飞机部件外形数字化测量技术研究

牛润军

(中航飞机股份有限公司 汉中飞机分公司，陕西 汉中 723213)

飞机部件外形数字化测量技术研究

牛润军

(中航飞机股份有限公司 汉中飞机分公司，陕西 汉中 723213)

摘要：针对传统飞机部件外形测量存在的问题，在分析当前数字化测量设备特点的基础上，以数字摄影测量设备为主、以激光跟踪仪为辅，提出了一种基于空间定位的飞机部件外形测量的新方法，研究了其详细技术方案和测量流程，建立了测量坐标系转换模型。通过分析误差产生的原因，找到了飞机制造过程中待改进的环节。

关键词：飞机；部件外形；数字化测量

传统飞机部件外形测量主要采用装配检验夹具或检验样板[1]，检查其型面吻合性，即部件外形上某点实际相对理论的间隙值。该方法存在如下几方面问题：1)检测结果为间接值，不能直接反映型面偏差状态；2)检测结果受检测装备和人为因素影响大，检测准确度不高；3)检测手段专用单一，无法满足不同飞机不同部件检测需要；4)检测方法复杂，尤其是大中型飞机需多人配合才能满足，检测效率低下。采用数字化测量技术，能够快速而准确地实现飞机部件外形评价，对有效提升机身飞机制造质量具有重要意义。

1测量设备选择

目前，大尺寸空间数字化测量设备主要包括激光跟踪仪、iGPS测量系统、激光雷达和数字摄影测量设备[2]。

激光跟踪仪是一台以激光为测距手段并配以反射标靶的仪器，它同时配有绕2个轴转动的测角机构，形成一个完整球坐标测量系统。其可以用来测量静止目标，跟踪和测量移动目标或它们的组合。其原理是利用激光来跟踪目标反射器，通过自身的测角系统和激光绝对测距系统来确定空间点的坐标。

根据GPS的测量原理，人们提出了基于区域GPS技术的三维测量理念，进而开发出了一种具有高精度、高可靠性和高效率的iGPS系统。其原理是通过激光发射器发射激光产生2个激光平面，在工作区域旋转，对水平角及垂直角进行测量。通过几个不同发射器的组合，可以计算测量点的三维坐标[3]。

激光雷达是一种球坐标系的光学测量设备，可以进行全自动化的高精度、非接触式测量。其测量原理是使雷达的工作波段扩展到光波波段，以激光束代替微波，投向被测目标，依据目标上大量的反射光线获得被测目标的空间坐标及位置。

数字摄影测量系统是建立在摄影测量数字成像图像处理和精密测量原理基础上的新型精密测量技术，其采用类似于经纬仪系统的空间交汇三角测量模型，基于高性能数字成像器件作为传感元件，在不同空间位置对被测物体拍摄2张以上的照片，结合图像处理及模式识别技术实现对目标物体被测点的自动识别瞄准和角度测量，计算出被测物体测量点的三维空间坐标，获得被测物的曲面结构、外形尺寸和相对位置等信息。

为全面评价常用数字化测量设备的特点，本文从测量精度、测量范围、应用范围、操作性、设备成熟度、价格和行业普及度等7个方面进行分析，其结果见表1。

表1　常用数字化设备对比分析表

根据表1可知，激光跟踪仪、激光雷达和数字摄影测量系统均能满足机身部件对接面外形测量要求，但综合考虑设备操作性、价格及行业普及度，本文选定数字摄影测量系统作为研究的主要设备。

2测量方案设计

本文选定的飞机部件外形测量工序为飞机部件总装工序完成后，但在下架前，其方案可以定义为基于空间定位的飞机部件外形数字化测量方法(见图1)，具体包含如下5个方面。

1)在被测飞机部件装配夹具上设置坐标系基准点，包括TB点(工装地标点)和ERS点(增强坐标系统点)，坐标系基准点能够包容被测飞机部件最大外形。

2)在被测飞机部件对接面外形上，使用数字摄影测量系统反光标记点，设置数据采集点。

3)选取其中4个数据采集点作为公共测量点，要求4个公共测量点形成2条基准测量尺，基准测量尺长度应尽量接近被测飞机机身的最大直径。

4)通过激光跟踪仪采集坐标系基准点数据，建立与飞机设计坐标系统的工作坐标系。在工作坐标系下，通过激光跟踪仪采集已选定的公共测量点数据，实现坐标转换。

5)采用三维数字摄影测量系统对被测飞机外形上的数据采集点进行环绕拍摄。通过虚拟基准测量尺，还原并定位由三维数字摄影测量系统采集的被测飞机部件对接面外形测量点数据。在专业图像处理软件中与飞机设计三维模型进行比较，形成飞机部件对接面外形测量结果。

图1　测量方案示意图

3测量流程设计

采用基于空间定位的飞机部件外形数字化测量方法，可以方便地获取飞机表面三维数据，其基本测量流程如图2所示。

图2　测量流程图

其关键是根据所需测量的部件特点，预先制定出测量计划，测量计划中一般包括如下内容。

1)可测性分析。应尽量选取可表征机体特征，又目视可测的特征点作为测量点，如特征点非常重要，而又不能目视可测，则需要根据特征点的位置特征将其设计为转站可测点或关节臂配合可测点。

2)测量设备的放置方式和高度。应使所确定的被测特征点尽可能都成为单一位置目视可测点和转站可测点，以尽量减少测量过程中的设备移动；另外，还应考虑测量设备与被测物的距离，尽量减小测量误差。

4测量坐标系转换模型建立

基于空间定位的飞机部件外形数字化测量方法，关键点在于实现测量坐标系(数字化摄像系统建立的1#坐标系)转换至飞机坐标系(激光跟踪仪建立的0#坐标系)；因此，首先应解决的是求出2个坐标系之间的转换关系，即应求出Δx0、Δy0、Δz0和A。解决这个问题的办法就是借助公共测量点。下述分析借助3个公共测量点在n个坐标系下的坐标值进行转站测量的方法。

图3　公共测量点坐标变换示意图

公共测量点的坐标变换原理如图3所示，在图3中，0#原坐标系为飞机坐标系，1#新坐标系为测量坐标系，B、C、D为3个公共测量点，在2个坐标系下分别测量其空间三维坐标。

(1)

转换矩阵A中的元素aij是2个坐标系中坐标轴单位矢量之间的关系的待定参量，A为：

(2)

设公共测量点B在0#坐标系下的坐标为B0(xb0，yb0，zb0)，在1#坐标系下的坐标为B1(xb1，yb1，zb1)，坐标变换公式为：

(3)

将式1代入式3，整理得：

(4)

即：

(5)

设其他2个公共测量点C和D在0#坐标系下的坐标为C0(xc0，yc0，zc0)和D0(xd0，yd0，zd0)，在1#坐标系下的坐标为C1(xc1，yc1，zc1)和D1(xd1，yd1，zd1)，将它们带入式5中可得：

(6)

将式5和式6联立，可求得A矩阵中的9个参数。由此可知，空间中任意一点从0#坐标系转换到1#坐标系下的公式为：

(7)

5工程验证

针对某型机机身外形测量，采用基于空间的定位的飞机部件外形测量方法，共采集了外形测量点3 370个，其检测结果通过专业软件处理，并对比技术标准，得到了误差分析图(见图4)。通过分析误差产生的原因，工程技术人员找到了飞机制造过程中待改进的环节，从而在后续提升了飞机的制造质量。

图4　误差分析图

6结语

近年来，国内在飞机数字化测量技术上的研究处于快速发展阶段，并形成了一些典型应用案例。在此基础上，建议国内各航空制造企业借力当前各型飞机快速研制，通过与国内大学院校和科研院所合作，突破关键核心技术，以缩小与国际先进水平的差距，从而推动我国航空制造业技术水平的不断发展。

参考文献

[1] 胡愈刚，孙安全，王晓平，等.飞机蒙皮数字化制造技术应用研究[J].新技术新工艺，2014(10):19-22.

[2] 黄桂平,钦桂勤.大尺寸三坐标测量方法与系统[J]. 宇航计测技术，2007(4):15-19.

[3] 吴晓峰,张国雄.室内GPS测量系统及其在飞机装配中的应用[J].航空精密制造技术，2006(5):33-36.

责任编辑郑练

The Research on Digital Measuring of Aircraft Components Shape

NIU Runjun

(AVIC Aircraft Co., Ltd., Hanzhong 723213, China)

Abstract：Aiming at the problems of traditional aircraft components shape measurement, analyze the characteristics of the current digital measuring equipment, and choice the measurement equipment to digital photogrammetry equipment while supplemented by laser tracker. Then propose a new method for measuring of aircraft components shape, and introduce the detailed technical scheme and measurement process. Engineering technicians have improved the level of the link of aircraft manufacturing.

Key words:aircraft, components shape, digital measuring

收稿日期：2015-05-18

作者简介：牛润军(1980-)，男，高级工程师，主要从事飞机装配技术、制造过程信息化管理等方面的研究。

中图分类号：V 262.4+4

文献标志码:A