當前航空制造業朝著高精度、低成本、柔性化、數字化的方向快速發展，飛機零部件的加工和裝配越來越依賴于大尺寸測量技術和系統提供的技術保證。因為一方面，飛機產品零部件尺寸越來越大、整體結構越來越多而精度要求越來越高，尤其是其中的關鍵特性[1]。另一方面，在航空產品制造的全球協作精益化生產要求的背景下，要求大型復雜零部件能在全世界各地生產并能夠無縫集成、統一裝配，做到“統一協調、提前預見問題、少無返工”[2]。同時，隨著航空企業生產數字化程度的提高，要求形成產品設計、工藝規劃、制造、檢驗等環節集成于一體的產品閉環制造數字鏈，對生產的各環節進行有效的溝通和反饋，保證產品的制造裝配質量和產品制造周期中信息的統一性和交互性[3]。
大尺寸測量技術在航空制造業的應用
航空制造工程中應用的大尺寸測量系統經歷了從簡單的望遠鏡和經緯儀到較現代的激光跟蹤儀、激光雷達及攝影測量。20世紀90年代隨著產品直接測量的逐漸滲入，產品的質量已不完全依賴“硬”工具和夾具保證。最近幾年又出現了自動化程度較高的非接觸、六自由度測量系統。目前，大尺寸測量系統及技術在國內外航空制造行業得到了廣泛的應用。如圖1所示，利用數字化的測量設備及技術，結合先進的工藝裝備技術、計算機技術、傳感器技術、機器人技術等，通過使用統一的測量數據集，對飛機的零件加工、工裝制造、部件裝配和總裝對接等各個階段進行準確操作和嚴格檢測，不僅可以提高檢測效率和精度，節省大量成本和時間，而且可以保證生產過程的各階段信息的互操作性和集成性，將檢測信息反饋給上游的工程設計階段，對產品及工藝、工裝等設計進行修改、優化。概括起來，在航空制造中，大尺寸測量系統及技術主要有以下幾個方面的應用。
產品/工裝的幾何尺寸和形位誤差的檢測是保證整套機械產品質量的關鍵。相對于傳統的檢測工具，大尺寸測量系統具有量程大、精度高、機動靈活等優點，可以對零部件的精度特別是關鍵特性進行快速驗證。基于新一代產品幾何量技術規范（GPS）理論，把檢驗認證階段的測量值與設計的規范值作比較，以確定實際產品/工裝是否達到規范要求，并通過不確定度將規范和認證集成，保證設計功能的實現和認證結果的可溯源性，實現產品和工裝的快速驗證。
2 大型機床的空間誤差檢定及補償
飛機壁板、梁框等大型構件的加工需要使用大型多軸數控機床。由于滾珠絲杠及齒輪的磨損、金屬疲勞等因素會使機床工作時產生誤差，大型機床需進行定期調校。傳統的21項誤差補償法方法耗時，效率不高。隨著大尺寸測量系統的進一步發展，美國國家制造科學中心研究開發了空間誤差補償技術（VEC）（圖2），其測量方法簡單，測量儀器安裝簡便，只需對T3激光跟蹤儀以及活動靶標進行簡單的安裝就可解決大型5軸、6軸機床的調校工作，可大幅減小因儀器安裝等因素造成的額外誤差，提升效率的同時降低熱漂移帶來的影響[4]。
在機檢測技術指測量儀器進入生產現場、融入生產線、監控生產過程，在機床上進行測量，可以方便工件的安裝調整，減少搬運裝卸次數，提高生產效率。同時，在機測量可以及時發現制造過程中的問題，通過調整加工工藝參數和引入誤差補償等措施及時修正問題，并將信息反饋到上游設計階段。大尺寸在機檢測技術可以應用于數控切削、水切割、成形等工藝中。例如，三菱重工承擔的波音787機翼蒙皮生產系統中，將兩臺激光雷達放在水切割龍門架上，邊切割邊測量，形成自動化的閉環制造系統，大大提高了生產效率和精度（圖3）。
測量輔助裝配技術是先進數字化測量系統在產品數字化裝配中的重要應用，它綜合應用產品數字化定義、數字化模擬仿真、自動跟蹤測量、自動控制和機械隨動定位等先進技術，利用大尺寸測量儀器對裝配體各部件位姿參考點（基準點）跟蹤測量，驗證部件間相對位姿是否符合技術要求，并指導調整各部件的位姿，完成裝配[5]。在部段對接裝配時，首先在對接部件上設置一些關鍵特性點，然后通過數字化測量設備測定這些關鍵點的坐標值，并通過機械裝置、控制系統等進行調整，使關鍵點的實際坐標值接近理論坐標值，來確保裝配關系。
5 零部件及工裝的逆向工程
逆向工程可擴大數字技術在備件制造、計算流體動力學模型精度驗證以及產品質量保證等領域內的應用。通過大尺寸測量設備及軟件將飛機零部件及工裝（如模具、樣板等）的實物產品轉化變成精確的數字模型，可以縮短產品的設計、開發周期，加快產品的更新換代速度，降低開發新產品的成本與風險，加快產品的造型和系列化設計。
6 機器人位姿標定與測量
機器人技術已在飛機大型零部件的自動鉆鉚、激光焊接、表面材料涂覆、復合材料加工、自動化裝配中得到較廣泛的應用。在這些應用中，為提高機器人操作臂的絕對定位精度，標定是必需的步驟。機器人標定是指利用先進的測量手段和基于模型的參數識別方法辨識出機器人模型的準確參數，從而提高機器人絕對精度。標定過程中，測量手段是一個極其重要的因素，大尺寸測量系統，如CCD照相測量系統，激光跟蹤測量系統等，都廣泛地應用于工業機器人的標定。
大尺寸測量關鍵技術
1 大尺寸測量系統的快速現場校準與性能驗證技術
工廠的現場溫度、濕度等環境因素與在實驗室校準時有較大差異，現場校準能更準確地反映測量設備的指標參數和工作狀態是否滿足工程需要。美國ASME制定了激光跟蹤儀性能評定方法和評定流程的標準ASME B89.4.19[6]。英國國家物理實驗室開展了iGPS的現場性能驗證和不確定度分析[7]。國內北京長城計量測試技術研究所研制了一種用于激光跟蹤儀現場快速評定裝置，能夠實現激光跟蹤儀在工業現場的快速評定[8]。這些成果為大尺寸測量儀器的現場性能評定提供了重要依據或參考。
2 測量場建模及仿真技術
在復雜航空制造現場環境下，建立合理的測量場模型是大尺寸測量規劃與系統優化配置的基礎和關鍵。總體上，測量場模型要根據測量任務的要求及現場環境知識而建立，其中應包括工作空間、零部件、工裝、障礙物、測量目標、測量儀器、測量空間內的環境因素等信息。對測量系統按照不同布局或配置方案組合，通過仿真將形成不同的測量場結果，由此可以在現場實際測量實施之前評價測量系統的性能參數并得到優化的結構參數。同時，通過測量場模型和上游的產品及工藝設計與現場的測量驗證之間的數字鏈集成起來，并協調關鍵特性。
3 測量系統優化配置技術
由于零部件的尺寸、現場條件以及測量系統的可視性等約束，采用單臺/種儀器測量在實踐中往往不可行。綜合采用多臺相同或不同的測量系統能夠著重關注具體的特征或區域，在一次安裝中獲得感興趣的更多詳細信息，加快測量速度并提高測量精度和可靠性[10]。這種為完成特定測量任務對多臺相同或不同測量儀器進行組合的技術，稱為測量系統配置，是大尺寸測量中的關鍵問題。由于使用多臺/種儀器測量，首先需將多傳感器獲取的數據進行融合，然后以某項指標優化求解測量儀器的位置。精確、快速的測量系統配置方法將是大尺寸測量中的研究重點之一。
4 測量過程自動化技術
測量是一個耗時間又不會給產品增加直接價值的過程。為了保證產品質量，制造成本隨著測量的增多而明顯提高。對于應用廣泛的激光跟蹤儀而言，傳統的手動目標測量，通過人工手持將靶球放到測量點上進行測量，每測量一個點就需手動引光一次，使激光跟蹤儀鎖定靶球球心。這種方式自動化程度低，而且耗時耗力。自動目標測量采用“坐標值轉換—跟蹤儀轉動—自動尋靶—數據采集”的方式進行（圖4）。首先基于零部件三維數模獲取各測量點在設計坐標系下的理論位置，然后根據設計坐標系與測量坐標系的轉換關系，獲得當前實際狀態下各個測點在測量坐標系下的理論坐標值，通過程序控制激光跟蹤儀自動定位到要采集的測量點附近，使用跟蹤儀的自動尋靶功能進行螺旋搜索，一旦激光點落入靶球范圍，激光跟蹤儀會自動精確搜尋到靶球靶心，完成測量。
5 測量數據接口標準化與互操作技術
各種不同儀器測量過程中往往采用不同的通信接口標準，造成數據通信與集成的困難。現今主流接口有DMIS，ISO/STEP，DML，I++DME等。規范化測量數據接口標準取決于生產實踐及技術發展對于各種接口標準的取舍。波音公司開發的測量軟件解決方案—AIMS (Advanced Integrated Mathematical System)（圖5）為解決此問題提供了一種有效解決方案。它通過對三維CAD軟件（如CATIA和UG）二次開發，基于統一的測量內核保證了幾何信息、尺寸公差、檢測計劃和測量結果等信息在相同或不同的硬/軟件平臺間無縫共享。同時它提供了基于WEB軟件系統進行測量結果分析和統計報告輸出，從而管理世界范圍內的供應商測量數據，實現跨企業的信息集成和閉環反饋。
新一代GPS理論和規范要求在設計階段就制定產品的測量方案和計劃，因此如何在產品設計同時規劃產品的測量方案，實現三維環境下的測量工藝規劃和設計制造信息的交互，改善產品的制造信息流，是數字化航空制造的關鍵技術之一。集成大尺寸測量系統(Integrated Large Volume Measurement System, ILVMS)[9]，直接利用產品或工裝的三維數模，通過統一的測量數據集實現大尺寸測量規劃、執行、結果分析并與CATIA完全融為一體的集成化測量軟件（圖6）。它將全部測量信息(含測量目標、測量儀器、站位、測量操作及測量結果等)表示為測量數據集的形式，基于MBD技術，將整個測量數據集集成在CATIA平臺下，并存儲到CATIA三維模型文件中。采用規范樹的方法對測量信息分類組織，實現了測量信息的集成管理，并通過測量儀器通信協議實現CATIA系統與測量儀器的連接，能夠將儀器采集的測量數據集成到軟件系統中。
大尺寸測量系統已經逐漸應用到飛機制造的各個環節當中。采用先進的數字化測量設備，基于三維數模，通過計算機、傳感器、數字控制等技術，可以完成對零部件的精確檢測，對零部件/工裝安裝位姿的監控與調整，并且可通過離線編程實現測量過程的自動控制，提高航空制造的生產能力及自動化水平。在復雜的航空制造現場環境下，目前大尺寸測量應用中的關鍵技術還未完全解決或不夠成熟，包括現場校準與性能驗證、測量場建模與仿真、測量系統優化布局、測量數據融合與互操作、基于MBD集成測量、測量過程自動化等，還有待進一步的深入研究與應用。
大尺寸測量技術在航空制造業的應用
航空制造工程中應用的大尺寸測量系統經歷了從簡單的望遠鏡和經緯儀到較現代的激光跟蹤儀、激光雷達及攝影測量。20世紀90年代隨著產品直接測量的逐漸滲入，產品的質量已不完全依賴“硬”工具和夾具保證。最近幾年又出現了自動化程度較高的非接觸、六自由度測量系統。目前，大尺寸測量系統及技術在國內外航空制造行業得到了廣泛的應用。如圖1所示，利用數字化的測量設備及技術，結合先進的工藝裝備技術、計算機技術、傳感器技術、機器人技術等，通過使用統一的測量數據集，對飛機的零件加工、工裝制造、部件裝配和總裝對接等各個階段進行準確操作和嚴格檢測，不僅可以提高檢測效率和精度，節省大量成本和時間，而且可以保證生產過程的各階段信息的互操作性和集成性，將檢測信息反饋給上游的工程設計階段，對產品及工藝、工裝等設計進行修改、優化。概括起來，在航空制造中，大尺寸測量系統及技術主要有以下幾個方面的應用。
產品/工裝的幾何尺寸和形位誤差的檢測是保證整套機械產品質量的關鍵。相對于傳統的檢測工具，大尺寸測量系統具有量程大、精度高、機動靈活等優點，可以對零部件的精度特別是關鍵特性進行快速驗證。基于新一代產品幾何量技術規范（GPS）理論，把檢驗認證階段的測量值與設計的規范值作比較，以確定實際產品/工裝是否達到規范要求，并通過不確定度將規范和認證集成，保證設計功能的實現和認證結果的可溯源性，實現產品和工裝的快速驗證。
2 大型機床的空間誤差檢定及補償
飛機壁板、梁框等大型構件的加工需要使用大型多軸數控機床。由于滾珠絲杠及齒輪的磨損、金屬疲勞等因素會使機床工作時產生誤差，大型機床需進行定期調校。傳統的21項誤差補償法方法耗時，效率不高。隨著大尺寸測量系統的進一步發展，美國國家制造科學中心研究開發了空間誤差補償技術（VEC）（圖2），其測量方法簡單，測量儀器安裝簡便，只需對T3激光跟蹤儀以及活動靶標進行簡單的安裝就可解決大型5軸、6軸機床的調校工作，可大幅減小因儀器安裝等因素造成的額外誤差，提升效率的同時降低熱漂移帶來的影響[4]。
在機檢測技術指測量儀器進入生產現場、融入生產線、監控生產過程，在機床上進行測量，可以方便工件的安裝調整，減少搬運裝卸次數，提高生產效率。同時，在機測量可以及時發現制造過程中的問題，通過調整加工工藝參數和引入誤差補償等措施及時修正問題，并將信息反饋到上游設計階段。大尺寸在機檢測技術可以應用于數控切削、水切割、成形等工藝中。例如，三菱重工承擔的波音787機翼蒙皮生產系統中，將兩臺激光雷達放在水切割龍門架上，邊切割邊測量，形成自動化的閉環制造系統，大大提高了生產效率和精度（圖3）。
測量輔助裝配技術是先進數字化測量系統在產品數字化裝配中的重要應用，它綜合應用產品數字化定義、數字化模擬仿真、自動跟蹤測量、自動控制和機械隨動定位等先進技術，利用大尺寸測量儀器對裝配體各部件位姿參考點（基準點）跟蹤測量，驗證部件間相對位姿是否符合技術要求，并指導調整各部件的位姿，完成裝配[5]。在部段對接裝配時，首先在對接部件上設置一些關鍵特性點，然后通過數字化測量設備測定這些關鍵點的坐標值，并通過機械裝置、控制系統等進行調整，使關鍵點的實際坐標值接近理論坐標值，來確保裝配關系。
5 零部件及工裝的逆向工程
逆向工程可擴大數字技術在備件制造、計算流體動力學模型精度驗證以及產品質量保證等領域內的應用。通過大尺寸測量設備及軟件將飛機零部件及工裝（如模具、樣板等）的實物產品轉化變成精確的數字模型，可以縮短產品的設計、開發周期，加快產品的更新換代速度，降低開發新產品的成本與風險，加快產品的造型和系列化設計。
6 機器人位姿標定與測量
機器人技術已在飛機大型零部件的自動鉆鉚、激光焊接、表面材料涂覆、復合材料加工、自動化裝配中得到較廣泛的應用。在這些應用中，為提高機器人操作臂的絕對定位精度，標定是必需的步驟。機器人標定是指利用先進的測量手段和基于模型的參數識別方法辨識出機器人模型的準確參數，從而提高機器人絕對精度。標定過程中，測量手段是一個極其重要的因素，大尺寸測量系統，如CCD照相測量系統，激光跟蹤測量系統等，都廣泛地應用于工業機器人的標定。
大尺寸測量關鍵技術
1 大尺寸測量系統的快速現場校準與性能驗證技術
工廠的現場溫度、濕度等環境因素與在實驗室校準時有較大差異，現場校準能更準確地反映測量設備的指標參數和工作狀態是否滿足工程需要。美國ASME制定了激光跟蹤儀性能評定方法和評定流程的標準ASME B89.4.19[6]。英國國家物理實驗室開展了iGPS的現場性能驗證和不確定度分析[7]。國內北京長城計量測試技術研究所研制了一種用于激光跟蹤儀現場快速評定裝置，能夠實現激光跟蹤儀在工業現場的快速評定[8]。這些成果為大尺寸測量儀器的現場性能評定提供了重要依據或參考。
2 測量場建模及仿真技術
在復雜航空制造現場環境下，建立合理的測量場模型是大尺寸測量規劃與系統優化配置的基礎和關鍵。總體上，測量場模型要根據測量任務的要求及現場環境知識而建立，其中應包括工作空間、零部件、工裝、障礙物、測量目標、測量儀器、測量空間內的環境因素等信息。對測量系統按照不同布局或配置方案組合，通過仿真將形成不同的測量場結果，由此可以在現場實際測量實施之前評價測量系統的性能參數并得到優化的結構參數。同時，通過測量場模型和上游的產品及工藝設計與現場的測量驗證之間的數字鏈集成起來，并協調關鍵特性。
3 測量系統優化配置技術
由于零部件的尺寸、現場條件以及測量系統的可視性等約束，采用單臺/種儀器測量在實踐中往往不可行。綜合采用多臺相同或不同的測量系統能夠著重關注具體的特征或區域，在一次安裝中獲得感興趣的更多詳細信息，加快測量速度并提高測量精度和可靠性[10]。這種為完成特定測量任務對多臺相同或不同測量儀器進行組合的技術，稱為測量系統配置，是大尺寸測量中的關鍵問題。由于使用多臺/種儀器測量，首先需將多傳感器獲取的數據進行融合，然后以某項指標優化求解測量儀器的位置。精確、快速的測量系統配置方法將是大尺寸測量中的研究重點之一。
4 測量過程自動化技術
測量是一個耗時間又不會給產品增加直接價值的過程。為了保證產品質量，制造成本隨著測量的增多而明顯提高。對于應用廣泛的激光跟蹤儀而言，傳統的手動目標測量，通過人工手持將靶球放到測量點上進行測量，每測量一個點就需手動引光一次，使激光跟蹤儀鎖定靶球球心。這種方式自動化程度低，而且耗時耗力。自動目標測量采用“坐標值轉換—跟蹤儀轉動—自動尋靶—數據采集”的方式進行（圖4）。首先基于零部件三維數模獲取各測量點在設計坐標系下的理論位置，然后根據設計坐標系與測量坐標系的轉換關系，獲得當前實際狀態下各個測點在測量坐標系下的理論坐標值，通過程序控制激光跟蹤儀自動定位到要采集的測量點附近，使用跟蹤儀的自動尋靶功能進行螺旋搜索，一旦激光點落入靶球范圍，激光跟蹤儀會自動精確搜尋到靶球靶心，完成測量。
5 測量數據接口標準化與互操作技術
各種不同儀器測量過程中往往采用不同的通信接口標準，造成數據通信與集成的困難。現今主流接口有DMIS，ISO/STEP，DML，I++DME等。規范化測量數據接口標準取決于生產實踐及技術發展對于各種接口標準的取舍。波音公司開發的測量軟件解決方案—AIMS (Advanced Integrated Mathematical System)（圖5）為解決此問題提供了一種有效解決方案。它通過對三維CAD軟件（如CATIA和UG）二次開發，基于統一的測量內核保證了幾何信息、尺寸公差、檢測計劃和測量結果等信息在相同或不同的硬/軟件平臺間無縫共享。同時它提供了基于WEB軟件系統進行測量結果分析和統計報告輸出，從而管理世界范圍內的供應商測量數據，實現跨企業的信息集成和閉環反饋。
新一代GPS理論和規范要求在設計階段就制定產品的測量方案和計劃，因此如何在產品設計同時規劃產品的測量方案，實現三維環境下的測量工藝規劃和設計制造信息的交互，改善產品的制造信息流，是數字化航空制造的關鍵技術之一。集成大尺寸測量系統(Integrated Large Volume Measurement System, ILVMS)[9]，直接利用產品或工裝的三維數模，通過統一的測量數據集實現大尺寸測量規劃、執行、結果分析并與CATIA完全融為一體的集成化測量軟件（圖6）。它將全部測量信息(含測量目標、測量儀器、站位、測量操作及測量結果等)表示為測量數據集的形式，基于MBD技術，將整個測量數據集集成在CATIA平臺下，并存儲到CATIA三維模型文件中。采用規范樹的方法對測量信息分類組織，實現了測量信息的集成管理，并通過測量儀器通信協議實現CATIA系統與測量儀器的連接，能夠將儀器采集的測量數據集成到軟件系統中。
大尺寸測量系統已經逐漸應用到飛機制造的各個環節當中。采用先進的數字化測量設備，基于三維數模，通過計算機、傳感器、數字控制等技術，可以完成對零部件的精確檢測，對零部件/工裝安裝位姿的監控與調整，并且可通過離線編程實現測量過程的自動控制，提高航空制造的生產能力及自動化水平。在復雜的航空制造現場環境下，目前大尺寸測量應用中的關鍵技術還未完全解決或不夠成熟，包括現場校準與性能驗證、測量場建模與仿真、測量系統優化布局、測量數據融合與互操作、基于MBD集成測量、測量過程自動化等，還有待進一步的深入研究與應用。
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