飛機(jī)鈑金零件由于其成型工藝的復(fù)雜性，制造過(guò)程匯集了許多種應(yīng)用科學(xué)。隨著數(shù)字化企業(yè)建設(shè)的深入推進(jìn)，數(shù)字化制造技術(shù)正逐步發(fā)展成為企業(yè)的核心技術(shù)，對(duì)于飛機(jī)鈑金件的檢測(cè)提出了更高的要求，使鈑金零件的數(shù)字化檢測(cè)成為一個(gè)綜合性很強(qiáng)的專業(yè)技術(shù)領(lǐng)域。

研究現(xiàn)狀

    傳統(tǒng)的鈑金檢測(cè)技術(shù)是通過(guò)模線、樣板等模擬量的形式將設(shè)計(jì)尺寸信息傳遞到工藝裝備及產(chǎn)品零件上。隨著數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用，航空產(chǎn)品從設(shè)計(jì)、工藝開始，逐漸將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的傳遞，通過(guò)數(shù)字化的測(cè)量設(shè)備將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與理論三維實(shí)體模型進(jìn)行比對(duì)分析，量值傳遞的精度高，檢測(cè)工作高效，由于減少了大量的工裝、樣板，制造成本得到大幅降低。

    航空鈑金零件的數(shù)字化設(shè)計(jì)、制造，為鈑金數(shù)字化檢測(cè)技術(shù)帶來(lái)了巨大的技術(shù)發(fā)展空間，只有數(shù)字化的檢測(cè)技術(shù)才能真正協(xié)助鈑金數(shù)字化制造向成熟發(fā)展。

數(shù)字化整體解決方案

    為了提升檢測(cè)效率、降低檢測(cè)成本，根據(jù)不同測(cè)量設(shè)備的有效測(cè)量范圍和精度，合理地將測(cè)量設(shè)備分配到不同的測(cè)量任務(wù)中（見(jiàn)圖1）。4m以下的中小尺寸工件檢測(cè)，使用關(guān)節(jié)臂測(cè)量機(jī)，體現(xiàn)了靈活性、高精度和低成本；而激光跟蹤儀在大尺寸工件的檢測(cè)領(lǐng)域又發(fā)揮了它專業(yè)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

    圖1 數(shù)字化整體解決方案

    1 激光跟蹤儀面向航空鈑金零件及模具數(shù)字化檢測(cè)的應(yīng)用

    鈑金零件及模具的檢測(cè)難點(diǎn)是大尺寸、大曲面、易變形、刻線多，不但要分析曲面及刻線的輪廓度、位置，還要進(jìn)行裝配特征的復(fù)合位置度計(jì)算評(píng)價(jià)。傳統(tǒng)的檢測(cè)方法必須制造一定的檢測(cè)樣板、卡板等，分成很多個(gè)檢測(cè)工序進(jìn)行，檢測(cè)精度低、效率低、工裝設(shè)計(jì)制造周期長(zhǎng)、成本高。

    激光跟蹤儀被譽(yù)為生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的“走動(dòng)式三坐標(biāo)”，在一個(gè)檢測(cè)工序中，將接觸式測(cè)量和非接觸式測(cè)量技術(shù)同時(shí)應(yīng)用在基準(zhǔn)特征（面、孔、槽、點(diǎn)、邊緣）、刻線、曲面等特征的專業(yè)檢測(cè)分析（見(jiàn)圖2）中。

    圖2 激光跟蹤儀測(cè)量鈑金模具

    應(yīng)用案例：測(cè)量時(shí)，先將3D實(shí)體模型導(dǎo)人測(cè)量軟件，利用激光跟蹤儀的標(biāo)準(zhǔn)靶鏡對(duì)模具上的25個(gè)基準(zhǔn)孔進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，軟件自動(dòng)將25個(gè)基準(zhǔn)孔的實(shí)測(cè)坐標(biāo)值與3D模型對(duì)應(yīng)孔的理論參數(shù)進(jìn)行比對(duì)、擬合計(jì)算，生成曲面工件的零件坐標(biāo)系。坐標(biāo)系建立后，操作人員可以直接使用接觸式測(cè)針對(duì)模具上的各種特征進(jìn)行檢測(cè)。

    對(duì)于孔、槽、曲面點(diǎn)、邊緣點(diǎn)等特征可以使用球形的紅寶石測(cè)針，根據(jù)特征的尺寸大小合理選擇測(cè)針直徑即可。而進(jìn)行刻線的檢測(cè)時(shí)，只需要更換成“尖”測(cè)針即可，這種測(cè)針前端非常尖銳，測(cè)量時(shí)，操作人員只需將測(cè)針“頂”入刻線內(nèi)即可，獲取實(shí)測(cè)點(diǎn)后，軟件會(huì)自動(dòng)將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與CAD模型理論線框曲線進(jìn)行比對(duì)，不但可以測(cè)量出工件線框的長(zhǎng)、寬、半徑等參數(shù)，還能綜合評(píng)價(jià)實(shí)際線框的整體位置在當(dāng)前坐標(biāo)系中的狀態(tài)，測(cè)量精度可以達(dá)到0.1mm左右。

    激光跟蹤儀上的線激光掃描測(cè)頭能夠?qū)崿F(xiàn)鈑金零件大尺寸曲面的快速、高精度檢測(cè)。檢測(cè)人員可以手持激光掃描測(cè)頭，靈活地在工件各個(gè)方位對(duì)曲面進(jìn)行掃描，短時(shí)間內(nèi)就能獲取幾百萬(wàn)個(gè)曲面點(diǎn)，大量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)會(huì)自動(dòng)記錄到測(cè)量軟件中，與3D實(shí)體模型進(jìn)行實(shí)時(shí)的分析比對(duì)。為了準(zhǔn)確、直觀地反應(yīng)鈑金曲面的整體狀態(tài)，軟件能夠結(jié)合CAD模型輸出3D的色差圖，通過(guò)CAD模型上圖形報(bào)告的不同顏色，技術(shù)人員可以輕松、直觀、準(zhǔn)確地分析出工件的曲面輪廓度狀態(tài)（機(jī)翼蒙皮曲面輪廓度分析，見(jiàn)圖3）。

    圖3 機(jī)翼蒙皮曲面輪廓度分析

    激光掃描測(cè)量的方法非常適用于大尺寸復(fù)合材料壁板零件的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。只要激光跟蹤儀的主機(jī)站位規(guī)劃合理（基本上在一個(gè)站位上）就可以實(shí)現(xiàn)壁板的外曲面和內(nèi)曲面的掃描，測(cè)量后整體點(diǎn)云數(shù)據(jù)輸出到測(cè)量軟件中，軟件可以根據(jù)圖紙指定的坐標(biāo)進(jìn)行截面分析（見(jiàn)圖4），通過(guò)截面數(shù)據(jù)的分析，不但可以輸出壁板各個(gè)位置的厚度值，也可以獲得最大厚度的坐標(biāo)范圍。充分體現(xiàn)了激光跟蹤儀在航空鈑金材料檢測(cè)方面的高精度、高效率的特點(diǎn)。

    圖4 鈑金件廓度色差圖分析

    為了進(jìn)一步提高現(xiàn)場(chǎng)的檢測(cè)效率，激光跟蹤儀的6D測(cè)頭可以加裝在機(jī)械臂或龍門框架的工作終端，機(jī)械臂或龍門框架系統(tǒng)的定位精度并不重要，它們只做為自動(dòng)定位的執(zhí)行端，測(cè)頭的最終精度由激光跟蹤儀的6D測(cè)頭來(lái)決定。在飛機(jī)鈑金模具、鈑金零件、復(fù)合材料工裝及零件的快速檢測(cè)領(lǐng)域有很大的應(yīng)用空間。

激光雷達(dá)完成大曲面快速檢測(cè)

    激光雷達(dá)適宜于大尺寸易變形工件的非接觸式測(cè)量�？梢钥焖俚孬@取工件表面的實(shí)測(cè)點(diǎn)和幾何特征，與CAD模型進(jìn)行三維比對(duì)分析。測(cè)量大尺寸的幾何外形時(shí)不需要粘貼圓形的靶點(diǎn)貼片，也不需要安裝反射棱鏡或探頭。比如，激光雷達(dá)可以完成對(duì)航空鈑金件數(shù)以百計(jì)的小孔和邊緣特征的快速檢測(cè)和特殊識(shí)別。尤其對(duì)于顏色深暗的物體表面及高亮度的物體表面，無(wú)需使用特殊的表面噴涂處理即可準(zhǔn)確反饋點(diǎn)數(shù)據(jù)。激光雷達(dá)非常適合工件單面檢測(cè)的情況，如果工件的正、反面都要檢測(cè)，設(shè)備就需要進(jìn)行轉(zhuǎn)站及后期的點(diǎn)云拼接處理。

在機(jī)測(cè)量技術(shù)協(xié)助鈑金零件制造過(guò)程質(zhì)量監(jiān)控

    目前，鈑金零件數(shù)控加工后大都必須從機(jī)床上卸下來(lái)，放置到三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)上進(jìn)行數(shù)字化檢測(cè)。由于鈑金件極易變形，尤其是隨著復(fù)合材料在航空領(lǐng)域的大量應(yīng)用，鈑金件的尺寸越來(lái)越大，加工后，即使是帶著夾具到三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)上檢測(cè)，變形帶來(lái)的測(cè)量誤差仍是技術(shù)人員無(wú)法避免的。

    在機(jī)測(cè)量技術(shù)給大尺寸鈑金件數(shù)控加工質(zhì)量檢測(cè)提供了專業(yè)的解決方案。簡(jiǎn)單地講，“在機(jī)測(cè)量”就是在現(xiàn)有的數(shù)控加工設(shè)備上增加測(cè)頭和測(cè)量軟件，工件無(wú)需離開機(jī)床，直接調(diào)用測(cè)頭，在工件表面進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)量值直接與理論文件（坐標(biāo)文件、3D CAD文件）進(jìn)行比對(duì)分析即可。

    由于航空材料都相對(duì)昂貴，如果在數(shù)控加工過(guò)程中，在適當(dāng)?shù)墓ば蜷g增加在機(jī)測(cè)量工序，工藝人員就能及時(shí)發(fā)現(xiàn)加工過(guò)程中出現(xiàn)的偏差問(wèn)題，在還有一定加工余量的時(shí)候，及時(shí)調(diào)整后續(xù)工序的加工參數(shù)，最終下線鈑金件的合格品率將會(huì)有很大的提高（見(jiàn)圖5）。

    圖5 數(shù)控加工在機(jī)測(cè)量

    這種測(cè)量技術(shù)不但可以應(yīng)用在加工過(guò)程的質(zhì)量監(jiān)控過(guò)程中，對(duì)于大型復(fù)合材料銑削加工，也能實(shí)現(xiàn)機(jī)床上的最終尺寸檢測(cè)工作。與過(guò)程檢測(cè)不同的是，如果需要在加工機(jī)床上進(jìn)行最終尺寸確認(rèn)，必須引入樣件比對(duì)的控制流程：實(shí)現(xiàn)針對(duì)工件的被測(cè)元素情況設(shè)計(jì)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)樣件，該樣件必須在專業(yè)的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)上對(duì)各種關(guān)鍵特征進(jìn)行檢測(cè)評(píng)價(jià)，計(jì)量報(bào)告將作為量值傳遞的依據(jù)。機(jī)床完成加工任務(wù)，在執(zhí)行最終檢測(cè)時(shí)，需要先在指定的位置對(duì)標(biāo)準(zhǔn)樣件進(jìn)行檢測(cè)，機(jī)床對(duì)樣件的檢測(cè)報(bào)告需要與計(jì)量報(bào)告進(jìn)行比對(duì)，偏差值滿足一定精度要求的時(shí)候，表明機(jī)床精度狀態(tài)正常，這時(shí)才能開始機(jī)床上的最終尺寸檢測(cè)，以保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性和有效性。將在機(jī)測(cè)量技術(shù)應(yīng)用到航空大尺寸的鈑金件和復(fù)合材料件的加工監(jiān)控過(guò)程和最終全尺寸檢測(cè)，質(zhì)檢部門無(wú)需在增加超大型三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，大大降低了檢測(cè)成本。制造過(guò)程的數(shù)據(jù)采集、反饋，為工藝部門調(diào)整加工參數(shù)、優(yōu)化工藝方法提供了全面、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)信息，大大提高了鈑金件數(shù)控加工的合格品率。

管件數(shù)字化檢測(cè)系統(tǒng)

    航空管件的規(guī)格差異很大，小到油路管件、控制線纜管路，大到排氣管等，類型也很復(fù)雜，往往空間彎曲變化很大。關(guān)節(jié)臂三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)以其高精度、高靈活性被廣泛地應(yīng)用于航空管件的測(cè)量領(lǐng)域。

    關(guān)節(jié)臂三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)可以直接測(cè)量并進(jìn)行L＼R＼A(Y＼B＼C)、管件加工后的回彈量、彎曲半徑、管件總長(zhǎng)、管件交點(diǎn)偏差＼L＼R＼A(Y＼B＼C)等專業(yè)參數(shù)的分析評(píng)價(jià)。這種設(shè)備不但可以完成檢驗(yàn)室內(nèi)的管件測(cè)量任務(wù)，對(duì)于大尺寸的工件，關(guān)節(jié)臂測(cè)量機(jī)還可以方便地放置在現(xiàn)場(chǎng)，完成大尺寸管件的測(cè)量工作。關(guān)節(jié)臂測(cè)量機(jī)也可以作為數(shù)控彎管機(jī)的配套設(shè)備，主要用來(lái)測(cè)量成形彎管或模型管的幾何參數(shù)，在數(shù)控彎管加工中存在回彈誤差，無(wú)法用解析法或數(shù)值法進(jìn)行修正，目前最好的補(bǔ)償方法是采用管件檢測(cè)系統(tǒng)在加工現(xiàn)場(chǎng)對(duì)彎管直接測(cè)量，測(cè)量結(jié)果與設(shè)計(jì)圖紙數(shù)據(jù)比較，將其誤差反饋給彎管機(jī)，修改數(shù)控加工代碼，使后續(xù)加工件盡快與圖紙吻合，滿足精度要求，降低加工成本。

結(jié)束語(yǔ)

    鈑金件的數(shù)字化整體測(cè)量方案，不但解決了大尺寸鈑金零件、復(fù)合材料零部件的現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)問(wèn)題，同時(shí)在數(shù)控加工過(guò)程為工藝、制造部門及時(shí)反饋加工過(guò)程的數(shù)據(jù)信息，真正實(shí)現(xiàn)了數(shù)控加工過(guò)程的質(zhì)量監(jiān)控。從過(guò)程到最終尺寸、從小尺寸到大跨距尺寸、從標(biāo)準(zhǔn)幾何特征到曲面分析等方面提供了鈑金件高精度、高效率的數(shù)字化檢測(cè)方案。 

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