摘要：本文介紹了便攜式攝影測(cè)量系統(tǒng)被集成在一個(gè)生產(chǎn)流程中，用于機(jī)身碳纖維復(fù)合材料部件的幾何形狀和工藝的尺寸控制，并將其進(jìn)一步延伸應(yīng)用。攝影測(cè)量系統(tǒng)的三維空間長(zhǎng)度精度可達(dá)0.03毫米，其精度高于實(shí)際生產(chǎn)要求達(dá)20倍。
本文的研究的重點(diǎn)問(wèn)題是：攝影測(cè)量技術(shù)有什么優(yōu)勢(shì)，攝影測(cè)量系統(tǒng)如何取代或減少傳統(tǒng)的專(zhuān)用工具，控制生產(chǎn)過(guò)程，減少碳纖維復(fù)合材料部件的報(bào)廢和返工。
尋求合適的便攜式坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)在瑞典的SAAB航空，正在重建一個(gè)新的復(fù)合材料車(chē)間。新的副翼組裝生產(chǎn)線是其中之一。用于幾何尺寸控制的新的便攜式測(cè)量設(shè)備將用于碳纖維部件的生產(chǎn)流程中。由于生產(chǎn)率的提高，將極大縮短生產(chǎn)時(shí)間。
當(dāng)今，幾何計(jì)量領(lǐng)域的發(fā)展是基于客戶對(duì)于高精度的需求，工業(yè)測(cè)量系統(tǒng)正被集成于生產(chǎn)系統(tǒng)當(dāng)中。新的測(cè)量系統(tǒng)主要用于取代舊的傳統(tǒng)的專(zhuān)用工具。傳統(tǒng)工具的使用還是較為普遍的，但由于測(cè)量技術(shù)的創(chuàng)新和3D模型的引入，其正在逐步被取代。便攜式測(cè)量系統(tǒng)正在被廣泛的應(yīng)用于航空、汽車(chē)等行業(yè)，主要概括為以下幾點(diǎn)
（1）總體上看，便攜式坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)具有精度高、可靠、快速等特點(diǎn)，應(yīng)在新項(xiàng)目中取代傳統(tǒng)的專(zhuān)用工具。
（2）客戶要求。空客與波音公司要求使用坐標(biāo)測(cè)量機(jī)（CMM）和便攜式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)（PCMM）系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的專(zhuān)用測(cè)量工具。
（3）基于3D數(shù)模定義產(chǎn)品，這意味著放棄傳統(tǒng)的圖紙。在生產(chǎn)環(huán)境中，所有的設(shè)計(jì)必須數(shù)字化，成為一個(gè)數(shù)字模型。在現(xiàn)場(chǎng)就需要便攜式高精度測(cè)量系統(tǒng), 也需要一個(gè)良好的數(shù)據(jù)載體，以承載所有的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。
工業(yè)測(cè)量系統(tǒng)包括一直以來(lái)使用的傳統(tǒng)技術(shù)，也包含各種新技術(shù)。例如：攝影測(cè)量系統(tǒng)、激光跟蹤系統(tǒng)、便攜式測(cè)量臂、激光雷達(dá)等，測(cè)量精度范圍大約為20μm到100μm。SAAB航空考察了各種三坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)，最后得出的結(jié)論是：“根據(jù)其航空構(gòu)件，包括機(jī)翼、方向舵、翼梁、副翼和檢修門(mén)的工程和生產(chǎn)工藝要求，調(diào)研的攝影測(cè)量系統(tǒng)是實(shí)用的，可以滿足精度需求，與傳統(tǒng)工具及激光跟蹤儀和激光雷達(dá)相比，便攜性較好。具體考察的攝影測(cè)量系統(tǒng)非常適用于測(cè)量機(jī)身部件”。
SAAB航空將攝影測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)用到復(fù)合材料副翼的生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)了“靈巧制造”
下面詳細(xì)介紹了攝影測(cè)量系統(tǒng)，并結(jié)合SAAB航空復(fù)合材料車(chē)間的應(yīng)用，以副翼幾何形狀的工藝控制作為一個(gè)示例。
總體測(cè)量過(guò)程描述
幾何測(cè)量過(guò)程的概念很簡(jiǎn)單。首先，副翼的幾何尺寸必須要滿足設(shè)計(jì)和生產(chǎn)規(guī)定的公差。然后，要根據(jù)基準(zhǔn)尺寸建立一個(gè)坐標(biāo)系，以獲得一個(gè)最佳擬合對(duì)齊。用攝影測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量基準(zhǔn)元素，生成一個(gè)最佳擬合對(duì)齊，使測(cè)量結(jié)果滿足測(cè)量公差。所有這些功能都集成在系統(tǒng)和軟件中。最后，經(jīng)過(guò)最佳擬合計(jì)算之后，用測(cè)量系統(tǒng)來(lái)定位鉆孔模板，在夾具上鉆孔，孔位達(dá)到最佳位置后，就可得出副翼確切的幾何圖形。這可以保證最終的零件在材料上和工藝上都達(dá)到最佳尺寸，不會(huì)產(chǎn)生廢品。副翼的碳纖維復(fù)合材料的形狀控制
之所以要對(duì)副翼的制造工藝進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，主要是為了提高產(chǎn)量，縮短時(shí)間和最大限度地減少生產(chǎn)流程的中斷。之前，副翼的設(shè)計(jì)及成品副翼的尺寸及功能控制都是由常規(guī)的專(zhuān)用夾具來(lái)實(shí)現(xiàn)的。副翼用四個(gè)可調(diào)節(jié)的輪廓板固定在夾具上。這些輪廓板還要用來(lái)做最佳擬合。輪廓板在使用時(shí)需要進(jìn)行不斷地安裝和拆卸。重新設(shè)計(jì)的副翼裝配方法可以提高生產(chǎn)率。每個(gè)艙體包含兩個(gè)副翼。副翼運(yùn)輸給客戶時(shí)必須成對(duì)出現(xiàn)，一個(gè)左翼，一個(gè)右翼。目前的生產(chǎn)計(jì)劃需要四個(gè)夾具——兩個(gè)左翼夾具和兩個(gè)右翼夾具。為了讓生產(chǎn)流程更加順利，必須優(yōu)化機(jī)身裝配環(huán)境。早期副翼的生產(chǎn)很費(fèi)時(shí)間，主要原因有以下幾點(diǎn)：
（1）機(jī)身的形狀控制需要時(shí)間，如果遇到MRB問(wèn)題，為了保證交貨期，還需要延遲一個(gè)小時(shí)。
（2）副翼輪廓需要根據(jù)夾具輪廓板來(lái)調(diào)節(jié)，這項(xiàng)工作很費(fèi)時(shí)間，而且與操作者技巧有很大關(guān)系。
（3）副翼框架內(nèi)的支撐架的調(diào)整需要除去毛刺，這也需要額外的時(shí)間?？偨Y(jié)上述問(wèn)題，為了提出一個(gè)更加有效的解決方案，以滿足生產(chǎn)要求，提出了以下要求：
（1）重新設(shè)計(jì)的副翼碳纖維復(fù)合框架在運(yùn)送到機(jī)身裝配車(chē)間之前需要經(jīng)過(guò)幾何尺寸驗(yàn)證，這將減少機(jī)身組裝過(guò)程的成本和工時(shí)，確保一個(gè)流暢的成產(chǎn)流程。
（2）副翼的碳纖維復(fù)合框架將進(jìn)行幾何尺寸驗(yàn)證，機(jī)身組裝的第一階段將組裝內(nèi)部支撐架。這些將為以后的裝配提供保證。
（3）用攝影測(cè)量系統(tǒng)建立一個(gè)最佳擬合，確定兩個(gè)定位孔的位置并進(jìn)行鉆孔，這將避免繁瑣的調(diào)整工作。復(fù)合框架到達(dá)機(jī)身裝配車(chē)間時(shí)，可直接放到夾具中去。
圖1就是總體工作和分析過(guò)程，如果設(shè)計(jì)值和生產(chǎn)工藝要求出現(xiàn)偏差，就需要驗(yàn)證工件的生產(chǎn)和裝配過(guò)程。
圖1 總體工作和分析過(guò)程
攝影測(cè)量系統(tǒng)
新的攝影測(cè)量系統(tǒng)來(lái)自于挪威邁卓諾測(cè)量系統(tǒng)有限公司（Metronor AS），由一套邁卓諾雙相機(jī)測(cè)量系統(tǒng)配套PowerINSPECT測(cè)量軟件和SPC統(tǒng)計(jì)分析模塊組成。攝影測(cè)量系統(tǒng)采用兩個(gè)攝像機(jī)來(lái)捕捉鑲嵌在一個(gè)輕型手持裝置（被稱(chēng)為光筆）上的LED光靶的空間坐標(biāo)，得出光筆的位置和姿態(tài)。而被測(cè)點(diǎn)，即光筆接觸點(diǎn)的坐標(biāo)就可以唯一確定并被精確計(jì)算出來(lái)。 系統(tǒng)的測(cè)量精度可達(dá)0.02毫米，距離可達(dá)20米。它適合測(cè)量中等尺寸零件，而且可用于各種不同場(chǎng)合，比如可以用于車(chē)間現(xiàn)場(chǎng)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行驗(yàn)證。攝影測(cè)量系統(tǒng)將被應(yīng)用于復(fù)合材料產(chǎn)品生產(chǎn)線的最后一個(gè)環(huán)節(jié)——對(duì)于復(fù)合材料細(xì)節(jié)的形狀保證。圖（2~3）就是邁卓諾雙相機(jī)系統(tǒng)。
圖2 兩個(gè)相機(jī)捕捉鑲嵌在光筆上的LED 圖3 攝影測(cè)量系統(tǒng)及其附件
從初步研究到最后安裝圖（4~6）顯示了攝影測(cè)量技術(shù)的最初研究。從早期的最初概念到系統(tǒng)的功能定義。
圖4 測(cè)量的概念和演示 圖5 PCMM測(cè)量方案的數(shù)字模型
圖6 PCMM測(cè)量方案的實(shí)施
柔性測(cè)量夾具的發(fā)展
測(cè)量夾具從設(shè)計(jì)，研發(fā)到安裝大概花了六周時(shí)間。副翼應(yīng)該很容易地放進(jìn)測(cè)量夾具中。測(cè)量夾具是用鋁制標(biāo)準(zhǔn)框架組裝，所有接觸點(diǎn)均為球形。副翼的一個(gè)定位孔被用來(lái)約束x方向。夾具安放在一個(gè)裝有輪子的推車(chē)上，可以自由地進(jìn)出測(cè)量室。推車(chē)可以用三個(gè)支撐腿固定，并且可以調(diào)節(jié)平衡。見(jiàn)圖（7~9）
圖7 副翼安裝在夾具上，并由定位孔約束x方向圖8 鉆孔模板
圖9 鉆孔模板可以精確調(diào)整xy坐標(biāo)，并在正確的位置鎖定
攝影測(cè)量系統(tǒng)軟件及測(cè)量程序的創(chuàng)建
為了提高副翼表面點(diǎn)測(cè)量的精確度，需要建立一個(gè)測(cè)量流程，這有助于方便地找到副翼鉆孔的位置。這意味著副翼表面測(cè)量點(diǎn)具有很好的重復(fù)性，并且可以用SPC進(jìn)行精確統(tǒng)計(jì)。測(cè)量程序會(huì)按照時(shí)間順序形成一個(gè)測(cè)量點(diǎn)的序列，生成一個(gè)副翼檢測(cè)的模板化的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量流程。
軟件的選擇可以依據(jù)客戶的需求。系統(tǒng)集成商對(duì)自己的軟件非常了解，開(kāi)發(fā)了友好的軟件界面。由于最佳擬合計(jì)算的要求，系統(tǒng)集成商決定采用第三方測(cè)量軟件。所選擇的軟件圖形界面發(fā)達(dá)，非常容易使用。最佳擬合計(jì)算的要求可以根據(jù)公差進(jìn)行調(diào)整，可以用在機(jī)身零件或者裝配當(dāng)中。傳統(tǒng)的最佳擬合功能需要用到零件所有的公差，因此擬合之前需要進(jìn)行多次迭代計(jì)算。圖10就是一個(gè)典型的副翼的詳細(xì)的工程設(shè)計(jì)和生產(chǎn)要求。這種情況下，四種不同的公差都需要進(jìn)行計(jì)算，最佳擬合需要基于這四種公差的計(jì)算。
圖10 副翼的詳細(xì)工程設(shè)計(jì)和生產(chǎn)要求
零線沿著x方向穿過(guò)定位副翼的兩個(gè)孔的中心。零線位于副翼上部的框架。最佳擬合計(jì)算時(shí)，零線應(yīng)歸零。副翼應(yīng)該只受到y(tǒng)方向的約束，在x和z方向可以自由地移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)。最佳擬合的目的是計(jì)算出一個(gè)最佳的匹配，以適應(yīng)公差帶范圍，這是當(dāng)今一個(gè)全新的應(yīng)用。最佳擬合的計(jì)算結(jié)果是：利用可調(diào)節(jié)的鉆孔模板鉆孔，利用攝影測(cè)量系統(tǒng)精確地調(diào)節(jié)位置，根據(jù)最佳擬合調(diào)整到理論位置時(shí)，鎖定模板位置。
基本上，當(dāng)副翼運(yùn)抵裝配車(chē)間時(shí)，就可以放到夾具中，用兩個(gè)孔進(jìn)行定位。需要根據(jù)最佳擬合的理論值做調(diào)整。這將有助于裝配夾具的擬合。
圖11 副翼的剖面圖及零點(diǎn)位置
案例研究總結(jié)
在SAAB航空復(fù)合材料車(chē)間的重建中，產(chǎn)品的生產(chǎn)將根據(jù)不同客戶的要求而制定。本文介紹的攝影測(cè)量系統(tǒng)，是許多新引進(jìn)技術(shù)之一，用以支持具體的生產(chǎn)目標(biāo)。攝影測(cè)量系統(tǒng)將是生產(chǎn)的一個(gè)環(huán)節(jié)，將用來(lái)處理很多不同的零件和裝配問(wèn)題。為了快速解決問(wèn)題，配套完善的車(chē)間團(tuán)隊(duì)是非常重要的。為了減少中斷，操作人員和工程師需要快速解決問(wèn)題。第三方軟件的最佳擬合計(jì)算將進(jìn)一步發(fā)展，以改善計(jì)算方法，并減少對(duì)輸出結(jié)果的影響。
本案例描述了生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)于新的便攜式測(cè)量系統(tǒng)的需求?，F(xiàn)在越來(lái)越多的測(cè)量系統(tǒng)被用于車(chē)間現(xiàn)場(chǎng)。便攜式高精度的測(cè)量系統(tǒng)正在取代傳統(tǒng)的工具，其更能適應(yīng)新的生產(chǎn)過(guò)程?！?/p>
