一种基于数字孪生的飞机表面装配质量检测方法

技术领域

本发明涉及一种飞机装配技术领域，特别是涉及一种基于数字孪生的飞机表面装配质量检测方法。

背景技术

随着信息技术的不断发展，数字孪生已经引起国内外的广泛重视，数字孪生是连接物理世界和数字世界的纽带，通过建立物理系统的数字模型、实时监测系统状态并驱动模型动态更新实现系统行为更准确的描述与预报，从而在线优化决策与反馈控制。

在飞机制造领域，飞机的外表面轮廓精度是评判装配质量的重要指标。但是现有飞机检测技术通常仅能够对连接孔和小尺寸零件进行光学检测，而飞机外表面断面轮廓位置不准确将造成飞机外形制造超差，严重影响飞机的气动外形精度和飞行性能。因此，迫切需要一种便于检测飞机外表面端面轮廓的检测方法。

现阶段的专利公开以及文献资料显示：1)专利(CN201210336912.7)以蒙皮吸附式爬行机器人的方式实现对飞机蒙皮质量的监测，但吸附式爬行的运动方式不适合在存在框、肋等障碍物的机舱内表面工作，且其运动速度慢，控制难度较大；2)专利(CN201710777172.3)中以固定机械臂为手段，使用工业相机和光学测量设备实现对航空发动机高精度装配质量的检测，但对飞机装配检测而言，待检测区域分布在较大的空间范围内，由于机械臂位置固定，对于远距离下的目标，无法从多角度获取待检测位置的清晰图像。

因此，本发明公开一种基于数字孪生的飞机表面装配质量检测方法，通过物联网激光跟踪仪实时扫描飞机外表面断面轮廓曲线的三维坐标，并实时与外表面断面轮廓曲线理论数据进行对比，检测效率高、时效性好，实现误差及时发现，及时修整，避免误差累计；物联网激光跟踪仪测量范围广，可满足飞机外表面大尺寸零件的检测，使用多测量站点进行测量，具有较高检测精度，提高了飞机的气动外形精度。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺陷，而提出一种基于数字孪生的飞机表面装配质量检测方法，提高了飞机装配过程中外表面的检测精度和效率，具有较好的时效性，可实现飞机外表面断面轮廓位置误差及时发现，及时修整，避免误差累计，从而提高了飞机的气动外形精度。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于数字孪生的飞机表面装配质量检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)建立飞机装配车间物理系统，在此系统安装物联网激光跟踪仪；

(2)使用CATIA软件提取飞机装配设计图中外表面的三维模型，将提取到的外表面三维模型按照固定间隔截取外表面断面轮廓曲线，保留外表面断面轮廓曲线数据作为理论数据；

(3)基于步骤(1)中飞机装配车间物理系统，建立实时检测的数字孪生系统；

(4)将步骤(2)中外表面断面轮廓曲线理论数据输入到步骤(3)中数字孪生系统；

(5)在步骤(3)数字孪生系统中建立三维坐标处理系统；

(6)在飞机装配车间物理系统中，使用物联网激光跟踪仪对已经装配完成的飞机外表面进行扫描测量；

(7)将步骤(6)中扫描测量得到的飞机外表面轮廓数据导入到步骤(5)中的三维坐标处理系统进行数据处理；

(8)将步骤(7)处理后的飞机外表面轮廓数据导入步骤(4)中的数字孪生系统；

(9)数字孪生系统将外表面断面轮廓曲线理论数据和扫描测量、处理后得到的飞机外表面轮廓数据进行对比，获取对比结果，实现对飞机表面装配质量的检测。

进一步地，飞机装配车间物理系统包括：蒙皮、机身、壁板、长桁、框架、装配工具、装配型架、物联网激光跟踪仪、电脑。

进一步地，飞机装配车间物理系统的飞机测量点分布范围较广，无法在飞机的一侧或某一位置完成全面的测量，因此物联网激光跟踪仪必须进行转站，单侧站点的布置数量为3个，范围分布在飞机机身前、中、后三个位置，且不在同一直线上，当完成飞机一侧轮廓点的测量后，移动物联网激光跟踪仪到另一侧，同样进行转站点的测量。

进一步地，物联网激光跟踪仪集成控制器、气象站、倾角传感器于一体，使用绝对测距技术进行测量。

进一步地，飞机装配车间物理系统的物联网激光跟踪仪采集的坐标通过无线网传输到三维坐标处理系统。

进一步地，数字孪生系统包含两种数据，分别是外表面断面轮廓曲线理论数据和扫描测量、处理后得到的飞机外表面轮廓数据，同时包含一个理论坐标系，坐标系原点定义为机头前缘顶点。

进一步地，三维坐标处理系统包含坐标系变换、坐标稀释、坐标筛选功能，坐标系变换是将测量站的设备坐标系与数字孪生系统的理论坐标系通过最佳拟合统一在同一个坐标系下，坐标稀释是将物联网激光跟踪仪扫描测量到的三维坐标进行等距离稀释，稀释后减少了坐标数量，加快了数据处理速度，坐标筛选是筛选断面位置坐标，输出为轮廓坐标。

更进一步地，数字孪生系统通过数字离差算法对外表面断面轮廓曲线理论数据和扫描测量、处理后得到的飞机外表面轮廓数据进行对比，对误差较大位置进行预警，超差位置二次装配后重新扫描测量。

相比于现有技术，本发明的有益效果在于：

本发明公开一种基于数字孪生的飞机表面装配质量检测方法，通过物联网激光跟踪仪实时扫描飞机外表面断面轮廓曲线的三维坐标，并实时与外表面断面轮廓曲线理论数据进行对比，检测效率高、时效性好，实现误差及时发现，及时修整，避免误差累计。物联网激光跟踪仪测量范围广，可满足飞机外表面大尺寸零件的检测，使用多测量站点进行测量，具有较高检测精度，提高了飞机的气动外形精度。

本发明公开一种基于数字孪生的飞机表面装配质量检测方法，通过数字孪生系统能够实时指导物理车间进行装配，提高了车间装配的质量和效率，减少因超差后继续装配造成的损失。三维坐标处理系统包含坐标系变换、坐标稀释、坐标筛选功能，能够减少运算量，加快处理速度，使用离差算法只对外表面断面轮廓曲线理论数据和扫描测量、处理后得到的飞机外表面轮廓数据进行对比，进一步提高了数字孪生系统的工作效率。

附图说明

为了更清楚地表达本发明实施例的技术方案，下面将通过附图来进行进一步地描述，下面描述的附图仅仅是本发明的实施例，并不构成对本发明的限制。

图1为本发明的运行流程图；

图2为本发明中物联网激光跟踪仪在物理车间的部署方案示意图；

图3为本发明在飞机外表面三维模型中截取到的理论断面图；

图4为本发明中使用物联网激光跟踪仪扫描得到的飞机外表面三维坐标点云图；

图5为本发明数字孪生系统中外表面断面轮廓曲线理论数据和扫描测量、处理后得到的飞机外表面轮廓数据的对比图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

参见图1、图2，本发明实施例公开了一种基于数字孪生的飞机表面装配质量检测方法，包括飞机装配车间物理系统，此系统共设置6个测量转站点，转站点分布在飞机机身两侧前、中、后三个位置，且不在同一直线上，当完成飞机一侧轮廓点的测量后，移动物联网激光跟踪仪到另一侧，同样进行转站点的测量，这样布置转站点可避免因单个转站点的测量误差而导致测量结果失真，测量转站点所用的物联网激光跟踪仪集成控制器、气象站、倾角传感器于一体，并且通过无线网传输扫描得到的坐标数据，使得测量更加方便。

如图3所示，使用CATIA软件提取飞机装配设计图中外表面的三维模型，将提取到的外表面三维模型按照固定间隔截取外表面断面轮廓曲线，保留外表面断面轮廓曲线数据作为理论数据，建立实时检测的数字孪生系统，将外表面断面轮廓曲线理论数据输入到数字孪生系统中。

如图4所示，建立三维坐标处理系统，在设置了物联网激光跟踪仪的物理车间，对已经装配完成的飞机外表面进行扫描，扫描后的坐标导入三维坐标处理系统进行数据处理，包括坐标系变换、坐标稀释、坐标筛选，坐标系变换是将测量站的设备坐标系与数字孪生系统的理论坐标系通过最佳拟合统一在同一个坐标系下，坐标稀释是将物联网激光跟踪仪扫描测量到的三维坐标进行等距离稀释，稀释后减少了坐标数量，加快了数据处理速度，坐标筛选是筛选断面位置坐标，输出为轮廓坐标，处理后的飞机外表面轮廓数据导入到已经包含外表面断面轮廓曲线理论数据的数字孪生系统。

如图5所示，数字孪生系统取其中一个断面位置使用数字离差算法对外表面断面轮廓曲线理论数据和扫描测量、处理后得到的飞机外表面轮廓数据进行对比，对误差较大位置进行预警，超差位置二次装配后重新扫描测量。重复此操作，直至对所有指定断面轮廓完成检测。

在使用时，通过物联网激光跟踪仪实时扫描飞机外表面断面轮廓曲线的三维坐标，并实时与外表面断面轮廓曲线理论数据进行对比，检测效率高、时效性好，实现误差及时发现，及时修整，避免误差累计。物联网激光跟踪仪测量范围广，可满足飞机外表面大尺寸零件的检测，使用多测量站点进行测量，具有较高检测精度，提高了飞机的气动外形精度。通过数字孪生系统能够实时指导物理车间进行装配，提高了车间装配的质量和效率，减少因超差后继续装配造成的损失。三维坐标处理系统包含坐标系变换、坐标稀释、坐标筛选功能，能够减少运算量，加快处理速度，使用离差算法只对外表面断面轮廓曲线理论数据和扫描测量、处理后得到的飞机外表面轮廓数据进行对比，进一步提高了数字孪生系统的工作效率。

以上借助具体实施例对本发明做了进一步地描述，使本领域专业技术人员能够或使用本发明。但是应该理解的是，本文进行的具体的描述，可以在不脱离本发明地精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。本领域内的普通技术人员在阅读本说明书后对上述实施例进行的各种调整修改，都属于本发明所保护的范围。