《智能制造技術基礎》課件-第4章 加工過程的智能監(jiān)測與控制

智能制造技術基礎第4章加工過程的智能監(jiān)測與控制本章要點4.1概述4.2加工過程的無損檢測技術4.4機床加工精度的控制4.3加工過程的智能診斷4.5數(shù)字化測量與檢測4.6數(shù)字化裝配概述4.14.1.1加工過程中的智能檢測和控制的目的4.1.2智能監(jiān)測與控制的內容4.1.3加工過程的智能監(jiān)測與控制發(fā)展趨勢在制造生產實踐中，加工過程并非一直處于理想狀態(tài)，而是伴隨著材料的去除出現(xiàn)多種復雜的物理現(xiàn)象，如加工幾何誤差、熱變形、彈性變形以及系統(tǒng)振動等。這些復雜的物理現(xiàn)象，導致了產品質量不能滿足要求。隨著信息技術、傳感器技術、計算機技術、互聯(lián)網技術的飛速發(fā)展，以及生產中人們對加工質量要求的不斷提高，通過對加工過程參數(shù)實施監(jiān)測并通過主被動控制的方法、對不利于產品高質量生產的加工過程進行干預的智能加工技術受到廣泛關注。4.1.1加工過程的智能監(jiān)測與控制的目的

制造過程中的狀態(tài)監(jiān)測主要是為了保障自動化加工設備的安全和加工質量，實現(xiàn)高效低成本加工，將來自制造系統(tǒng)的多傳感器在空間或時間上的冗余或互補信息通過一定的準則進行組合，挖掘更深層次，有效的狀態(tài)信息。最終實現(xiàn)對制造系統(tǒng)的一些關鍵參數(shù)進行有效的測量和評估。4.1.2智能監(jiān)測與控制的內容圖4-1加工過程監(jiān)測與控制實現(xiàn)流程加工過程中傳感器與檢測系統(tǒng)通過實時拾取機床加工過程信息，并傳遞給機床的遠程監(jiān)測及控制系統(tǒng)，實現(xiàn)產品加工的動態(tài)控制。（1）加工過程仿真與優(yōu)化：針對不同零件的加工工藝、切削參數(shù)、進給速度等加工過程中影響零件加工質量的各種參數(shù)，通過基于加工過程模型的仿真，進行參數(shù)的預測和優(yōu)化選取，生成優(yōu)化的加工過程控制指令。（2）過程監(jiān)控與誤差補償：利用各種傳感器、遠程監(jiān)控與故障診斷技術，對加工過程中的振動、切削溫度、刀具磨損、加工變形以及設備的運行狀態(tài)與健康狀況進行監(jiān)測；根據(jù)預先建立的系統(tǒng)控制模型，實時調整加工參數(shù)，并對加工過程中產生的誤差進行實時補償。（3）通訊等其他輔助智能：將實時信息傳遞給遠程監(jiān)控與故障診斷系統(tǒng)，以及車間管理MES系統(tǒng)。4.1.2智能監(jiān)測與控制的內容4.1.3加工過程的智能監(jiān)測與控制發(fā)展趨勢加工過程的智能監(jiān)控技術的發(fā)展將主要包括：（1）加工過程監(jiān)控更適合于精密加工和自適應控制的要求；（2）由單一信號的監(jiān)控向多傳感器、多信號監(jiān)控的發(fā)展，充分利用多傳感器的功能來消除外界干擾，避免漏報誤報情況；（3）智能技術與加工過程監(jiān)控結合更加緊密；充分利用智能技術的優(yōu)點，突出監(jiān)控的智能性和柔性；提高監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性和實用性。加工過程的無損檢測技術4.24.2.1加工過程中常用的無損檢測技術4.2.2機器視覺4.2.3機械零件內部缺陷的紅外無損檢測技術4.2.4陣列渦流檢測技術及其應用4.2.5加工過程刀具振動檢測4.2.1加工過程中常用的無損檢測技術

金屬零件缺陷的無損檢測是通過利用電、磁、聲、光、熱等作為激勵源對金屬零件進行加熱，根據(jù)試件內部結構的形態(tài)以及變化所反饋的信息進行檢測，從而判斷金屬零件內部是否存在缺陷。目前，加工過程的典型無損檢測方法主要有：渦流檢測、超聲檢測、射線檢測、激光檢測、滲透檢測、磁粉檢測等。（1）渦流檢測是一種非接觸式的檢測技術，感應線圈不與試件直接接觸，可進行高速檢測，易于實現(xiàn)自動化。用于檢測鐵磁性材料（導電材料）的金屬零件，且只能用于對零件表面及近表面缺陷的檢測。（2）超聲波檢測方法是一種利用聲脈沖在試件的缺陷處發(fā)生變化來進行檢測的。通過計算機、信號采集、以及圖像處理技術可將超聲波圖像化，能直觀的反映出被檢金屬零件內部的結構信息。作為一種新型的無損傷檢測方法，超聲無損檢測技術有著諸多優(yōu)點：靈敏度高、檢測深度大、結果精確可靠、成本低、操作簡單且超聲波探傷儀體積小、重量輕，便于攜帶，對人體無害，已經廣泛的用于金屬加工、材料試驗、航天航空等領域。根據(jù)目前的發(fā)展情況，超聲波無損檢測技術主要用于金屬零件的質量評估，例如鋼板、管道、壓力容器、金屬材料復合層、鐵路軌道以及列車零件等的無損檢測研究。（3）射線檢測技術是一種利用X射線、射線以及中子射線等穿過試件時產生的強度衰減變化進行檢測的方法。根據(jù)穿過試件的射線強度不同，可以判斷出試件內部結構是否存在缺陷，只要試件中存在缺陷就會破壞射線的連續(xù)性，由于不連續(xù)的射線在膠片上的感光程度存在著一定差異，因而就顯示出不連續(xù)的圖像信息。近年來，射線無損檢測技術主要用于對小型、幾何形狀復雜的金屬鑄件或鍛件的無損檢驗和尺寸測量，以及航空工業(yè)復合型型材料和金屬零件等的無損檢測檢測。射線檢測方法具有檢測效果直觀，缺陷尺寸檢測結果精確，能提供永久性記錄以及靈敏度高等優(yōu)點。（4）滲透檢測方法具有操作簡單、成本低、檢測靈敏度高、一次性檢測范圍廣、缺陷顯示效果直觀等特性，可用于檢測各類不同缺陷。該方法只能用于檢測金屬零件表面開口裂紋，且被檢試件表面必須相對光滑且無污染物。（5）磁粉檢測方法操作簡單且成本低，適用于檢測所有鐵磁性材料的表面和近表面的缺陷。（6）激光檢測方法原理是對被檢試件施加激光載荷，當金屬零件內部存在缺陷時，其缺陷部位與正常部位發(fā)生的形變量不同，通過對施加載荷前后所形成的信息圖像的疊加來判斷其內部是否存在缺陷。由于激光光束可以入射到試件的任何部位，故可用來檢測幾何形狀不規(guī)則金屬零件。目前，激光檢測主要用于對高溫條件、不易接近的試件以及超薄超細試件的檢測，如熱鋼材、放射性材料的檢測等。由于激光檢測技術的成本高、安全性差，目前仍處在發(fā)展完善的階段。（7）紅外熱成像檢測技術是一種利用紅外熱像儀將物體表面不可見的紅外熱輻射信息轉換為可見的熱圖像的方法。該方法具有非接觸、不破壞、實時、快速等特性，能有效的對金屬零件缺陷進行無損檢測研究。目前，該技術廣泛應用于軍事領域、航空航天、冶金機械、電力石化、壓力容器等諸多領域，雖然紅外無損檢測有其突出的優(yōu)點，但也存在著一定的局限性，如信號的信噪比不高，熱傳導惰性大衰減快，缺陷定量化檢測水平低等。隨著計算機技術、信息技術、精密加工等技術的發(fā)展，一些新的技術如計算機視覺、聲發(fā)射技術、熱紅外技術等實現(xiàn)了加工過程參數(shù)的在線檢測，為智能制造技術的實現(xiàn)奠定了基礎。4.2.2機器視覺1.機器視覺的定義、用途及其系統(tǒng)構成圖4-2機器視覺系統(tǒng)的一般構成機器視覺（MachineVision，MV）也稱為計算機視覺，是一種以機器視覺產品代替人眼的視覺功能，利用計算機對機器視覺產品采集的圖像或者視頻進行處理，從而實現(xiàn)對客觀世界的三維場景的感知、識別和理解的技術。機器視覺技術涉及人工智能、神經生物學、心理物理學、計算機科學、圖像處理和模式識別等多個技術領域。它主要利用計算機來模擬人或者再現(xiàn)與人類視覺有關的某些智能行為，從客觀事物的圖像中提取信息，分析特征，最終用于如工業(yè)檢測、工業(yè)探傷、精密測控、自動生成線及各種危險場合工作的機器人等。機器視覺系統(tǒng)是一種非接觸式的光學傳感器，它同時集成軟硬件，能夠自動地從所采集的圖像中獲取信息或者產生控制動作。一般一個典型的機器視覺系統(tǒng)應該包括光源、光學系統(tǒng)、圖像捕捉系統(tǒng)、圖像數(shù)字化模塊、數(shù)字圖像處理模塊、智能判斷決策模塊和機械控制執(zhí)行模塊。圖4-3機器視覺系統(tǒng)構成示例4.2.2機器視覺（1）光源光源照明技術對機器視覺系統(tǒng)性能的好壞有著至關重要的作用。光源的一般應具備以下特征：盡可能突出目標的特征，在物體需要檢測的部分于非檢測的部分之間盡可能產生明顯的區(qū)別，增加對比度；保證足夠的亮度和穩(wěn)定性；物體位置的變化不影響成像的質量。在機器視覺系統(tǒng)應用中多采用透射光和反射光。光源設備的選擇必須符合所需的幾何形狀，同時，照明亮度、均勻度、發(fā)光的光譜特性也需符合實際的要求。常用的光源類型有鹵素燈、熒光燈和LED光源燈。（2）光學鏡頭光學鏡頭成像質量的優(yōu)劣程度可用相差的大小來衡量，常見的像差有球差、彗差、像散、場區(qū)、畸變和色差6種。為此，在選用鏡頭時需要考慮：成像面積大?。撼上衩娣e是入射光通過鏡頭后所成像的平面，該平面是一個圓形。一般使用CCD相機，其芯片大小有1/3in、1/2in、2/3in及1in4種大小，在選用鏡頭時要考慮該鏡頭的成像面與所用的CCD相機是否匹配。焦距、視角、工作距離、視野：焦距是鏡頭到成像面的距離；視角是視線的角度，也就是鏡頭能看到的寬度；工作距離是鏡頭的最下端到景物之間的距離；視野是鏡頭所能夠覆蓋的有效工作區(qū)域。上述四個概念之間是關聯(lián)的，其關系是：焦距越小，視角越大，最小工作距離越短，視野越大。（3）攝像機（CCD）CCD（ChargeCoupledDevice）是美國人Boyle發(fā)明的一種半導體光學器件，該器件具有光電轉換、信息存儲和延時等功能，并且集成度高、能耗小，在固體圖像傳感、信息存儲和處理等方面得到廣泛應用。CCD攝像機按照其使用的CCD器件分為線陣式和面陣式兩大類，其中線陣CCD攝像機一次只能獲得圖像的一行信息，被拍攝的物體必須以直線形式從攝像機前移過，才能獲得完整的圖像，而面陣攝像機可以一次獲得整幅圖像的信息。目前，在機器視覺系統(tǒng)中以面陣CCD攝像機應用較多。（4）圖像采集卡圖像采集卡是機器視覺系統(tǒng)中的一個重要部件，它是圖像采集部分和圖像處理部分的接口。一般具有以下的功能模塊：1）圖像信號的接收與A-D轉換模塊，負責圖像信號的放大與數(shù)字化。有用于才是或黑白圖像的采集卡，彩色輸入信號可分為復合信號或RGB分量信號。同時，不同的采集卡具有不同的采集精度，一般有8/16/24/32Bit。2）攝像機控制輸入輸出接口，主要負責協(xié)調攝像機進行同步或實現(xiàn)異步重置拍照、定時拍照等。3）總線接口，負責通過PC內部總線高速輸出數(shù)字數(shù)據(jù)，一般是PCI接口，傳輸速率可高達130Mbit/s，完全能勝任高精度圖像的實時傳輸，且占用較少的CPU時間。在選擇圖像采集卡時，主要應考慮到系統(tǒng)的功能需求、圖像的采集精度和攝像機輸出信號的匹配等因素。（5）圖像信號處理圖像信號處理是機器視覺系統(tǒng)的核心。視覺信息處理技術主要依賴于圖像處理方法，包括圖像增強、數(shù)據(jù)編碼和傳輸、平滑、邊緣銳化、分割、特征抽取、圖像識別等內容。經過這些處理后，輸出圖像的質量得到相當程度的改善，即優(yōu)化了圖像的視覺效果，又便于計算機對圖像進行分析、處理和識別。隨著計算機技術、微電子技術以及大規(guī)模集成電路技術的發(fā)展，為了提高系統(tǒng)的實時性，圖像處理的很多工作都可以借助于硬件完成，如DSP芯片、專用的圖像信號處理卡等，而軟件則主要完成算法中非常復雜、不太成熟或需要改進的部分。（6）執(zhí)行機構機器視覺系統(tǒng)最終功能的實現(xiàn)還依靠執(zhí)行機構來實現(xiàn)。根據(jù)應用場合不同，執(zhí)行機構可以是機電系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)或氣動系統(tǒng)中的一種，無論采用何種執(zhí)行機構，除了要嚴格保證其加工制造和裝配的精度外，在設計時還需要對動態(tài)特性，尤其是快速性和穩(wěn)定性加以重視。視覺系統(tǒng)的輸出并非視頻信號，而是經過運算處理后的檢測結果，采用CCD攝像機將被攝取目標轉換成圖像信號，傳送給專用的圖像處理系統(tǒng)，根據(jù)像素分布和亮度、顏色等信息，通過A/D轉換成數(shù)字信號；圖像系統(tǒng)對這些信號進行各種運算來提取目標的特征（面積、長度、數(shù)量和位置等）；根據(jù)預設的容許度和其他條件輸出結果（尺寸、角度、偏移量、個數(shù)、合格/不合格等）；上位機實時獲得檢測結果后，指揮運動系統(tǒng)或I/O系統(tǒng)執(zhí)行響應的控制動作。2.機器視覺測量原理圖4-4雙目視覺系統(tǒng)測量原理

O1和Or是雙目系統(tǒng)的兩個攝像頭，P是待測目標點，左右兩光軸平行，間距是T，焦距是f。對于空間任意一點P，通過攝像機O1觀察，看到它在攝像機O1上的成像點為P1，X軸上的坐標為X1，但無法由P的位置得到P1的位置。實際上O1P連線上任意一點均是P1。所以如果同時用O1和Or這兩個攝像機觀察P點，由于空間P既在直線O1P1上，又在OrP2上，所以P點是兩直線O1P1和OrP2交點，即P點的三維位置是唯一確定的。4.2.2機器視覺圖4-5機器視覺圖像處理過程

圖像采集是圖像信息處理的第一個步驟，此步驟為圖像分割、圖像匹配和深度計算提供分析和處理的對象。

視覺圖像是模擬量，要對視覺圖像進行數(shù)字化才能輸入計算機。視頻圖像采集卡可以將攝像頭攝取的模擬圖像信號轉換成數(shù)字圖像信號，使得計算機得到需要的數(shù)字圖像信號。

圖像分割的目的是將圖像劃分成若干個有意義的互補交互的小區(qū)域，或者是將目標區(qū)域從背景中分離出來，小區(qū)域是具有共同屬性并且在空間上相互連接的像素的集合。

圖像匹配：圖像分割后，對多幅圖片進行同名點匹配，從匹配結果中可以獲得同一目標在多幅圖片上的視差，最后計算出該目標的實際坐標。4.2.2

機器視覺3.機器視覺技術的應用舉例示例1：刀具磨損狀態(tài)的機器視覺檢測技術圖4-6刀具磨損檢測系統(tǒng)結構簡圖（1）刀具磨損檢測系統(tǒng)總體架構及檢測原理4.2.2機器視覺基于機器視覺的刀具磨損檢測系統(tǒng)主要包括CCD相機、鏡頭、光源、支架等。其檢測原理包括以下幾點：①在光學鏡頭放大比一定的條件下，選擇適當?shù)墓庹辗较?；②調整被測刀具位置，以便清楚地看到刀具磨損區(qū)域大?。虎鄄捎肅CD相機獲取刀具圖像；④由圖像采集卡將刀具影像的模擬信號變?yōu)閿?shù)字信號傳輸?shù)接嬎銠C中；⑤由圖像處理軟件對刀具圖像進行處理，得到刀具的輪廓信息；⑥結合光學系統(tǒng)的放大倍率與實際像素的對應關系，最終求得磨損區(qū)域幾何尺寸的特征值。圖4-7刀具磨損檢測系統(tǒng)總體架構（2）檢測系統(tǒng)總體架構4.2.2機器視覺檢測系統(tǒng)的總體架構可分為刀具狀態(tài)檢測和刀具狀態(tài)識別兩個階段，其磨損檢測整體流程包括刀具圖像的離線訓練和識別兩大模塊。刀具狀態(tài)檢測階段主要包括獲取刀具圖像、圖像預處理（包括灰度化、濾波去噪及二值化）、邊緣檢測及特征提取過程，這一階段主要是為了提取刀具磨損的特征數(shù)據(jù)，通過磨損區(qū)域的幾何尺寸測量，獲取特征訓練樣本，建立刀具磨損數(shù)據(jù)知識庫，該階段屬于離線訓練階段。圖4-8刀具磨損檢測總體流程4.2.2機器視覺刀具狀態(tài)識別階段主要是通過一定的規(guī)則選擇適當?shù)牡毒吣p表征方式和分類策略，表征方式通過特征提取實現(xiàn)，分類策略的選擇則需對刀具圖像進行訓練，構造合適的分類器，基于獲取的刀具相關信息進行分類識別，從而識別出刀具所處的狀態(tài)，如正常磨損或急劇磨損，并預測刀具狀態(tài)的發(fā)展趨勢，當?shù)毒吣p嚴重時發(fā)出預警信號，提示機床操作者需要更換刀具，以免繼續(xù)使用磨損嚴重的刀具加工工件而造成工件表面質量受損。該階段屬于識別檢測階段。（3）圖像處理過程圖4-9圖像處理過程

基于機器視覺的刀具磨損檢測可以測量刀具的磨損量，其檢測精度取決于刀具磨損圖像的處理。刀具磨損檢測中的圖像處理過程主要包括圖像的灰度化、自適應中值濾波、自適應二值化及邊緣檢測。4.2.2機器視覺預處理階段：機器視覺測量建立在圖像灰度信息處理基礎上，在測量前，首先判斷獲取的刀具圖像是否為灰度圖像，如果系統(tǒng)輸入圖像為彩色圖像，則先進行灰度化處理轉換成灰度圖像。刀具圖像成像過程不可避免地產生或多或少的噪聲，必須對刀具圖像進行濾波去噪。本例中采用自適應中值濾波方法對刀具圖片進行濾波處理。圖像的二值化是將灰度圖像轉換為表達物體和背景的黑白圖像，其目的是從圖像中把目標區(qū)域和背景區(qū)域分開。二值化處理的關鍵是閾值的選取，以便進一步對二值化后的黑白圖像進行邊緣檢測，提取被測對象的正確邊緣輪廓。本節(jié)示例采用自適應二值化的方法將刀具從背景區(qū)域中分割出來。Canny邊緣檢測：邊緣是圖像局部灰度不連續(xù)的部分，圖像中的邊緣是圖像的重要結構屬性，這是圖像分割、紋理特征和形狀特征提取等圖像識別與理解的重要基礎。本示例采用Canny邊緣檢測算法提取刀具輪廓。銑刀片照片進行圖像處理結果采用圖像處理技術可以提取出刀具的輪廓信息，方便后續(xù)對磨損區(qū)域尺寸的測量和分類識別。（4）基于計算智能的刀具磨損檢測圖

4-11基于人工神經網絡的刀具磨損檢測示意圖

在不同刀具材料、切削參數(shù)、冷卻方式及加工要求情況下，分別獲取加工前的刀具和加工Δｔ時段以后的刀具圖像，并提取刀具磨損區(qū)域數(shù)據(jù)特征量，如后刀面磨損量、刀具前角和后角、刀尖距離等。將不同工況、不同刀具磨損區(qū)域的數(shù)據(jù)特征向量作為樣本，輸入人工神經網絡模型。基于人工神經網絡的刀具磨損檢測示意圖如圖4-11所示。4.2.2機器視覺人工智能算法流程圖基于機器視覺的刀具磨損檢測方案，將圖像處理技術應用于刀具磨損檢測，克服了傳統(tǒng)方法的不足，具有簡單快捷、無接觸、無變形，判斷精度高等優(yōu)點。通過邊緣檢測提取出刀具的邊緣，為進一步提取刀具磨損區(qū)域數(shù)據(jù)特征，識別刀具磨損程度，提供了快捷和可靠的手段。最后，建立了識別刀具磨損程度和預測刀具剩余壽命的人工神經網絡模型，為進一步提高高性能件的加工精度與質量控制提供了途徑。示例2基于機器視覺的零件表面缺陷檢測圖4-13圖像采集硬件平臺4.2.2機器視覺機器視覺的檢測方法可以很大程度上克服人工檢測方法的抽檢率低、準確性不高、實時性差、效率低、勞動強度大等弊端，在現(xiàn)代工業(yè)中得到越來越廣泛的研究和應用。圖4-14缺陷檢測系統(tǒng)GUI與缺陷檢測示例

圖像讀入模塊：是將采集到的圖像讀入到該檢測系統(tǒng)當中，通過刷新按鈕可以對輸入圖像進行更換。

圖像處理模塊：包括了圖像背景的分割,圖像增強和缺陷的提取。

缺陷后處理模塊：該模塊是對提取出來的零件缺陷進行一些必要的后處理，包括形態(tài)學處理和邊緣檢測。

缺陷識別和零件質量等級判定模塊：主要包括缺陷識別和零件質量等級評定模塊。缺陷識別模塊是對處理后的缺陷圖像進行特征的提取，并且建立相應的參數(shù)庫來訓練缺陷分類器的一種模塊。4.2.2機器視覺圖4-15零件表面缺陷檢測與評定

通過質量等級模塊處理后，得到的閾值為（180，370),質量等級為四級零件，如圖4-15所示。4.2.2機器視覺表面缺陷檢測圖像處理和分析算法1）圖像預處理算法工業(yè)現(xiàn)場采集的圖像通常包含噪聲，圖像預處理主要目的是減少噪聲，改善圖像的質量，使之更適合人眼的觀察或機器的處理。圖像的預處理通常包括空域方法和頻域方法，其算法有灰度變換、直方圖均衡、基于空域和頻域的各種濾波算法等，其中直觀的方法是根據(jù)噪聲能量一般集中于高頻，而圖像頻譜則分布于一個有限區(qū)間的這一特點，采用低通濾波方式進行去噪，例如滑動平均窗濾波器、Wiener線性濾噪器等。近年來，數(shù)學形態(tài)學方法、小波方法用于圖像的去噪，取得了較好的效果。2）圖像分割算法圖像的分割是把圖像陣列分解成若干個互不交迭的區(qū)域，每一個區(qū)域內部的某種特性或特征相同或接近，而不同區(qū)域間的圖像特征則有明顯差別。現(xiàn)有的圖像分割方法主要分為基于閾值的分割方法、基于區(qū)域的分割方法、基于邊緣的分割方法以及基于特定理論的分割方法等。示例2基于機器視覺的零件表面缺陷檢測3）特征提取及其選擇算法圖像的特征提取可理解為從高維圖像空間到低維特征空間的映射，其有效性對后續(xù)缺陷目標識別精度、計算復雜度、魯棒性等均有重大影響。特征提取的基本思想是使目標在得到的子空間中具有較小的類內聚散度和較大的類間聚散度。前常用的圖像特征主要有紋理特征、顏色特征、形狀特征等。①紋理特征提取統(tǒng)計法。信號處理法。結構法。模型法。統(tǒng)計法。統(tǒng)計方法將紋理看用隨機現(xiàn)象，從統(tǒng)計學的角度來分析隨機變量的分布，從而實現(xiàn)對圖像紋理的描述。直方圖特征是最簡單的統(tǒng)計特征；灰度共生矩（GLCM）是基于像素的空間分布信息的常用統(tǒng)計方法；局部二值模式（LBP）具有旋轉不變性和多尺度性、計算簡單。信號處理法。將圖像當作2維分布的信號，從而可從信號濾波器設計的角度對紋理進行分析。信號處理方法也稱濾波方法，即用某種線性變換、濾波器（組）將紋理轉到變換域，然后應用相應的能量準則提取紋理特征?；谛盘柼幚淼姆椒ㄖ饕懈道锶~變換、Gabor濾波器、小波變換、Laws紋理、LBP紋理等。②形狀特征提取

基于區(qū)域的形狀特征?；趨^(qū)域的形狀特征是利用區(qū)域內的所有像素集合起來獲得用以描述目標輪廓所包圍的區(qū)域性質的參數(shù)?；趨^(qū)域的形狀特征主要有幾何特征、拓撲結構特征、矩特征等。

基于輪廓的形狀特征?；谳喞男螤蠲枋龇菍Π鼑繕藚^(qū)域的輪廓的描述，主要有邊界特征法（邊界形狀數(shù)、邊界矩等）、簡單幾何特征（如周長、半徑、曲率、邊緣夾角）、基于變換域（如傅里葉描述符、小波描述符）、曲率尺度空間（CSS）、數(shù)學形態(tài)學、霍夫變換、小波描述符等方法。基于輪廓的特征有如下優(yōu)點：輪廓更能反映人類區(qū)分事物的形狀差異，且輪廓特征所包含的信息較多，能減少計算的復雜度；但是，輪廓特征對于噪聲和形變比較敏感，有些形狀應用中無法提取輪廓信息。

③顏色特征提取顏色特征是人類感知和區(qū)分不同物體的一種基本視覺特征，是一種全局特征，描述了圖像或圖像區(qū)域所對應的景物的表面性質。顏色特征對于圖像的旋轉、平移、尺度變化都不敏感，表現(xiàn)出較強的魯棒性。顏色模型主要有HSV、ＲGB、HSI、CHL、LAB、CMY等。常用的特征提取與匹配方法如下：顏色直方圖。顏色直方圖（colorhistogram）是最常用的表達顏色特征的方法，它能簡單描述一幅圖像中顏色的全局分布，即不同色彩在整幅圖像中所占的比例，特別適用于描述那些難以自動分割的圖像和不需要考慮物體空間位置的圖像，且計算簡單，對圖像中的對象的平移和旋轉變化不敏感；但它無法描述圖像中顏色的局部分布及每種色彩所處的空間位置。

4.2.3機械零件內部缺陷的紅外無損檢測技術（1）紅外熱成像技術簡介

紅外熱成像技術是一種利用紅外攝像機將物體表面不可見的紅外熱輻射信息轉換為可見的熱圖像的非接觸、不破壞、實時、快速檢測方法。

紅外檢測技術根據(jù)是否需要外部激勵源可分為有源（主動）檢測和無源（被動）紅外檢測。被動紅外熱成像技術是利用物體發(fā)射的紅外輻射載有物體的特征信息進行智能分析判斷。主動紅外熱成像技術是通過主動施加特定的外部熱激勵，通過熱量在物體內部的熱傳導，根據(jù)物體內部缺陷處的熱傳導系數(shù)不同導致物體表面溫度的差異，使用紅外熱像儀采集熱像圖并加以判斷。當被檢零件表面或亞表面存在缺陷時，由于材料的各向異性，熱波在其內部的擴散率不同，引起局部溫度異常，影響了零件表面溫度場的分布，用紅外熱成像儀獲取該表面溫度場，即可實現(xiàn)對被檢零件的非接觸溫度測量和熱狀態(tài)成像，通過分析評判零件表面或內部是否存在缺陷，從而達到無損檢測的目的。圖4-16紅外成像原理（2）電磁激勵紅外無損檢測技術基本原理含缺陷金屬零件的檢測示例圖4-17金屬零件的缺陷檢測系統(tǒng)組成示意圖4.2.3機械零件內部缺陷的紅外無損檢測技術試驗平臺由信號發(fā)生器、功率放大器、激勵線圈、紅外熱像儀和計算機輔助圖像處理等部分組成4.2.4陣列渦流檢測技術及其應用（1）陣列渦流技術原理

渦流檢測以電磁感應為基礎，當載有交變電流的檢測線圈靠近被檢導體時，由于線圈磁場的作用，待檢測試件中會感生出渦流。同時該渦流也會產生磁場，渦流磁場會影響線圈磁場的強弱，進而導致檢測線圈電壓和阻抗的變化。導體表面或近表面的缺陷會影響渦流的強度和分布，引起檢測線圈電壓和阻抗的變化，根據(jù)這一變化，可以推知導體中缺陷的存在。圖4-19陣列渦輪傳感器之間的切換4.2.4陣列渦流檢測技術及其應用該技術采用陣列式渦流檢測線圈，并借助計算機化的渦流儀器強大的分析、計算及處理功能，設定陣列線圈之間的響應關系，實現(xiàn)信號激發(fā)與采集，通過使用多路技術采集數(shù)據(jù)，避免了不同線圈之間的互感，忽略互感影響的陣列渦流在檢測中對缺陷特征進行提取、分類識別和成像。示例：

汽輪機葉片和葉根槽陣列渦流檢測圖4-20汽輪機葉片（左圖）和樅樹型葉根槽（右圖）①儀器選用

示例中選用SMART－5097陣列渦流探傷儀，該儀器支持32通道陣列傳感器，可以滿足產品檢驗的需要。②探頭結構

根據(jù)陣列渦流探頭的特點和汽輪機葉片、葉根槽的結構特性可以看出，對于面積較大工件的檢測，除了需要滿足檢測靈敏度、檢測速度以及缺陷定位精度等要求外，還需要考慮被檢測工件的幾何形狀、曲面變化、

測量空間等客觀條件。

4.2.4陣列渦流檢測技術及其應用(a)陣列柔性探頭(b)葉片邊緣檢測探頭(c)葉根槽檢測仿形探頭圖4-21陣列渦流傳感器探頭4.2.4陣列渦流檢測技術及其應用4.2.5加工過程刀具振動檢測圖4-24刀具振動導致零件表面產生波紋圖4-25刀具空間三維振動特征參數(shù)示意圖（1）

銑削振動信號測試方法現(xiàn)狀圖4-26刀具振動的檢測流程示意圖4.2.5加工過程刀具振動檢測

無論采用何種檢測方法，其目的均在于通過適當?shù)膫鞲衅鳒蚀_獲取機床部件的振動信號，以便于后續(xù)通過信號的處理、信號的分析，提取信號中所蘊涵的被檢測對象的工況信息。振動信號檢測流程如圖4-26所示。（2）測振傳感器的選擇傳感器的選取主要考慮以下方面：①檢測物理量的選擇②選擇傳感器的量程、靈敏度等動態(tài)特性指標③考慮傳感器的使用環(huán)境、壽命、耐用程度等要求4.2.5加工過程刀具振動檢測示

例4-27現(xiàn)場傳感器選用與布置圖4.2.5加工過程刀具振動檢測示例中選用了美國PCB公司生產的PCB356A02三向加速度傳感器兩個，頻響0.5-6khz，量程±500g，分辨率0.0005g，靈敏度分別為9.94mv/g和9.87mv/g。北京昆侖海岸傳感器公司的ST-2U-05-00-20系列電渦流傳感器兩個，工作電源電壓為±15V，變換輸出為(0~5)V測量范圍1.5mm標定靈敏度為4.403mm/EU。

采用Kistler9257B壓電晶體力傳感器和5070A電荷放大器測量加工過程中的交變切削力，量程為±5KN，固有頻率為3khz靈敏度分別是0.5N/mv和-3.7pc/mv，其具有結構緊湊，分辨率高等優(yōu)點。測試傳感器布置如圖

4-27所示。（3）銑削振動信號的采集系統(tǒng)構建圖4-28切削力測試系統(tǒng)示意圖4.2.5加工過程刀具振動檢測示例中的切削振動檢測采用DH5922數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，用以實現(xiàn)切削力與切削振動的同步采集，信號采集端口分別接入PCB加速度傳感器測量刀具主軸和工件的振動，用電渦流位移傳感器采集刀具切削時的振動情況，用kistler9257B壓電晶體傳感器測量加工過程中工件所受的切削力。在考慮傳感器方位布置及信號交互影響的條件下，能夠很好的實現(xiàn)切削過程數(shù)據(jù)的采集。振動信號的特征量常用方法①對信號進行時域提取特征觀察時域信號，比較常用處理方法是提取信號的方差、峰峰值、平均值及時域信號的有效值振動幅值。采用時域分析的方法能夠直接反映切削顫振從無到有的過程，具有直觀和運算速度快等優(yōu)點，但表現(xiàn)顫振狀態(tài)的特征不明顯，容易出現(xiàn)誤判漏判的情況。②應用傅里葉頻域變換提取振動信號特征在傅里葉變換的基礎上，對被測信號在時域和頻域上進行數(shù)據(jù)劃分，得出信號的頻率組成，有效地分析信號的成分，對于平穩(wěn)信號的處理非常有效，但對于不平穩(wěn)信號的突變信息，該方法很難提取特征和有效分辨。③應用小波包分解算法提取振動信號特征近年來，小波分析逐漸在振動信號分析領域應用開來，在基于小波的伸縮窗口特性，使得小波分析對高頻和低頻信號都有較好的分辨功能。小波包比小波分解表現(xiàn)信號更為詳細，可滿足對信號在低頻和高頻多尺度的小波分解能力。可以對信號同頻帶的分布進行分析和提取能量值等信息值，這種信號特征分解技術稱為頻帶分析技術。4.3加工過程的智能診斷示例：顫振在線智能檢測目前，機械狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷的研究主要集中在以下幾個問題：(1)故障機理的研究(2)信號提取與多信息融合(3)信號分析與特征提取(4)智能診斷與混合診斷試驗中使用三爪卡盤將工件固定在機床主軸上，并使用力傳感器實時測量加工過程中的切削力，刀具安裝在力傳感器上。加工過程中的動態(tài)力信號經過放大器放大后，通過便攜式數(shù)據(jù)采集器采樣到計算機中。顫振智能監(jiān)測試驗系統(tǒng)（1力傳感器，2計算機，3數(shù)據(jù)采集器，4放大器）顫振發(fā)生前后及其切削力變化情況4.4機床加工精度的控制1．加工過程機床熱性能的設計與控制圖4-26機床熱變形的影響因素機床的熱變形是影響加工精度的主要原因之一。機床的零部件通常由鋼或鑄鐵等金屬制成，在20℃時，1m長的鋼尺，溫度變化1℃，長度將變化11μm。制造技術的發(fā)展對高端數(shù)控機床的精度和可靠性提出了越來越苛刻的要求。研究表明：在精密加工中，由機床熱變形所引起的加工誤差占總誤差的40%~70%。為此，對機床熱變形進行控制，使得熱變形對加工精度的影響減到最小，控制它的有害影響，有重要意義。（1）機床熱態(tài)特性數(shù)值模擬法研究圖4-27軸承及其周邊的有限元熱模型4.4機床加工精度的控制近年來，有限元差分法、有限體積法和有限單元法等數(shù)值模擬法成為了典型的機床熱特性分析方法，如可以采用有限差分法來分析高速主軸的熱生成、熱應力、熱傳導、熱漂移分析和散熱以及能量分布情況等；如圖4.37所示的一種綜合考慮溫度、變形、潤滑劑黏度系數(shù)和軸承剛度舒適變化的熱機主軸模型。(2)機床主軸熱態(tài)特性試驗方法①熱測試平臺研究

4.4機床加工精度的控制一種基于分解法的主軸軸向熱誤差測量的方法，該方法可同時測量主軸箱、立柱、主軸和刀具的熱變形。圖4-29機床熱誤差智能補償系統(tǒng)框圖4.4機床加工精度的控制一種可利用熱成像相機采集數(shù)據(jù)來減少機床熱誤差的智能補償系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用基于灰色模型和模糊ｃ均值聚類法的方案來識別熱圖像中不同組里的關鍵溫度點。圖4-30機床主軸熱誤差監(jiān)測系統(tǒng)4.4機床加工精度的控制一種基于熱敏區(qū)域黃金分割布點和利用溫度傳感標簽實現(xiàn)機床溫度分布監(jiān)測及信號無線傳輸?shù)姆椒?，通過該方法可以解決主軸熱誤差有線監(jiān)測方法中存在的布線困難和溫度測點布置優(yōu)化問題②測點優(yōu)化研究4.4機床加工精度的控制以溫度測點布置與優(yōu)化為代表的熱態(tài)特性試驗方法，是目前數(shù)控機床熱試驗研究的熱點。溫度變量作為數(shù)控機床熱誤差補償模型的唯一輸入變量，其測點布置選擇對于數(shù)控機床的熱態(tài)性能測試有著非常重要的作用，對于建立高精度、高魯棒性熱誤差補償模型更起著決定性的作用。2．數(shù)控機床空間定位精度控制方法（1）幾何誤差的檢測與辨識圖4-31激光干涉儀定位誤差檢測原理①平動軸幾何誤差的直接測量4.4機床加工精度的控制平動軸的空間定位精度是衡量機床加工精度的重要指標之一，也是五軸數(shù)控機床空間定位精度改善的重要基礎。采用激光干涉儀、干涉鏡和平面反射鏡組合測量方法，直接測量平動軸的定位誤差22線辨識法定位誤差檢測軌跡：應用激光干涉儀檢測平動軸工作空間內的22條軌跡線的定位誤差，然后與誤差模型結合運用遍歷辨識算法獲得機床的幾何誤差激光干涉儀直線度誤差檢測原理：通過激光干涉儀與沃拉斯頓棱鏡組合測量平動軸的直線度誤差激光干涉儀及電子水平儀檢測角度誤差：通過激光干涉儀組合使用或電子水平儀測量平動軸的轉角幾何誤差在間接辨識方法中，也可以應用激光跟蹤儀對機床刀具誤差進行檢測，以檢測誤差為依據(jù)直接進行加工誤差的在線補償，或應用激光跟蹤儀測量平動軸在工作空間的聯(lián)動軌跡的空間誤差，并與機床誤差模型結合辨識出平動軸的幾何誤差。由于激光跟蹤儀檢測精度有限，因此對于加工精度要求較高的機床，激光跟蹤儀適用于機床的誤差狀態(tài)的周期性檢測而非機床平動軸誤差的標定。基于激光跟蹤儀的平動軸誤差檢測②轉動軸幾何誤差的檢測與辨識4.4機床加工精度的控制

基于加工試件的轉動軸幾何誤差的辨識：是在平動軸誤差預先補償?shù)幕A上，利用待檢測的五軸數(shù)控機床加工有特殊幾何特征的試件，然后通過坐標測量機檢測試件特征點的位置，通過特征點理想位置和實際位置的偏差及機床的誤差模型來辨識轉軸的誤差項。

基于檢測儀器的擺動軸幾何誤差辨識方法：通常是以檢測儀器獲取的機床的誤差信息為基礎，

結合機床的誤差模型通過數(shù)學方法解算擺動軸的各項幾何誤差。③動態(tài)誤差的檢測方法圖

4-47應用加速度傳感器進行試驗模態(tài)分析的試驗流程4.4機床加工精度的控制動態(tài)誤差的理論分析有助于解釋動態(tài)誤差的產生機理，找到動態(tài)誤差的發(fā)生規(guī)律，并在此基礎上進行抑制和控制。國內外學者在機床的動態(tài)誤差理論分析方面所采有的方法主要包括FFT分析、小波分析、有限元分析、試驗模態(tài)分析和運行模態(tài)分析等。如采用加速度傳感器檢測機床振動信號（圖4.47），并基于運行模態(tài)分析的方法對機床在工作狀態(tài)下的頻譜特性進行分析（2）數(shù)控機床的誤差補償方法①幾何誤差的補償

五軸數(shù)控機床幾何誤差補償所采用的補償方法包括：硬件補償和軟件補償兩種。硬件補償是指運用一些補償裝置或者微動機構對機床的幾何誤差進行局部的修正。圖4-38基于壓電陶瓷的微動補償機構4.4機床加工精度的控制圖4-39基于誤差模型的NC-PLC誤差補償系統(tǒng)示意圖4.4機床加工精度的控制幾何誤差的軟件補償是在機床誤差預測模型基礎上發(fā)展起來的一種新方法。該種方法通常是在幾何誤差檢測、辨識后建立機床的加工誤差預測模型，然后根據(jù)誤差預測模型計算工件加工過程中刀尖點的空間位置誤差，通過坐標系零點偏置、修改NC代碼或在控制系統(tǒng)中增加位置前饋補償?shù)姆绞綄崿F(xiàn)刀具空間定位精度的改善。②動態(tài)誤差的補償圖4-40可變增益正交耦合控制框圖圖4-41廣義正交耦合控制框圖4.4機床加工精度的控制動態(tài)誤差具有時變、隨機、相關和動態(tài)特性，因而其補償方法與幾何誤差的補償方法有很大的差異。關于動態(tài)誤差的補償方法還處于研究初期，當前機床動態(tài)精度的改善還主要是通過伺服增益的調整和優(yōu)化控制算法來實現(xiàn)。如基于正交耦合控制方法，采用可變增益正交控制方法。數(shù)字化測量與檢測4.54.5.1民用飛機數(shù)字化檢測技術4.5.2數(shù)字測量輔助的飛機大部件對接、水平測量與校準民用飛機數(shù)字化檢測技術上海飛機制造有限公司4.5.1民用飛機數(shù)字化檢測技術提綱1數(shù)字化檢測技術概述2數(shù)字化檢測技術發(fā)展現(xiàn)狀3C919飛機數(shù)字化檢測技術應用4數(shù)字化檢測的進一步發(fā)展72數(shù)字化檢測技術概述數(shù)字化檢測技術數(shù)字化檢測技術是指結構產品在以數(shù)字量產品定義為標準的、以目標特征絕對偏差為控制對象的，基于數(shù)字化檢測設備獲取測量信息的檢測技術。數(shù)字化檢測技術是與數(shù)字化制造技術、產品數(shù)字化定義技術、質量控制與持續(xù)改進技術相輔相成的。是質量提升計劃的重要環(huán)節(jié)。數(shù)字化檢測技術以數(shù)字化檢測設備為手段，以通過采樣和統(tǒng)計分析，查找并修訂產品制造過程中的系統(tǒng)偏差，形成穩(wěn)定的生產能力。制造技術進步帶來的需求上飛公司在C919大型客機項目中，將大量采用自動鉆鉚技術和自動化對接技術，只有從零件制造、工裝設備、基準點的選取和關鍵點的控制等源頭上做好精度和公差的控制，才能確保自動化生產順利進行。同時，在測量過程中適時引入先進的統(tǒng)計分析，對于實現(xiàn)過程質量控制將起著舉足輕重的作用。數(shù)字化測量通過數(shù)字化測量設備控制機構與探測系統(tǒng)（探頭）的配合，根據(jù)測量要求對被測幾何特征進行離散空間點坐標的獲取，然后根據(jù)相應的幾何定義對所測得點（點陣）進行擬合，獲得實測測幾何特征，并在此基礎上根據(jù)產品定義規(guī)范進行尺寸誤差和幾何誤差評定。數(shù)字化檢測的基礎——新一代幾何產品規(guī)范新一代幾何產品規(guī)范（GPS，GeometryProductSpecification）新的測量手段和工具的不斷出現(xiàn)，為現(xiàn)代化的制造提供了日益完善的工具和手段，但是這些新工具和手段的測量結果不完全支持基于模擬量制造的驗證體系，出現(xiàn)了標準和測量認證的矛盾。比如，用塞規(guī)檢查合格的孔，用三坐標測量機測量時就可能不合格。只有將產品的幾何規(guī)范與檢驗認證集成一體才能解決根本矛盾。新一代GPS標準正是解決測量驗證與產品定義相統(tǒng)一的體系基礎。提綱1數(shù)字化檢測技術概述2數(shù)字化檢測技術發(fā)展現(xiàn)狀3C919飛機數(shù)字化檢測技術應用4數(shù)字化檢測的進一步發(fā)展1

數(shù)字化檢測裝備技術數(shù)字化檢測裝備發(fā)展迅猛，根據(jù)測量精度、測量方法、測量范圍、以及測量對象的不同，數(shù)字化檢測設備被分為以下類型。光學測量設備（激光測量儀）室內GPS系統(tǒng)機械式測量設備照相測量設備全息測量設備典型數(shù)字化測量設備iGPS技術三坐標測量技術照相測量技術影像類測量系統(tǒng)全息測量技術2

檢測技術的應用各種檢測設備應用與飛機制造過程中，既可以支持零件微觀幾何特征的檢測驗證，還可以實現(xiàn)產品產品定位等工作，主要應用有以下途徑。零件的檢測部件交付界面的檢測外形檢測測量輔助裝配技術零件的檢測與驗收部件的檢測與驗收外形檢測基于數(shù)字測量的驗證分析理論模型實測比較模型在大部件關鍵外形尺寸檢測方面，廣泛采用照相技術、掃描成像技術等對產品的實際外形進行測量，采用形象化圖文分析方法分析數(shù)據(jù)3

基于數(shù)字量檢測的質量改進體系合格的產品并不是最好的產品。先進經驗表明，預防產品發(fā)生缺陷所花費用比返修、補償產品缺陷所花費用要少一個數(shù)量級，比因質量問題導致產品報廢而重新生產零件所花費用則少得更多。通過數(shù)字量檢測統(tǒng)計的數(shù)據(jù)，開展進行產品生產的質量分析，開展產品質量的持續(xù)改進計劃，是實現(xiàn)產品批量穩(wěn)定生產的重要手段。硬件波動控制HVC硬件波動控制HVC（HardwareVariabilityControl）是一種系統(tǒng)的方法，管理設計和制造的全過程，在制造中減少硬件的波動，改善飛機硬件的配合、性能和服務壽命。減少缺陷的產生減少制造成本減少循環(huán)時間硬件波動控制的目標是指飛機的主要部位，在飛機的總裝配和最后的安裝中的對接質量（即飛機的關鍵特性）應保證符合產品的設計要求?；陉P鍵特性的質量持續(xù)改進系統(tǒng)3提綱1數(shù)字化檢測技術概述2數(shù)字化檢測技術發(fā)展現(xiàn)狀C919飛機數(shù)字化檢測技術應用4數(shù)字化檢測的進一步發(fā)展1C919基于數(shù)字量的裝配協(xié)調體系基于模型定義的三維產品數(shù)字化檢測技術研究項目是一個以C919研制為背景的實際工程項目，也是實現(xiàn)C919飛機數(shù)字化研制體系中的關鍵項目。數(shù)字化測量技術研究的展開，以數(shù)字量裝配協(xié)調體系為基礎，以滿足C919產品質量需求為目標，以裝配尺寸精度為核心，從結構、工藝、檢測和管理等各個環(huán)節(jié)對產品尺寸與公差系統(tǒng)進行優(yōu)化控制，形成主制造商-供應商之間的基于尺寸控制的界面管理的能力，降低開發(fā)成本并保證批產飛機制造質量的穩(wěn)定和持續(xù)改進。數(shù)字量檢測協(xié)調體系2C919全機對接的裝配路線（I）C919全機對接過程利用行車將每個機身段送至機身裝配工裝上，加載其到合適的機身段定位器上。整個裝配過程以中機身為基準安裝，舉升和定位每個機身段到預對接位置；通過定位系統(tǒng)將部件位置找正；將部件位置確定后利用輔助裝置進行制孔工作；拆分機身段，去毛刺和密封采用系統(tǒng)自動還原至拆分前的位置安裝緊固件采用天車或AGV小車移動機身至機翼對接系統(tǒng)處。C919全機對接的裝配路線（II）3

基于關鍵特性的質量控制開展基于關鍵特性的飛機裝配協(xié)調準確度評估分析及質量控制體系。在設計初期階段，結合裝配協(xié)調準確度分析確定初始裝配協(xié)調關鍵特性，并設計相關的測量方案。在零件制造階段，開展零件加工關鍵特性數(shù)字化測量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析。在制造階段，開展部段控制目標的質量分析。進行對裝配協(xié)調方案進行優(yōu)化和改進，持續(xù)監(jiān)控關鍵特性，穩(wěn)定生產。4

復雜曲面零件制造的測量通過對復雜曲面零部件特征的分析，提煉零部件的關鍵特性，制定數(shù)字化測量方案，采用激光跟蹤儀、激光雷達、照相測量等數(shù)字化測量手段，結合零件三維模型，研究在線單點測量數(shù)據(jù)采集和曲面掃描數(shù)據(jù)的采集、分析技術。研究針對復雜零件的柔性檢測工裝技術，滿足不同形狀零件檢測時的定位需求。5

大部件交付控制通過預設飛機大部件的檢測控制點，利用部件產品的數(shù)字化集成測量平臺，建立基于絕對偏差測量數(shù)據(jù)為基礎的質量控制體系，并建立一套數(shù)字化制造符合性的質量評價標準。6

裝配對接系統(tǒng)MAA技術的應用基于測量的輔助裝配系統(tǒng)在C919飛機的研制中，全機對接的機身成龍站位和翼身對接站位將采用基于激光跟蹤儀測量的輔助定位系統(tǒng)完成定位工作。通過對預設點的跟蹤，對產品部件姿態(tài)進行調整，實現(xiàn)自動定位過程。7

基于關鍵特性的質量持續(xù)改進計劃零件的形位公差定義工裝的形位公差定義裝配方案協(xié)調路線（定位基準傳遞）工程設計要求尺寸鏈分析模型裝配協(xié)調準確度評估及敏感度分析基于關鍵特性的裝配協(xié)調質量保障零件加工關鍵尺寸的偏差統(tǒng)計基于尺寸鏈模型的不協(xié)調質量波動分析批產批飛機質量的持續(xù)改進8

基于模型定義的三維檢測系統(tǒng)主要關鍵技術開展基于數(shù)字量檢測及后續(xù)質量提升計劃需要解決以下關鍵技術。民機零部件裝配質量檢驗控制集成技術；數(shù)字化制造質量控制體系和產業(yè)規(guī)范；三維數(shù)字化測量系統(tǒng)集成平臺開發(fā)；測量數(shù)據(jù)處預處理與偏差可視化分析技術；復雜曲面測量數(shù)據(jù)處理關鍵技術；柔性定位工裝設計制造及集成控制技術；基于關鍵特性的質量持續(xù)改進技術。4提綱1數(shù)字化檢測技術概述2數(shù)字化檢測技術發(fā)展現(xiàn)狀3C919飛機數(shù)字化檢測技術應用數(shù)字化檢測的進一步發(fā)展數(shù)字化檢測的進一步發(fā)展在數(shù)字化加工設備的帶動下，飛機零部件產品的制造和裝配過程越來越多的實現(xiàn)了自動化。人工干預的程度越來越少，幾何特征信息也實現(xiàn)了數(shù)字化平臺的直接傳遞，減少了中間環(huán)節(jié)。隨著數(shù)控技術的不斷發(fā)展，以及測量手段的不斷提升，數(shù)字化檢測設備越來越精良，質量控制朝著越來越高效、越來越經濟的方向發(fā)展。相信不久的將來，數(shù)字化測量技術的推廣應用，能夠為ARJ21飛機和C919飛機的量產質量保證奠定基礎。數(shù)字測量輔助的飛機大部件對接、水平測量與校準4.5.2數(shù)字測量輔助的飛機大部件對接、水平測量與校準報告內容飛機部件運輸飛機大部件自動對接裝配飛機水平測量飛機系統(tǒng)成品安裝校準數(shù)字化測量技術飛機裝配中的數(shù)字化測量技術一、飛機裝配中的數(shù)字化測量技術1.數(shù)字化測量技術在飛機裝配中的地位數(shù)字化測量飛機裝配中的數(shù)字化測量技術2.數(shù)字化測量設備大尺度空間高精度數(shù)字化測量,測量過程可實現(xiàn)編程控制適合于工業(yè)現(xiàn)場測量對象及其表面的廣泛適應性3.飛機裝配對測量設備的要求模擬數(shù)字光學激光飛機裝配中的數(shù)字化測量技術激光跟蹤儀iGPS激光雷達HighLowAccuracyPortabilityFlexibilityAutomationPriceLasertrackerOpticaltrackerCMMiGPSLasertrackerOpticaltrackerCMMiGPSLasertrackerOpticaltrackerCMMiGPSLasertrackerOpticaltrackerCMMMediumZeroiGPSOpticaltrackerCMMLasertrackeriGPSLaserRadar三坐標和光學測量不適合大空間測量，激光測量適合大空間尺度的測量LaserRadarLaserRadarLaserRadarLaserRadar4.測量方法之比較飛機裝配中的數(shù)字化測量技術飛機裝配中的數(shù)字化測量技術5.數(shù)字化測量設備的深化應用飛機裝配中的數(shù)字化測量技術5.1測量精度與補償

測量的目的是為了確定被測量的量值。測量結果的品質是量度測量結果可信程度的最重要的依據(jù)。表征合理地賦予被測量之值的分散性、與測量結果相聯(lián)系的參數(shù)，稱為測量不確定度Measurementuncertainty。被測量值具有分散性，即每次測得的結果不是同一值，而是以一定的概率分散在某個區(qū)域內的多個值。雖然客觀存在的系統(tǒng)誤差是一個相對確定的值，但由于我們無法完全認知或掌握它，而只能認為它是以某種概率分布于某區(qū)域內的，且這種概率分布本身也具有分散性。測量不確定度正是一個說明被測量之值分散性的參數(shù)，測量結果的不確定度反映了人們在對被測量值準確認識方面的不足。某激光雷達測量不確定度絕對測量不確定度(2σ)

角度:6.8μm/m

距離:10μm+2.5μm/m單點三維測量不確定度(2sigma)距離

(m)三維不確定度

(μm)12510162453102冗余測量法基本原理飛機裝配中的數(shù)字化測量技術測量精度與補償5.2測量場布置測量場建立：測量工藝，測量范圍、精度等測量工藝仿真測量可達性仿真飛機裝配中的數(shù)字化測量技術某飛機水平測量場（iGPS）某飛機水平測量場（激光雷達）飛機裝配中的數(shù)字化測量技術5.3測量場坐標系的映射飛機裝配中的數(shù)字化測量技術坐標系映射算法流程使用數(shù)字化測量設備測量三個以上的公共基準點，利用三維空間直角坐標轉換模型，通過高斯-牛頓法求解不同坐標系位姿轉換六個參數(shù)。利用位姿參數(shù)即可實現(xiàn)不同坐標系測量坐標值的統(tǒng)一。飛機裝配中的數(shù)字化測量技術測量場坐標系的映射5.4多運動目標自動搜尋測量自動跟蹤；多點自動跟蹤；多點運動目標自動跟蹤；測量規(guī)劃飛機裝配中的數(shù)字化測量技術多點自動測量飛機裝配中的數(shù)字化測量技術飛機裝配中的數(shù)字化測量技術多運動目標自動搜尋測量實現(xiàn)原理十字螺旋搜索策略以靶球直徑為半徑，反復十字螺旋搜尋，一旦激光點落入靶球范圍，激光跟蹤儀將使用內嵌算法自動精確搜尋到靶球靶心。5.5可視化目標搜尋測量激光反射點靶球飛機裝配中的數(shù)字化測量技術飛機裝配中的數(shù)字化測量技術可視化目標搜尋測量運輸架車主要是用于飛機部件的架外作業(yè)，包括工序移交、補鉚、涂膠、系統(tǒng)安裝、水平測量等。二、iGPS導航的飛機部件柔性運輸架車飛機柔性運輸架車CCD視覺導航電磁導航基于iGPS導航運輸架車AGV（AutomatedGuidedVehicle）

可實現(xiàn)的運動向前運動橫向運動電機轉向運動方向力分解飛機柔性運輸架車可實現(xiàn)的運動斜方向運動轉彎運動飛機柔性運輸架車飛機柔性運輸架車三、飛機大部件自動對接裝配1.自動對接平臺站位右視圖站位俯視圖站位對應的測量點（1/2）站位對應的測量點(2/2）翼身對接的整個過程中，共設定4個站位點A、B、C、D，每個站位完成相應點的測量。2.數(shù)字化測量場構建飛機大部件自動對接裝配3.自動定位器飛機大部件自動對接裝配飛機部件自動化定位原理水平尾翼數(shù)字化定位(3+3)飛機大部件自動對接裝配4.調姿算法飛機部件調姿運動軌跡規(guī)劃—多項式擬合算法

五次多項式軌跡擬合算法：約束條件運動方程：飛機部件運動過程中始終處于剛性平穩(wěn)運動狀態(tài)。

調姿算法飛機大部件自動對接裝配調姿算法用于定位工件的種類幾何調整3-2-1：第１點在XYZ上可調整，第2點在任意兩個坐標上可調整，第3點在任意坐標上可調整。任何工件,典型的是需要調平的甲板類和平直的工件工件和工件段的自動/手動調平3-2-R：第１點在XYZ上可調整，第2點在任意兩個坐標上可調整，第3點在半徑上可調整,即該點的移動決定于該點與另外兩點構成的平面與目標面形成的夾角。。機身錐體和筒形段機身段調平；機身段和機身段之間調平3-V-P：第1點在XYZ坐標上可調整，第2點在矢量上一調整，第3點在配合面上一調整。剛體姿態(tài)調整不再是基于三點順序動作，而是根據(jù)剛體與目標姿態(tài)的角度，聯(lián)動定位器的空間動作，達到姿態(tài)調整的目的任何工件：典型的是機翼和水平尾翼，其各種安裝角度至關重要機翼和水平尾翼的自動/手動調平。飛機大部件自動對接裝配

調姿算法定位器調姿算法托架式定位器漸次位姿逼近調姿算法（機身）球絞式位姿軌跡規(guī)劃調姿算法（機翼）托架式定位器球絞式定位器

調姿算法飛機大部件自動對接裝配由于中機身采用托架式隨動支撐方式（無位移反饋），因此中機身測量點與定位器之間的初始空間關系不明確；另外由于采用接觸式調姿，因此測量點與定位器之間也沒有明確的運動學約束關系，為此構建分段逼近式調姿算法。

托架式定位器漸次位姿逼近調姿算法？？？

調姿算法飛機大部件自動對接裝配姿態(tài)調整將姿態(tài)調整完畢后的飛機平移到理論對接位置托架式定位器漸次位姿逼近調姿

調姿算法飛機大部件自動對接裝配5.飛機自動對接運動仿真技術飛機大部件自動對接裝配

托架式定位器調姿算法仿真坐標位置中機身位置調整后（mm）中機身目標位置（mm）XYZXYZa1249.99315682.45-24.4861250.0015682.445-24.289b-1250.00715682.44-24.172-1250.00115682.445-24.289c-1249.99311862.44-24.408-1250.00111862.445-24.289d1250.00611862.45-24.4051250.00011862.445-24.289坐標誤差X（mm）y（mm）z（mm）a-0.0070.0050.003b-0.006-0.0050.117c0.008-0.005-0.119d0.0060.005-0.116飛機大部件自動對接裝配調姿后中機身上各測量點坐標與目標位姿時各測量點對照球絞式定位器調姿算法仿真坐標位置對合仿真后機翼位置（mm）機翼目標位置（mm）XYZXYZe2345.26714897.914-621.5822345.26814897.845-621.566f2376.21714307.334-648.3642376.21914307.267-648.384g7525.13914832.940-429.5437525.14314832.875-429.636h12757.59717441.366-255.84912757.59817441.305-255.897坐標誤差X（mm）y（mm）z（mm）a-0.0010.069-0.016b-0.0020.0670.02c-0.0040.065-0.004d-0.0010.0610.048完成機翼原位調姿、位置調整、翼身對合后機翼上各測量點坐標與目標位姿時各測量點對照飛機大部件自動對接裝配

翼身對合定位器X向驅動軌跡翼身對合仿真結果飛機大部件自動對接裝配飛機自動對接運動仿真技術翼身對合仿真6.飛機大部件對接集成控制軟件大部件對接集成控制系統(tǒng)總體架構

飛機大部件自動對接裝配7.對接測量軟件對接測量軟件功能模塊圖飛機大部件自動對接裝配坐標系擬合

實現(xiàn)測量坐標系與理論坐標系的的擬合；對接測量

實現(xiàn)軟件主要功能——測量的操作界面；測量設備通信實現(xiàn)測量軟件與激光跟蹤測量儀的通信；調姿軟件通信實現(xiàn)測量軟件與對接控制軟件的通信；數(shù)據(jù)信息顯示顯示操作信息，如連接是否成功，坐標信息值；坐標系擬合對接測量模塊

激光跟蹤儀通信對接軟件通信對接測量軟件飛機大部件自動對接裝配8.飛機大部件對接控制軟件自動對接控制軟件功能模塊圖飛機大部件自動對接裝配

菜單欄數(shù)據(jù)維護與查詢、系統(tǒng)設置、模型導入、幫助等。

導航區(qū)對接過程流程向導。

操作區(qū)對接裝配。

顯示區(qū)顯示對接過程。

工具欄縮放、視角切換、旋轉、平移等顯示命令。

控制區(qū)對接過程事件控制操作。

飛機大部件自動對接裝配飛機大部件對接控制軟件9.調姿實例：中機身機身的調姿過程要分為四個步驟分別為：橫滾調整，俯仰調整，航向調整和中機身位置平移。中機身鎖死確認調姿基準點測量基準點平面擬合中機身調姿定姿參考點測量中機身位置平移

調姿誤差顯示中機身鎖死確認飛機大部件自動對接裝配在確認已完成中機身姿態(tài)調整和位置調整并鎖死中機身以后，繼續(xù)進行機翼調姿，翼身對合等操作。機翼上架確認調姿基準點測量工藝接頭標定輔助測量桿標定機翼原位姿態(tài)調整機翼位置平移翼身對合調姿實例：機翼調態(tài)與翼身對合飛機大部件自動對接裝配10.大部件自動對接模擬驗證飛機大部件自動對接裝配

模擬件對接結果飛機大部件自動對接裝配大部件自動對接模擬驗證

四、飛機數(shù)字化水平測量目前國內在飛機水平測量及校準方面的工作仍然以傳統(tǒng)光學測量儀器為主，使用的測量工具包括水準儀，光學經緯儀，鋼卷尺等。國外情況：用于大尺度空間的先進數(shù)字化測量設備和技術正在汽車、輪船、飛機等制造領域得到日益廣泛的應用。研究了基于先進數(shù)字化測量設備的飛機全機數(shù)字化水平測量技術和研發(fā)了飛機數(shù)字化水平系統(tǒng)，有力提高飛機水平測量的準確度及效率。1.概述2.建立測量場激光發(fā)射器安裝位置示意圖飛機數(shù)字化水平測量激光發(fā)射器安裝位置示意圖飛機數(shù)字化水平測量測量場仿真飛機數(shù)字化水平測量2.水平測量點的測量測量示意圖飛機數(shù)字化水平測量機翼兩基準點測量飛機坐標系3.數(shù)據(jù)處理機身前后兩基準點測量飛機數(shù)字化水平測量測量點數(shù)據(jù)分析數(shù)據(jù)處理飛機數(shù)字化水平測量誤差顯示數(shù)據(jù)處理飛機數(shù)字化水平測量數(shù)據(jù)處理飛機數(shù)字化水平測量數(shù)據(jù)處理飛機數(shù)字化水平測量數(shù)據(jù)處理飛機數(shù)字化水平測量（1）可以在飛機非調平狀態(tài)下進行水平測量（2）水平測量數(shù)據(jù)處理的計算機化，可實時得到水平測量結果（3）通過移動式支架布設臨時iGPS測量場可以將系統(tǒng)應用于外場測量，滿足戰(zhàn)時的飛機外場維修的需求。（4）為實現(xiàn)基于水平測量的飛機大部件優(yōu)化對接裝配打好了基礎飛機數(shù)字化水平測量結論五、數(shù)字化飛機系統(tǒng)成品安裝校準 對系統(tǒng)成品安裝姿態(tài)進行檢測，依據(jù)姿態(tài)檢測數(shù)據(jù)對系統(tǒng)成品進行姿態(tài)調整，以使系統(tǒng)成品在飛機上的姿態(tài)滿足精度要求。系統(tǒng)成品姿態(tài)調整常用加墊的方法進行。傳統(tǒng)安裝校準方法是對處于水平狀態(tài)的飛機，利用電子經緯儀借助專用安裝校準夾具以對靶方式進行。這種校準方法不僅耗時，而且精度難以保證。1.概述

飛機系統(tǒng)成品安裝校準采用數(shù)字化測量設備（iGPS、激光雷達）測量校準測量點坐標，利用測量坐標計算加墊點位置和加墊量。2.校準原理飛機系統(tǒng)成品安裝校準3.校準加墊實驗

理論值/計算值實驗次數(shù)理論值計算值加墊位置/加墊量加墊位置/加墊量加墊位置/加墊量加墊位置/加墊量第一次實驗第2加墊點1第4加墊點1第2加墊點1.2第4加墊點1.09第二次實驗第2加墊點2第4加墊點2第2加墊點1.86第4加墊點2.04第三次實驗第2加墊點3第4加墊點3第2加墊點2.79第4加墊點2.8第四次實驗第3加墊點1第4加墊點1第1加墊點1.28第3加墊點1飛機系統(tǒng)成品安裝校準校準加墊實驗（1）實現(xiàn)了飛機系統(tǒng)成品安裝校準的數(shù)字化和數(shù)據(jù)處理的自動化（2）計算加墊點位置和加墊量（3)提高了飛機系統(tǒng)成品安裝校準的精度和效率飛機系統(tǒng)成品安裝校準結論六、結論與展望數(shù)字化測量技術：（1）從測量范圍、精度、工業(yè)現(xiàn)場應用和測量對象適應性等方面考慮，激光跟蹤儀、iGPS和激光雷達在飛機裝配（當然也包括零件測量）等領域有廣泛的應用前景。（2）二次開發(fā)是實現(xiàn)自動測量的關鍵，測量的自動化是實現(xiàn)裝配自動化的基礎（3）數(shù)字化測量與飛機裝配工藝的結合（4）建立以數(shù)字化測量為主線的飛機數(shù)字化裝配生產線（1）全面采用數(shù)字化測量設備進行飛機大部件運輸、對接、水平測量與校準，將模擬量和光學測量方式提升到數(shù)字量和激光測量階段（2）關鍵技術：測量場構建技術大空間多運動目標自動搜尋測量技術隨動式的柔性調姿技術基于水平測量的飛機大部件優(yōu)化對接技術校準加墊位置和加墊量的計算開發(fā)了成套的完全具有自主知識產權的飛機大部件自動裝配、水平測量與校準的軟硬件系統(tǒng)與平臺，實現(xiàn)了飛機大部件裝配、水平測量與校準的數(shù)字化、自動化、柔性化和集成化。數(shù)字測量技術在飛機總裝配中的應用：結論與展望結論與展望數(shù)字化裝配4.64.6.1智能跟蹤識別在數(shù)字化裝配中的應用4.6.2iGPS全空間測量系統(tǒng)在飛機數(shù)字化測量與裝配上應用洪航慶美國自動精密工程公司中國區(qū)銷售總經理2011年10月南京4.6.1智能跟蹤識別在數(shù)字化裝配中的應用航空行業(yè)用戶與生產裝配及配套有關的需求√工裝夾具的檢測√裝配中的測量與定位√大型零部件檢測√遠距離高精度測量√工具與模具的檢測