現代大飛機數字化測量技術

興起于20世紀80年代的飛機數字化制造技術發展到今天已經歷經30余年，其中，數字化測量技術在飛機的數字化制造過程中扮演著非常重要的角色，大大提升了飛機的制造效率和質量。從零部件的加工到飛機的裝配，現代化的測量技術遍及飛機制造的每一個環節，為飛機高質量高效率生產制造保駕護航。本文對當前航空航天行業所有的精密測量技術及其應用進行了綜合闡述。

嵌入加工工序的在機測量技術

在機測量技術指的是將機床測頭安裝于機床主軸上，在工件的加工工序中插入自動化精密找正、自動化檢測的環節，實時提供加工結果。自動化精密找正解放了加工人員依賴手工找正的技能，同時提高了加工的定位精度；工件的自動化檢測則為及時修正不良加工趨勢提供可視化的數據支持，在提升加工質量的同時節省了修正時間和因不合格帶來的成本損失。在飛機零部件的加工過程中，復雜易變形的葉片葉輪類零部件是最為典型的例子，在葉片加工中，通過在機測量系統的自動找正功能，克服了以往依賴工裝定位而工裝本身穩定性不高的難題；而整體葉輪的機加工難度要遠遠大于單葉片的加工。以往，葉輪從機床上拆下后，如果出現局部超差情況，對其二次定位進行再修復的報廢率很高。同時，在沒有過程檢測數據之前，葉輪加工參數的調整很難找到合適的參考。在葉輪加工中插入在機測量之后，通過在機測量確認葉輪精加工余量并及時調整加工參數，大大提升了葉輪的加工質量，同時保證葉輪從機床上下來就是合格產品。

圖1所示為葉輪與機匣的在機檢測，顯著提升加工質量。

高精密測量技術是航空航天行業零部件質量的保障

固定式三坐標測量機是傳統意義上的精密測量技術，從20世紀60年代開始至今發展了近50年，中國航空航天業是中國工業行業中第一個引進三坐標測量機的行業，可見固定式三坐標測量機在中國航空航天業的地位。飛機上所有的零部件在出廠前必須通過固定式三坐標測量機或者便攜式測量系統的質量驗證。圖2所示為通常用于飛機發動機零部件檢測的典型固定式三坐標測量機。

今天，大飛機制造過程中應用的固定式三坐標測量機主要有橋式測量機和龍門式三坐標測量機，兩者的區別在于，橋式機測量行程小，主要用于中小型零部件測量；龍門機測量行程大，主要用于大型零部件的檢測，圖3所示為龍門式三坐標測量機用于西飛大型零部件質量驗證。目前全球最大的龍門式測量機Y向行程40m，這臺測量機就出自海克斯康計量集團。

隨著制造技術的發展，測量技術的需求趨向于車間現場化和便攜化應用，因此，在應用現場可看到便攜式關節臂測量機、拍照式測量系統、激光跟蹤儀。便攜式測量技術的特點是設備能夠適應車間惡劣的環境，包括溫度、濕度、灰塵粉塵等，更重要的特點是可以隨身攜帶，應用更靈活更柔性。關節臂、拍照式測量系統和激光跟蹤儀測量技術的區別在于激光跟蹤儀的檢測范圍更大，高精度測量范圍達30m，最大的測量范圍則高達為320m。

出于對效率和自動化的追求，機器人被整合到便攜式測量系統上，形成自動化的柔性測量系統，彌補了便攜式測量系統在自動化程度上的缺陷。拍照式測量系統和激光跟蹤儀都已經擁有機器人式自動化測量系統。以Leica激光跟蹤儀為例，Leica激光跟蹤儀六自由度（6D）自動測量系統可以整合機械手或龍門框架自動系統，通過將Leica六自由度靶標T-MAC或T-SCAN加裝在上面，利用機械手或龍門框架自動系統的程序自動定位功能將其送到指定測量位置執行測量程序，系統可以實現單站30m的測量范圍。

大飛機的數字量化測量技術

大飛機數字量化測量技術指的是使用激光跟蹤儀結合成熟軟件或者特制的開發軟件輔助裝配飛機型架、機身對接。以機翼與機身的自動對合為例，利用激光跟蹤儀的數字量化裝配步驟為：（1）初始化測量程序；（2）讀取理論值；（3）測量參考點；（4）捆綁站位；（5）擬和坐標系至機身；（6）測量實際機翼位置計算實際測量點與理論偏差；（7）發送偏差到裝配程序驅動工裝和終端執行機構調整機翼位置趨近于最終位置；（8）判斷是否滿足規定的的裝配公差，如果未在偏差值未達公差要求，驅動終端執行機構則會將機翼逐漸調整到理論位置；（9）如果偏差在裝配公差內，則結束程序，驅動執行機構完成機翼對接。整個過程依靠數據量化的激光跟蹤儀達到高效的精密裝配效果。圖4所示為空客A380采用4臺Leica 激光跟蹤儀完成數字化裝配。

上述自動測量程序執行過程中采用的激光跟蹤儀為三自由度激光跟蹤儀，激光跟蹤儀測量參考點時工裝及終端執行機構需要停止工作，也就是說不能夠實現測量與調整同時進行，這是由三自由度激光跟蹤儀本身的測量特性決定的，程序執行過程相對較長，當定單數量較大時需要生產效率工裝，使生產成本升高。自動測量程序如果采用Leica激光跟蹤儀六自由度（6D）測量系統可以避免上述問題，通過統計至少可以節省1/3 時間，關鍵是在最大程度上減少了效率工裝的使用。Leica激光跟蹤儀六自由度（6D）測量系統采用駐機定位技術實現空間物體的六自由度（X 、Y 、Z 、i、j、k）動態測量，激光跟蹤儀測量六自由度靶標——T-MAC上廣角靶鏡的X 、Y 、Z 坐標值，高精度數字相機測量六自由度靶標——T-MAC 上10 個發光二極管的姿態i、j、k，其2Sigma 角向精度達到0.01°。

Leica六自由度測量系統因為其動態測量特性，以機翼與機身對合程序為例，可以快速將機翼調整到距離其最終裝配位置5mm 以內，之后三自由度自動測量程序開始執行，測量固定的參考目標位置，直到機翼調整到最終裝配位置。數字化飛機對合過程中可以使用三套Leica六自由度測量系統同時執行左、右機翼與機身對合，水平尾翼與機身對合程序，耗時15min即可完成測量過程。

企業級數字化測量解決方案協助航空工業提升數字化制造技術

現代化工廠數字化、信息化的核心要素是數據平臺的建設和數據的深度挖掘，作為產品質量數據的唯一來源——數字化檢測成為大飛機制造信息化過程中必不可少的數據支撐。而“如何整合各種測量設備，如何優化所有的測量系統，如何提升更高效的質量管理……”越來越被追求數字化信息化的企業所關注。測量設備所用的軟件系統是否統一，數據是否能夠互通共享，成為測量業界及制造企業第一個必須解決的難題；其次，雖然市場上已經擁有各類MES、PDM、PLM 等生產制造及數據管理系統，但是基本都未將精密測量設備及采集的數據納入其中，即質量數據及精密測量設備的高效管理一直是業界的一個空白。要實現真正的數字化和信息化工廠，需要解決以上兩個問題。

基于寬廣的產品線和全球化精密計量技術協同開發，海克斯康計量旗下的PC-DMIS EMS 企業級數字化測量解決方案貫穿產品設計、加工、質量保證、數據處理與分析等整個產品生命周期，能夠通過基于PCDMIS核心技術的一系列軟件包，建立高效的測量系統。該系統能夠兼容所有固定式三坐標、便攜式關節臂、激光跟蹤儀等精密計量系統，同時能夠整合這些系統搜集的數據信息，通過專業的統計分析將海量數據處理成為直觀的統計報告，且可以通過網絡技術實時傳輸到公司內外各相關部門（圖5）。該系統不但關注底層檢測操作層面的效率和簡易性，關注數據的收集、共享和保密處理，還關注管理層對檢測設備即時狀態的管理和監控，以期促進更及時更適用的決策體系，除此之外，該系統還充分考慮到與工廠內部已經存在的其他生產管理系統的兼容問題。

先進的數字化測量技術作為飛機數字化制造技術中重要組成部分，在保證效率和質量過程中起到至關重要的作用。隨著產業升級轉型，數字化測量技術的地位必將越來越高。