摘要：本文介紹了便攜式攝影測量系統(tǒng)被集成在一個生產(chǎn)流程中，用于機身碳纖維復合材料部件的幾何形狀和工藝的尺寸控制，并將其進一步延伸應用。攝影測量系統(tǒng)的三維空間長度精度可達0.03毫米，其精度高于實際生產(chǎn)要求達20倍。
本文的研究的重點問題是：攝影測量技術有什么優(yōu)勢，攝影測量系統(tǒng)如何取代或減少傳統(tǒng)的專用工具，控制生產(chǎn)過程，減少碳纖維復合材料部件的報廢和返工。
尋求合適的便攜式坐標測量系統(tǒng)在瑞典的SAAB航空，正在重建一個新的復合材料車間。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量設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)時間。
當今，幾何計量領域的發(fā)展是基于客戶對于高精度的需求，工業(yè)測量系統(tǒng)正被集成于生產(chǎn)系統(tǒng)當中。新的測量系統(tǒng)主要用于取代舊的傳統(tǒng)的專用工具。傳統(tǒng)工具的使用還是較為普遍的，但由于測量技術的創(chuàng)新和3D模型的引入，其正在逐步被取代。便攜式測量系統(tǒng)正在被廣泛的應用于航空、汽車等行業(yè)，主要概括為以下幾點
（1）總體上看，便攜式坐標測量系統(tǒng)具有精度高、可靠、快速等特點，應在新項目中取代傳統(tǒng)的專用工具。
（2）客戶要求?？湛团c波音公司要求使用坐標測量機（CMM）和便攜式坐標測量機（PCMM）系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的專用測量工具。
（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，所有的設計必須數(shù)字化，成為一個數(shù)字模型。在現(xiàn)場就需要便攜式高精度測量系統(tǒng), 也需要一個良好的數(shù)據(jù)載體，以承載所有的數(shù)字數(shù)據(jù)。
工業(yè)測量系統(tǒng)包括一直以來使用的傳統(tǒng)技術，也包含各種新技術。例如：攝影測量系統(tǒng)、激光跟蹤系統(tǒng)、便攜式測量臂、激光雷達等，測量精度范圍大約為20μm到100μm。SAAB航空考察了各種三坐標測量系統(tǒng)，最后得出的結論是：“根據(jù)其航空構件，包括機翼、方向舵、翼梁、副翼和檢修門的工程和生產(chǎn)工藝要求，調研的攝影測量系統(tǒng)是實用的，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相比，便攜性較好。具體考察的攝影測量系統(tǒng)非常適用于測量機身部件”。
SAAB航空將攝影測量系統(tǒng)應用到復合材料副翼的生產(chǎn)，實現(xiàn)了“靈巧制造”
下面詳細介紹了攝影測量系統(tǒng)，并結合SAAB航空復合材料車間的應用，以副翼幾何形狀的工藝控制作為一個示例。
總體測量過程描述
幾何測量過程的概念很簡單。首先，副翼的幾何尺寸必須要滿足設計和生產(chǎn)規(guī)定的公差。然后，要根據(jù)基準尺寸建立一個坐標系，以獲得一個最佳擬合對齊。用攝影測量系統(tǒng)測量基準元素，生成一個最佳擬合對齊，使測量結果滿足測量公差。所有這些功能都集成在系統(tǒng)和軟件中。最后，經(jīng)過最佳擬合計算之后，用測量系統(tǒng)來定位鉆孔模板，在夾具上鉆孔，孔位達到最佳位置后，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到最佳尺寸，不會產(chǎn)生廢品。副翼的碳纖維復合材料的形狀控制
之所以要對副翼的制造工藝進行重新設計，主要是為了提高產(chǎn)量，縮短時間和最大限度地減少生產(chǎn)流程的中斷。之前，副翼的設計及成品副翼的尺寸及功能控制都是由常規(guī)的專用夾具來實現(xiàn)的。副翼用四個可調節(jié)的輪廓板固定在夾具上。這些輪廓板還要用來做最佳擬合。輪廓板在使用時需要進行不斷地安裝和拆卸。重新設計的副翼裝配方法可以提高生產(chǎn)率。每個艙體包含兩個副翼。副翼運輸給客戶時必須成對出現(xiàn)，一個左翼，一個右翼。目前的生產(chǎn)計劃需要四個夾具——兩個左翼夾具和兩個右翼夾具。為了讓生產(chǎn)流程更加順利，必須優(yōu)化機身裝配環(huán)境。早期副翼的生產(chǎn)很費時間，主要原因有以下幾點：
（1）機身的形狀控制需要時間，如果遇到MRB問題，為了保證交貨期，還需要延遲一個小時。
（2）副翼輪廓需要根據(jù)夾具輪廓板來調節(jié)，這項工作很費時間，而且與操作者技巧有很大關系。
（3）副翼框架內的支撐架的調整需要除去毛刺，這也需要額外的時間?？偨Y上述問題，為了提出一個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）重新設計的副翼碳纖維復合框架在運送到機身裝配車間之前需要經(jīng)過幾何尺寸驗證，這將減少機身組裝過程的成本和工時，確保一個流暢的成產(chǎn)流程。
（2）副翼的碳纖維復合框架將進行幾何尺寸驗證，機身組裝的第一階段將組裝內部支撐架。這些將為以后的裝配提供保證。
（3）用攝影測量系統(tǒng)建立一個最佳擬合，確定兩個定位孔的位置并進行鉆孔，這將避免繁瑣的調整工作。復合框架到達機身裝配車間時，可直接放到夾具中去。
圖1就是總體工作和分析過程，如果設計值和生產(chǎn)工藝要求出現(xiàn)偏差，就需要驗證工件的生產(chǎn)和裝配過程。
圖1 總體工作和分析過程
攝影測量系統(tǒng)
新的攝影測量系統(tǒng)來自于挪威邁卓諾測量系統(tǒng)有限公司（Metronor AS），由一套邁卓諾雙相機測量系統(tǒng)配套PowerINSPECT測量軟件和SPC統(tǒng)計分析模塊組成。攝影測量系統(tǒng)采用兩個攝像機來捕捉鑲嵌在一個輕型手持裝置（被稱為光筆）上的LED光靶的空間坐標，得出光筆的位置和姿態(tài)。而被測點，即光筆接觸點的坐標就可以唯一確定并被精確計算出來。 系統(tǒng)的測量精度可達0.02毫米，距離可達20米。它適合測量中等尺寸零件，而且可用于各種不同場合，比如可以用于車間現(xiàn)場對產(chǎn)品進行驗證。攝影測量系統(tǒng)將被應用于復合材料產(chǎn)品生產(chǎn)線的最后一個環(huán)節(jié)——對于復合材料細節(jié)的形狀保證。圖（2~3）就是邁卓諾雙相機系統(tǒng)。
圖2 兩個相機捕捉鑲嵌在光筆上的LED 圖3 攝影測量系統(tǒng)及其附件
從初步研究到最后安裝圖（4~6）顯示了攝影測量技術的最初研究。從早期的最初概念到系統(tǒng)的功能定義。
圖4 測量的概念和演示 圖5 PCMM測量方案的數(shù)字模型
圖6 PCMM測量方案的實施
柔性測量夾具的發(fā)展
測量夾具從設計，研發(fā)到安裝大概花了六周時間。副翼應該很容易地放進測量夾具中。測量夾具是用鋁制標準框架組裝，所有接觸點均為球形。副翼的一個定位孔被用來約束x方向。夾具安放在一個裝有輪子的推車上，可以自由地進出測量室。推車可以用三個支撐腿固定，并且可以調節(jié)平衡。見圖（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整xy坐標，并在正確的位置鎖定
攝影測量系統(tǒng)軟件及測量程序的創(chuàng)建
為了提高副翼表面點測量的精確度，需要建立一個測量流程，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量點具有很好的重復性，并且可以用SPC進行精確統(tǒng)計。測量程序會按照時間順序形成一個測量點的序列，生成一個副翼檢測的模板化的標準測量流程。
軟件的選擇可以依據(jù)客戶的需求。系統(tǒng)集成商對自己的軟件非常了解，開發(fā)了友好的軟件界面。由于最佳擬合計算的要求，系統(tǒng)集成商決定采用第三方測量軟件。所選擇的軟件圖形界面發(fā)達，非常容易使用。最佳擬合計算的要求可以根據(jù)公差進行調整，可以用在機身零件或者裝配當中。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行多次迭代計算。圖10就是一個典型的副翼的詳細的工程設計和生產(chǎn)要求。這種情況下，四種不同的公差都需要進行計算，最佳擬合需要基于這四種公差的計算。
圖10 副翼的詳細工程設計和生產(chǎn)要求
零線沿著x方向穿過定位副翼的兩個孔的中心。零線位于副翼上部的框架。最佳擬合計算時，零線應歸零。副翼應該只受到y(tǒng)方向的約束，在x和z方向可以自由地移動和旋轉。最佳擬合的目的是計算出一個最佳的匹配，以適應公差帶范圍，這是當今一個全新的應用。最佳擬合的計算結果是：利用可調節(jié)的鉆孔模板鉆孔，利用攝影測量系統(tǒng)精確地調節(jié)位置，根據(jù)最佳擬合調整到理論位置時，鎖定模板位置。
基本上，當副翼運抵裝配車間時，就可以放到夾具中，用兩個孔進行定位。需要根據(jù)最佳擬合的理論值做調整。這將有助于裝配夾具的擬合。
圖11 副翼的剖面圖及零點位置
案例研究總結
在SAAB航空復合材料車間的重建中，產(chǎn)品的生產(chǎn)將根據(jù)不同客戶的要求而制定。本文介紹的攝影測量系統(tǒng)，是許多新引進技術之一，用以支持具體的生產(chǎn)目標。攝影測量系統(tǒng)將是生產(chǎn)的一個環(huán)節(jié)，將用來處理很多不同的零件和裝配問題。為了快速解決問題，配套完善的車間團隊是非常重要的。為了減少中斷，操作人員和工程師需要快速解決問題。第三方軟件的最佳擬合計算將進一步發(fā)展，以改善計算方法，并減少對輸出結果的影響。
本案例描述了生產(chǎn)過程中對于新的便攜式測量系統(tǒng)的需求?，F(xiàn)在越來越多的測量系統(tǒng)被用于車間現(xiàn)場。便攜式高精度的測量系統(tǒng)正在取代傳統(tǒng)的工具，其更能適應新的生產(chǎn)過程?！?/p>
