數(shù)字化測(cè)量在航空制造中的應(yīng)用與發(fā)展研究

李明章，勝永民，鞠新星，羅 兵

（航空工業(yè)洪都，江西 南昌，330024）

0 引言

伴隨著航空產(chǎn)品對(duì)操控性與速度的不懈追求，隨之而來(lái)的是航空產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與制造對(duì)產(chǎn)品外形總體容差以及零部件配合容差的要求日益嚴(yán)苛，測(cè)量技術(shù)作為航空制造技術(shù)的重要支撐技術(shù)之一也因此得到了長(zhǎng)足發(fā)展。目前，數(shù)字化測(cè)量技術(shù)與設(shè)備已然發(fā)展成為主流的航空制造測(cè)量手段，但不同的測(cè)量設(shè)備原理存在差異，導(dǎo)致設(shè)備的有效測(cè)量范圍、工作方式等互不相同，即使標(biāo)稱測(cè)量精度一致的設(shè)備，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中所構(gòu)建的測(cè)量場(chǎng)精度特性也可能存在差異。本文通過(guò)對(duì)主流數(shù)字化測(cè)量設(shè)備的測(cè)量原理、特性、數(shù)據(jù)類型、測(cè)量精度等內(nèi)容進(jìn)行研究綜述，對(duì)航空制造過(guò)程中合理有效的選擇測(cè)量設(shè)備、準(zhǔn)確制定測(cè)量方案提供參考。

目前，國(guó)內(nèi)外在航空制造中應(yīng)用最為廣泛、技術(shù)成熟度較高的數(shù)字化測(cè)量設(shè)備主要有激光跟蹤儀、激光雷達(dá)、i GPS、工業(yè)攝影測(cè)量?jī)x、激光掃描儀等。

1 數(shù)字化測(cè)量設(shè)備簡(jiǎn)介

1.1 激光跟蹤儀

激光跟蹤儀的主要應(yīng)用范圍包括對(duì)接測(cè)量、工裝定檢、大部件外形檢測(cè)等。目前，激光跟蹤儀的生產(chǎn)廠家主要有徠卡、API和法如。

1.1.1 測(cè)量原理

激光跟蹤儀測(cè)量系統(tǒng)通過(guò)對(duì)空間目標(biāo)點(diǎn)的水平角、垂直角和斜距進(jìn)行測(cè)量，然后按球坐標(biāo)或極坐標(biāo)測(cè)量原理得到空間點(diǎn)的三維坐標(biāo)（X，Y，Z）。

設(shè)P（X，Y，Z）為被測(cè)空間點(diǎn)，假設(shè)點(diǎn)P到點(diǎn)O的距離為L(zhǎng)，OP與Z軸的夾角為β，OP在XY平面內(nèi)的投影與X軸的夾角為α，則點(diǎn)P（X，Y，Z）的表達(dá)式為[1]：

其中，α、β的值由安裝在跟蹤頭中的兩個(gè)編碼器給出，L的值通過(guò)安裝在激光頭中的激光干涉儀獲得[2]。

圖1 激光跟蹤儀測(cè)量原理示意圖

1.1.2 系統(tǒng)組成

激光跟蹤儀測(cè)量系統(tǒng)組成主要有：激光跟蹤儀主機(jī)、控制器、電纜、三腳架、計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集軟件、靶球、測(cè)量附件、數(shù)據(jù)分析軟件等。

圖2 激光跟蹤系統(tǒng)組成示意圖

1.1.3 設(shè)備技術(shù)指標(biāo)與優(yōu)缺點(diǎn)

激光跟蹤儀輸出的是單點(diǎn)坐標(biāo)，數(shù)據(jù)格式一般為“點(diǎn)名+X+Y+Z”，激光跟蹤儀主要特性如下：

主要優(yōu)點(diǎn)：

1）測(cè)量精度高，絕對(duì)坐標(biāo)測(cè)量精度達(dá)到10ppm，尤其是距離測(cè)量精度可以達(dá)到5ppm；

2）測(cè)量范圍廣，目前最大測(cè)程達(dá)到160米；

3）跟蹤測(cè)量，可以實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)測(cè)量跟蹤；

4）操作方便，一般場(chǎng)合1～2人即可操作。主要缺點(diǎn)：

1）接觸式測(cè)量,需要球棱鏡接觸被測(cè)對(duì)象；

2）逐次逐點(diǎn)測(cè)量,一次只能測(cè)量一個(gè)點(diǎn)；

3）環(huán)境要求高,需要在穩(wěn)定無(wú)振動(dòng)環(huán)境下工作，尤其不適合廠房外或升降平臺(tái)上工作。

1.2 激光雷達(dá)

激光雷達(dá)作為航空制造裝配中常用測(cè)量設(shè)備之一，主要用于航空產(chǎn)品的外形快速掃描測(cè)量。目前，激光雷達(dá)的主要生產(chǎn)制造廠家是日本尼康公司。

1.2.1 測(cè)量原理

激光雷達(dá)采用激光器進(jìn)行探測(cè)和測(cè)距，是激光技術(shù)與雷達(dá)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，使雷達(dá)的工作波段擴(kuò)展到光波波段，其工作波段覆蓋紅外光、可見(jiàn)光和紫外光。

激光雷達(dá)是一種球坐標(biāo)系的測(cè)量設(shè)備，激光器在發(fā)射一束經(jīng)空氣傳播到測(cè)量點(diǎn)并且返回的外測(cè)信號(hào)的同時(shí)又發(fā)射一束在定長(zhǎng)光纖中傳播的內(nèi)置信號(hào)。光纖的長(zhǎng)度與固定測(cè)量距離S相對(duì)應(yīng)，即對(duì)應(yīng)于激光在空氣中傳播2S的距離。假設(shè)測(cè)量點(diǎn)的距離為L(zhǎng)，那么激光在空氣中傳播距離為2L，經(jīng)空氣返回的激光信號(hào)較在定長(zhǎng)光纖中傳播的激光信號(hào)有Δt的時(shí)間延遲，Δt的時(shí)間延遲產(chǎn)生了Δf的頻率變化，并且Δt與Δf成正比。在激光雷達(dá)中，可以準(zhǔn)確的測(cè)出頻率變化Δf，通過(guò)測(cè)量頻率變化算出時(shí)間延遲，最終得出被測(cè)點(diǎn)與激光雷達(dá)的距離R。被測(cè)目標(biāo)的方位角和仰角分別由反射鏡和旋轉(zhuǎn)頭獲取，最后將獲得的球坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成直角坐標(biāo)，即可獲得被測(cè)目標(biāo)的XYZ坐標(biāo)。

圖3 激光雷達(dá)測(cè)距原理圖

1.2.2 系統(tǒng)組成

激光雷達(dá)系統(tǒng)的基本組成部分包括：激光器、發(fā)射望遠(yuǎn)鏡、接收望遠(yuǎn)鏡、濾光器、光電探測(cè)器、信號(hào)處理單元和數(shù)據(jù)處理輸出單元等。

圖4 激光雷達(dá)系統(tǒng)組成示意圖

1.2.3 設(shè)備技術(shù)指標(biāo)與優(yōu)缺點(diǎn)

激光雷達(dá)的輸出是點(diǎn)云的坐標(biāo)信息，數(shù)據(jù)量一般比較大，設(shè)備主要特性如下：

主要優(yōu)點(diǎn)：

1）激光指引測(cè)量，不需要靶球或靶標(biāo)接觸被測(cè)產(chǎn)品，真正的非接觸式測(cè)量；2）由于使用激光指引，使得其測(cè)量使用空間范圍基本不受限制，測(cè)量空間大；3）單點(diǎn)測(cè)量精度高，理論單點(diǎn)精度高達(dá)0.1mm；4）可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云掃描測(cè)量模式，實(shí)現(xiàn)大量點(diǎn)的快速采集。

主要缺點(diǎn)：

1）設(shè)備使用準(zhǔn)備時(shí)間長(zhǎng)，需要預(yù)熱1～2小時(shí)才能穩(wěn)定高精度工作；2）高精度測(cè)量效率較低，在單點(diǎn)高精度測(cè)量模式下單點(diǎn)測(cè)量耗時(shí)1～2秒；3）設(shè)備總成重量大，便攜性較差；4）受限于測(cè)量原理，無(wú)法精確指引某具體位置點(diǎn)進(jìn)行直接測(cè)量，必須靠點(diǎn)云計(jì)算來(lái)擬合出被測(cè)對(duì)象的幾何中心。

1.3 iGPS測(cè)量?jī)x

iGPS（室內(nèi)GPS）測(cè)量?jī)x是航空產(chǎn)品裝配制造中常用測(cè)量設(shè)備之一，主要應(yīng)用于航空產(chǎn)品的離散點(diǎn)測(cè)量，如飛機(jī)整機(jī)水平測(cè)量。目前，市場(chǎng)上進(jìn)口的iGPS基本是由日本尼康公司生產(chǎn)的，國(guó)產(chǎn)的iGPS生產(chǎn)廠家主要是天津大學(xué)。

1.3.1 測(cè)量原理

iGPS系統(tǒng)主要由發(fā)射器和接收器組成。發(fā)射器發(fā)出兩個(gè)呈扇形的激光面，這兩個(gè)激光扇面的相對(duì)位置和姿態(tài)固定，與垂直平面的夾角分別為30°和-30°，扇面的俯仰覆蓋范圍為±30°，每個(gè)發(fā)射器對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角度θ并不一樣；傳感器接收來(lái)自發(fā)射器發(fā)出的激光模擬信號(hào)，并將其傳送給放大器；接收器接收來(lái)自放大器的數(shù)字信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)變成角度數(shù)據(jù)信息；角度信息通過(guò)調(diào)制解調(diào)器無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)街醒肟刂剖业挠?jì)算機(jī)中，然后利用第三方軟件把所獲角度信息處理為準(zhǔn)確的三維坐標(biāo)信息，并在整個(gè)工作區(qū)域和網(wǎng)絡(luò)中共享，以便工作區(qū)域內(nèi)無(wú)窮多個(gè)用戶可以使用。

圖5 iGPS測(cè)量系統(tǒng)原理示意圖

一個(gè)發(fā)射器的測(cè)量區(qū)域內(nèi)任何一個(gè)接收器只能獲得兩個(gè)角度信息，一個(gè)是俯仰角，另一個(gè)則為方位角，它們都是利用時(shí)間差計(jì)算出來(lái)的。俯仰角是通過(guò)發(fā)射器發(fā)射出來(lái)的兩個(gè)扇面分別掃觸到接收器的時(shí)間差計(jì)算而得，設(shè)第一和第二個(gè)扇面掃觸到接收器的時(shí)間分別為t1、t2，發(fā)射器與測(cè)量點(diǎn)之間的斜距為R，由于兩個(gè)扇面與垂直平面都有30°的夾角，所以從兩個(gè)扇面頂端到底端所對(duì)應(yīng)的弧度不同，從而對(duì)應(yīng)的時(shí)間也不同。通過(guò)t1、t2的時(shí)間差能夠得到兩個(gè)扇面夾角所對(duì)應(yīng)的弧長(zhǎng)S，從而得到該接收器的俯仰角β，

計(jì)算公式：S=βR（t2-t1）。

方位角是通過(guò)閘門脈沖信號(hào)掃觸的時(shí)間與兩個(gè)扇面掃觸時(shí)間的平均值的時(shí)間差來(lái)獲得的。假設(shè)接收器接收到閘門脈沖信號(hào)時(shí)兩個(gè)扇面的中心位置方位角為θ°，此時(shí)的時(shí)間為tp，把兩個(gè)扇面分別掃觸到接收器時(shí)的時(shí)間仍然記為t1、t2，然后將t1和t2的平均值與tp的時(shí)間差乘以發(fā)射器的轉(zhuǎn)速即可得到接收器的方位角α，計(jì)算公式

1.3.2 系統(tǒng)組成

iGPS系統(tǒng)主要包括激光發(fā)射器、測(cè)針、固定式接收器、工作站、標(biāo)準(zhǔn)桿和三腳架等。激光發(fā)射器主要用來(lái)主動(dòng)發(fā)射激光信號(hào)；測(cè)針主要用來(lái)接觸被測(cè)量的點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)的測(cè)量；標(biāo)準(zhǔn)桿用來(lái)建立iGPS系統(tǒng)測(cè)量場(chǎng)。

圖6 iGPS系統(tǒng)組成圖

1.3.3 設(shè)備技術(shù)指標(biāo)與優(yōu)缺點(diǎn)

iGPS測(cè)量系統(tǒng)輸出的是離散點(diǎn)坐標(biāo)值，數(shù)據(jù)格式一般為“點(diǎn)名+X+Y+Z”，系統(tǒng)的主要優(yōu)缺點(diǎn)如下：

主要優(yōu)點(diǎn)：

1）操作簡(jiǎn)單，一旦建站完成，測(cè)量操作非常簡(jiǎn)單；2）多人多點(diǎn)同步測(cè)量：理論上接收器數(shù)量不受限制，可以同時(shí)測(cè)量；3）測(cè)量范圍可寬展：測(cè)量范圍從幾米至數(shù)百米，可以方便擴(kuò)展。

主要缺點(diǎn)：

1）需要固定的場(chǎng)地布置基站，便攜性差；2）測(cè)量精度低，目前理論精度可以達(dá)到0.2mm，但實(shí)際工程精度在0.5mm左右；3）為方便操作，需要使用無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸，對(duì)于有保密要求的場(chǎng)合使用受限，如果使用有線數(shù)據(jù)傳輸則會(huì)大大降低操作的便捷性。

工程經(jīng)驗(yàn)表明，在同一水平面上，精度等高線以測(cè)量場(chǎng)中心線在水平面上的投影點(diǎn)為中心，呈同心圓狀分布，且距離中心越遠(yuǎn)測(cè)量精度越低[3]。

1.4 工業(yè)攝影測(cè)量?jī)x

工業(yè)攝影測(cè)量?jī)x是航空產(chǎn)品制造中常用測(cè)量設(shè)備之一，主要應(yīng)用于飛機(jī)工裝定檢、整機(jī)水平測(cè)量、靜力試驗(yàn)變形檢測(cè)等。目前，市場(chǎng)上進(jìn)口的工業(yè)攝影測(cè)量系統(tǒng)有美國(guó)GSI公司的V-stars系統(tǒng)，德國(guó)的AICON系統(tǒng)，國(guó)產(chǎn)工業(yè)攝影測(cè)量系統(tǒng)主要是辰維科技、海克斯康等。

1.4.1 測(cè)量原理

工業(yè)攝影測(cè)量是從相機(jī)攝影獲取的被測(cè)目標(biāo)的光學(xué)圖像信息出發(fā)，經(jīng)過(guò)測(cè)量平差計(jì)算處理得到被測(cè)目標(biāo)的三維空間坐標(biāo)。在攝影被測(cè)目標(biāo)時(shí)至少應(yīng)由兩臺(tái)以上高分辨率相機(jī)對(duì)被測(cè)物同時(shí)拍攝像片（或一臺(tái)相機(jī)移動(dòng)位置再拍照，原理示意見(jiàn)圖7），得到被測(cè)物的2張以上二維圖像，經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)字圖像處理、影像匹配、三角測(cè)量及平差計(jì)算等一系列處理后得到被測(cè)物精確的三維空間坐標(biāo)。由于它是通過(guò)不同攝站位置的相機(jī)對(duì)多個(gè)目標(biāo)點(diǎn)同時(shí)測(cè)量而產(chǎn)生了多余觀測(cè)量，從而也可以同時(shí)解算出目標(biāo)及相機(jī)間的位置與姿態(tài)。

工業(yè)攝影測(cè)量中，在不同的位置（攝站）由一臺(tái)或兩臺(tái)攝影相機(jī)拍攝同一被測(cè)目標(biāo)物，獲得的兩張不同角度的被測(cè)目標(biāo)物的像片稱為“立體像對(duì)”。而這一過(guò)程在計(jì)算機(jī)視覺(jué)領(lǐng)域稱之為“雙目立體視覺(jué)”。而雙視覺(jué)幾何也稱為“極線幾何”，也就是攝影測(cè)量中的核線幾何，主要是指兩張像片之間的內(nèi)部幾何投影關(guān)系，是由像片的內(nèi)方位元素與兩張像片的相對(duì)姿態(tài)關(guān)系唯一確定的，與場(chǎng)景結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)。

若采用雙（多）臺(tái)相機(jī)在不同的攝站點(diǎn)拍攝被測(cè)目標(biāo)物，形成多攝站交會(huì)的多目立體模型。如圖8，設(shè)物方點(diǎn)Pi是由j個(gè)相機(jī)攝站（或j條光線）相交而成，由共線條件可列出j個(gè)共線方程：

圖8 多相機(jī)攝影測(cè)量原理示意圖

式中，x0、y0、f為像片的內(nèi)方位元素，分別代表像主點(diǎn)與主距，是確定攝影相機(jī)鏡頭中心（攝影中心）相對(duì)于影像位置關(guān)系的參數(shù)，用以恢復(fù)攝影時(shí)攝影光束的形狀；X，Y，Z，φ，ω，κ為像片的外方位元素，是表達(dá)像片或攝影光束在攝影瞬間的空間位置與姿態(tài)的參數(shù)，ai、bi、ci（i=1，2，3）為像片的三個(gè)外方位元素φ，ω，κ所組成的9個(gè)方向余弦；Δx,Δy為各像點(diǎn)坐標(biāo)相對(duì)其理論位置坐標(biāo)（x,y）存在的小偏差（畸變）。由最小二乘平差原理，根據(jù)共線方程式，采用光束法平差算法進(jìn)行求解，即可以獲得物方點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)（Xi,Yi,Zi）。

1.4.2 系統(tǒng)組成

工業(yè)攝影測(cè)量系統(tǒng)根據(jù)組成系統(tǒng)的相機(jī)數(shù)量不同分為單相機(jī)系統(tǒng)和多相機(jī)系統(tǒng)。單相機(jī)工業(yè)攝影測(cè)量系統(tǒng)的基本組成部分包括測(cè)量相機(jī)，基準(zhǔn)尺，測(cè)量靶標(biāo)，配套軟件；多相機(jī)攝影測(cè)量系統(tǒng)包括工業(yè)實(shí)時(shí)測(cè)量相機(jī)、控制器、定向尺、測(cè)量筆、測(cè)量標(biāo)志、聯(lián)機(jī)電纜及系統(tǒng)軟件等，設(shè)備組成如圖9。

圖9 多相機(jī)測(cè)量系統(tǒng)典型組成示意圖

1.4.3 設(shè)備技術(shù)指標(biāo)與優(yōu)缺點(diǎn)

工業(yè)攝影測(cè)量系統(tǒng)輸出的數(shù)據(jù)是單點(diǎn)坐標(biāo)信息，數(shù)據(jù)格式一般為“點(diǎn)名+（X，Y，Z”）。分別介紹單相機(jī)測(cè)量系統(tǒng)和多相機(jī)測(cè)量系統(tǒng)的主要優(yōu)缺點(diǎn)。

單相機(jī)測(cè)量系統(tǒng)主要優(yōu)點(diǎn)：

1）測(cè)量精度高，標(biāo)準(zhǔn)精度5μm+5ppm·L，4m范圍內(nèi)單點(diǎn)測(cè)量精度優(yōu)于0.025mm；2）系統(tǒng)自動(dòng)化程度高，整個(gè)測(cè)量過(guò)程可由一名測(cè)量人員完成；3）測(cè)量速度快，一次測(cè)量可獲取成千上萬(wàn)個(gè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)；4）測(cè)量適用范圍可達(dá)百米，適用于各種尺寸的產(chǎn)品測(cè)量；5）非接觸式測(cè)量，對(duì)于柔性結(jié)構(gòu)的被測(cè)工件，攝影測(cè)量具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)；6）設(shè)備便攜性好，測(cè)量系統(tǒng)可放置在一個(gè)旅行箱中，只需一名測(cè)量人員即可攜帶設(shè)備到達(dá)任何測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)；7）環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，測(cè)量系統(tǒng)可在振動(dòng)、真空、高低溫等環(huán)境下進(jìn)行測(cè)量，且可以在狹小的空間實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量。

單相機(jī)測(cè)量系統(tǒng)主要缺點(diǎn)：

1）不便于特征點(diǎn)和孔的測(cè)量，需要設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)專用輔助測(cè)量工具才能實(shí)現(xiàn)特征點(diǎn)和孔的測(cè)量；2）大尺寸測(cè)量精度受限，由于攝影測(cè)量本身不能測(cè)量長(zhǎng)度，需要輔助外部長(zhǎng)度標(biāo)準(zhǔn)尺才能實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)度賦值，對(duì)于幾十米范圍的長(zhǎng)度測(cè)量需要和跟蹤儀配合來(lái)實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量。

多相機(jī)測(cè)量系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)：

1）可對(duì)被測(cè)對(duì)象進(jìn)行三維或者六維的實(shí)時(shí)測(cè)量；2）可對(duì)動(dòng)態(tài)目標(biāo)測(cè)量，對(duì)于運(yùn)動(dòng)的物體或者工件，系統(tǒng)可以瞬間捕捉被測(cè)對(duì)象的幾何狀態(tài)，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤測(cè)量；3）可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)實(shí)時(shí)跟蹤測(cè)量，系統(tǒng)可以跟蹤多個(gè)測(cè)量點(diǎn)或測(cè)量目標(biāo)；4）環(huán)境適應(yīng)性能力強(qiáng)，與機(jī)械系統(tǒng)和自動(dòng)控制系統(tǒng)集成后可以在真空、振動(dòng)、有毒、高危、高低溫等環(huán)境下進(jìn)行測(cè)量。

多相機(jī)測(cè)量系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)：

1）單站測(cè)量范圍受限，由于相機(jī)測(cè)量視場(chǎng)限制，一般單站測(cè)量范圍不超過(guò)10m；2）對(duì)于被測(cè)對(duì)象的特征點(diǎn)/線或者結(jié)構(gòu)上的隱蔽點(diǎn)的測(cè)量需要測(cè)量筆。

在工程應(yīng)用中，單、雙相機(jī)工業(yè)攝影測(cè)量系統(tǒng)在10m范圍內(nèi)的測(cè)量精度分別約為0.07mm～0.1mm、0.1mm～0.15mm，實(shí)際使用精度比標(biāo)稱精度略低。

1.5 手持式激光掃描儀

手持激光掃描儀是近年來(lái)新興的一種點(diǎn)云掃描設(shè)備，該設(shè)備憑借其超便攜、高精度等特點(diǎn)迅速在航空產(chǎn)品制造裝配中應(yīng)用起來(lái)，主要應(yīng)用于飛機(jī)外形掃描等。目前，市場(chǎng)上的手持激光掃描儀有加拿大形創(chuàng)的HDSCAN以及國(guó)內(nèi)辰維科技的CWSCAN。

1.5.1 測(cè)量原理

手持式激光掃描儀自帶校準(zhǔn)功能，工作時(shí)將激光線照射到物體上，兩個(gè)相機(jī)來(lái)捕捉這一瞬間的三維掃描數(shù)據(jù)，由于物體表面的曲率不同，光線照射在物體上會(huì)發(fā)生反射和折射，然后這些信息會(huì)通過(guò)第三方軟件轉(zhuǎn)換為3D圖像。

圖10 手持式激光掃描儀測(cè)量原理示意圖

1.5.2 系統(tǒng)組成

激光掃描測(cè)量系統(tǒng)由便攜式手持掃描儀、聯(lián)機(jī)電纜、標(biāo)定板、計(jì)算機(jī)、測(cè)量附件、數(shù)據(jù)采集軟件、數(shù)據(jù)分析軟件和逆向建模軟件等組成。

圖11 手持式激光掃描儀系統(tǒng)組成示意圖

1.5.2 設(shè)備技術(shù)指標(biāo)

激光掃描儀輸出的是點(diǎn)云數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量一般較大，系統(tǒng)的主要優(yōu)缺點(diǎn)如下：

主要優(yōu)點(diǎn)：

1）掃描分辨率沒(méi)有限制，只需輸入分辨率值，不受掃描對(duì)象尺寸的影響，掃描前后可隨時(shí)更改分辨率；2）實(shí)時(shí)可視化，掃描物體的同時(shí)，用戶就可以查看被測(cè)對(duì)象的3D輪廓表面；3）自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)掃描結(jié)果增強(qiáng)，補(bǔ)洞、智能提取、邊界過(guò)濾器等等；4）能夠自定位，在光學(xué)反射靶上使用三角測(cè)量法，以確定其相對(duì)于被測(cè)物的位置；5)掃描結(jié)果能夠?qū)隦E/CAD軟件使用，無(wú)需補(bǔ)充數(shù)據(jù)處理，從而實(shí)現(xiàn)快速工作流整合。

主要缺點(diǎn)：

1）單站測(cè)量范圍小于0.5m，與工業(yè)攝影測(cè)量系統(tǒng)配合使用才能實(shí)現(xiàn)大尺寸工件的高精度測(cè)量；2）測(cè)量時(shí)需要在被測(cè)物上黏貼大量的靶標(biāo)點(diǎn)，測(cè)量效率低。

一般手持掃描儀標(biāo)稱測(cè)量精度基本為0.03mm；在實(shí)際工程應(yīng)用中，手持掃描儀的測(cè)量精度分別約為0.07mm～0.1mm，實(shí)際使用精度比標(biāo)稱精度低，且隨著測(cè)量范圍的增大，設(shè)備精度損失較快。

2 數(shù)字化測(cè)量設(shè)備的分類與合理選用

按照測(cè)量設(shè)備典型條件下測(cè)量范圍的大小，數(shù)字測(cè)量設(shè)備可分為小范圍測(cè)量設(shè)備、擴(kuò)展范圍測(cè)量設(shè)備和大范圍測(cè)量設(shè)備。測(cè)量范圍小于1m的設(shè)備可稱為小范圍測(cè)量設(shè)備；測(cè)量范圍大于10m的設(shè)備可稱為大范圍測(cè)量設(shè)備；測(cè)量范圍介于1m～10m之間的設(shè)備可稱為擴(kuò)展范圍測(cè)量設(shè)備。例如手持激光掃描儀測(cè)量范圍比較小，當(dāng)擴(kuò)大測(cè)量區(qū)域面積時(shí)，精度損失比較快，通常情況下只在小范圍內(nèi)使用手持激光掃描儀，因此該設(shè)備為小范圍測(cè)量設(shè)備。激光跟蹤儀、激光雷達(dá)和iGPS可以測(cè)10m以上的物體，屬于大范圍測(cè)量設(shè)備。雖然攝影測(cè)量?jī)x也可以測(cè)量10m以上的物體，但是其典型測(cè)量范圍一般在0.5m～10m之內(nèi)，因此將其歸為擴(kuò)展范圍測(cè)量設(shè)備。

按照測(cè)量設(shè)備測(cè)量過(guò)程中是否需要接觸被測(cè)物體，數(shù)字測(cè)量設(shè)備可分為接觸式測(cè)量設(shè)備、半接觸式測(cè)量設(shè)備和非接觸式測(cè)量設(shè)備。例如激光跟蹤儀測(cè)量過(guò)程中需要通過(guò)靶球反射激光信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的測(cè)量，因此激光跟蹤儀為接觸式測(cè)量設(shè)備。iGPS在測(cè)量過(guò)程中需要將測(cè)針接觸到被測(cè)物體上，因此iGPS也為接觸式測(cè)量設(shè)備。手持激光掃描儀和數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)雖然在測(cè)量過(guò)程中不需要直接接觸被測(cè)物體，但是在測(cè)量前需要在被測(cè)物體上粘貼靶標(biāo)，因此可歸集為半接觸式測(cè)量設(shè)備。激光雷達(dá)在測(cè)量過(guò)程中直接將激光投射到被測(cè)物體表面進(jìn)行測(cè)量，無(wú)需合作目標(biāo)，因此為非接觸式測(cè)量設(shè)備。

此外，還可以按照測(cè)量過(guò)程中被測(cè)對(duì)象是否可移動(dòng)或者變形，可將數(shù)字化測(cè)量設(shè)備分為靜態(tài)測(cè)量設(shè)備和動(dòng)態(tài)測(cè)量設(shè)備等。

3 數(shù)字化測(cè)量技術(shù)在航空制造中的應(yīng)用現(xiàn)狀

國(guó)外將測(cè)量技術(shù)單獨(dú)應(yīng)用完成產(chǎn)品的質(zhì)量檢測(cè)或集成應(yīng)用搭建閉環(huán)裝配系統(tǒng)，都在提高飛機(jī)產(chǎn)品質(zhì)量控制、縮短生產(chǎn)周期方面取得了良好的效果，這對(duì)我國(guó)飛機(jī)裝配技術(shù)的發(fā)展提供了一定的借鑒與指引。

例如沈飛國(guó)際公司在承擔(dān)的龐巴迪機(jī)身轉(zhuǎn)包生產(chǎn)任務(wù)中，為了提高機(jī)身壁板件、機(jī)身分段的裝配質(zhì)量與效率，將數(shù)字化測(cè)量技術(shù)引入機(jī)身壁板件、機(jī)身分段的裝配過(guò)程，構(gòu)建了裝配-測(cè)量體系。在機(jī)身壁板裝配中開(kāi)發(fā)出新的裝配測(cè)量方法，該方法集數(shù)字化測(cè)量技術(shù)、柔性工裝技術(shù)與工業(yè)機(jī)器人技術(shù)于一體，搭建起具有自動(dòng)化、柔性化的機(jī)身壁板裝配測(cè)量系統(tǒng)。在中機(jī)身裝配中采用數(shù)字化測(cè)量設(shè)備驅(qū)動(dòng)的精細(xì)對(duì)接系統(tǒng)，在機(jī)身分段對(duì)接中提出機(jī)身分段測(cè)量數(shù)據(jù)虛擬對(duì)接方法，在機(jī)身分段交付發(fā)運(yùn)前對(duì)其關(guān)鍵特性進(jìn)行數(shù)字化測(cè)量并完成虛擬對(duì)接，確保分段發(fā)運(yùn)后能夠滿足對(duì)接技術(shù)要求。通過(guò)將數(shù)字化測(cè)量技術(shù)應(yīng)用到某型飛機(jī)的機(jī)身裝配過(guò)程，提高了機(jī)身部件的裝配效率、裝配質(zhì)量與綜合效益，提高了沈飛國(guó)際公司在機(jī)身部件制造方面的技術(shù)實(shí)力與產(chǎn)品交付能力，得到了良好的工程應(yīng)用效果[4]。

又例如，美國(guó)波音777飛機(jī)得益于良好的數(shù)字化測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用，使其成為世界上第一架完全意義上采用數(shù)字量傳遞進(jìn)行設(shè)計(jì)、制造和驗(yàn)證的飛機(jī)[5]。

此外，數(shù)字化測(cè)量技術(shù)在逆向工程、工裝/機(jī)床安裝、虛擬仿真技術(shù)、自動(dòng)鉆鉚及零部件應(yīng)力試驗(yàn)形變動(dòng)態(tài)測(cè)量等領(lǐng)域都發(fā)揮著不可替代的作用。

圖12 數(shù)字化測(cè)量典型應(yīng)用場(chǎng)景

4 結(jié)論

數(shù)字化測(cè)量在航空設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域正在逐步改變傳統(tǒng)的模擬量傳遞模式，數(shù)字化測(cè)量技術(shù)的廣泛應(yīng)用不僅是制造工藝本身和制造質(zhì)量檢驗(yàn)的要求，更是承接適應(yīng)上層航空數(shù)字化設(shè)計(jì)發(fā)展趨勢(shì)的要求[6]。

本文通過(guò)對(duì)主流數(shù)字化測(cè)量設(shè)備的測(cè)量原理、測(cè)量特點(diǎn)、測(cè)量精度指標(biāo)及其數(shù)據(jù)類型的歸納總結(jié)，將數(shù)字化測(cè)量設(shè)備按照不同的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類，對(duì)于航空制造過(guò)程中合理地選用數(shù)字化測(cè)量技術(shù)手段具有一定的借鑒意義。