基于激光測量的機(jī)翼外形檢測

李 鑫 楊坪川

（成都飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，四川成都610092）

0 引言

隨著社會的進(jìn)步和新技術(shù)的應(yīng)用，航空制造業(yè)的競爭日趨激烈，對飛機(jī)質(zhì)量及裝配精度的要求也越來越高。

傳統(tǒng)的機(jī)翼外形檢測主要使用專用的工裝——外形檢查卡板。這種卡板不但笨重，而且精確度較差，它只能定性地說明機(jī)翼外表面形狀是否滿足設(shè)計(jì)要求，無法定量及準(zhǔn)確描述機(jī)翼外表面位置是否處在數(shù)模所規(guī)定的正確位置上。而且這種卡板往往只能適應(yīng)特定的機(jī)型，飛機(jī)產(chǎn)品的外形或結(jié)構(gòu)發(fā)生改變時(shí)，必須重新訂制專用工裝以及與之配套的樣板、樣件等，這都增加了生產(chǎn)成本和生產(chǎn)準(zhǔn)備周期。

針對生產(chǎn)中的這種情況，我們采用激光雷達(dá)對機(jī)翼的外形進(jìn)行檢測。激光雷達(dá)精度較高，滿足測量要求，相比于激光跟蹤儀的優(yōu)點(diǎn)在于它的非接觸性：不需任何反射鏡或測量探針，不需要在機(jī)翼上打制工藝孔放置反射鏡等。這樣可以定量說明，同時(shí)避免訂制工裝，極大地減少了生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間。

1 機(jī)翼外形檢測總體方案

1.1 測量技術(shù)方案流程

本課題采用激光雷達(dá)來進(jìn)行機(jī)翼外形檢測，得到機(jī)翼外形的點(diǎn)云，通過CATIA軟件將點(diǎn)云與數(shù)模對比，得到外形誤差。其基本測量流程如圖1所示。

圖1 測量流程圖

首先，根據(jù)所需測量的機(jī)翼位置及尺寸特點(diǎn)，制定出測量計(jì)劃。由于被測物體確定，本測量計(jì)劃確定后可重復(fù)使用。

測量計(jì)劃中一般包括以下內(nèi)容：

（1）被測特征點(diǎn)的可測性分析：應(yīng)盡量選取可表征機(jī)體特征又目視可測的特征點(diǎn)作為測量點(diǎn)。如特征點(diǎn)非常重要，而又不能目視可測，則需要根據(jù)特征點(diǎn)的位置特征將其設(shè)計(jì)為轉(zhuǎn)站可測點(diǎn)或關(guān)節(jié)臂配合可測點(diǎn)。

（2）測量設(shè)備的放置方式：測量設(shè)備的放置方位和高度，應(yīng)使所確定的被測特征點(diǎn)盡可能地都成為單一位置目視可測點(diǎn)和轉(zhuǎn)站可測點(diǎn)，以盡量減少測量過程中的設(shè)備移動。另外，還要考慮測量設(shè)備與被測物的距離，盡量減小測量誤差。

本課題需要測量的是機(jī)翼的整個(gè)外形，因而應(yīng)將測量設(shè)備放置于可方便掃描到全部翼面的位置。

1.2 測量坐標(biāo)系的建立

本課題的坐標(biāo)系建立是利用型架上的基準(zhǔn)點(diǎn)來確定的。將型架上事先打制好的基準(zhǔn)點(diǎn)的測量數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)站，建立的坐標(biāo)系即為飛機(jī)坐標(biāo)系。

1.3 測量方案

本方案使用激光雷達(dá)作為測量設(shè)備并采用軟件方法來實(shí)現(xiàn)機(jī)翼外形檢測。先通過測量型架上的點(diǎn)與理論點(diǎn)轉(zhuǎn)站，使坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化為飛機(jī)坐標(biāo)系。使用激光雷達(dá)的掃描功能測量整個(gè)機(jī)翼外形。將得到的點(diǎn)云導(dǎo)入CATIA軟件中，與理論數(shù)模進(jìn)行對比，生成報(bào)告，分析外形誤差。

本課題使用的MV224激光雷達(dá)技術(shù)參數(shù)為：水平方向360°；垂直方向±45°；測量范圍1～24 m。

測量方案如下：

（1）放置于現(xiàn)場，距被測物體水平距離約3 m，安放平穩(wěn)并靜待5 min，使系統(tǒng)穩(wěn)定；

（2）打開激光雷達(dá)測量系統(tǒng)，預(yù)熱4 h，通過測試后準(zhǔn)備開始測量；

（3）測量型架上的基準(zhǔn)點(diǎn)，將基準(zhǔn)點(diǎn)的實(shí)測值與理論值進(jìn)行最佳擬合，建立坐標(biāo)系；

（4）測量機(jī)翼外形；

（5）操作完畢，保存生成的點(diǎn)云，將點(diǎn)云導(dǎo)入CATIA軟件中；

（6）將點(diǎn)云與被測機(jī)翼外形的理論數(shù)模進(jìn)行對比，得到外形誤差；

（7）輸出測量報(bào)告。

外形掃描有多種方式，本課題選擇VisionBox Scan，VB-Scan是最快的掃描方式，在移動的同時(shí)連續(xù)測量。

掃描過程中不能改變焦距，為了避免有空白區(qū)域，請確認(rèn)整個(gè)區(qū)域在同一景深范圍。范圍大的區(qū)域，分成幾個(gè)小區(qū)域效果更好。

根據(jù)需要設(shè)置好點(diǎn)線間距（Point spacing＆amp;Line spacing）。雷達(dá)開始掃描，點(diǎn)云值發(fā)送到Cloudviewer或SA中。

2 結(jié)果分析及方法改進(jìn)

2.1 結(jié)果分析

通過以下步驟對掃描的點(diǎn)云進(jìn)行分析：

（1）將點(diǎn)云數(shù)據(jù)從SA軟件中導(dǎo)出，導(dǎo)出格式為.txt。

（2）將導(dǎo)出的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入CATIA中。進(jìn)入開始—形狀—Digitized shape editor模塊，用工具欄中import工具導(dǎo)入，導(dǎo)入格式選擇ASCII free。

（3）用Digitizedshapeeditor模塊和Quicksurfacereconstruction模塊中的工具對導(dǎo)入的點(diǎn)云進(jìn)行去噪點(diǎn)、分塊、線擬合、面擬合等操作。

（4）將數(shù)模導(dǎo)入CATIA軟件中，與處理好的點(diǎn)云作比對，得到結(jié)果，如圖2所示。

圖2CATIA軟件中左機(jī)翼示意圖形

測量顯示左機(jī)翼的氣動外形誤差符合設(shè)計(jì)要求。

右機(jī)翼采用同樣方法測量并進(jìn)行結(jié)果分析，氣動外形誤差符合設(shè)計(jì)要求。

2.2 方法改進(jìn)

本次測量應(yīng)用激光雷達(dá)對實(shí)際產(chǎn)品進(jìn)行外形掃描，還有很多不完善的地方，具體應(yīng)該在以下幾點(diǎn)改進(jìn)：

2.2.1 基準(zhǔn)點(diǎn)選擇

測量所生成的點(diǎn)云需要與數(shù)模比對，這就需要有基準(zhǔn)點(diǎn)。該基準(zhǔn)點(diǎn)直接關(guān)系到評價(jià)實(shí)際產(chǎn)品裝配質(zhì)量的合格與否。如果基準(zhǔn)點(diǎn)選擇有問題，點(diǎn)云與數(shù)模比對時(shí)，即使產(chǎn)品本身合格，檢測出的結(jié)果不符合要求，這樣對產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)進(jìn)度都會有較大影響。

目前有兩種比較準(zhǔn)確的基準(zhǔn)可供選擇，一是使用型架上現(xiàn)有的靶標(biāo)點(diǎn)作為基準(zhǔn)點(diǎn)，二是在產(chǎn)品上選擇較準(zhǔn)確的基準(zhǔn)孔作為基準(zhǔn)點(diǎn)。

2.2.2 掃描方式

本課題選擇VisionBox Scan掃描方式，采用閉區(qū)間圖形分塊掃描的方法，該方法是常用的掃描方法，但在本次掃描機(jī)翼時(shí)發(fā)現(xiàn)由于尺寸較大，掃描得到的點(diǎn)主要集中在閉區(qū)間四周，而中心點(diǎn)的能量較小，無法顯示。

因此考慮到特殊性，今后掃描可采取開區(qū)間掃描方式，會有較好的包絡(luò)性。閉區(qū)間及開區(qū)間掃描的方式如圖3、圖4所示。

圖3 閉區(qū)間掃描示意圖

圖4 開區(qū)間掃描示意圖

2.2.3 點(diǎn)線間距

目前點(diǎn)線間距均設(shè)置為5 mm，在精度和效率的雙重考慮下，可將點(diǎn)線間距設(shè)置為10～30 mm。

2.2.4 自動測量功能

激光雷達(dá)具有自動測量功能，可編輯Measurement plan，實(shí)現(xiàn)測量的自動化，這樣不需要人員在現(xiàn)場一直操作，可以極大地減輕工作強(qiáng)度。

3 結(jié)語

采用激光雷達(dá)進(jìn)行機(jī)翼外形掃描，替代傳統(tǒng)的卡板檢驗(yàn)方法，既節(jié)省了生產(chǎn)成本和生產(chǎn)準(zhǔn)備周期，也提高了檢驗(yàn)的準(zhǔn)確度。