面向飛機裝配過程的數(shù)字化預裝配檢測系統(tǒng)

中航工業(yè)哈爾濱飛機工業(yè)集團有限責任公司 于海濤

北京航空航天大學 毛 貝 羅振偉

飛機數(shù)字化裝配系統(tǒng)采用了激光跟蹤輔助測量技術，由激光跟蹤儀獲取裝配環(huán)境位置數(shù)據(jù)及裝配件位置數(shù)據(jù)，控制系統(tǒng)通過對實際裝配位置與理論值進行比較后，獲得部件裝配位置的修正補償值，自主地對定位元件的空間位置進行快速調整，逐步對定位進行補償，完成精確定位、安裝與調整[1-3]。在數(shù)字化裝配系統(tǒng)中，整個裝配仿真分析的數(shù)據(jù)源為實測位置數(shù)據(jù)和理論模型位置數(shù)據(jù)，當測量點到達理論點位置，則裝配過程完成。

然而在數(shù)字化裝配實際應用過程中，并非測量點位置和理論點位置重合時裝配質量一定達到質量要求，因為飛機許多裝配部件由于自身尺寸較大、剛度較低，即使在制造精度滿足的情況下仍然會因裝配應力和自身重力等因素的影響而發(fā)生變形，因此可能會出現(xiàn)裝配質量不符合裝配質檢要求，或者甚至出現(xiàn)裝配干涉和測量點無法到達理論點位置等問題。這些問題是無法通過理論模型仿真分析發(fā)現(xiàn)的，往往要在裝配過程中才能發(fā)現(xiàn)，嚴重影響數(shù)字化裝配工作效率，并且在傳統(tǒng)的飛機壁板數(shù)字化裝配過程中，裝配系統(tǒng)的主要研究對象為數(shù)字化柔性裝配工裝。如何配合數(shù)字化測量設備完成裝配件姿態(tài)的調整和裝配工作，并不包含對裝配件關鍵位置點、裝配邊界和外形曲面的裝配檢測分析，如果能在裝配系統(tǒng)中補充相關功能，利用實測數(shù)據(jù)進行預裝配仿真，對測量點與理論點的偏差、邊界干涉情況和壁板外形等裝配質量進行評估，對提高裝配效率而言非常有益[4]。針對上述問題，面向飛機裝配過程的數(shù)字化預裝配檢測系統(tǒng)可以在飛機部件實際裝配過程之前，對裝配件與裝配體進行數(shù)據(jù)采集，用實際采集到的數(shù)據(jù)取代傳統(tǒng)數(shù)字化裝配仿真分析過程使用的單一理論模型數(shù)據(jù)，然后在Open CASCADE環(huán)境下對飛機數(shù)字化裝配過程中出現(xiàn)的質量問題進行預估，并對數(shù)字化裝配過程進行仿真分析。

數(shù)字化預裝配檢測系統(tǒng)概述

本文所研究的面向裝配過程的數(shù)字化預裝配檢測系統(tǒng)是建立在數(shù)字化預裝配過程基礎上的，在數(shù)字化裝配系統(tǒng)裝配之前進行檢測，數(shù)字化裝配系統(tǒng)和數(shù)字化預裝配檢測系統(tǒng)之間的關系如圖1所示。

圖1 數(shù)字化裝配系統(tǒng)與數(shù)字化預裝配檢測系統(tǒng)的關系

面向飛機裝配過程的數(shù)字化預裝配檢測系統(tǒng)結合現(xiàn)實裝配中的需要與測量軟件的要求，實現(xiàn)了如下功能。

1 數(shù)據(jù)采集功能

數(shù)據(jù)采集功能是數(shù)字化預裝配檢測系統(tǒng)的基礎功能。數(shù)據(jù)采集功能是指在裝配件完成吊裝定位以后，利用激光跟蹤儀對裝配件關鍵位置點、邊界以及外形進行測量，獲取裝配件點云數(shù)據(jù)，對獲取的點云數(shù)據(jù)進行半徑偏置、除噪及壓縮等處理，獲取預裝配檢測系統(tǒng)中分析使用的點云數(shù)據(jù)[5]。

2 裝配檢測功能

裝配檢測功能是數(shù)字化預裝配檢測系統(tǒng)的核心功能。裝配檢測功能是根據(jù)數(shù)字化裝配檢測要求，利用裝配件實測點云數(shù)據(jù)和裝配件理論模型數(shù)據(jù)對裝配件外形質量、幾何參數(shù)及點云偏差進行檢測，利用點云配準方法對裝配結合體外形質量、裝配干涉、裝配間隙及裝配階差等問題進行分析，對數(shù)字化裝配過程中出現(xiàn)的問題進行提前預測分析。

3 裝配仿真功能

裝配仿真功能是數(shù)字化預裝配檢測系統(tǒng)提供的簡單的三維可視化功能和在線動態(tài)仿真功能。裝配仿真功能是指系統(tǒng)根據(jù)裝配件位置數(shù)據(jù)、裝配件點云數(shù)據(jù)及裝配件理論模型對裝配狀態(tài)進行仿真分析，并對裝配件當前裝配質量進行直觀顯示，對裝配干涉問題進行警告提醒。

該系統(tǒng)實現(xiàn)所采用的主要技術有激光跟蹤儀二次開發(fā)技術、Open CASCADE圖形處理技術、Excel二次開發(fā)技術以及數(shù)據(jù)庫技術等。

本文研究的數(shù)字化預裝配檢測系統(tǒng)，根據(jù)功能可以分為數(shù)據(jù)采集、裝配檢測及裝配仿真3個相對獨立的功能模塊，這些功能模塊在MFC單文檔框架結構的平臺下協(xié)作完成數(shù)據(jù)采集、裝配質檢和裝配仿真工作。

數(shù)據(jù)采集功能結構及其關鍵技術

1 數(shù)據(jù)采集功能結構

數(shù)據(jù)采集功能的目的是獲取裝配件外形信息，作為后續(xù)裝配體質檢和裝配仿真的數(shù)據(jù)源，它的功能結構主要由5部分組成。

（1）激光跟蹤測量：負責激光跟蹤儀導入、連接、回鳥巢、靜態(tài)點測量及動態(tài)點測量等工作。

（2）測量環(huán)境構建：負責測量基準點的導入、坐標系擬合及設置等工作，構建數(shù)據(jù)測量環(huán)境。

（3）理論模型部分：負責理論模型的導入、設置及顯示等工作。

（4）測量數(shù)據(jù)處理：負責測量數(shù)據(jù)的顯示、處理及保存等工作，是數(shù)據(jù)采集功能的主要部分。

（5）測量報告：負責對測量功能的管理及報告導出等工作。

2 數(shù)據(jù)采集功能關鍵技術

在利用激光跟蹤儀以靶球測量模式進行數(shù)據(jù)采集時，直接測量得到的數(shù)據(jù)并不能直接用于裝配檢測和裝配仿真等工程。首先，測量數(shù)據(jù)并非目標位置數(shù)據(jù)，而是目標位置法向偏移一個靶球半徑數(shù)據(jù)，需要對數(shù)據(jù)進行半徑偏置處理；其次，測量數(shù)據(jù)還存在人為操作誤差導致的噪點問題，需要對噪點進行剔除；最后，在進行點云數(shù)據(jù)保存時，還需要考慮對點云數(shù)據(jù)的壓縮處理[5]。利用Open CASCADE庫提供的函數(shù)，可以實現(xiàn)對點云半徑偏置處理、噪點剔除及點云壓縮等操作。

（1）點云半徑偏置處理。

在Open CASCADE二次開發(fā)建模數(shù)據(jù)和算法包中，提供了很多幾何體運算方法，其中提供了BRepExtrema_DistShapeShape類，可以完成幾何體之間極值距離計算工作，利用BRepExtrema_DistShapeShape類可以完成半徑偏置處理工作[6-7]。利用極值距離求解方法，獲取點云數(shù)據(jù)在理論模型上的投影點云，根據(jù)有對應關系的投影點計算投影方向，在投影方向上偏移一個靶球半徑后，即可獲得半徑偏置處理后的點云序列，處理方法如圖2所示。

圖2 點云半徑偏置處理方法

（2）噪點剔除方法。

利用上述點云半徑偏置處理方法中的BRepExtrema_DistShapeShape類的投影極值求距方法，也可以完成點云噪點剔除工作。利用極值距離求解方法，獲取點云數(shù)據(jù)在理論模型上的投影點云，求解點云投影距離，根據(jù)噪點閾值剔除超差點，方法和圖2類似。

（3）點云壓縮方法。

在曲面外形數(shù)據(jù)采集工作中，一般會獲取龐大數(shù)量的點云數(shù)據(jù)，點云數(shù)據(jù)需要進行壓縮處理，以便于后續(xù)檢測和仿真等功能使用。傳統(tǒng)的點云數(shù)據(jù)壓縮一般采用空間分割法，本文介紹一種結合Open CASCADE曲面網格化方法，針對曲面點云數(shù)據(jù)的點云壓縮方法。具體為利用Open CASCADE中曲面分割工具分解曲面模型，依次對每個曲面網格與點云求解最小距點，得到壓縮點云序列，處理方法如圖3所示。

裝配檢測功能結構及其關鍵技術

1 裝配檢測功能結構

裝配檢測功能是利用點云數(shù)據(jù)對裝配件自身和裝配體進行質檢，預先評估裝配質量是否滿足裝配要求。其中，裝配檢測功能分為兩種類型，一類為裝配件自身質量檢測；另一類為裝配體質量檢測。裝配件檢測在檢測形式上分為幾何參數(shù)質檢和點云偏差檢測兩種。裝配體檢測分為裝配體點云偏差檢測、裝配干涉檢測和裝配間隙檢測。裝配檢測功能結構主要由6部分組成。

圖3 點云壓縮處理方法

（1）點云數(shù)據(jù)處理：包括各類點、邊界及曲面點云數(shù)據(jù)，負責實測數(shù)據(jù)的導入和顯示等工作，是裝配檢測功能的主要處理對象。

（2）檢測環(huán)境構建：負責檢測基準點的導入、檢測環(huán)境的構建與顯示等工作。

（3）理論模型部分：負責理論模型的導入、設置和顯示等工作。

（4）質檢模板：包含裝配質檢要求的各類型指標要求、局部理論模型數(shù)據(jù)及檢測算法數(shù)據(jù)，負責對點云數(shù)據(jù)分割、運算和檢測工作，是檢測功能模塊的主要對象。

（5）檢測結果分析：主要負責檢測結果的顯示和分析工作。

（6）檢測報告輸出：負責對檢測功能的管理和報告導出等工作。

2 裝配檢測功能關鍵技術

2.1 質檢模板構建方法

裝配檢測工程中，不同的裝配件和裝配體結構與檢驗指標不同，如外形偏差指標、間隙指標和干涉指標等，實現(xiàn)檢驗的算法也有較大差異，因此提出了質檢模板的概念。質檢模板是質量檢測過程中連接點云數(shù)據(jù)和理論模型的檢測工具，它包括理論模型的部分結構、質檢指標及檢測算法描述，以便完成自動質檢工作，不同的點云數(shù)據(jù)質檢模板不同，相同點云數(shù)據(jù)質檢類型不同時，質檢模板也不相同。

如圖4所示，以等直段機身壁板點云數(shù)據(jù)的兩種檢測模板為例，對于相同的機身壁板點云數(shù)據(jù)，當進行等直段外形點云偏差分析時，以理論外形面作為模板模型，對點云逐點進行偏差檢測計算，當進行等直段軸線參數(shù)分析時，以理論圓柱體為模板模型，通過參數(shù)擬合的方法進行軸線參數(shù)計算，并進行偏差分析。

2.2 幾何參數(shù)質檢方法

裝配檢測工程中，有時需要對裝配件的幾何形狀和位置參數(shù)等指標進行質量檢測，這種檢測被稱為幾何參數(shù)檢測。幾何參數(shù)檢測的一般流程為：首先對點云數(shù)據(jù)進行逆向擬合求解相關幾何參數(shù)；然后根據(jù)質檢要求對比逆向求解結果和理論模型參數(shù)；最終給出檢測評價。

圖4 質檢模板構建及使用方法

球面方程表示為：

其中，球心為（-u，-v，-w），半徑為r2=x2+y2+z2-d，即球面參數(shù)方程包含u、v、w，r4個獨立參數(shù)。根據(jù)點云數(shù)據(jù)逆向求解出這幾個參數(shù)，然后再求出其偏差。

幾何參數(shù)檢測過程中，最主要的問題是點云數(shù)據(jù)逆向擬合求解問題。針對裝配過程中常見的球面、柱面和錐面等基本二次解析曲面逆向擬合求解基本原理：對于方程為f（xi，yi，zi）=0的曲面構建的目標函數(shù)是代數(shù)距離函數(shù)：Di=f（xi，yi，zi），

當點（xi，yi，zi）在曲面上時，有Di= 0；

（1）初始化參數(shù)方程各參數(shù)。位置參數(shù)均設置為點云形心參數(shù)，角度參數(shù)通過間隔5°的一周掃描初步確定角度參數(shù)值，半徑參數(shù)設置為點和形心最大距離值。長度參數(shù)的初始步長設置為點和形心最大距離值，角度參數(shù)的初始步長設置為5°，并計算出

圖5 點云偏差分析方法

（2）逐次對方程的每個參數(shù)調整。給參數(shù)增加一個極小的變量，計算，如果增大，則負向調整參數(shù)；如果減小，則正向調整參數(shù)。將參數(shù)調整一個步長，計算如果減小，更新F和參數(shù)值，并增大一倍步長，重復計算，直至找到合適的步長t，將當前參數(shù)調整一個步長后，增大，更新此參數(shù)步長為t/ 2；如果增大，將步長減小1/2，重復計算直至找到合適的步長t，將當前參數(shù)增加一個步長后，減小，更新F和參數(shù)值，更新參數(shù)步長為t/ 2；否則，更新F和參數(shù)值，更新參數(shù)步長為t/ 2。

（3）當目標函數(shù)足夠小時，算法結束，擬合成功；若各參數(shù)步長均小于系統(tǒng)設置的極小值，且目標函數(shù)值仍較大，算法結束，擬合失敗。

2.3 點云偏差分析方法

點云偏差分析是指利用點云數(shù)據(jù)和裝配件理論數(shù)據(jù)模型，計算點云中各點到理論位置的偏差值和偏差方向。在數(shù)字化預裝配檢測系統(tǒng)中，點云偏差分析的主要工作包括點云數(shù)據(jù)各點偏差值計算、偏差方向計算及顯示和裝配件外形總體偏差效果顯示。點云偏差分析既適用于對曲面外形的偏差分析，也適用于邊界線的偏差分析。利用Open CASCADE圖形處理包中曲面距離求解、曲面分解和曲面逆向等方法，可以非常方便地完成點云偏差分析工作，具體流程如圖5所示。

2.4 裝配干涉檢測方法

裝配干涉檢測是指裝配件點云數(shù)據(jù)進行裝配配準后，對實測數(shù)據(jù)進行碰撞干涉分析。在Open CASCADE環(huán)境中，主要通過對點云數(shù)據(jù)進行布爾運算求解的方法進行干涉檢測，包括3個層次的干涉檢測，且檢測強度逐漸增強，分別為裝配包圍盒間的干涉分析、點云數(shù)據(jù)與理論模型干涉分析和逆向模型之間的干涉分析。這種分層分析方法能加速干涉檢測過程的進行，方法如圖6所示。

2.5 裝配間隙檢測方法

裝配間隙檢測是指裝配件點云數(shù)據(jù)進行裝配配準后，利用裝配件實測點云數(shù)據(jù)對裝配件之間的裝配間隙情況進行分析。間隙分析包括間隙寬度和階差兩部分內容。在Open CASCADE環(huán)境中，主要通過對點云邊界點數(shù)據(jù)進行逆向曲線擬合、實體距離極值求解和偏差向量切向法向分解等方法完成間隙檢測工作，具體方法如圖7所示。

裝配仿真功能結構

圖6 裝配干涉檢測方法

圖7 裝配間隙檢測方法

裝配仿真功能主要是指在數(shù)字化裝配過程中，利用點云數(shù)據(jù)和理論模型數(shù)據(jù)對裝配過程在線仿真分析，顯示各關鍵點、邊界點云、曲面點云與理論位置的偏差情況，并檢測裝配干涉，主要由3部分組成，具體功能如下。

（1）裝配環(huán)境建立：負責裝配坐標環(huán)境的構建和設置等工作。

（2）模型導入：負責裝配件模型、工裝模型、數(shù)字標工、點云數(shù)據(jù)導入、顯示和處理工作。

（3） 仿真報告輸出：負責對裝配仿真功能的管理和報告導出等工作。

裝配仿真功能的關鍵技術主要在于坐標系位置的擬合與坐標系的轉換，以及圖形顯示處理等技術，此類技術較為成熟，在此不再詳述。

數(shù)字化預裝配系統(tǒng)應用實例

面向裝配過程的數(shù)字化預裝配系統(tǒng)能實時顯示當前的工作狀態(tài)，具有友好的交互界面，以飛機機身壁板數(shù)字化裝配項目為背景，結合實例對其部分功能進行闡述。

1 數(shù)據(jù)采集功能

通過激光跟蹤儀獲取右壁板的關鍵點數(shù)據(jù)、邊界點數(shù)據(jù)和外形數(shù)據(jù)后，為了便于后續(xù)處理應用，需要對點云數(shù)據(jù)進行偏置處理，點云數(shù)據(jù)的偏置半徑為10mm，根據(jù)不同點云數(shù)據(jù)類型和理論模型類型，對外形點云匹配外形曲面、邊界點云匹配對接邊界線、定位點云匹配定位理論點，進行點云偏置處理，部分處理結果如圖8所示。

圖8 點云靶球半徑偏差及偏置處理后效果圖

2 裝配檢測功能

2.1 裝配件點云質檢

裝配件點云質檢是指通過點云數(shù)據(jù)對裝配件數(shù)據(jù)進行質量檢測，檢測內容主要包括關鍵數(shù)據(jù)點位置檢測、邊界點位置檢測及曲面外形檢測，在檢測形式上分為幾何參數(shù)質檢和點云偏差檢測兩種。以右壁板為例對幾何參數(shù)質檢進行說明，對于裝配件點云偏差檢測和裝配體點云偏差檢測相同。

幾何參數(shù)質檢是指通過點云逆向計算的方法，獲取點云的幾何統(tǒng)計外形參數(shù)。在檢測過程中，系統(tǒng)進行了相關幾何參數(shù)質檢功能的驗證，圖9為對柱面參數(shù)的逆向求解。

2.2 裝配體點云質檢

裝配體點云質檢是指通過兩裝配件點云數(shù)據(jù)匹配，完成裝配件點云裝配工作，將裝配好的點云數(shù)據(jù)和理論裝配件模型統(tǒng)一到相同坐標環(huán)境，對點云之間和點云理論模型件之間的質量檢測。具體內容包括裝配件點云匹配、裝配體點云偏差檢測、裝配干涉檢測和裝配間隙檢測4部分內容。

（1）裝配體點云偏差檢測。

裝配體點云偏差質檢是指裝配體的匹配點云比對裝配體理論模型，進行點云偏差質檢分析，目的是反映匹配后的點云與裝配體理論模型之間的偏差。在右壁板和底壁板的裝配過程中，所采集點云數(shù)據(jù)來自于壁板外側曲面輪廓，裝配體點云偏差檢測主要是對曲面點云的質檢，檢測效果如圖10所示。

（2）裝配體邊界間隙檢測。

裝配體邊界間隙檢測是指利用邊界點云數(shù)據(jù)對裝配件之間的間隙寬度、階差進行檢測。具體方法為利用一側邊界點云數(shù)據(jù)構建逆向邊界曲線，另一側點云向逆向曲線投影，獲取間隙，對點云數(shù)據(jù)求解所在位置的法矢，間隙距離向法矢方向投影獲取點位階差，間隙值切線方向投影獲取間隙寬度。在右壁板和底壁板的裝配過程中，以底壁板右邊界點云數(shù)據(jù)為逆向邊界曲線數(shù)據(jù)源，以右壁板下邊界點云為投影數(shù)據(jù)源，進行裝配體邊界間隙質檢檢測效果如圖11所示。

（3）裝配體干涉檢測。

裝配體干涉檢測是指利用裝配體配準點云數(shù)據(jù)，對裝配件之間的裝配干涉情況進行預測。前文介紹了3種層次的檢測方法，分別為包圍盒檢測、點云與理論模型檢測和點云逆向模型檢測3個層次，這里以點云與理論模型檢測為例進行右壁板與底壁板的裝配干涉檢測。由于裝配干涉一般發(fā)生在壁板對接邊界上，裝配體干涉檢測過程中，主要利用右側壁板邊界點云數(shù)據(jù)與底壁板理論模型進行布爾運算，檢測是否存在模型重疊，干涉檢測效果如圖12所示。

圖9 圓柱點云逆向求解

圖10 裝配體點云偏差質檢

圖11 裝配體邊界間隙質檢

圖12 邊界干涉檢測效果

結束語

面向裝配過程的數(shù)字化裝配預檢測系統(tǒng)能夠利用實測數(shù)據(jù)對裝配過程質量進行評估與仿真，從而指導操作人員對裝配過程做出及時的調整與修正，減少裝配出錯返修時間，相比直接利用理論模型進行裝配仿真更具有優(yōu)勢，作為飛機數(shù)字化裝配技術的有利輔助手段，對于提高裝配的效率具有重要意義。

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