高精度凹坑仪

新一代飞机向着大型、重载、长寿等方向发展，对其装配质量、精度等提出更高的要求。装配中几何尺寸、物理损伤等的高精度测量是调控飞机装配工艺、保证装配指标的基础和关键，对飞机服役性能有着重要的影响。本文围绕新一代飞机结构尺寸大幅增加、承力结构复材化发展下的需求，论述了大型飞机装配中高精度测量技术的研究进展，具体从大空间点位高精度测量方法、大型结构外形高精度测量方法、复合材料结构装配缺陷高精度检测技术等方面对国内外理论研究和技术应用进行了梳理和总结，并指明相关技术的未来发展趋势和前景。1 飞机装配那些事儿 飞机装配是飞机制造的关键环节，装配过程中涉及的学科范围广、技术标准要求高，属于典型的高端装备制造技术。飞机装配是将各种零、组、部件按照规定的技术条件和质量要求进行配合与连接，并进行检验与试验的工艺过程，装配的质量直接决定了飞机产品的外形精度、制造质量和服役性能等。 新一代飞机向着大型、重载、长寿等方向发展，其制造也向着高精度、低成本、柔性化、智能化等方向转变，对装配的精度、效率与质量均提出了更高的要求。此外，以纤维增强型复合材料为代表的轻质高强材料也逐渐由次承力结构升级为主承力结构。对此，开展大型飞机的大空间高精度测量、复合材料损伤的高精度检测方向的研究，是新一代飞机高效、高质装配的强有力支撑。图1高精度测量技术在飞机装配现场的应用2 飞机装配大空间测量场高精度测量方法 传统大空间测量场多使用单台或者单种测量设备进行构建，为满足大尺寸部件的高精度测量需求，组合式测量系统应运而生。通过组合多个测量设备或不同测量系统，往往可以达到一个较好的效果。 由于大空间测量场的特点，需要对其进行坐标配准，即将测量点坐标转换到全局坐标系下，并将数据进行融合。坐标配准、环境等因素往往会影响测量场的精度，所以还需要对测量场进行不确定度评估，并对误差进行补偿。因此，测量场配置优化、坐标系配准和不确定性评估等三个方面的内容是影响大空间测量场测量精度和效率的关键技术。图2 组合式大尺寸测量3 飞机大部件装配外形数字化高精度测量方法 飞机装配是保证飞机外形精度的重要环节，提高飞机部件装配外形检测水平对于提升飞机制造质量具有重要意义。飞机装配部件外形尺寸大、曲面形状复杂、型面测量数据量大，传统单一测量设备测量精度和效率之间的矛盾突出。随着近年来数字化测量技术的不断发展，其广泛应用于飞机大部件装配外形测量过程中，尤其在飞机大尺寸外形轮廓检测、飞机蒙皮对缝间隙、阶差检测以及铆钉平齐度检测等应用中展现出较大优势，这归功于其测量精度和效率的提高以及测量范围的扩大。在测量过程中会产生大量的点云数据，对大规模点云数据进行有效的优化处理对后续测量模型建立的准确度以及相关测量数值的精度十分重要。本章将具体针对数字化测量技术在飞机外形轮廓及蒙皮表面质量检测过程中的应用以及大规模点云数据的处理方法展开介绍。3.1　飞机大尺寸外形轮廓高精度检测航空产品中的大部件装配曲面外形准确度决定着飞机的气动/隐身性能，采用合理的方式对飞机大部件装配外形进行检测尤为重要。飞机曲面外形具有尺寸大、形状复杂、测量数据量大的特点，通常采用数字化测量方法实现大部件外形的高精度测量。早期数字化测量多采用接触式测量方法，以三坐标测量机为代表，常应用于整体叶片型面、中间整流罩的检测过程中。接触式测量具有测量精度高的优点，但缺点是效率低、易划伤目标表面且无法实现自动化测量。激光扫描法、结构光法、激光雷达法、摄影测量法等非接触式测量方法的出现提升了测量范围和测量效率，而且可开发性和自动化程度高的特点使它们在飞机大部件外形自动化测量方面展现出优势。表1列举了几种数字化测量系统并对其主要参数及优缺点进行了分析对比。表 1. 外形数字化测量系统对比但随着测量要求的进一步提高，单一设备无法兼顾测量精度和测量效率的矛盾愈发明显，近年来许多学者通过构建数字化组合测量系统，使设备性能互补，从而提高测量精度与效率。将关节臂测量仪、激光跟踪仪以及摄影测量组合，在飞机内襟翼上翼面外形精度测量上进行应用与验证，在保证外形测量精度的同时进一步提高了测量效率。此外，结合结构光重建和摄影测量技术也可实现高精度、高效率、非接触的大尺寸飞机结构外形的三维重建，精度可达到亚毫米量级（0.16 mm以下）。如图6所示。图 3 基于后方摄像机视觉定位的全局三维重建原理图为了进一步提升飞机大部件曲面外形的测量精度，需要对数字化测量系统进行站位规划与测量轨迹规划。测量仪器的站位规划是数字化测量的前提，站位的合理性直接影响着测量效率和精度。早期测量站位主要由操作者的经验决定，往往需要反复调整才能满足测量要求，测量效率低，难以满足现代飞机高效的测量需求。针对激光雷达测量飞机大部件外形测量需求，采用基于区域生长算法的站位规划方法得到初始站位，之后引入测量不确定度对其进行优化，该方法相比于经验法和聚类算法更具可行性和有效性。而对于飞机大型蒙皮柔性测量系统，效率优化的扫描站位规划被提出，提升了扫描效率和完整性。此外，规划轨迹可以使测量设备在满足测量条件的情况下充分发挥性能，最大程度上降低系统误差，提高扫描数据的精确度，从而提升测量精度与测量效率。对于包含激光跟踪仪和工业机器人的自动化扫描系统中的测量轨迹规划问题，首先在CATIA中按照结构特征类别进行轨迹的初始规划，之后对测量误差进行分析，建立系统误差预测模型并通过粒子群算法对测量轨迹做进一步优化，可达到快速找到满足扫描约束的同时系统误差最小的姿态的目的，从而提高曲面扫描的测量精度。为了提升结构光的检测精度，一种以改进贪心算法为基础的覆盖路径规划方法被提出，降低了视点数目，提升了结构光检测精度，从而提升了曲面外形测量精度，如图4所示。图 4 测量不确定度对比图。（a）文献方法；（b）目标采样法3.2　飞机部件外形表面质量高精度检测高精度数字化测量技术也广泛应用于飞机外形表面质量检测过程中，包括蒙皮对缝检测以及铆钉平齐度检测等。飞机蒙皮主要通过铆钉固定在机翼骨架外围，其作用是维持飞机的气动外形，必须承担一定的局部气动力，装配时要保证蒙皮对缝的间隙及阶差在允许范围内。此外，蒙皮表面铆钉平齐度对飞机的隐身性能及气动性能也有着比较重要的影响，随着新一代战机对隐身性能及气动外形的要求越来越高，相应地对飞机蒙皮铆接质量提出了更高要求。传统的蒙皮对缝检测采用塞尺测量，对人工操作要求高、效率低、误差较大，且不能有效采集和处理测量数据。随着数字化测量技术的不断发展，为了提高缝隙测量的精度和效率，国内外学者以线结构光视觉测量和激光扫描为代表的非接触测量方法应用于对缝检测中，如图8所示，相关的数字化检测设备，包括美国Origin Technologies公司的Laser Gauge系列产品、德国8Tree公司的Gap Check相关产品等均采用非接触测量方法快速测量蒙皮阶差和间隙。线结构光视觉传感器可以实现对蒙皮对缝阶差与间隙的尺寸测量，阶差和间隙的重复测量精度分别达到了0.04 mm和0.05 mm以下。针对二维激光对缝检测多次测量重复精度不高的问题，基于三维激光扫描的蒙皮对缝检测方法被提出，其间隙和阶差测量精度可分别达到0.04 mm和0.02 mm。此外，有学者利用机器视觉的方法，提出了一种基于改进优化算法的飞机蒙皮对缝视觉测量方法，达到精确测量蒙皮对缝间隙的目的，测量精度达到了0.02 mm以下。图 5 基于线结构光的阶差与间隙测量模型对于铆钉齐平度的检测，传统的检测靠人工抽检来实现，即采用传统卡尺或指针式三脚千分表手动检测，测量误差大且有较大局限性。非接触式数字化测量技术在铆钉平齐度检测方面同样展现出优势，构建双目多线结构光测量系统对铆钉齐平度进行测量，可实现对蒙皮表面铆钉头部凸台或凹坑特征的精准测量，精度可达到0.03 mm以下，但该系统无法同时测量多个铆钉。而基于3D激光扫描仪的图像采集系统，利用深度学习算法分析处理采集到的图像，可以同时检测多个结果，效率高，重复检测精度达到0.015 mm，精度相比人工抽检提高较大。此外，针对铆钉逐一检测任务量大且检测可靠度低的不足，基于面结构光的铆钉平齐度检测方法先提出了一种图像噪声轮廓分割方法，之后基于图像-点云映射策略实现了快速且稳定的分割铆钉点云，铆钉平齐度测量偏差达到了0.006 mm以下。如图6所示。图 6 铆钉标准件及平齐度测量结果。（a）标准件；（b）测量结果随着近年来数字化测量技术的不断发展，其广泛应用于飞机大部件装配外形测量过程中，尤其在飞机大尺寸外形轮廓检测、飞机蒙皮对缝间隙、阶差检测以及铆钉平齐度检测等应用中展现出较大优势，这归功于其测量精度和效率的提高以及测量范围的扩大。在测量过程中会产生大量的点云数据，对大规模点云数据进行有效的优化处理对后续测量模型建立的准确度以及相关测量数值的精度十分重要。4 面向复合材料装配缺陷的高精度检测技术 航空复合材料具有重量轻、比刚度大等优点，既能减轻飞机重量，也提高了飞机的整体互换性，方便维护，在飞机制造领域得到了广泛的应用。但此类复合材料由于装配时的应力变化会产生脱粘、分层、夹杂等装配缺陷，对产品的安全使用及长时间服役造成严重威胁，因此需要对复合材料装配过程中产生的缺陷进行高精度检测。 针对不断装机应用的各种新的航空复合材料、新的复合材料成型工艺、新的复合材料结构和新的检测与缺陷评估要求，从检测方法分类上，主要体现在：激光检测、超声检测、X射线检测和太赫兹检测技术等。近几年，随着众多学者对信号处理、图像处理和三维信号重构等技术的研究，使得检测精度和缺陷数据后处理能力逐步提升，面向复合材料装配缺陷高精度检测方法及技术逐步趋于智能化、自动化、可视化。图4 复合材料缺陷三维可视化[1]5 飞机装配测量为我国飞机制造保驾护航 大尺寸高精度测量技术已经成为但广泛应用中的核心关键技术尚处在积累阶段，需要不断的应用验证。数字化测量系统正朝着便携、网络、高效、精密方向发展，飞机装配大尺寸高精度测量技术也已从单一技术走向多传感器技术的融合。 对于飞机装配大空间测量场高精度测量，传统方法多基于单台或单种测量设备，导致精度及效率不足，通过测量场配置优化、坐标系优化、精度评估与补偿等技术来提升测量场的构建效率及精度是当前及未来的提升方向。而对于飞机大部件装配外形数字化高精度测量，飞机部件装配外形尺寸大、曲面形状复杂，型面测量数据量大，单一设备测量精度和效率之间矛盾突出。通过优化测量轨迹、提高视觉检测精度、大规模点云数据融合等技术手段充分发挥各测量设备的优点，来保证飞机大尺寸外形轮廓和飞机外形表面质量检测应用过程中的效率及精度。 因此，组合式数字化测量系统及多技术的融合研究是未来发展和提升的重要方向。在保持高检测精度的前提下，智能化、可视化、自动化的无损检测是未来的发展方向。 在数字化工厂和智能制造的背景下，根据目前大型飞机装配中的高精度测量技术及系统的特点，未来应立足于具体型号及实际应用场景，深入开展高精度测量技术及系统的应用和研究，并形成相应技术体系，充分发挥数字化高精度测量技术的优势。未来，多数字化测量系统协同工作，大空间数字化测量场构建，部件装配外形数字化及装配缺陷检测，这对提高我国飞机制造的水平和核心竞争力具有十分重要的意义。参考文献：[1] Qin L, Zhang S, Song Y, et al. 3D ultrasonic imaging based on synthetic aperture focusing technique and space-dependent threshold for detecting submillimetre flaws in strongly scattering metallic materials[J]. NDT & E International. 2021, 124: 102523.原文下载：张开富, 史越, 骆彬, 童长鑫, 潘婷, 乔木. 大型飞机装配中的高精度测量技术研究进展.pdf通讯作者介绍 张开富，西北工业大学教授、博士生导师，教育部“长江学者”特聘教授、冯如航空科技精英奖获得者，飞行器高性能装配工业和信息化部重点实验室负责人，兼任中国图学学常务理事、中国机械工程学会生产工程分会技术委员会委员。长期从事航空航天制造领域先进装配与连接、结构损伤及疲劳等研究工作，主持国家自然科学基金、国家重点研发计划、重大型号攻关计划等项目近20项，发表高水平学术论文70余篇、授权中国发明专利27件，主持制定航空行业标准2项，以第一完成人获国家科学技术进步二等奖、陕西省自然科学奖一等奖、陕西省科学技术一等奖各1项。课题组介绍 西北工业大学航空宇航装配团队依托于工业和信息化部重点实验室、西北工业大学航空宇航科学与技术学科（A+学科、双一流学科），获批陕西省科技创新团队、国防科技创新团队，长期从事航空航天领域装配建模与优化、先进装配与连接工艺、复材结构设计制造、智能测试技术与工艺等方向研究。团队拥有正高级职称人员6人（其中国家级人才3人）、副高级职称人员6人，硕博士研究生80余人。近年来，团队承担国家级科研项目30余项，授权国家发明专利50余项，在Composite Science and Technology、IEEE Transactions on Robotics、Additive Manufacturing、Composites Part B、航空学报、复合材料学报、机械工程学报等期刊发表学术论文百余篇，参与制定行业标准/型号研制规范10余项，研究成果在运20、C919、ARJ21等我国航空航天重大型号得到持续工程应用，先后获国家科学技术进步二等奖1项、省部级一等奖2项、其他省部级奖励5项。

“坐标”这个概念源于解析几何，其基本思想是构建坐标系，将点与实数联系起来，进而可以将平面上的曲线用代数方程表示。坐标的概念应用到工业生产中解决了大量实际问题，例如，坐标测量机可采集被测工件表面上的被测点的坐标值，并投射到空间坐标系中，构建工件的空间模型等诸多案例。坐标测量机还被用于产品质量控制，测量磨损，制造精度，产品形貌，对称性，角度等工业产品参数，因此需要非常高的移动精度，才能确保测量的准确性。德国attocube公司推出的IDS3010皮米精度位移测量激光干涉仪就是辅助坐标测量机提高测量精度的有力手段。图1 皮米精度位移测量激光干涉仪IDS3010IDS3010皮米精度位移测量激光干涉仪是如何帮助坐标测量机实现高精度的呢？图2 IDS3010激光干涉仪集成到坐标测量机探测臂上通常坐标测量机要求探测臂位移精度高于1微米，现在坐标测量机位移反馈大多是通过玻璃分划尺来实现的。玻璃分划尺是常用的一种位置测量的方法，分划尺在坐标测量机上位于龙门处，一般情况下，采用玻璃分划尺探测的不是探测臂本身，而是坐标测量机龙门处的位置变化。实际上， 坐标测量机的探测臂与龙门之间有一定长度的距离，它们的位置变化会因存在例如振动、位置差等而有所不同，因此只凭借龙门处位置变化来判断真实的位移反馈是不准确的，影响到实际样品的测量精度。图3 IDS3010激光干涉仪集成到坐标测量机上。坐标测量机通过干涉仪探头的配合，可反馈探测臂的位移。德国attocube公司的IDS3010皮米精度位移测量激光干涉仪通过非接触式方法测量，可以直接测量探测臂的运动，避免龙门处探测误差，实现高精度测量。如图3，激光探头位于坐标测量机侧边，M12/C7.6激光探头出射的激光可以被探测臂上的反射镜（直径3mm）反射回激光探头，IDS3010干涉仪通过分析干涉信号从而进行位置测量。探测臂能够移动0.8米距离，移动精度达到10微米。干涉仪能够实时测量该探测臂的位移以及振动等信息。图4 IDS3010实时位置测量软件WAVE测量数据。扩展图为中间区域的数据放大。IDS3010配置的软件WAVE可以实时观测与保存测量数据。如图4，坐标测量机的运动数据被测量并记录。图中所示，前15秒与终10秒间的数据是0.8m距离的往复运动。中间时间的数据看似没有变化，但通过WAVE软件的放大功能，我们发现中间时间的探测臂其实进行了10微米的步进运动。同时，通过WAVE软件我们也可以观测到步进运动的详细变化过程。每一个步进大约2秒，在运动初始的时候位移有超过，在大约0.4秒的短时间内位移被调整为10微米的步进长度。而在步进的末尾，也有小幅的位置噪音，该噪音一般是由于振动引入。这对于探测样品位移以及振动信息具有重大意义。IDS3010技术特点：IDS3010皮米精度位移测量激光干涉仪具有体积小、适合集成到工业应用与同步辐射应用中的特点，同时，测量精度高，分辨率高达1 pm，是适合工业集成与工业网络无缝对接的理想产品。除与坐标测量机结合使用外，在工业中的其他应用实例也非常广泛，包括闭环位移反馈系统搭建、振动测量、轴承误差测量等等。+ 测量精度高，分辨率高达1 pm+ 测量速度快，采样带宽10MHz+ 样品大移动速度 2m/s+ 光纤式激光探头尺寸小，灵活性高+ 兼容超高真空，低温，强辐射等端环境+ 其可靠与稳定+ 环境补偿单元，不同湿度、压力环境中校正反射率参数提高测量精度+ 多功能实时测量界面，包含HSSL、AquadB、CANopen、Profibus、EtherCAT、Biss-C等界面相关产品及链接：1、皮米精度位移激光干涉器attoFPSensor：http://www.instrument.com.cn/netshow/C159543.htm2、EcoSmart Drive系列纳米精度位移台：http://www.instrument.com.cn/netshow/C168197.htm3、低温强磁场纳米精度位移台：http://www.instrument.com.cn/netshow/C80795.htm

图一 高精度手提式X荧光仪图二 高精度伽玛能谱仪　　2016年5月25日，863计划资源环境技术领域办公室在北京组织召开了“十二五”863计划资源环境技术领域“放射性矿产探测与开发技术”项目的技术验收会议。　　“放射性矿产探测与开发技术”主题项目立足于解决隐伏砂岩铀矿勘查、采冶过程中的关键技术问题，提升我国铀矿勘查技术与装备的研发水平，为保障我国中长期核能产业发展和国防建设对铀资源的需求提供技术支撑。项目针对隐伏砂岩铀矿勘查采冶过程中的关键技术问题，完成了隐伏放射性矿产识别技术、地浸采铀模拟与控制技术、脉冲中子测井与铀定量解释技术研究及高精度能谱探测仪器研发工作。通过项目攻关，研发了砂岩型铀矿成矿环境、砂体识别与定位技术、铀矿化信息探测技术及GIS综合预测评价系统 查明了砂岩铀矿多种矿物的溶蚀规律，创建了砂岩型铀矿酸法和中性浸出体系和络合物形成的理论模型 研制了高精度手提式X射线荧光仪、微束微区野外X荧光矿物探针、高精度伽马能谱仪、高灵敏度野外测氡仪、脉冲中子铀矿测井仪等设备样机，并开发了配套软件。项目取得的技术成果在我国新疆伊犁、内蒙古二连和鄂尔多斯等北方大型砂岩型盆地的铀矿勘查、地浸采铀生产中得到了较大规模的应用，具有良好的社会和经济效益。　　会上，验收专家组听取了该项目首席专家关于项目执行情况的汇报，审阅了相关验收材料，并进行了质询。经讨论，验收专家组同意该项目通过技术验收。