三維激光掃描技術(shù)在大飛機(jī)上的應(yīng)用研究

趙慶輝 何坤

摘 要：數(shù)字化測(cè)量技術(shù)是現(xiàn)代飛機(jī)數(shù)字化裝配技術(shù)的重要組成部分，從當(dāng)前常見(jiàn)幾種數(shù)字化測(cè)量系統(tǒng)入手，簡(jiǎn)要介紹了各自的優(yōu)缺點(diǎn)及使用現(xiàn)狀，重點(diǎn)以手持式三維激光掃描儀為研究手段，以某型機(jī)中機(jī)身環(huán)控管路裝配不協(xié)調(diào)問(wèn)題為研究對(duì)象，詳細(xì)論述了手持式三維激光掃描儀在解決機(jī)身內(nèi)部管路裝配偏差問(wèn)題的研究過(guò)程，為今后行業(yè)內(nèi)機(jī)身內(nèi)部管路裝配偏差檢測(cè)提供研究方法和思路。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化測(cè)量；三維激光掃描；飛機(jī)裝配檢測(cè)

中圖分類(lèi)號(hào)：TN249 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2019）02-0017-04

Abstract： Digital measurement technology is an important part of modern aircraft digital assembly technology. Starting with several common digital measurement systems， this paper briefly introduces their advantages and disadvantages as well as the current situation of their use. The paper focuses on the hand-held three-dimensional laser scanner as the research means and the disharmony of the fuselage environmental control pipeline assembly in a certain type of machine as the research object. The research process of the hand-held three-dimensional laser scanner in solving the assembly deviation problem of the internal pipeline of the fuselage is discussed in detail， which provides the research methods and ideas for the assembly deviation detection of the internal pipeline of the fuselage in the industry in the future.

Keywords： digital measurement； three-dimensional laser scanning； aircraft assembly testing

目前，隨著公司飛機(jī)生產(chǎn)數(shù)量的不斷增加，部、總裝現(xiàn)場(chǎng)零部件的裝配偏差逐漸成為影響飛機(jī)交付的一個(gè)主要因素。因?yàn)轱w機(jī)裝配偏差是由人為因素、系統(tǒng)誤差以及偶然誤差等多種因素導(dǎo)致[1]，難以避免，分析難度大，所以通常情況下，當(dāng)出現(xiàn)零、部件裝配偏差問(wèn)題時(shí)，都是根據(jù)裝配現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際偏差量進(jìn)行即時(shí)位置調(diào)整或者取樣新制零件，從而滿足飛機(jī)裝配要求。

根據(jù)裝配現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)實(shí)際來(lái)看，機(jī)身內(nèi)部各種管路裝配不協(xié)調(diào)問(wèn)題，大多直接采用取樣新制，該方法解決管路裝配問(wèn)題的周期一般為5～7天，不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且由于沒(méi)有有效的檢測(cè)工具進(jìn)行原因分析而直接取樣，整個(gè)過(guò)程顯得比較盲目，缺乏系統(tǒng)化、科學(xué)化的問(wèn)題處理方法。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)以及信息技術(shù)的不斷發(fā)展，先進(jìn)的數(shù)字化測(cè)量系統(tǒng)逐漸被應(yīng)用到飛機(jī)的裝配制造中，取得了很好的效果。目前，在飛機(jī)裝配中常見(jiàn)的數(shù)字化測(cè)量系統(tǒng)有激光跟蹤儀、數(shù)字照相測(cè)量、室內(nèi)GPS以及三維激光掃描，各自以其獨(dú)有的測(cè)量特點(diǎn)在飛機(jī)不同的裝配領(lǐng)域發(fā)揮巨大的作用[2]，各種數(shù)字化測(cè)量系統(tǒng)的特點(diǎn)及應(yīng)用現(xiàn)狀見(jiàn)表1所示。

本文根據(jù)裝配現(xiàn)場(chǎng)遇到的實(shí)際裝配問(wèn)題，采用手持式三維激光掃描儀，嘗試對(duì)某型飛機(jī)中機(jī)身環(huán)控管路進(jìn)行裝配檢測(cè)，通過(guò)對(duì)掃描數(shù)據(jù)與理論數(shù)模進(jìn)行對(duì)比分析，查找管路裝配不協(xié)調(diào)問(wèn)題產(chǎn)生原因，進(jìn)而解決環(huán)控管路裝配不協(xié)調(diào)問(wèn)題。

1 試驗(yàn)及方法

1.1 問(wèn)題描述

某型機(jī)中機(jī)身環(huán)控管路出現(xiàn)裝配偏差，裝配廠認(rèn)為零件制造廠產(chǎn)品尺寸有問(wèn)題，而零件制造廠認(rèn)為該零件使用檢驗(yàn)?zāi)y(cè)量合格后交付，無(wú)尺寸問(wèn)題，將問(wèn)題歸結(jié)于裝配問(wèn)題。由于機(jī)身內(nèi)部空間狹小，環(huán)境復(fù)雜，常用數(shù)字化測(cè)量設(shè)備無(wú)法在該環(huán)境下使用，導(dǎo)致管路裝配偏差問(wèn)題未能及時(shí)解決，影響到飛機(jī)交付。

1.2 試驗(yàn)方法

使用加拿大CreaForm公司的HandyScan 300TM手持式三維激光掃描儀以及VXelements數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)問(wèn)題飛機(jī)環(huán)控管路進(jìn)行三維掃描，將優(yōu)化處理完畢后的掃描數(shù)據(jù)和理論數(shù)模共同導(dǎo)入Geomagic Control分析軟件進(jìn)行對(duì)比檢測(cè)。

2 結(jié)果與討論

根據(jù)裝配現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際反應(yīng)問(wèn)題，對(duì)問(wèn)題區(qū)域進(jìn)行三維掃描，掃描結(jié)果如圖1所示。（a）圖為掃描數(shù)據(jù)與理論數(shù)模依據(jù)基準(zhǔn)對(duì)齊后在空間中的位置，其中淺灰色部分為掃描數(shù)據(jù)，深灰色部分為理論數(shù)模；（b）圖為對(duì)比測(cè)量結(jié)果，尺寸偏差設(shè)置為1mm，其中淺灰色部分為理論數(shù)模，深灰色區(qū)域?yàn)閷?shí)際點(diǎn)云位置在理論數(shù)模曲面法線方向上以及法線反方向上超出1mm的掃描數(shù)據(jù)，其余灰度區(qū)域?yàn)榻橛谡?fù)1mm偏差之間的掃描數(shù)據(jù)（下同）。

由圖可以看出，左側(cè)管路明顯偏離理論裝配位置（實(shí)線圓圈所示），沿軸線方向其偏離量約為28mm，垂直軸線方向偏移量約為23mm。根據(jù)這一測(cè)量結(jié)果，為了排除零件制造誤差，首先對(duì)上圖中存在裝配關(guān)系的左側(cè)長(zhǎng)管（實(shí)線圓圈）以及右側(cè)短管（當(dāng)時(shí)未裝配，虛線圓圈）分別進(jìn)行三維外形檢測(cè)。

左側(cè)長(zhǎng)管以及右側(cè)短管三維外形檢測(cè)結(jié)果如圖2和圖3所示。由圖2可以看出，左側(cè)長(zhǎng)管其實(shí)際外形與理論外形基本一致，左端面偏離量約為0.06mm，右端面偏離量約為0.2mm，零件外形偏差在±0.5mm的允許偏差范圍內(nèi)，符合設(shè)計(jì)要求；由圖3可以看出，右側(cè)短管其實(shí)際外形與理論外形基本一致，左端面偏離量約為-0.2mm，右端面偏離量約為-0.04mm，零件外形偏差在±0.5mm允許偏差范圍內(nèi)，符合設(shè)計(jì)要求。

根據(jù)上述測(cè)量結(jié)果，排除了零件制造廠的零件制造偏差，裝配廠立即展開(kāi)錯(cuò)誤排查，并最終發(fā)現(xiàn)該裝配偏差是由左側(cè)長(zhǎng)管左端面固定卡箍未安裝導(dǎo)致。將左側(cè)長(zhǎng)管左端面固定卡箍安裝后的環(huán)控管路空間掃描數(shù)據(jù)如圖4所示。

由圖可以看出，左側(cè)長(zhǎng)管左端面固定卡箍安裝后（左側(cè)實(shí)現(xiàn)圓圈所示），整個(gè)管路的實(shí)際安裝位置與理論數(shù)模位置基本一致，軸向偏差約1.5mm，垂直軸向偏差約0.3mm，符合裝配現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際安裝要求。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)裝配現(xiàn)場(chǎng)遇到的實(shí)際裝配問(wèn)題，采用手持式三維激光掃描儀，對(duì)某型飛機(jī)中機(jī)身環(huán)控管路進(jìn)行裝配檢測(cè)，通過(guò)對(duì)掃描數(shù)據(jù)與理論數(shù)模進(jìn)行多次對(duì)比測(cè)量，解決了機(jī)身內(nèi)部復(fù)雜管路裝配不協(xié)調(diào)問(wèn)題，提供了使用手持式三維激光掃描儀進(jìn)行機(jī)身內(nèi)部復(fù)雜環(huán)境裝配檢測(cè)的方法，為今后行業(yè)內(nèi)機(jī)身內(nèi)部裝配偏差檢測(cè)開(kāi)辟了一條新思路。

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