基于逆向掃描技術蒙皮曲面裝配偏差分析

張雙雙

摘 要：飛機裝配是飛機制造中至關重要的一個環(huán)節(jié)。隨著數(shù)字化裝配技術在裝配過程中的應用，飛機裝配精度不斷提高，給裝配檢測技術提出更高的要求。裝配過程中迫切需要一種更加便捷、準確的測量方式檢測飛機裝配偏差。文章旨在介紹逆向掃描技術在飛機裝配過程中的應用。使用掃描設備對變形曲面及基準進行數(shù)據采集，然后基于CATIA軟件對掃描數(shù)據進行處理。在裝配狀態(tài)下通過空間平移和裝配約束使掃描數(shù)據與理論數(shù)據重合。對兩者進行偏差分析，探究變形曲面變形分布，為飛機裝配提供數(shù)據支持。

關鍵詞：裝配檢測；裝配偏差；逆向掃描技術；偏差分析

中圖分類號：V262 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）26-0019-02

1 概述

隨著數(shù)字化技術的提高，基于MBD技術的全三維數(shù)模制造已經應用于飛機設計生產的各個環(huán)節(jié)。飛機零部件的設計、制造實現(xiàn)了從二維圖紙到三維數(shù)模的轉變，尺寸鏈由模擬量到數(shù)字量的信息傳遞。零件、工裝制造精度的提高使飛機精確化裝配成為現(xiàn)實。當前，受裝配工藝和裝配技術的限制，飛機部總裝主要依據裝配型架卡板和定位器進行定位，通過前期制造留有余量后期修配完成裝配過程。受零部件制造誤差、工裝誤差以及裝配過程誤差等因素影響，飛機裝配誤差會引起蒙皮曲面變形。為確定變形量是否影響飛機的氣動外形，需對裝配狀態(tài)下蒙皮曲面進行數(shù)據采集，并對采集數(shù)據進行分析。為此，可通過逆向技術，掃描變形處采集點云信息，通過CATIA軟件構建實際曲面，并與理論曲面進行空間對比進行偏差分析，為指導后續(xù)裝配過程提供數(shù)據支持。

2 逆向技術及使用設備介紹

逆向技術作為一項由現(xiàn)有實物和模型反求零件CAD模型的技術，在新產品的改型和仿制、數(shù)字化模型的檢測以及破損零件的修復方面展示了巨大的優(yōu)勢。通過掃描設備獲取點云信息，并根據采集的數(shù)據重新構建實物模型，省去了實物反復加工過程，降低了產品研發(fā)成本，縮短了產品設計研制的周期。使用掃描設備對實物進行數(shù)據采集，根據采集數(shù)據進行CAD實體構建，并用來零件生產或者產品數(shù)據檢測。

其中數(shù)據采集是逆向技術的基礎，采集數(shù)據的好壞直接影響到后期曲面成型質量、精度以及曲面重構的效率。本文采用的掃描設備為Creaform公司手持式三維激光掃描Handyscan。

該設備具有操作簡便、攜帶便捷等特點，采用采用激光三角測距法[1]，能夠快速采集零件表面信息。下端十字激光發(fā)射口發(fā)出激光，由兩側鏡頭接收反射回來的激光獲得掃描數(shù)據。鏡頭四周是四個LED發(fā)光點，用來屏蔽外界光線干擾。掃描之前，首先要在被掃描物體表面粘貼定位點。根據曲度的不同，定位點成不規(guī)則排列。掃描儀獲取定位點的空間信息作為數(shù)據采集的坐標系。定位點采集完成后，可以通過翻轉、移動零件相對位置完成數(shù)據采集[2]。

3 數(shù)據構建及對比

在掃描之前，首先要確定定位基準，為后期數(shù)據分析做準備。定位基準的準確性后期數(shù)據分析是否有效?？紤]到裝配過程存在誤差，定位基準最好選用重要的框平面或裝配基準。為方便數(shù)據采集，基準要靠近掃描曲面。本次掃描數(shù)據選用某框的三個相互垂直的面作為定位基準，并對曲面信息進行掃描。

利用CATIA軟件數(shù)字曲面編輯器模塊（Digitized Shape Editor）和快速曲面構建模塊（Quick Surface Reconstruction）對掃描數(shù)據進行曲面構建。原始數(shù)據比較粗糙，存在多余的點云，構造之前需要將數(shù)據進行處理。掃描分為三部分，兩側的蒙皮曲面和中間的定位基準。需要分別構建，并依據生成的定位基準與理論曲面進行對比。其兩側曲面和定位基準，如圖1所示。以該曲面附近某框平面作為定位基準?？紤]到掃描數(shù)據及零件裝配中存在誤差，在和理論數(shù)據重合過程中可能存在偏差，選用的多個掃描面作為定位基準，對比時可以根據需要進行調整。

因掃描數(shù)據坐標系與理論曲面坐標系不同，想要兩組數(shù)據能夠對比，需要將理論數(shù)據與采集數(shù)據放在同一個裝配文件下，通過移動、約束等命令將兩組數(shù)據大致靠近。然后依據掃描數(shù)據的定位基準與理論數(shù)據重合進行對比。首先通過接觸約束將兩組數(shù)據靠近到一起，然后使用自由移動命令更改掃描數(shù)據的空間姿態(tài)，使掃描數(shù)據與理論數(shù)據大體吻合，最后通過定位基準進行準確定位。

定位完成后就可以對兩組數(shù)據進行空間對比，確定蒙皮曲面變形量。需要對兩側數(shù)據分別進對比分析。選用理論曲面作為基準面，分別進行對比。其結果如圖2所示。

對比結果分析：右側進氣道曲面上部轉變處偏差較大，偏差量在2～3mm之間。其余部分偏差主要分布在1～2mm，偏差量絕對值在1～2mm之間的約為40%，左側曲面變形量較小，偏差主要分布在±1之間，約占78%，僅下部未下部分有較大變形。

4 結束語

基于逆向技術的數(shù)據采集可以對飛機裝配過程中曲面偏差進行定量對比分析。在數(shù)據掃描前，首先要選好掃描數(shù)據空間基準。掃描完成后，通過軟件建模形成裝配狀態(tài)下蒙皮曲面。在裝配狀態(tài)下通過空間位移約束等手段，與理論數(shù)據進行對比，可快速獲得曲面變形的數(shù)據云圖，為后續(xù)裝配提供數(shù)據支持。隨著裝配技術和裝配工藝的提高，數(shù)字化裝配技術、自動鉆鉚技術、柔性工裝等的應用，給裝配檢測技術提出更高的要求，迫切需要一種更加便捷、準確的檢測技術。逆向技術能夠快速、獲取大量點云數(shù)據，形成曲面片，在飛機檢測技術領域展現(xiàn)了廣闊的應用前景。

參考文獻：

[1]唐圣彪，屠大維.激光同步掃描三角測距成像系統(tǒng)的理論分析[J].光電子·激光，2001（6）.

[2]劉勝蘭，羅志光，譚高山，等.飛機復雜裝配部件三維數(shù)字化綜合測量與評估方法[J].航空學報，2013（1）.

[3]王志宏.復雜零件在裝配模塊下的擬合方法[J].科技創(chuàng)新與應用，2015（35）：93-94.endprint