基于激光雷達的數字化裝配檢測技術研究

（航空工業(yè)成都飛機工業(yè)（集團）有限責任公司，成都 610091）

隨著我國先進設計制造技術的發(fā)展，飛機裝配數字化進程迅速邁進。模擬量及二維圖紙模式的傳統檢測手段嚴重制約著飛機制造業(yè)的發(fā)展，無法適應飛機設計及生產的先進性要求[1]。三維數字化測量技術已經開始進入當前飛機制造領域，并成為一種趨勢，在檢測、裝配、校準等領域發(fā)揮作用。尤其是對于一些型面復雜、制造工藝要求高、生產進度要求快的飛機機型，三維數字化測量技術是其先進性制造水平的重要保障，是飛機檢測及輔助裝配的發(fā)展方向和主體模式[1]。

數字化裝配檢測是指使用三維數字化測量設備對安裝部件進行測量并獲得裝配尺寸信息的過程，可以用于檢測飛機裝配定位點、結構變形量及裝配零件尺寸。飛機裝配定位點、結構變形量及裝配零件尺寸檢測數據為保證飛機裝配質量提供了關鍵數據支撐。

為提高新型飛機裝配檢測精度，降低裝配檢測時間，提出了采用激光雷達測量系統對產生裝配問題的部件及其相配合的零件進行三維數字化檢測。這種檢測手段可以從根本上解決傳統測量方式無法檢測形面復雜、裝配工藝要求高的裝配問題，從而提高飛機裝配質量。

1 激光雷達測量系統組成及測量原理

1.1 激光雷達測量系統組成

激光雷達系統硬件由掃描頭、基座、控制柜、電源線、電腦、UPS不間斷電源、打印機等組成（圖 1）[2]。

1.2 激光雷達測量原理

圖2所示為Metris 激光雷達擁有球形測量系統，利用高精度反射鏡和紅外激光光束測量3個物理量：方位角、俯仰角、距離。方位角和俯仰角是通過兩個編碼器實現測量；距離是利用調頻相干激光雷達技術測量，最后球形坐標系和笛卡爾坐標系的轉換得出被測點的X、Y、Z坐標見公式（1）[2]。

圖1 激光雷達硬件系統Fig.1 Laser radar hardware system

圖2 激光雷達測量原理Fig.2 Measurement principle of laser radar

式中，R為測量距離，θAZ為測量偏轉角，θEI為測量俯仰角。

2 激光雷達測量裝配檢測流程

激光雷達可對空間點進行測量，空間點的測量可用于獲取飛機裝配部件的外型尺寸數據，依靠預設的測量規(guī)劃，還可得到空間點的序列數據——點云數據。通過對測量點云數據的處理獲得被測物相應尺寸，從而確定裝配問題。

在進行測量時，如被測物所需數據可在同一位置獲得，則將雷達放置于此處，對被測物所需數據進行測量，測量完成后即可對數據進行相應處理以得到被測物體所需尺寸和相對位置。若測量物體在同一位置無法獲取到所有信息時，需要用儀器測量位置的移動來實現，即需要對儀器進行轉站（轉站即儀器通過測量公共目標的位置解算求出各站儀器到統一的測量坐標系的坐標轉換參數，從而將儀器從自身坐標系下轉換為統一的測量坐標系下，實現測量數據的統一性[1]）。測量流程如圖3所示。

3 激光雷達測量在裝配檢測中的應用

傳統檢測方法一般采用三坐標測量機獲取零件關鍵位置的三維空間坐標，而對于飛機裝配的零件，很多定位成品尺寸大且定位尺寸特征不能直接測量獲得，所以不能利用傳統檢測方法進行檢測，導致此裝配問題長期無法解決。為提高飛機裝配質量，采用激光雷達對此裝配進行檢測，并獲得測量數據，從而從根本上解決這一裝配問題。

3.1 測量方案確定

對于固定在飛機艙位內的高精度定位成品，引起其裝配問題的原因如圖4所示。可知，裝配問題主要有兩個原因，一是裝配部件尺寸偏離，即裝配部件外形尺寸誤差超出設計公差范圍；二是裝配定位點偏離，包括兩個方面，一是多個定位點尺寸偏離，即多個定位點的相對位置不滿足設計要求；二是多個定位點整體尺寸偏離，即裝配點整體中心偏離理論設計的中心。為確定裝配問題，首先需要對裝配部件的安裝點位置及尺寸進行測量，確定其是否滿足裝配需求。完成部件測量后再對機上裝配定位點之間的相對位置進行測量，通過對兩者定位尺寸測量分析，從而確定引起此裝配問題的根本原因。

某機型高精度部件的裝配，是通過鉚接固定在左右定位壁板的3個安裝支座上進行裝配定位，如圖5所示，為解決無法裝配問題，首先使用激光雷達對安裝部件安裝孔進行測量，其次對艙內定位框及定位壁板上的固定支座安裝孔進行測量，從而確定引起裝配問題的原因并給出具體解決方案。

圖3 激光雷達測量流程Fig.3 Measurement process based on laser radar

圖4 裝配問題分析模型Fig.4 Analysis model of assembly problem

3.2 測量數據及分析

（1）安裝部件的測量。

使用激光雷達對安裝部件的3個安裝孔及3個安裝定位孔的端面進行測量，分別得到3個安裝孔的外形及安裝定位孔端面，如圖6所示。

（2）安裝部件的數據處理。

通過激光雷達自帶軟件SA進行數據處理（即采用逆向工程的方法對測量數據進行處理從而獲取所需信息），獲得部件安裝孔軸線及裝配端面，并求出安裝孔軸線與裝配面的交點如圖7所示。

安裝孔軸線為，

式中，a，b，c為軸線的法向量，（x0，y0，z0）為軸線上任意一點，（x，y，z，）為軸線與平面的交點。

裝配面為：

式中 ,A，B，C為平面的法向量，（x，y，z，）為軸線與平面的交點[3]。

由式（2）可得：

圖5 部件安裝固定示意圖Fig.5 Schematic diagram of component mounting and fixing

圖6 部件安裝孔測量點云圖Fig 6 Point clouds of component mounting hole

通過式（6）即可獲得軸線與端面交點的x值，同理由式（2）、（3）可求得軸線與端面交點的y，z值。

3.3 安裝部件的數據分析

將測量處理出的3個安裝孔軸線與端面的交點的三維數據，通過采用與設計理論數據對比式全約束法實現測量坐標系與設計理論坐標系對齊，使得實際測量數據與設計理論基準數據的空間位置具有可比性，可以得到各測量數據與理論數據的三維偏差[4]。

對比式全約束法：測量部件基準點i在當前儀器測量坐標系o-xyz下，測得坐標值為（xi，yi，zi）(i=A,B,C),經與理論數據對比后，基準點i在設計理論基準坐標系O-XYZ下的坐標為（Xi，Yi，Zi）；由測量坐標系到部件理論坐標系的變換方程為：

式中，R為當前測量坐標系o-xyz到部件理論坐標系O-XYZ的旋轉變換矩陣，T為變換的平移矩陣[5]。得到測量數據與理論數據偏差如圖8所示。

由圖8可知部件測量數據與設計理論數據之間的偏差最大為0.0559mm，滿足設計裝配誤差要求，因此引起無法裝配的原因與裝配部件無關。故需對安裝支座進行檢測及分析，檢測方法及分析方法與部件檢測相同，通過對支座數據分析得到安裝支座的三點偏差最大為1.5739mm，這導致了該裝配無法進行，而導致安裝支座的三點偏差的根本原因經過對左右定位壁板固定尺寸進行相同方法的檢測后發(fā)現，左右定位壁板固定尺寸存在約2mm誤差，這個偏差導致了安裝支座時一定會出現安裝點的誤差。所以左右兩側支座之間的距離過大問題是其裝配問題的根本所在。故在后續(xù)的生產裝配過程中，對左右定位壁板的裝配進行控制，避免引起后續(xù)部件裝配問題。

圖7 部件安裝孔數據處理Fig.7 Data process of component mounting hole

圖8 部件安裝孔數據分析Fig.8 Data analysis of component mounting hole

4 結論

基于激光雷達的數字化裝配檢測新技術不僅實現了大型復雜、高精度配合部件的裝配檢測，而且避免了傳統檢測方法無法進行檢測的尷尬局面。通過應用驗證，基于激光雷達的數字化裝配檢測新技術可以測量出裝配部件基準面、定位點、定位銷孔等幾何信息，對其進行數據處理，得出基準面、軸、點之間的空間位置關系以及和理論數據之間的偏差，從而找出裝配問題的根源，在后續(xù)的生產制造中加以控制，不斷完善，保證飛機裝配的生產周期，提高生產效率，對實現飛機數字化自動裝配具有重要意義。

[1] 周娜. 飛機數字化測量及質量控制技術研究[D]. 長春: 長春理工大學, 2012.

ZHOU Na. Research on aircraft digital measurement and quality control technology[D]. Changchun: Changchun University of Science and Technology, 2012.

[2] 王海舟, 張艷麗, 周良明, 等. 批量復雜結構毛坯的快速逆向建模技術研究[J]. 中國機械工程，2017, 25(14): 1935-1940.

WANG Haizhou, ZHANG Yanli, ZHOU Liangming, et al. Rapid reconstruction of batched complex blanks from cloud pionts[J]. China Mechanical Engineering, 2017, 25(14): 1935-1940.

[3] ZHOU Na, AN Zhiyong, LI Yonghao，et al. Research on complicated surface measurement technology based on laser radar[J].Optics & Optoelectronic Technology, 2011, 09(5): 58-60.

[4] 周娜, 安志勇, 林雪竹. 基于激光雷達、iGPS的飛機水平測量技術研究[J]. 航空制造技術, 2012(22): 50-53.

ZHOU Na, AN Zhiyong, LIN Xuezhu. Research on aircraft level measurement technology based on laser radar and iGPS[J]. Aeronautical Manufacturing Technology, 2012(22): 50-53.