面向制造强国战略，突破装备重大需求，为促进学术交流，推动相关领域纵深发展，《激光与光电子学进展》于2023年第3期（2月）推出“超精密测量技术”专题，其中西北工业大学张开富教授课题组的特邀综述“大型飞机装配中的高精度测量技术研究进展”被选为本期封面文章。

封面解读

       飞机在跑道上御风而起、翱翔天际，代表着高精度测量技术将助力航空制造迈向新的辉煌。本封面形象示意出了大型飞机装配中所应用到的高精度测量技术：装配大空间测量场高精度测量方法、飞机大部件装配外形数字化高精度测量方法以及面向复合材料装配缺陷的高精度检测技术。新一代飞机向着大型、重载、长寿等方向发展，其制造也向着高精度、低成本、柔性化、智能化等方向转变，对装配的精度、效率与质量均提出了更高的要求。

       文章链接：张开富, 史越, 骆彬, 童长鑫, 潘婷, 乔木. 大型飞机装配中的高精度测量技术研究进展[J]. 激光与光电子学进展, 2023, 60(3): 0312004

01 飞机装配那些事儿

       飞机装配是飞机制造的关键环节，装配过程中涉及的学科范围广、技术标准要求高，属于典型的高端装备制造技术。飞机装配是将各种零、组、部件按照规定的技术条件和质量要求进行配合与连接，并进行检验与试验的工艺过程，装配的质量直接决定了飞机产品的外形精度、制造质量和服役性能等。

       新一代飞机向着大型、重载、长寿等方向发展，其制造也向着高精度、低成本、柔性化、智能化等方向转变，对装配的精度、效率与质量均提出了更高的要求。此外，以纤维增强型复合材料为代表的轻质高强材料也逐渐由次承力结构升级为主承力结构。对此，开展大型飞机的大空间高精度测量、复合材料损伤的高精度检测方向的研究，是新一代飞机高效、高质装配的强有力支撑。

图1高精度测量技术在飞机装配现场的应用

02  飞机装配大空间测量场高精度测量方法

       传统大空间测量场多使用单台或者单种测量设备进行构建，为满足大尺寸部件的高精度测量需求，组合式测量系统应运而生。通过组合多个测量设备或不同测量系统，往往可以达到一个较好的效果。

       由于大空间测量场的特点，需要对其进行坐标配准，即将测量点坐标转换到全局坐标系下，并将数据进行融合。坐标配准、环境等因素往往会影响测量场的精度，所以还需要对测量场进行不确定度评估，并对误差进行补偿。因此，测量场配置优化、坐标系配准和不确定性评估等三个方面的内容是影响大空间测量场测量精度和效率的关键技术。

图2 组合式大尺寸测量

03 飞机大部件装配外形数字化高精度测量方法

       航空产品中的大部件装配曲面外形的准确度决定着飞机的气动/隐身性能，采用合理的方式对飞机大部件装配外形进行检测尤为重要。飞机曲面外形具有尺寸大、形状复杂、测量数据量大的特点，通常采用数字化测量方法实现大部件外形的高精度测量。

       早期数字化测量多采用接触式测量方法，以三坐标测量机为代表，常应用于整体叶片型面、中间整流罩的检测过程中。接触式测量具有测量精度高的优点，但缺点是效率低、易划伤目标表面且无法实现自动化测量。激光扫描法、结构光法、激光雷达法、摄影测量法等非接触式测量方法的出现提升了测量范围和测量效率。

       随着近年来数字化测量技术的不断发展，其广泛应用于飞机大部件装配外形测量过程中，尤其在飞机大尺寸外形轮廓检测、飞机蒙皮对缝间隙、阶差检测以及铆钉平齐度检测等应用中展现出较大优势，这归功于其测量精度和效率的提高以及测量范围的扩大。在测量过程中会产生大量的点云数据，对大规模点云数据进行有效的优化处理对后续测量模型建立的准确度以及相关测量数值的精度十分重要。

图3飞机部件外形质量检测

04 面向复合材料装配缺陷的高精度检测技术

       航空复合材料具有重量轻、比刚度大等优点，既能减轻飞机重量，也提高了飞机的整体互换性，方便维护，在飞机制造领域得到了广泛的应用。但此类复合材料由于装配时的应力变化会产生脱粘、分层、夹杂等装配缺陷，对产品的安全使用及长时间服役造成严重威胁，因此需要对复合材料装配过程中产生的缺陷进行高精度检测。

        针对不断装机应用的各种新的航空复合材料、新的复合材料成型工艺、新的复合材料结构和新的检测与缺陷评估要求，从检测方法分类上，主要体现在：激光检测、超声检测、X射线检测和太赫兹检测技术等。近几年，随着众多学者对信号处理、图像处理和三维信号重构等技术的研究，使得检测精度和缺陷数据后处理能力逐步提升，面向复合材料装配缺陷高精度检测方法及技术逐步趋于智能化、自动化、可视化。

图4复合材料缺陷三维可视化[1]

05 飞机装配测量为我国飞机制造保驾护航

       大尺寸高精度测量技术已经成为但广泛应用中的核心关键技术尚处在积累阶段，需要不断的应用验证。数字化测量系统正朝着便携、网络、高效、精密方向发展，飞机装配大尺寸高精度测量技术也已从单一技术走向多传感器技术的融合。

       对于飞机装配大空间测量场高精度测量，传统方法多基于单台或单种测量设备，导致精度及效率不足，通过测量场配置优化、坐标系优化、精度评估与补偿等技术来提升测量场的构建效率及精度是当前及未来的提升方向。而对于飞机大部件装配外形数字化高精度测量，飞机部件装配外形尺寸大、曲面形状复杂，型面测量数据量大，单一设备测量精度和效率之间矛盾突出。通过优化测量轨迹、提高视觉检测精度、大规模点云数据融合等技术手段充分发挥各测量设备的优点，来保证飞机大尺寸外形轮廓和飞机外形表面质量检测应用过程中的效率及精度。

       因此，组合式数字化测量系统及多技术的融合研究是未来发展和提升的重要方向。在保持高检测精度的前提下，智能化、可视化、自动化的无损检测是未来的发展方向。

       在数字化工厂和智能制造的背景下，根据目前大型飞机装配中的高精度测量技术及系统的特点，未来应立足于具体型号及实际应用场景，深入开展高精度测量技术及系统的应用和研究，并形成相应技术体系，充分发挥数字化高精度测量技术的优势。未来，多数字化测量系统协同工作，大空间数字化测量场构建，部件装配外形数字化及装配缺陷检测，这对提高我国飞机制造的水平和核心竞争力具有十分重要的意义。

参考文献：

[1] Qin L, Zhang S, Song Y, et al. 3D ultrasonic imaging based on synthetic aperture focusing technique and space-dependent threshold for detecting submillimetre flaws in strongly scattering metallic materials[J]. NDT & E International. 2021, 124: 102523.

通讯作者介绍

       张开富，西北工业大学教授、博士生导师，教育部“长江学者”特聘教授、冯如航空科技精英奖获得者，飞行器高性能装配工业和信息化部重点实验室负责人，兼任中国图学学常务理事、中国机械工程学会生产工程分会技术委员会委员。长期从事航空航天制造领域先进装配与连接、结构损伤及疲劳等研究工作，主持国家自然科学基金、国家重点研发计划、重大型号攻关计划等项目近20项，发表高水平学术论文70余篇、授权中国发明专利27件，主持制定航空行业标准2项，以第一完成人获国家科学技术进步二等奖、陕西省自然科学奖一等奖、陕西省科学技术一等奖各1项。

课题组介绍

       西北工业大学航空宇航装配团队依托于工业和信息化部重点实验室、西北工业大学航空宇航科学与技术学科（A+学科、双一流学科），获批陕西省科技创新团队、国防科技创新团队，长期从事航空航天领域装配建模与优化、先进装配与连接工艺、复材结构设计制造、智能测试技术与工艺等方向研究。团队拥有正高级职称人员6人（其中国家级人才3人）、副高级职称人员6人，硕博士研究生80余人。近年来，团队承担国家级科研项目30余项，授权国家发明专利50余项，在Composite Science and Technology、IEEE Transactions on Robotics、Additive Manufacturing、Composites Part B、航空学报、复合材料学报、机械工程学报等期刊发表学术论文百余篇，参与制定行业标准/型号研制规范10余项，研究成果在运20、C919、ARJ21等我国航空航天重大型号得到持续工程应用，先后获国家科学技术进步二等奖1项、省部级一等奖2项、其他省部级奖励5项。

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