大尺寸三维测量设备及其在飞机制造中的应用 - 文章

大尺寸三维测量设备及其在飞机制造中的应用

作者：黄桂平范生宏

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摘要：本文主要就国外广泛应用的几类新型测量技术及其设备进行阐述，并结合国内现有设备介绍了飞机行业的系列典型应用实例，以期为国内飞机制造企业和技术人员提供借鉴和参考。
关键词：大尺寸；三维测量；飞机制造；V-STARS系统

1 引言

以大飞机制造为代表的飞机数字制造技术的发展，对精密测量技术提出了一系列新的要求，尤其是要求能够进行非接触式、现场在位测量，而且还要能够适应不同尺寸部件、尤其是大尺寸部件或整机的测量。

大尺寸测量主要指“几米至几百米范围内物体的空间位置、尺寸、形状、运动轨迹等的测量”。

目前可以实现大尺寸三维测量的设备主要有经纬仪测量系统、激光跟踪测量系统、激光扫描测量系统、室内GPS和数字摄影测量系统等。

本文主要就国内外广泛应用的几类新型测量技术及其设备进行阐述，并结合现有设备介绍了飞机行业的典型应用实例，以期为国内飞机制造企业和技术人员提供借鉴和参考。

2 大尺寸三维测量技术与设备

2.1 经纬仪测量系统

经纬仪测量系统是由两台以上的高精度电子经纬仪（如Leica 的TM5100A，水平角和垂直角的测角精度皆为0.5"）构成的空间角度前方交会测量系统，是在大尺寸测量领域应用最早和最多的一种系统，由电子经纬仪、基准尺、通讯接口和联机电缆及微机等组成。

经纬仪测量系统的优点是测量范围较大（0.5m 至几十米）、是光学、非接触式测量方式，测量精度在二十米范围内的坐标精度可达到10μm/m；其不足是一般采用手动照准目标，逐点测量，测量速度慢、自动化程度不高。

目前，国内外已有多个商用化的成型设备，如瑞士Leica 公司的Axyz/MTM系统和国内郑州辰维科技有限公司的SMN/M系统。

自上世纪80年代开始，已在国内外的飞机制造企业中广泛应用，但随着其它类测量技术与设备（如激光跟踪仪）的出现和应用，经纬仪测量系统目前已基本退出飞机制造业，不过在其它行业（如航天制造业）仍在大量应用。

2.2 激光跟踪测量系统

激光跟踪测量系统（简称激光跟踪仪）是由单台激光跟踪仪及其测量附件等构成的球坐标测量系统。由于干涉法距离测量的精度高，测量速度快，因此激光跟踪仪的整体测量性能和精度要优于经纬仪测量系统。在测量范围内（一般<50m），坐标重复测量精度达到5ppm（即5μm/m）；绝对坐标测量精度达到10ppm（即10μm/m）。但在单项指标上，如测角精度比经纬仪的要低。

Leica 公司于1990 年就推出了第一代商用激光跟踪测量系统SMART310，美国的API公司和FARO公司也推出了各自最新的系统TrackerIII 和Tracker ION。

激光跟踪仪自推出伊始就开始在飞机制造业大量应用，自沈阳飞机工业集团公司于1997年引进第1 台激光跟踪仪后，目前国内所有的飞机制造企业均在大量使用激光跟踪仪，仅西飞集团就有不下20 台激光跟踪仪。

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2.3 激光扫描测量系统

采用其它非干涉法测距方式可以不需要合作目标来实现距离的测量，将这类设备称为激光扫描测量系统（简称激光扫描仪）。激光扫描仪的测距原理分为三种：一是脉冲法激光测距，二是激光相位法测距，三是激光三角法测距。

基于脉冲法测距的激光扫描仪精度较低，一般为毫米级，但其测程较长，如FARO 公司的Photon120 型激光扫描仪（最大测程120m，测距精度达到为2mm）。故其主要应用在土木工程测量、文物和建筑物的三维测绘等领域。

激光雷达是一种新型的球坐标系的三维扫描测量系统，它产生一束聚焦的红外激光投向被测目标，此时在被测目标上产生大量的发射光束，将入射激光返回雷达所经历的时间与复制的入射激光通过内置的已知长度的光纤所用的时间进行比对，得出被测目标与激光雷达的距离。被测目标的方位角和仰角分别由反射镜获和旋转头获取，最后将获得的球坐标转换成直角坐标，即可获得被测目标的坐标。

美国Metris公司（最初叫Metric Vision公司，现已被并入Nikon Metrology公司）推出的激光雷达MV224/260 在24m 距离上绝对距离测量的厂家标称精度可以达到0.1mm，最大测量范围可以达到60m。

激光雷达的显著特点是其不需要合作目标（角反射器）就可以实现高精度的三维扫描测量，就其技术特点而言应该具有很大的应用空间。然而实际上，虽然该类设备进入国内已有近十年时间，但限于技术成熟度和价格等因素，还没有看到很成功的应用案例。

2.4 室内GPS

所谓室内GPS（也称iGPS）是指利用室内的激光发射装装置（基站）不停地向外发射单向的带有位置信息的红外激光，接收器接受到信号后，从中得到发射器与接受器间的两个角度值（类似于经纬仪的水平角和垂直角），在已知了基站的位置和方位信息后，只要有两个以上的基站就可以通过角度交会的方法计算出接收器的三维坐标。

美国Arc Second 公司（现也并入了Nikon Metrology 公司）生产的室内iGPS，其测量速度达到了20Hz，测量空间范围从几米到几百米，如果采用四个以上的基站，10 米测量空间内测量精度可以达到0.125mm。

iGPS 最为显著的特点是测量空间范围几乎不受限制（从几米至几百米），且多个用户（接收机）同时工作互不干扰。国外已有用iGPS 进行大飞机总体装配的应用（图2），目前国内的应用尚处在待开发阶段。

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图2 iGPS用于大飞机总装示意图

2.5 数字摄影测量系统

数字摄影测量是通过数码相机在不同的位置和方向获取同一物体的2 幅以上的数字图像，经计算机图像匹配等处理及相关数学计算后得到待测点精确的三维坐标。其测量原理和经纬仪测量系统一样，均是三角形交会法。

数字摄影测量系统一般分为单台像机的脱机测量系统、多台像机的联机测量系统。此类系统与其它类系统一样具有精度高、非接触测量和便携性好等特点。此外，还具有其它系统所无法比拟的优点：可适应不同尺寸（从0.5m 至100m）的测量对象，测量现场工作量小、快速、高效和不易受温度变化、振动等外界因素的干扰。国外的生产厂家和产品很多，如美国GSI 公司的V-STARS 系统和挪威Metronor 公司的Metronor 系统等。

美国早在上世纪六七十年代就开始大规模将数字摄影测量技术应用于航空制造业，虽然该技术被引入国内不过六年之久，但其优势已逐步被认可，应用面也越来越广。

作为引入国内飞机制造业时间最短的成熟技术的新设备，V-STARS系统及其应用还不是广为大众所知，故本文将在后文加以重点介绍。

3 V-STARS 系统及其应用

3.1 V-STARS系统简介

V-STARS（Video-Simultaneous Triangulation and Resection System）系统是美国GSI公司研制的数字摄影三坐标测量系统。V-STARS系统可采用脱机和联机二种测量方式，即单相机系统和双（多）相机系统，图3。根据采用不同的相机又可以分为V-STARS/S（智能单相机系统）、V-STARS/E（经济型单相机系统）和V-STARS/M（智能多相机系统）

V-STARS/S8 系统的典型测量精度为5mm＋5mm/m；而V-STARS/E/M 系统的测量精度为10mm＋10mm/m。

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3.2 V-STARS系统应用实例

（1）大型工装夹具测量

飞机生产过程中使用大量的各种工装夹具均需要精密测量数据，这类测量是V-STARS 系统最基本的功能体现，图5。

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（2）各类模具测量

V-STARS/S 系统配合光学靶标是用于大型模具快速数字化测量，使用遥控测头的V-STARS/M 系统则可以便捷地对具有曲线特征的模具进行数字化，图6。

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（3）大飞机外形测绘

V-STARS 系统结合激光跟踪仪已经成功协助中国商飞公司解决了大飞机外形测绘问题，图8。

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（4）机翼装配质量检测

采用V-STARS/S 系统对空客A320 型飞机的机翼吊挂进行安装质量检测，目前该设备已在天津空客总装厂和西安西飞国际机翼装配厂等成功应用，图9。

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（5）引擎管道

利用V-STARS/S 系统对GE90 引擎的管道进行测量，如此狭窄的测量空间中唯有摄影测量才可实施，图10。

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（6）大型机身自动钻孔引导测量

采用4台INCA相机组成的V-STARS/M系统并经过定制开发而成的大型机身自动钻孔引导测量系统，成功解决了美国SPIRIT 公司的机身自动钻孔问题，图11。

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参考文献
【1】叶声华，王仲，曲兴华，精密测试技术展望，中国机械工程，2000，11（3）
【2】熊有伦，数字装备与数字制造，第四届中国国际机电产品博览会组委会，2003
【3】谢华锟，现代精密量仪现状及水平－从近几届中国国际机床展览会看量具量仪发展趋势，现代切削与测量工程（国际）研讨会，成都：2004，10
【4】张国雄，裘祖荣，测试技术的作用与发展方向，现代切削与测量工程（国际）研讨会，成都：2004
【5】黄桂平、钦桂勤. 大尺寸三坐标测量方法与系统. 宇航计测技术，2007，27（4）

第一作者简介:
黄桂平(1973－)，男，江苏溧阳人，郑州测绘学院副教授、博士，主要从事大尺寸三维测量技术和数字摄影测量技术等方向的研究与应用。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (7/16/2012)


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