù)量、布局綜合優(yōu)化等問(wèn)題。

分析歸納了大尺寸坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)的不確定度來(lái)源，建立了儀器測(cè)量坐標(biāo)不確定度及其測(cè)量范圍的通用描述模型，基于單點(diǎn)空間誤差分析結(jié)果構(gòu)建單次測(cè)量數(shù)據(jù)測(cè)量有效性評(píng)價(jià)方法，并以測(cè)量系統(tǒng)的校準(zhǔn)結(jié)果或歷史測(cè)量數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)先驗(yàn)權(quán)值，實(shí)現(xiàn)了多幾何量融合坐標(biāo)測(cè)量精度的動(dòng)態(tài)優(yōu)化。

2 三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)的擬合與對(duì)齊技術(shù)

點(diǎn)云數(shù)據(jù)擬合與對(duì)齊通常采用兩種方式進(jìn)行，一是應(yīng)用點(diǎn)云數(shù)據(jù)分析模塊中的最佳擬合對(duì)齊方式，該方法是基于最小二乘原理，通過(guò)匹配同名點(diǎn)，將轉(zhuǎn)站殘差最小化，獲得點(diǎn)云數(shù)據(jù)匹配的最佳結(jié)果；二是基于關(guān)鍵特征點(diǎn)的點(diǎn)云配準(zhǔn)，通過(guò)在產(chǎn)品上識(shí)別高精度定位特征，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)添加幾何約束條件，使獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換至測(cè)量坐標(biāo)系下，從而實(shí)現(xiàn)最優(yōu)點(diǎn)云匹配。飛機(jī)裝配制造過(guò)程中，零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣，形貌結(jié)構(gòu)多變、尺寸跨度大，部分零件無(wú)法識(shí)別出可對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行完全約束的關(guān)鍵特征信息。通過(guò)對(duì)擬合原理進(jìn)行深入研究，結(jié)合大量工程試驗(yàn)，對(duì)于無(wú)法實(shí)現(xiàn)完全約束的產(chǎn)品，提出了一種最佳擬合方式與基于特征的擬合方式相結(jié)合的融合擬合方式，獲得最佳的擬合效果。首先利用部分高精度特征對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行初始約束，排除無(wú)效點(diǎn)云數(shù)據(jù)的干擾，在初始約束的基礎(chǔ)上將有效點(diǎn)云數(shù)據(jù)與產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)三維模型進(jìn)行最佳擬合（基于最小二乘法）。經(jīng)工程化對(duì)比試驗(yàn)驗(yàn)證，以上3種擬合方式的綜合應(yīng)用可覆蓋不同產(chǎn)品特征的數(shù)字化檢測(cè)，擬合方式與產(chǎn)品特征匹配關(guān)系見(jiàn)表3。

3 基于整體測(cè)量場(chǎng)的多系統(tǒng)協(xié)同測(cè)量技術(shù)

以大部件對(duì)接和整機(jī)外形檢測(cè)為代表的部裝、總裝過(guò)程產(chǎn)品尺寸較大（5~20m），結(jié)構(gòu)復(fù)雜，被測(cè)特征多樣，測(cè)量“跨尺度”特點(diǎn)突出，需要將測(cè)量過(guò)程與工藝緊密結(jié)合。在現(xiàn)有測(cè)量條件下，沒(méi)有任何單一測(cè)量設(shè)備能夠整體滿(mǎn)足上述測(cè)量需求，將現(xiàn)場(chǎng)大空間遠(yuǎn)距離整體測(cè)量定位和有限空間近距離高精度、高分辨率形貌數(shù)據(jù)獲取相結(jié)合構(gòu)成跨尺度組合測(cè)量系統(tǒng)，是唯一可行的解決手段。相比于傳統(tǒng)跟蹤儀單站測(cè)量，以室內(nèi)GPS、多相機(jī)測(cè)量網(wǎng)絡(luò)為代表的多站整體測(cè)量網(wǎng)絡(luò)可通過(guò)增加測(cè)量單元數(shù)目、改變單元類(lèi)型或調(diào)整單元布局在不損失精度的前提下滿(mǎn)足不同尺度空間覆蓋要求，適應(yīng)不同測(cè)量條件，可作為實(shí)現(xiàn)飛機(jī)數(shù)字化裝配現(xiàn)場(chǎng)整體測(cè)量的基礎(chǔ)設(shè)備，但還需結(jié)合各個(gè)系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)，解決設(shè)備間接口、系統(tǒng)同步、數(shù)據(jù)配準(zhǔn)及數(shù)據(jù)融合問(wèn)題，構(gòu)造精度統(tǒng)一的最優(yōu)系統(tǒng)。

表3 組部件裝配檢測(cè)特征與擬合方式匹配關(guān)系Table 3 Matching of parts set assembling inspection features and fit method

本文提出一種基于室內(nèi)GPS全局定位，同時(shí)融合攝影測(cè)量、藍(lán)光三維掃描、光電校靶等多設(shè)備作為測(cè)量終端的跨尺度組合測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)GPS系統(tǒng)與視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)的精確協(xié)同，建立了滿(mǎn)足部裝總裝測(cè)量需求的組合測(cè)量方法。通過(guò)前期分析仿真設(shè)計(jì)，針對(duì)不同待測(cè)幾何特征、不同工藝流程，提出個(gè)性化視覺(jué)測(cè)量方案，同時(shí)采用兼顧精度、效率、量程的室內(nèi)GPS多站整體場(chǎng)實(shí)現(xiàn)全局精度控制，在測(cè)量終端集成wMPS接收器實(shí)現(xiàn)終端定位。測(cè)量終端可根據(jù)待測(cè)特征及測(cè)量需求靈活選擇視覺(jué)形貌測(cè)量設(shè)備、結(jié)構(gòu)光輪廓測(cè)量設(shè)備等完成點(diǎn)、面等幾何特征高精度測(cè)量。針對(duì)全局測(cè)量場(chǎng)校準(zhǔn)，通過(guò)wMPS發(fā)射端及接收端改進(jìn)提升了硬件性能。通過(guò)激光干涉測(cè)長(zhǎng)及多邊定位方法構(gòu)建了用于整體測(cè)量場(chǎng)全局定向和精度補(bǔ)償?shù)母呔瓤刂茍?chǎng)，進(jìn)一步提高了全局測(cè)量精度，提高了跨尺度協(xié)同測(cè)量系統(tǒng)的整體性能，建立了滿(mǎn)足總裝測(cè)量需求、現(xiàn)場(chǎng)可用的高精度多源異構(gòu)整體測(cè)量網(wǎng)絡(luò)，具體實(shí)施技術(shù)路線如圖4所示。

結(jié)論

飛機(jī)裝配幾何量高精度測(cè)量是新一代飛機(jī)裝配過(guò)程質(zhì)量保證的重要手段。幾何量測(cè)量方法的不斷發(fā)展為新一代飛機(jī)裝配技術(shù)發(fā)展帶來(lái)了變革。通過(guò)開(kāi)展裝配幾何量質(zhì)量檢測(cè)體系構(gòu)建及關(guān)鍵技術(shù)研究，開(kāi)發(fā)了裝配檢測(cè)質(zhì)量管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了檢測(cè)數(shù)據(jù)管理信息化，通過(guò)準(zhǔn)確、高效的算法對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并將檢測(cè)分析結(jié)果反饋飛機(jī)裝配過(guò)程，形成基于檢測(cè)的裝配過(guò)程閉環(huán)控制，為后續(xù)裝配提供數(shù)據(jù)支撐，同步提升了飛機(jī)裝配過(guò)程質(zhì)控能力。

圖4 基于整體測(cè)量場(chǎng)的多系統(tǒng)協(xié)同測(cè)量技術(shù)路線圖Fig.4 Multi-system synergy measurement technical line based on overall measurement field