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前些日子出来的运-20官方宣传片真的是惊爆眼球了有木有!这款大型运输机被称为中国的上古神兽——鲲鹏,可见其运载能力、体积和起飞质量之大。对于飞机这个大家伙,它身上采用了大量的大型、超大型零件,而且这些零件的生产加工精度和装配精度都必须遵循非常严苛的标准。

“鲲鹏”运20其背几千里:浅析大尺寸测量技术

图 1 号称“大国鲲鹏”的运-20

概括来说,就是测量的尺寸很大,而且精度还得很高,在先进航空制造领域,这成为一个不小的挑战;因此,必须采用一定的测量方法来解决测量的困难,同时提高系统的检测精度。那么下面就跟小编一起来了解一下大尺寸零件的测量技术吧。

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图 2 无处不在的测量技术

1.大尺寸测量的概念与特性

空间大尺寸测量技术在现代装备制造业中已经成为重要的基础,但由于这些被测物体的一些自身特点,大尺寸测量技术的特点可以概括成以下几点。

1被测构件的外形尺寸较大

大尺寸结构件的外形尺寸通常较大,其外形尺寸的范围大部分在十几米到几十米之间,有的可达上百米,如大型飞机外表面的测量范围通常在30~80m。

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图 3 大型飞机巨大而复杂形状的外表面

2测量精度要求相对较高,传递误差较大

一般而言,能够进行大尺寸测量的仪器其工作距离也较大,由于存在分辨率误差,测量误差随着测量距离的增大而变大,随之误差不断积累最终会影响整体的测量误差;另外大尺寸结构件测量的精度要求较高,例如某型飞机测量空间约为65m×60m×20m,翼型法向测量精度要求控制在0.1mm,部件结构精度要求为0.5mm。

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图 4 大尺寸测量具有大工作距离和高精度

3现有的测量方法专用型强,效率低

大尺寸结构件的测量正朝着数字化方向发展,要求测量速度快、效率高。目前大尺寸结构件的测量方法效率较低,例如利用现有的测量方法,在各种环境条件较为稳定的室内环境中,实现对大型飞机整机的测量还需要大约10天左右,在室外几乎做不到。

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图 5 波音宽体飞机在室内总装测量厂房

2. 大尺寸测量系统

目前国内外制造业中较为常用的大尺寸结构件测量系统主要有:经纬仪测量系统、全站仪极坐标测量系统以及激光跟踪测量系统。

1经纬仪测量系统

经纬仪测量系统是由两台及以上的高精度电子经纬仪、标准尺、通讯接口、联机电缆及微型计算机等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较早的一种系统。

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图 6 经纬仪测量系统

经纬仪测量系统的测量方式属于光学非接触式测量,其优点是测量范围较大(可达十几米),测量现场的环境对精度的影响较小。但是经纬仪测量系统需要两台及以上的仪器配合测量且两台仪器之间需要通视,所以被测工件的被测点数较多时测量效率低,而且数据处理方法复杂,测量精度也相对不高。

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图 7 经纬仪测量原理

2全站仪极坐标测量系统

全站仪是一种快速电子测量仪器,可以同时测得被测点的距离与角度信息,其用户坐标测量坐标系是空间极(球)坐标,全站仪是测绘行业应用最广的一种坐标测量机。

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图 8 全站仪极坐标测量系统

全站仪坐标测量系统利用单台仪器即可获得被测点的空间坐标值,仪器设站非常方便和灵活,测程较远,特别适合于测量范围大的情况。但全站仪测量系统必须配合合作目标才能进行测量工作,所以无法直接测得目标点的空间坐标值。由于仪器存在最小测量距离,使其在较小的空间测量时相对测距精度较低。

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图 9 全站仪极坐标测量原理

3激光跟踪测量系统

激光跟踪测量系统(Laser Tracker System)是由单台或多台激光跟踪仪构成的坐标测量系统,是一种精度较高的大尺寸测量系统,激光跟踪仪的测量原理和全站仪一样,只是两者的测距方式不同。激光跟踪仪的测距方式为单频激光干涉测距,可测量空间目标的空间三维坐标。

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图 10 激光跟踪测量系统

激光跟踪测量系统具有测量精度高、测量范围大、测点效率高、携带方便和安装简便等特点,比较适合于大尺寸结构件的测量。激光跟踪测量系统虽然改进了瞄准系统实现了自动跟踪,但是需要人工移动合作目标,沿着既定剖面轨迹扫面且一次测量一个曲面,对多面形位误差的测量需要在合作目标的配合下采取转站测量的方法,效率低误差大。

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图 11 激光跟踪测量系统原理图

3.在航空制造中的应用

目前,大尺寸测量系统及技术在国内外航空制造行业得到了广泛的应用,利用数字化的测量设备及技术,结合其他先进的工艺与技术,对飞机的零件加工、工装制造、部件装配和总装对接等各个阶段进行准确操作和严格检测。

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图 12 飞机厂房内的尺寸测量设备

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图 13 大尺寸测量在飞机制造中的应用阶段

1产品及工装性能验证

产品及工装的几何尺寸和形位误差的检测是保证整套机械产品质量的关键。相对于传统的检测工具,大尺寸测量系统具有量程大、精度高、机动灵活等优点,可以对零部件的精度特别是关键特性进行快速验证。

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图 14 激光跟踪测量系统检验飞机壳体加工精度

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图 15 激光跟踪测量系统检验飞机壳体加工精度

2大型机床的空间误差检定及补偿

飞机壁板、梁框等大型构件的加工需要使用大型多轴数控机床。由于滚珠丝杠及齿轮的磨损、金属疲劳等因素会使机床工作时产生误差,大型机床需进行定期调校。传统的21项误差补偿法耗时且效率不高;美国国家制造科学中心研究开发了空间误差补偿技术,可大幅减小因仪器安装等因素造成的额外误差提升效率的同时降低热漂移带来的影响。

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图 16 基于大尺寸测量系统的大型机床调校

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图 17 T3激光跟踪仪的机床空间误差补偿系统

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图 18 空间误差补偿原理示意图

1大尺寸制造系统的在机检测

在机检测技术指测量仪器进入生产现场、融入生产线、监控生产过程,在机床上进行测量,可以方便工件的安装调整,减少搬运装卸次数,提高生产效率,并及时发现制造过程中的问题,通过调整加工工艺参数和引入误差补偿等措施及时修正问题。

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图 19 飞机在机检测设备协同工作

三菱重工承担的波音787机翼蒙皮生产系统中,将两台激光雷达放在水切割龙门架上,边切割边测量,形成自动化的闭环制造系统,大大提高了生产效率和精度。

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图 20 波音787机翼蒙皮水切割激光雷达

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图 21 激光跟踪测量系统与切割系统协同工作

4机器人位姿标定与测量

机器人技术已在飞机大型零部件的自动钻铆、激光焊接、表面材料涂覆、复合材料加工、自动化装配中得到较广泛的应用。在这些应用中,为提高机器人操作臂的绝对定位精度,标定是必须的步骤。机器人标定是指利用先进的测量手段和基于模型的参数识别方法辨识出机器人模型的准确参数,从而提高机器人的绝对精度。标定过程中,测量手段是一个极其重要的因素,大尺寸测量系统,如CCD照相测量系统、激光跟踪测量系统等,都广泛应用于工业机器人的标定。

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图 22 CCD照相测量系统用于机器臂的定位

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图 23 激光跟踪测量系统协助机器臂的加工工作

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图 24 具备自动标定功能的大型齿轮加工机床

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先进航空发动机研发,GE坚持这一技术已经40年了。。。

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