主动测量在航空制造业的应用

    对以更低的成本获得更大生产能力的需求正促使测量设备更紧密地整合到生产流程之中，以协助提高加工、制造和装配水平。航空制造业可能正在引领这一趋势，尤其是目前一些飞机制造项目开始投产之际。例如，F-35战机项目购买了一台Zeiss公司的MMZ大型三坐标测量机（测量范围：长16m×宽5m×高2.5m；1.5m3空间内测量精度约为12μm），该测量机并非用于生产线外的质量检测，而是直接整合到生产流程之中。洛克希德－马丁公司的高级质保经理Fred Child解释说，“飞机外壳零部件要用修边刀具按数字化设计数据进行切削加工。”这台MMZ测量机通过一个可移动托盘系统与一台柔性龙门（FOG）式
加工中心相连接。可往返运动的托盘系统将加工后的复合材料零部件从加工中心运送到测量机上，在加工点附近就能快速完成测量。该工厂拥有的三坐标测量机还包括一台LK集团生产的G80K型测量机（测量范围：长4.5m×宽3.8m×高2m）、一台Brown & Sharpe公司生产的DEA测量机（测量范围：长6m×宽2m×高1.5m）和两台规格较小的LK测量机。

    Child指出，近年来，洛克希德－马丁公司对先进测量技术的应用显著增加。“过去，三坐标测量机和激光测量技术只限于首件检验、工装测量和一些非常专业化的应用。而如今，这些测量技术已被用于整个加工和装配过程的质量检测、过程控制、装配控制和故障排除等。由于我们将测量技术作为控制生产流程的一种工具，而不仅仅是控制产品是否合格的一种手段，我们在生产车间层面的数据驱动水平正不断提高。”

    海克斯康测量服务公司的应用工程师Rina Molari-Korgel指出，虽然固定式三坐标测量机十分重要，但一些便携式测量系统（如激光跟踪仪、激光雷达、便携式关节臂CMM等）正日益成为这种趋势的重要组成部分。Molari-Korgel具有25年的测量经验，曾参与从战斗机到直升机的多个军用飞机制造项目。她认为，除了其他一些趋势以外，碳纤维增强塑料（CFRP）成为一种主流飞机材料正在产生非常深远的影响，无论对于商用客机（如波音787）还是军用飞机（如F-35）都是如此。她说，“与金属材料相比，CFRP很难返工修理。因此，你必须在首次加工时就严格保证质量，这就推动了对加工中测量的需求。如果不这样做，就可能造成昂贵的复合材料零部件报废，而以前加工金属零部件时，你还有可能对其进行返工修理。”

    Molari-Korgel认为，从15年前开始，用便携式测量系统取代固定检测设备的演变趋势在不断加速，无论是加工检具（如钻削模板）还是装配检具，都是如此。她说，“与固定检具相比，使用便携式测量设备可以缩短检测时间、降低检测成本。而与固定式三坐标测量机相比，便携式测量系统的适用性更好——对于许多大型零件来说，它往往是唯一适用的检测手段。” 激光跟踪仪在6.1m测量范围内的测量精度（2σ）达到0.04 mm，能够满足许多飞机制造项目的精度要求（在许多情况下，测量精度要求为0.127－0.254mm）。她指出，将激光跟踪仪用于生产的一个主要优势是其易用性。“只需下载被测工件的CAD模型，然后在生产车间把激光跟踪仪从包装盒中取出来，不到一个小时就可以开始测量。” 她解释了CAD模型、数字化技术资料以及离线编程（OLP）在航空航天制造业如此重要的原因：“与其他行业的情况不同，在航空制造业，CAD模型往往就是你唯一的范本，没有实实在在的产品原型作为测量的参考基准。”

    这并不一定是一种不利条件。对于那些生产多种不同的零件，或希望以不同的方式重复使用相同测量设备的制造商来说，依靠CAD模型进行测量只需要开发新的检测程序，而不一定要添置新的测量设备。这一特性也将测量辅助生产的实际检测设备转化为柔性化检测设备。

    美国德州的碳－碳先进技术（CCAT）公司的情况正是如此。该公司的质量保证代表Raj Narayanan解释说，“我们是一家工程研制企业，利用自己先进的碳－碳复合材料生产技术构建产品原型和设计开发模型。”该公司既研制长度可达4.3m的空气动力学构件，也研制尺寸较小（直径只有几英尺），但结构复杂（由大约63个零部件构成）的火箭喷嘴。他们的生产模式为小批量制造。“如果我们生产5件产品，对我们来说就算很多了。” 他们使用两种型号的Leica激光跟踪仪来测量所加工零件的关键结构形貌。Raj解释说，“这种测量方法可以帮助我们加工和装配结构复杂的产品，而无需购置昂贵的工装夹具。它还使我们能够对产品设计的变化做出快速响应，而修改设计的情况在工程研制项目中屡见不鲜。”在将产品的三维CAD模型导入软件，用于激光跟踪仪的本体逻辑编程（OLP）的同时，他们还将产品的二维图纸分解为几何尺寸与公差（GD&T）信息，用于质量控制。“目前，我们构建的产品原型大部分是飞行器级别的硬件。因此，验证其质量的唯一方法，就是通过回溯三维数据资料和二维公差要求，对其进行比对验证。在这方面，激光跟踪仪具有无可替代的价值。”

    尼康测量（Nikon Metrology）公司（其前身为加拿大的Metris公司）应用测量辅助生产技术的历史可以追溯到7年前。尼康测量（加拿大）公司总经理Jarrad Morden介绍说，“我们首先开发了一体化的激光测量系统，其功能包括叠层复合材料的测量和产品检验。该系统已发展为手工装配流程的指导性工具。”该公司量身定制的集成测量系统采用了多种测量仪器，包括尼康测量公司开发的室内GPS（iGPS）测量技术，该技术可用一个或多个激光发射器实现对零件、工具或表面的精确对准。

    根据这些经验，Morden认为，先进测量技术应用于航空制造业的未来增长点主要集中在三个不同领域：测量辅助生产、测量辅助装配和全自动检测解决方案。他说，“自动化检测解决方案对于缩短零件检测和装配合格性检查的时间成效显著。”传统的制造流程——尽管也能从测量辅助生产技术中获益——意味着通过加工增加零件的价值，然后在发货前对其进行检测。Morden解释说，“在规模庞大的航空制造业，产品终检通常是使用一些测量设备（如跟踪干涉测量仪、摄影测量仪、经纬仪或全站仪网络监测系统）进行人工检测。”这些精密测量仪器需要手动操作，必然会引入人为误差。他指出，使用自动化测量设备（如尼康测量公司的激光雷达和iGPS局部定位测量仪）是减小人为误差的一种途径。“我们能够将一项测量规划完全自动化，使其可以用于‘熄灯生产’。当然，在航空制造业，这一趋势将使检测工序尽可能提前融入加工流程之中，从而提高工件尺寸的加工质量，减少或取消终检工序。” 他认为这是一种明确的行业趋势，将随着时间的推移逐步向前发展。

    Morden表示，与这种发展相辅相成的另一种趋势是，航空制造业对应用机器人技术的兴趣与日俱增。与定制的刚性自动化装置相比，机器人具有更好的重复性、可靠性和成本效益。虽然机器人的重复性精度通常可以达到毫米级，但它们并不一定就具有足够的精度，可利用标准的离线编程工具，对钻头或机床进行航空零部件精度水平的加工编程。其他变量也至关重要。Morden解释说，“在不同的负荷条件和夹持力下，工具经常会发生变化，机器人的终端操纵装置相对于工件的定位精度可能会下降。”

    空客英国公司（Airbus UK）和德国库卡机器人公司（Kuka Robotics）联合开展了一项为期两年的研究项目，其成果是开始应用一种自适应机器人控制（ARC）测量系统。该系统将一台尼康测量公司的K系列光学三坐标测量机与一台库卡机器人结合在一起。测量系统将位置数据直接馈入机器人的控制器。Morden指出，该系统具有3项重要功能：①在钻削或修边加工之前校验每个位置；②用标准的机器人编程软件包（利用零件的Catia CAD模型）进行离线编程；③其测量精度不受机器人磨损、温度或负载变化的影响。该系统已在空客公司使用了两年，据尼康测量公司报告，使用期间没有出现不合格零件。另一套系统在交付庞巴迪（Bombardier）飞机公司使用一年后，也没有报告发现不合格零件。Morden认为，将许多（有时是完全不同的）测量要素整合到一起，是测量辅助制造技术的应用不断增长的关键。

    在许多情况下，软件是实现这种整合的关键，尤其是当制造商希望使用由不同企业提供的测量设备时。由于一种特定测量设备自带的软件往往只能在该设备上使用，因此一些企业（如New River Kinematics公司）开发的空间分析仪（SA）编码技术就起到了至关重要的作用。空间分析仪可以处理由不同制造商或不同品牌测量仪器提供的测量数据。它为用户提供了一种单一界面，可通过专门开发的仪器接口与测量硬件进行通讯。

    由一些制造商合作开发的这些接口可以直接连接到每种测量硬件的控制器上。New River Kinematics公司的James Gardner解释说，“我们的理念是：我们希望能完全控制测量设备，而不只是下载它所记录的位置数据。”操作者可以同时获得来自多台测量仪器（包括便携式关节臂CMM、激光跟踪仪、经纬仪、GPS局域网、区域扫描仪或视频测量仪）的测量数据，这些仪器由一台或几台联网计算机控制。空间分析仪中的一个模块可通过综合计算每台测量仪器的不确定度，确定整个系统的测量精度。Gardner说，“我们可与上百种不同的便携式测量仪器相互连接。一名操作者或一个测量程序可以控制多台测量仪器。” 空间分析仪导入产品的CAD模型，用于现有测量设备的离线编程。“事实上，现在我们已经导入了几乎所有适用的CAD格式。”

    Gardner认为，为了完成航空制造业制定的雄心勃勃的生产目标，就必须将测量技术融入生产系统之中，并使其像按一个按钮那样易于使用。为了在生产车间操作这些测量系统，生产工程师和工人们并不一定非要经过全面的公差测量培训。而且可以预见，他们将没有足够的时间通过某种复杂的反复试错程序，细致入微地装配零部件。“有些生产计划要求每天生产一架飞机。他们根本没有时间叫停，他们必须在某个质量问题打断生产流程之前及时发现并纠正它。”

    由于在测量辅助生产中，CAD模型描述具有如此重要的作用，因此航空制造业正在推动这方面的技术改进。三丰（Mitutoyo）公司的Eric Tingle指出，将零件测量值与CAD模型进行比对是航空制造业当前的发展趋势，在那些需要应对飞机总装企业提出的技术要求的小型供应商中，情况尤其如此。可能对此有利的一个事实是，许多三维CAD模型都允许带有一个描述几何尺寸与公差（GD&T）的注释层。例如，目前在波音飞机项目中，要求CAD文件必须附带GD＆T注释层已成为必须遵循的标准。三丰公司已对此做出了回应：当操作者在其用于三丰公司三坐标测量机的MCOSMOS软件中创建测量程序时，该公司提供了GD＆T符号的图形标注。Tingle说，“在我们最新版本的MCOSMOS软件中，操作者不仅可以看到CAD模型，而且还能在屏幕上看到GD＆T标注。现在，操作者不再需要产品图纸作为指南，只需利用CAD模型就能完成自己的工作。而且，操作者还可以将GD＆T标注添加到原来没有标注的CAD模型中。”

    下一个发展目标包括：不仅仅局限于简单的GD＆T标注，而是与三维CAD模型一起，为用户提供实际的加工和检测指南。三丰公司是正在共同开发STEP AP238协议的企业联盟成员之一。Tingle解释说，“其扩展名为AP238的STEP模型可为我们的三坐标测量机提供如何建立测量基准的具体指导，而且还能提供测量机的尺寸公差和GD＆T标准。”当用户输出一个STEP AP238模型时，三坐标测量机就知道应该如何对准工件，以及需要检测哪些项目。这样做的目的可能被认为是对测量辅助生产更广泛的定义，因为在飞机的初始设计中，有许多生产成本约束因素，“有些工程师为了提高安全性而过度设计，而将尺寸公差缩小0.03mm可能会大幅增加生产成本。”