《南京航空航天大学学报》：飞机大尺寸自动化柔性测量技术研究进展（汪俊、李红卫）

第52卷第3期 南京航空航天大学学报 Vol. 52 No. 3 年6月 Journal of Nanjing University of Aeronautics &.Astronautics Jun.2020 DO1:10.16356/1-1005-2615.2020.03.002 飞机大尺寸自动化柔性测量技术研究进展 汪俊1,李红卫2 (1.南京航空航天大学机电学院,南京,210016;2.航空工业西安飞机工业(集团)有限责任公司,西安,710089) 摘要:飞机大尺寸零部件具有结构复杂、外形尺寸大等特点。传统的单一测量手段如激光跟踪仪,因测量效率低 等问題,越来越难以满足飞机智能制造的高精度、高效率的测量需求。大尺寸自动化柔性测量技术作为一种新 兴的组合式测量方法,突破了单一测量设备测量效率低的难題,以其高精度、高效率测量的优势,在航空测量领 域展现了极强的发展应用前景。针对飞机制造过程中大尺寸自动化柔性测量技术的研究,本文首先综述了飞机 大尺寸测量场构建的相关进展。其次,介绍了自动化柔性扫描路径规划的研究选展。然后,列举了柔性仳测量 在飞机蒙皮间隙测量、整机水平测量和数宇化预装配等方面的应用现状。最终总结得出,飞机自动化柔性大尺 寸测量技术的研究对提高飞机制造过程中的质量控制具有重要的实际意义。 关键词:大尺寸测量;柔性化测量;测量场;扫描路径规划 中图分类号:V2624文献标志码:A文章编号:1005-2615(2020)03-0353-10 Aircraft Large-Scale automation Flexible Measurement Technology WANG Jun', LI Hongw'er (1. College of Mechanical and Electrical Engineering, Nanjing University of Aeronautics & Astronautics, Nanjing, 210016 China: 2. AVIC Xi'an Aircraft Industry( Group) Company LTD, Xi'an. 710089, China) Abstract: Aircraft parts have the characteristics of large size and complex structure. The traditional single measurement method, such as laser tracker, is more and more difficult to meet the needs of high precision and high efficiency measurement of aircraft intelligent manufacturing due to the low efficiency of measurement. As a new combined measurement method, the flexible measurement technology of large-scale measurement has broken through the problem of low measurement efficiency of single measurement equipment. With its advantages of high precision and high efficiency measurement, it has shown a strong development and application prospect in the field of aviation measurement. Aiming at the research of automatic flexible large scale measurement technology in the aircraft manufacturing process, this paper first summarizes the relevant progress of aircraft measurement field construction. Secondly, the research progress of flexible automatic scanning path planning is introduced. Then, the application status of flexible measurement in the measurement of aircraft skin clearance, overall level measurement and digital preassembly are listed. Finally the research of aircraft automatic flexible large-scale measurement technology is of great practical significance to improve the quality control of aircraft manufacturing process Key words: large-scale measurement; flexible measurement; measurement field; scanning path planning 随着数字化测量技术越来越多地应用到航空制造领域,人工操作测量仪器已经不能满足飞机脉 基金项目:江苏省杰出青年基金(BK20190016)资助项目 收稿日期:2020-0402;修订日期:202005-01 作者简介:汪俊,男,教授,博士生导师,研究方向:大尺寸测量。中组部青年千人,省“双创计划”人才,江苏省 通信作者:汪俊,E-mail:wjun@Nuaa.edu.cno 引用格式:汪俊,李红卫.飞机大尺寸自动化柔性测量技术研究进展[J].南京航空航天大学学报,2020,52(3):353-362 WANG Jun, LI Hongwei. Aircraft large-scale automation flexible measurement technology [J]. Journal of Nanjing Univer sity of Aeronautics &. Astronautics, 2020. 52(3): 353-362

第 52 卷第 3 期 2020 年 6 月 Vol. 52 No. 3 Jun. 2020 南 京 航 空 航 天 大 学 学 报 Journal of Nanjing University of Aeronautics & Astronautics 飞机大尺寸自动化柔性测量技术研究进展 汪 俊 1 ，李红卫 2 （1.南京航空航天大学机电学院，南京，210016；2.航空工业西安飞机工业（集团）有限责任公司，西安，710089） 摘要：飞机大尺寸零部件具有结构复杂、外形尺寸大等特点。传统的单一测量手段如激光跟踪仪，因测量效率低 等问题，越来越难以满足飞机智能制造的高精度、高效率的测量需求。大尺寸自动化柔性测量技术作为一种新 兴的组合式测量方法，突破了单一测量设备测量效率低的难题，以其高精度、高效率测量的优势，在航空测量领 域展现了极强的发展应用前景。针对飞机制造过程中大尺寸自动化柔性测量技术的研究，本文首先综述了飞机 大尺寸测量场构建的相关进展。其次，介绍了自动化柔性扫描路径规划的研究进展。然后，列举了柔性化测量 在飞机蒙皮间隙测量、整机水平测量和数字化预装配等方面的应用现状。最终总结得出，飞机自动化柔性大尺 寸测量技术的研究对提高飞机制造过程中的质量控制具有重要的实际意义。 关键词：大尺寸测量；柔性化测量；测量场；扫描路径规划 中图分类号：V262.4 文献标志码：A 文章编号：1005‑2615（2020）03‑0353‑10 Aircraft Large‑Scale Automation Flexible Measurement Technology WANG Jun1 ，LI Hongwei2 （1. College of Mechanical and Electrical Engineering，Nanjing University of Aeronautics & Astronautics，Nanjing，210016， China；2. AVIC Xi’an Aircraft Industry（Group）Company LTD，Xi’an，710089，China） Abstract: Aircraft parts have the characteristics of large size and complex structure. The traditional single measurement method，such as laser tracker，is more and more difficult to meet the needs of high precision and high efficiency measurement of aircraft intelligent manufacturing due to the low efficiency of measurement. As a new combined measurement method，the flexible measurement technology of large-scale measurement has broken through the problem of low measurement efficiency of single measurement equipment. With its advantages of high precision and high efficiency measurement，it has shown a strong development and application prospect in the field of aviation measurement. Aiming at the research of automatic flexible large￾scale measurement technology in the aircraft manufacturing process，this paper first summarizes the relevant progress of aircraft measurement field construction. Secondly，the research progress of flexible automatic scanning path planning is introduced. Then， the application status of flexible measurement in the measurement of aircraft skin clearance，overall level measurement and digital preassembly are listed. Finally， the research of aircraft automatic flexible large-scale measurement technology is of great practical significance to improve the quality control of aircraft manufacturing process. Key words: large-scale measurement；flexible measurement；measurement field；scanning path planning 随着数字化测量技术越来越多地应用到航空 制造领域，人工操作测量仪器已经不能满足飞机脉 DOI：10. 16356/j. 1005‑2615. 2020. 03. 002 基金项目：江苏省杰出青年基金（BK20190016）资助项目。 收稿日期：2020‑04‑02；修订日期：2020‑05‑01 作者简介：汪俊，男，教授，博士生导师，研究方向：大尺寸测量。中组部青年千人，省“双创计划”人才，江苏省特聘教授。 通信作者：汪俊，E-mail：wjun@nuaa.edu.cn。 引用格式：汪俊，李红卫 . 飞机大尺寸自动化柔性测量技术研究进展［J］. 南京航空航天大学学报，2020，52（3）：353‑362. WANG Jun，LI Hongwei. Aircraft large-scale automation flexible measurement technology［J］. Journal of Nanjing Univer‑ sity of Aeronautics & Astronautics，2020，52（3）：353‑362

南京航空航天大学学报 第52卷 动生产的效率要求。另外,单一测量设备构成的测量基准点选择优化方法和一种在带集合位置约束 量系统,也越来越难以满足飞机大尺寸零部件的高的以转战参数误差不确定度最小为目标的激光跟 精度测量需求。因此,为了能够满足航空制造企业踪仪位置优化方法。Jang等通过对扫描测量末 不断提升的测量要求及灵活多变的测量需求,面向端上的全局跟踪标记点进行研究,提出了一种由5 大尺寸零部件的柔性化测量系统被提了出来。相个离散标记点组成的标记点系统,进而构建了一个 比于传统且单一的测量手段,自动化柔性测量可以由双相机与激光扫描仪组成的测量系统。该系统 大幅度提高测量精度与测量效率。近些年来,大利用双目视觉原理对测量末端上的标记点系统进 尺寸的自动化扫描测量已经成为了当前航空制造行跟踪,且标记点制作简便,能在短时间内构建起 领域研究的热点问题。为了实现飞机大尺寸零部测量场。 件的自动化柔性测量,需要对大尺寸、高精度和组 针对大尺寸飞机装配过程中柔性测量的隐藏 合测量理论方法进行研究,涉及流动式全局测量误点和盲区等问题杜福洲等提出了面向柔性装配 差控制技术、多源测量传感器数据融合与快速处理的多测量系统,并开发了一套软件原型系统,提高 技术、扫描测量智能路径分析技术等,才能最终实了测量过程中的测量效率和测量精度。于浩等 现飞机制造现场的多维度多层级的柔性化组合测针对大型复杂产品检测具有的多尺度特征并存、多 量应用。 源测量数据融合特点,提出一种基于组合测量的大 针对大尺寸飞机在制造过程中的测量问题,本 尺度产品柔性检测技术。对柔性测量单元测量精 文总结了自动化柔性测量的几个主要研究步骤,分度优化问题进行建模,分析其在固定站位下的测量 别是基于柔性测量单元,根据给定的测量对象,在空间范围及测量精度分布。同时为了实现大尺寸 事先构建好的大尺寸测量场中,自主规划测量路产品的自动化柔性检测,构建了高精度的柔性测量 径完成测量数据的采集,最后对测量数据进行有单元,该单元具有广域移动局域精准执行与末端 效分析。因此,本文将从以下3个方面对飞机自动高精度等特点。最后采用K均值聚类分析实现测 化柔性大尺寸测量技术进行梳理:飞机大尺寸测量 量站位规划,设计基于测量数据反馈的自适应控制 场构建,自动化扫描测量路径规划及测量点云数据 策略。图1是大尺度产品柔性测量场景中柔性检 分析与应用。为面向飞机制造过程中大尺寸自动测系统的构成。 测量场的精度是最为重要的内容,如何保证构 化测量技术的应用提供参考 建的测量场的整体精度能符合最终测量精度的要 1飞机大尺寸测量场构建 求,一直是大尺寸测量领域的研究重点p。 杜福洲等针对大尺寸坐标测量系统激光跟 由于飞机具有大尺寸,待测量结构复杂等特踪仪现场测点的不确定度评定问题,进行了激光跟 点,传统测量方法采用一种或多种测量设备独立测 踪仪现场测点不确定度建模及试验分析,提出了基 量的方式无法保证大飞机的测量要求。现有方法于蒙特卡洛仿真法的坐标点测量不确定度评定算 般结合多种测量设备或方法,对飞机进行测量扫法,同时提出一种激光跟踪仪移站测量若干固定靶 描。为了对多种测量设备获取的多源数据进行融标点的方法来获取激光跟踪仪在实际测量环境下 合,从而保证测量精度需要首先构建大尺寸测量传感器单元的测量误差参数。Chen等为了保证 场,建立全局测量坐标系 大尺寸测量对象的三维重建精度,提出了一种结合 陈哲涵等对飞机数字化装配测量场构建的手持式三维激光扫描仪与全局定位测量仪的大尺 关键技术展开了研究,从测量设备软硬件、目标、环寸测量系统。该系统可分为测量数据采集,多源数 境、工艺和过程支持软件5个维度的参数与测量精据融合及基于测量数据的三维重建等3个步骤。 度、时间、成本和有效测量范围4个影响的角度出通过对相机标定和数据拼接误差的优化,该论文提 发,将其在飞机装配过程中应用效果的关键特性进出的三维重建精度能达到00963mm 行耦合,提出了数字化测量场特性矩阵。浙江大学 金涨军等分析激光跟踪仪转站过程中的测 的金涨军国深入研究了飞机装配中大尺寸测量长量误差传递过程,提出对转站参数误差和转站误差 的构建、精度评价和系统配置优化方法,通过对大的理论估计模型,描述了公共观测点的配置和激光 尺寸测量场的构建原理和方法进行详细的分析,建跟踪仪对公共观测点的测量误差对转站精度的影 立激光跟踪仪转战参数误差传递模型和大尺寸测响,实现了对转站参数误差和转站误差的不确定度 量长的误差估计模型;通过对大尺寸测量系统的布评定,如图2所示。曲学军等提出通过建立组合 局和配置进行详细的分析,提出一种装配先创的测测量系统解决全局测量与局部精度控制的矛盾

南 京 航 空 航 天 大 学 学 报 第 52 卷 动生产的效率要求。另外，单一测量设备构成的测 量系统，也越来越难以满足飞机大尺寸零部件的高 精度测量需求。因此，为了能够满足航空制造企业 不断提升的测量要求及灵活多变的测量需求，面向 大尺寸零部件的柔性化测量系统被提了出来。相 比于传统且单一的测量手段，自动化柔性测量可以 大幅度提高测量精度与测量效率[1] 。近些年来，大 尺寸的自动化扫描测量已经成为了当前航空制造 领域研究的热点问题。为了实现飞机大尺寸零部 件的自动化柔性测量，需要对大尺寸、高精度和组 合测量理论方法进行研究，涉及流动式全局测量误 差控制技术、多源测量传感器数据融合与快速处理 技术、扫描测量智能路径分析技术等，才能最终实 现飞机制造现场的多维度多层级的柔性化组合测 量应用。 针对大尺寸飞机在制造过程中的测量问题，本 文总结了自动化柔性测量的几个主要研究步骤，分 别是基于柔性测量单元，根据给定的测量对象，在 事先构建好的大尺寸测量场中，自主规划测量路 径，完成测量数据的采集，最后对测量数据进行有 效分析。因此，本文将从以下 3 个方面对飞机自动 化柔性大尺寸测量技术进行梳理：飞机大尺寸测量 场构建，自动化扫描测量路径规划及测量点云数据 分析与应用。为面向飞机制造过程中大尺寸自动 化测量技术的应用提供参考。 1 飞机大尺寸测量场构建 由于飞机具有大尺寸，待测量结构复杂等特 点，传统测量方法采用一种或多种测量设备独立测 量的方式无法保证大飞机的测量要求。现有方法 一般结合多种测量设备或方法，对飞机进行测量扫 描。为了对多种测量设备获取的多源数据进行融 合，从而保证测量精度，需要首先构建大尺寸测量 场，建立全局测量坐标系[2‑3] 。 陈哲涵等[4] 对飞机数字化装配测量场构建的 关键技术展开了研究，从测量设备软硬件、目标、环 境、工艺和过程支持软件 5 个维度的参数与测量精 度、时间、成本和有效测量范围 4 个影响的角度出 发，将其在飞机装配过程中应用效果的关键特性进 行耦合，提出了数字化测量场特性矩阵。浙江大学 的金涨军[5] 深入研究了飞机装配中大尺寸测量长 的构建、精度评价和系统配置优化方法，通过对大 尺寸测量场的构建原理和方法进行详细的分析，建 立激光跟踪仪转战参数误差传递模型和大尺寸测 量长的误差估计模型；通过对大尺寸测量系统的布 局和配置进行详细的分析，提出一种装配先创的测 量基准点选择优化方法和一种在带集合位置约束 的以转战参数误差不确定度最小为目标的激光跟 踪仪位置优化方法。Jiang 等[6] 通过对扫描测量末 端上的全局跟踪标记点进行研究，提出了一种由 5 个离散标记点组成的标记点系统，进而构建了一个 由双相机与激光扫描仪组成的测量系统。该系统 利用双目视觉原理对测量末端上的标记点系统进 行跟踪，且标记点制作简便，能在短时间内构建起 测量场。 针对大尺寸飞机装配过程中柔性测量的隐藏 点和盲区等问题，杜福洲等[7] 提出了面向柔性装配 的多测量系统，并开发了一套软件原型系统，提高 了测量过程中的测量效率和测量精度。于浩等[8] 针对大型复杂产品检测具有的多尺度特征并存、多 源测量数据融合特点，提出一种基于组合测量的大 尺度产品柔性检测技术。对柔性测量单元测量精 度优化问题进行建模，分析其在固定站位下的测量 空间范围及测量精度分布。同时为了实现大尺寸 产品的自动化柔性检测，构建了高精度的柔性测量 单元，该单元具有广域移动、局域精准执行与末端 高精度等特点。最后采用 K‑均值聚类分析实现测 量站位规划，设计基于测量数据反馈的自适应控制 策略。图 1 是大尺度产品柔性测量场景中柔性检 测系统的构成。 测量场的精度是最为重要的内容，如何保证构 建的测量场的整体精度能符合最终测量精度的要 求，一直是大尺寸测量领域的研究重点[9‑10] 。 杜福洲等[11] 针对大尺寸坐标测量系统激光跟 踪仪现场测点的不确定度评定问题，进行了激光跟 踪仪现场测点不确定度建模及试验分析，提出了基 于蒙特卡洛仿真法的坐标点测量不确定度评定算 法，同时提出一种激光跟踪仪移站测量若干固定靶 标点的方法来获取激光跟踪仪在实际测量环境下 传感器单元的测量误差参数。Chen 等[12] 为了保证 大尺寸测量对象的三维重建精度，提出了一种结合 手持式三维激光扫描仪与全局定位测量仪的大尺 寸测量系统。该系统可分为测量数据采集，多源数 据融合及基于测量数据的三维重建等 3 个步骤。 通过对相机标定和数据拼接误差的优化，该论文提 出的三维重建精度能达到 0.096 3 mm。 金涨军等[13] 分析激光跟踪仪转站过程中的测 量误差传递过程，提出对转站参数误差和转站误差 的理论估计模型，描述了公共观测点的配置和激光 跟踪仪对公共观测点的测量误差对转站精度的影 响，实现了对转站参数误差和转站误差的不确定度 评定，如图 2 所示。曲学军等[14] 提出通过建立组合 测量系统解决全局测量与局部精度控制的矛盾。 354

第3期 汪俊,等:飞机大尺寸自动化柔性测量技术研究进展 全局数字化测量 大尺度产品柔性检测场景 柔性测量单元 移动平台 激光跟踪仪 计算机集成管控 检测规划 检测数据采集 分析 图1柔性检测系统构成 Fig1 Cor 部件坐标系 设备坐标系 (飞机部件 (机器人) 原理,并对其测量精度分布规律进行研究,提出了 iGPS测量单元与测量网络的概念,分别对iGPS单 元测量场和iGPS网络测量场进行精度分析,给出 设备坐标系↓ (定位器) 了基于精度约束的测量方案评估方法,采用基于 设备坐标 维仿真环境的精度碰撞法对测量方案进行快速 移动平台) 评估。 增强参考 装配坐标系∠ 在测量场多源数据融合方面,张福民等基于 奇异值分解的空间配准将多测量站的数据对齐到 测量坐标系 测量坐标系 同一坐标系下,依照矩阵加权线性方差最优融合准 则,研究了相应的多传感器信息融合方法以融合多 图2大尺寸测量场的组成要素及坐标 测量站的信息。Sh等为了对大尺寸零件进行快 Fig2 Components and coordinate system of large meas-速三维测量与重建,提出了一款结合三维激光扫描 ment field 仪与多个立体跟踪仪的三维测量系统。通过在三 维扫描仪上集成发光二级管(LED)灯,使双目相 如图3所示,以光学扫描仪作为前端近距离测量设机能实时跟踪到三维扫描仪的位姿,从而将局部扫 备,激光跟踪仪提供全局测量基准,在扫描仪固定描数据融合到全局坐标系中,实现测量数据的实时 装置上布设合作目标建立传感器坐标系,将基坐标融合 系坐标转换关系分解为3个独立的观测过程,建立 林雪竹等叫根据目前飞机数字化测量的发展 联合各独立坐标转换关系的整体平差优化模型 需求,利用iGPS、激光雷达及激光跟踪仪等多种 杜福洲等介绍室内全球定位导航系统( Indo测量设备,提出了多传感融合的飞机数字化测量 global positioning system,iGPS)测量系统的工作技术,有效解决了单种测量手段测量效率及精度 较低的问题。白素琴等凹为了精确测量大尺度钢 局部视角测量坐标 板的三维形状,构建了激光技术与计算机视觉相 融合的三维测量系统,与单独使用视觉的方法相 基坐标系观测 比,在测量速度基本相同的情况下,精度提高近一 倍,系统结构如图4所示。为了能够方便地将大 尺寸测量系统中,不同类型的测量数据进行更加 高效的融合, Maisano等提出了一种新型模块化 图3组合系统测量原理 探头的设计,它采用不同类型的标靶和集成传感 Fig3 Combined system measurement principle 器。该探测器是多功能的目标数量,其类型和空

第 3 期 汪 俊，等：飞机大尺寸自动化柔性测量技术研究进展 如图 3 所示，以光学扫描仪作为前端近距离测量设 备，激光跟踪仪提供全局测量基准，在扫描仪固定 装置上布设合作目标建立传感器坐标系，将基坐标 系坐标转换关系分解为 3 个独立的观测过程，建立 联合各独立坐标转换关系的整体平差优化模型。 杜福洲等[15] 介绍 室内全球定位导航系统（Indoor global positioning system, iGPS）测量系统的工作 原理，并对其测量精度分布规律进行研究，提出了 iGPS 测量单元与测量网络的概念，分别对 iGPS 单 元测量场和 iGPS 网络测量场进行精度分析，给出 了基于精度约束的测量方案评估方法，采用基于三 维仿真环境的精度碰撞法对测量方案进行快速 评估。 在测量场多源数据融合方面，张福民等[16] 基于 奇异值分解的空间配准将多测量站的数据对齐到 同一坐标系下，依照矩阵加权线性方差最优融合准 则，研究了相应的多传感器信息融合方法以融合多 测量站的信息。Shi等[17] 为了对大尺寸零件进行快 速三维测量与重建，提出了一款结合三维激光扫描 仪与多个立体跟踪仪的三维测量系统。通过在三 维扫描仪上集成发光二级管（LED）灯，使双目相 机能实时跟踪到三维扫描仪的位姿，从而将局部扫 描数据融合到全局坐标系中，实现测量数据的实时 融合。 林雪竹等[18] 根据目前飞机数字化测量的发展 需求，利用 iGPS、激光雷达及激光跟踪仪等多种 测量设备，提出了多传感融合的飞机数字化测量 技术，有效解决了单种测量手段测量效率及精度 较低的问题。白素琴等[19] 为了精确测量大尺度钢 板的三维形状，构建了激光技术与计算机视觉相 融合的三维测量系统，与单独使用视觉的方法相 比，在测量速度基本相同的情况下，精度提高近一 倍，系统结构如图 4 所示。为了能够方便地将大 尺寸测量系统中，不同类型的测量数据进行更加 高效的融合，Maisano 等[20] 提出了一种新型模块化 探头的设计，它采用不同类型的标靶和集成传感 器。该探测器是多功能的目标数量，其类型和空 图 2 大尺寸测量场的组成要素及坐标系 Fig.2 Components and coordinate system of large measure‑ ment field 图 3 组合系统测量原理 Fig.3 Combined system measurement principle 图 1 柔性检测系统构成 Fig.1 Composition of flexible measurement system 355

南京航空航天大学学报 第52卷 间位置取决于使用的大尺寸测量系统的组合,可柔性测量的发展。逐渐发展出基于光学测量技术 以有效地简化测量过程。该探头设计如图5所和机器人技术相融合的复杂曲面柔性测量系统 示。 galette等四介绍了一种基于距离和角度测量为进行自动化柔性测量,利用机械臂操作扫描仪 的大尺寸测量系统三维位置测量的广义协同融合结合自动导航( Automated guided vehicle,AGV 方法。该方法考虑了各个传感器的精度,可根据移动小车,实现自动化扫描测量是飞机数字化测量 设备的不同精度指标分配相应的融合权重。不同的必然趋势。作为其中最为关键的一步,扫描路径 测量系统的融合,通常是在测量前通过公共点集规划是必不可少的研究内容,根据不同的目标要求 成局部坐标来实现的。例如,zhao等提出了一对扫描路径进行优化,能有效地提高扫描质量和 种改进的公共点法( Modified common points效率。 method,MCPM),通过引入相互的几何约東,将 王鹏等回通过建立基于线结构光三维扫描原 协作机的不同可跟踪系统误差结合起来,最终达理的数据模型结合背影轮廓法与凸包法,提出了 到优化全局精度的目的。 线结构光扫描过程中最佳视角确定的方法。该方 法先利用背影轮廓法获取被测量物体的粗略表面 iGPS移动式 终端控制柜 外形,然后计算出待测物体的三维凸包,根据凸包 算出测量传感器的最佳视角,进而自动确定扫描测 S接收器 量路径。该方法对扫描过程中的人工操作进行了 简化,同时还能保证测量数据的准确性和完整性。 大连理工大学的丁祎明四为提高测量精度和效率, 提出了基于初始化图形交换规范( Initial graphics exchange specification,IGES)表面模型的测量规 GPS激光发射器划方法。针对测量方向和速度影响测量精度和效 率的问题,研究了各类的曲面法线算法,在此基础 图4组合式测量系统示意图 上,规划了定位点、测量行程、测量顺序等,为整体 Fig4 Schematic diagram of combined measurement system测量规划奠定了基础。浙江大学的艾小祥以飞 机机翼自动化装配过程中的测量工艺为研究对象 S,(distributed) S, (centralized) 在分析扫描仪扫描约束及扫描对象几何特性的基 础上,研究了扫描了路径的自动化规划及优化方 法。特别地,针对机翼针对机翼壁板的大尺寸连续 曲面,通过采用行切法,提出了一种基于曲面离散 点的扫描路径优化方法。同时,艾小祥等还通过 constraint 分析手持式激光扫描仪的扫描约束与总体路径优 coordinate -Multi-target pro化问题,提出一种基于遗传算法的扫描路径优化方 (aircraft fuselage) 法,用于机翼壁板扫描时,可减少扫描调姿次数,提 i-th LVM system j-th sensor of the i-th system 高扫描效率 x,yu=)local coordinate system 邢银龙回针对当前模具修复行业的半自动化 k-th probe target 图5多功能测量探头设计 修复方式,提出一种蛇形路径规划算法,在最大限 Fig5 Multifunction measuring probe design 度地减少激光开关动作的同时,也进一步对路径的 连续性进行了约束,实现了机器人的自动修复。郑 2柔性自动化扫描路径规划 成成等针对大尺寸产品曲面外形检测效率低、精 度与评定一致性差等问题,研究了基于模型的曲面 为精确获取飞机装配部件的外形和空间位姿,外形检测方法,以飞机蒙皮为例,如图6所示,在 快速获取检测结果的分析结果,指导航空零部件精CAD模型上提出“双截面法”的曲面布点策略,采 准快速装配与制造,需要采用测量末端对待测量区用“锯齿形往返式”的检测路径提高大型曲面外形 域进行扫描测量。大尺寸飞机测量的扫描测量末检测的效率和精度。用时,对大型曲面外形的评定 端往往由高精度的三维传感器构成。同时,近年来提出了基于模型的“点一线一面”曲面综合评定方 随着中国机器人技术的快速发展,机器人与测量领法,有效提高了曲面外形评定的一致性 域的融合获得了不断的加深,极大地促进了自动化 近年来,与柔性化测量技术类似,针对飞机表

南 京 航 空 航 天 大 学 学 报 第 52 卷 间位置取决于使用的大尺寸测量系统的组合，可 以 有 效 地 简 化 测 量 过 程 。 该 探 头 设 计 如 图 5 所 示。Galetto 等[21] 介绍了一种基于距离和角度测量 的大尺寸测量系统三维位置测量的广义协同融合 方法。该方法考虑了各个传感器的精度，可根据 设备的不同精度指标分配相应的融合权重。不同 测量系统的融合，通常是在测量前通过公共点集 成局部坐标来实现的。例如，Zhao 等[22] 提出了一 种 改 进 的 公 共 点 法（Modified common points method,MCPM），通 过 引 入 相 互 的 几 何 约 束 ，将 协作机的不同可跟踪系统误差结合起来，最终达 到优化全局精度的目的。 2 柔性自动化扫描路径规划 为精确获取飞机装配部件的外形和空间位姿， 快速获取检测结果的分析结果，指导航空零部件精 准快速装配与制造，需要采用测量末端对待测量区 域进行扫描测量。大尺寸飞机测量的扫描测量末 端往往由高精度的三维传感器构成。同时，近年来 随着中国机器人技术的快速发展，机器人与测量领 域的融合获得了不断的加深，极大地促进了自动化 柔性测量的发展。逐渐发展出基于光学测量技术 和机器人技术相融合的复杂曲面柔性测量系统。 为进行自动化柔性测量，利用机械臂操作扫描仪， 结 合 自 动 导 航（Automated guided vehicle，AGV） 移动小车，实现自动化扫描测量是飞机数字化测量 的必然趋势。作为其中最为关键的一步，扫描路径 规划是必不可少的研究内容，根据不同的目标要求 对扫描路径进行优化，能有效地提高扫描质量和 效率。 王鹏等[23] 通过建立基于线结构光三维扫描原 理的数据模型，结合背影轮廓法与凸包法，提出了 线结构光扫描过程中最佳视角确定的方法。该方 法先利用背影轮廓法获取被测量物体的粗略表面 外形，然后计算出待测物体的三维凸包，根据凸包 算出测量传感器的最佳视角，进而自动确定扫描测 量路径。该方法对扫描过程中的人工操作进行了 简化，同时还能保证测量数据的准确性和完整性。 大连理工大学的丁祎明[24] 为提高测量精度和效率， 提出了基于初始化图形交换规范（Initial graphics exchange specification, IGES）表 面 模 型 的 测 量 规 划方法。针对测量方向和速度影响测量精度和效 率的问题，研究了各类的曲面法线算法，在此基础 上，规划了定位点、测量行程、测量顺序等，为整体 测量规划奠定了基础。浙江大学的艾小祥[25] 以飞 机机翼自动化装配过程中的测量工艺为研究对象， 在分析扫描仪扫描约束及扫描对象几何特性的基 础上，研究了扫描了路径的自动化规划及优化方 法。特别地，针对机翼针对机翼壁板的大尺寸连续 曲面，通过釆用行切法，提出了一种基于曲面离散 点的扫描路径优化方法。同时，艾小祥等[26] 还通过 分析手持式激光扫描仪的扫描约束与总体路径优 化问题，提出一种基于遗传算法的扫描路径优化方 法，用于机翼壁板扫描时，可减少扫描调姿次数，提 高扫描效率。 邢银龙[27] 针对当前模具修复行业的半自动化 修复方式，提出一种蛇形路径规划算法，在最大限 度地减少激光开关动作的同时，也进一步对路径的 连续性进行了约束，实现了机器人的自动修复。郑 成成等[28] 针对大尺寸产品曲面外形检测效率低、精 度与评定一致性差等问题，研究了基于模型的曲面 外形检测方法，以飞机蒙皮为例，如图 6 所示，在 CAD 模型上提出“双截面法”的曲面布点策略，采 用“锯齿形往返式”的检测路径提高大型曲面外形 检测的效率和精度。用时，对大型曲面外形的评定 提出了基于模型的“点-线-面”曲面综合评定方 法，有效提高了曲面外形评定的一致性。 近年来，与柔性化测量技术类似，针对飞机表 图 4 组合式测量系统示意图 Fig.4 Schematic diagram of combined measurement system 图 5 多功能测量探头设计 Fig.5 Multi-function measuring probe design 356

第3期 汪俊,等:飞机大尺寸自动化柔性测量技术研究进展 直线 AOBI F (a) Bi-cross-section based surface measurement point planning strategy 图7喷涂机器人与喷涂路径 Fig7 Spraying robot and spraying path 性程度,还便于对机器人进行自主扫描路径的控 制。针对面扫描测量机器人,合肥工业大学的李 浩凹通过研究测量规划中的去曲面最小包围盒算 法、视点规划算法以及视场内曲面的可视性分析 算法等基础算法,实现了基于面扫描测量机器人 长桁 的复杂曲面自动检测方法,并在MFC框架下,采 用C艹+语言完成了相关算法的设计与实现。文献 (b )Zigzag-like detection path planning strategy 图6大型曲面外形检测路径规划策略 [33]针对飞机蒙皮外形的自动化检测问题,研究 Fig.6 Path planning strategy for large surface shape deted了基于激光雷达的自动化检测技术,提出了面向 飞机蒙皮外形的自动化测量系统,实现了对飞机 蒙皮外形的的特征自动提取和测量点自动生成。 面喷漆过程中的喷漆路径优化问题,研究学者也提大连理工大学的张晓蕾叫提出基于动态路径的三 出了不同的方法。飞机表面自动化喷漆系统通常维扫描路径规划方案路线。该方法针对待测量物 也由AGV移动小车,机械臂及喷漆头组成。由于体的三维外形特征,首先将待测物体进行三维包 飞机表面喷漆技术,AGV移动小车搭载的柔性化围球表示,然后按照三维包围球对测量区域进行 测量末端十分类似,因此,研究飞机表面喷漆技术,划分,进而进行分区域的测量路径自动规划。李 对自动化柔性测量方法也具有借鉴意义。缪东晶强等针对飞机蒙皮对缝间隙与阶差测量中执行 等针对飞机喷涂问题,提出了一种飞机位姿标定机构的路径规划和运动控制难题,提出将四轮全 与喷枪轨迹规划的方法,并将喷涂作业规划集成到向机器人作为飞机蒙皮测量的执行机构,并采用 CATIA平台中,开发了一套大型自由曲面产品自基于蚁群算法的路径规划方法,将路径信息转变 动喷涂机器人系统,如图7所示。黄光胜等∞提出成全向机器人可识别的运动指令。梁延德等圆为 了一种超声扫描自动化检测的轨迹规划方法,解决解决被测曲面表面形貌未知时三维扫描的完整性 了飞机复合材料零部件超声扫描轨迹规划效率低和扫描质量问题,提出了一种工业机器人+三维 的问题。该方法结合飞机复材构件特征与超声检激光外形扫描仪的解决方案,将工业机器人作为 测的工艺要求,实现了一种三维数字化模型驱动的运动载体,搭载三维扫描仪对曲面进行测量扫 构件超声C扫描检测的快速轨迹规划技术。描。大连理工大学的史有志回提出一种基于机 于乾坤等叫为解决喷涂飞机等大型工件的过程中器人的大型回转体自动化扫描方案。该方法以 机器人的最佳站位问题,提出并利用外腕心的概念回转体为测量研究对象,通过对机器人工作空间 对喷涂机器人的空心手腕做球形近似,解决机器人进行建模,对扫描的可达区域进行深入分析,最 不可解耦问题。同时,为了定量评估站位对机器人终利用沿轴向行切法生成大型回转体外形的扫 运动性能的影响,在约束和关节可用度指标分析的描路径。陈允全等通过构建机器人扫描系统, 基础上,建立了关于展位的单点和连续喷涂任务代提出飞机大型结构件的自动化外形检测方法。 价函数,如图7所示。 并进一步从系统构建、流程构建和轨迹规划等 将扫描测量末端仪器搭载在移动机器人平台个方面闸述了机器人扫描系统的组成和测量方 上,搭配机器人手臂,不仅可以增加测量系统的柔法,如图8所示

第 3 期 汪 俊，等：飞机大尺寸自动化柔性测量技术研究进展 面喷漆过程中的喷漆路径优化问题，研究学者也提 出了不同的方法。飞机表面自动化喷漆系统通常 也由 AGV 移动小车，机械臂及喷漆头组成。由于 飞机表面喷漆技术，AGV 移动小车搭载的柔性化 测量末端十分类似，因此，研究飞机表面喷漆技术， 对自动化柔性测量方法也具有借鉴意义。缪东晶 等[29] 针对飞机喷涂问题，提出了一种飞机位姿标定 与喷枪轨迹规划的方法，并将喷涂作业规划集成到 CATIA 平台中，开发了一套大型自由曲面产品自 动喷涂机器人系统，如图 7 所示。黄光胜等[30] 提出 了一种超声扫描自动化检测的轨迹规划方法，解决 了飞机复合材料零部件超声扫描轨迹规划效率低 的问题。该方法结合飞机复材构件特征与超声检 测的工艺要求，实现了一种三维数字化模型驱动的 复材构件超声 C 扫描检测的快速轨迹规划技术。 于乾坤等[31] 为解决喷涂飞机等大型工件的过程中 机器人的最佳站位问题，提出并利用外腕心的概念 对喷涂机器人的空心手腕做球形近似，解决机器人 不可解耦问题。同时，为了定量评估站位对机器人 运动性能的影响，在约束和关节可用度指标分析的 基础上，建立了关于展位的单点和连续喷涂任务代 价函数，如图 7 所示。 将扫描测量末端仪器搭载在移动机器人平台 上，搭配机器人手臂，不仅可以增加测量系统的柔 性程度，还便于对机器人进行自主扫描路径的控 制。针对面扫描测量机器人，合肥工业大学的李 浩[32] 通过研究测量规划中的去曲面最小包围盒算 法、视点规划算法以及视场内曲面的可视性分析 算法等基础算法，实现了基于面扫描测量机器人 的复杂曲面自动检测方法，并在 MFC 框架下，采 用 C++ 语言完成了相关算法的设计与实现。文献 [33]针对飞机蒙皮外形的自动化检测问题，研究 了基于激光雷达的自动化检测技术，提出了面向 飞机蒙皮外形的自动化测量系统，实现了对飞机 蒙皮外形的的特征自动提取和测量点自动生成。 大连理工大学的张晓蕾[34] 提出基于动态路径的三 维扫描路径规划方案路线。该方法针对待测量物 体的三维外形特征，首先将待测物体进行三维包 围球表示，然后按照三维包围球对测量区域进行 划分，进而进行分区域的测量路径自动规划。李 强等[35] 针对飞机蒙皮对缝间隙与阶差测量中执行 机构的路径规划和运动控制难题，提出将四轮全 向机器人作为飞机蒙皮测量的执行机构，并采用 基于蚁群算法的路径规划方法，将路径信息转变 成全向机器人可识别的运动指令。梁延德等[36] 为 解决被测曲面表面形貌未知时三维扫描的完整性 和扫描质量问题，提出了一种工业机器人+三维 激光外形扫描仪的解决方案，将工业机器人作为 运 动 载 体 ，搭 载 三 维 扫 描 仪 对 曲 面 进 行 测 量 扫 描 。 大 连 理 工 大 学 的 史 有 志[37] 提 出 一 种 基 于 机 器人的大型回转体自动化扫描方案。该方法以 回转体为测量研究对象，通过对机器人工作空间 进行建模，对扫描的可达区域进行深入分析，最 终利用沿轴向行切法生成大型回转体外形的扫 描路径。陈允全等[38] 通过构建机器人扫描系统， 提 出 飞 机 大 型 结 构 件 的 自 动 化 外 形 检 测 方 法 。 并进一步从系统构建、流程构建和轨迹规划等 3 个方面阐述了机器人扫描系统的组成和测量方 法，如图 8 所示。 图 6 大型曲面外形检测路径规划策略 Fig.6 Path planning strategy for large surface shape detec‑ tion 图 7 喷涂机器人与喷涂路径 Fig.7 Spraying robot and spraying path 357