一種帶權(quán)重的飛機(jī)翼身裝配仿真方法

邢宏文，劉思仁，邱磊，張亞

(上海飛機(jī)制造有限公司，上海 200436)

0 引言

隨著我國(guó)航空事業(yè)的發(fā)展，對(duì)飛機(jī)的產(chǎn)能也提出了更高的要求。飛機(jī)裝配作為飛機(jī)生產(chǎn)制造的主要環(huán)節(jié)[1]，在整個(gè)過(guò)程中占有極大的比重，通常為飛機(jī)制造勞動(dòng)總量的40%～50%，而翼身裝配是整個(gè)飛機(jī)裝配過(guò)程中的重點(diǎn)。因此如果能縮短飛機(jī)翼身裝配的時(shí)間，將其工藝過(guò)程中的步驟提前或簡(jiǎn)化，對(duì)于飛機(jī)產(chǎn)能的提升將產(chǎn)生極大的幫助。

現(xiàn)有的現(xiàn)場(chǎng)預(yù)裝裝配方法：首先將飛機(jī)翼身和機(jī)翼運(yùn)到理論裝配位置，之后通過(guò)局部微調(diào)的方式，對(duì)機(jī)翼的位姿做出細(xì)小改變，使其盡可能地滿足工藝要求；在間隙測(cè)量方面，采用人工利用塞尺的方式，在關(guān)鍵位置測(cè)出裝配間隙大小。這種方法能很好地判斷裝配過(guò)程中零部件是否滿足各種要求[2]，如裝配后的間隙分布以及各種裝配特征是否符合工藝文件要求，飛機(jī)整體是否滿足對(duì)稱性、氣動(dòng)性要求等。但也存在預(yù)裝配過(guò)程實(shí)際工作量大，裝配過(guò)程長(zhǎng)，間隙測(cè)量數(shù)據(jù)不連續(xù)等問(wèn)題[3]。

作為非接觸式的主動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)，雙目視覺(jué)配合三維激光掃描儀因其穩(wěn)定性好、測(cè)量速度快、數(shù)據(jù)精度高等突出優(yōu)勢(shì)[4]，已在各個(gè)領(lǐng)域中起到了重要的作用，例如，GONZLEZ Aguileradeng D等[5]通過(guò)在10個(gè)月內(nèi)對(duì)西班牙阿維拉城中的一條大壩進(jìn)行的連續(xù)觀測(cè)，得到了不同時(shí)期大壩的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并依此對(duì)大壩工程做出了安全性評(píng)估；GIKAS V等[6]基于希臘的兩個(gè)建筑工地，討論了激光掃描活動(dòng)的規(guī)劃、執(zhí)行、數(shù)據(jù)處理和分析階段，重點(diǎn)討論了地理定位、網(wǎng)格模型生成和截面提取，介紹了靜態(tài)激光掃描法的工作原理及其在隧道施工中的應(yīng)用。趙佩銘[7]對(duì)橋主梁、主拱等進(jìn)行掃描建模,對(duì)構(gòu)件加工精度進(jìn)行檢驗(yàn),通過(guò)點(diǎn)云模型實(shí)現(xiàn)數(shù)字化模擬預(yù)拼裝,將模擬預(yù)拼效果與現(xiàn)場(chǎng)預(yù)拼情況進(jìn)行比較,分析數(shù)字化模擬預(yù)拼精度,避免了鋼構(gòu)件加工誤差過(guò)大對(duì)工程安裝造成的影響。郭琳娜等[8]利用地面三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行大比例尺地形測(cè)繪,對(duì)掃描數(shù)據(jù)建模，并以此來(lái)完成地形圖成圖。沈小軍等[9]對(duì)輸電線路桿塔進(jìn)行掃描，獲取其三維數(shù)據(jù)，以此來(lái)分析桿塔傾斜程度。李艷等[10]制定了一套包含古建筑激光掃描測(cè)繪、三維建模完整的解決方案，為古建筑園林?jǐn)?shù)字保護(hù)、模擬修繕?lè)桨傅忍峁┘夹g(shù)支持。萬(wàn)怡平等[11]以北京大學(xué)西門內(nèi)一尊華表的數(shù)字化和三維建模為例,分析了地面三維激光掃描(TLS)技術(shù)在表面復(fù)雜紋理地物三維重建中的難點(diǎn),并提出相應(yīng)的解決方案。

基于以上成功案例，本文將三維測(cè)量技術(shù)應(yīng)用到飛機(jī)裝配領(lǐng)域，并提出帶權(quán)重的翼身裝配方法，將預(yù)裝配過(guò)程提前，并實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確的間隙檢測(cè)。

1 算法流程

本文提出的飛機(jī)虛擬裝配的總體思路是在零部件交付前，先獲取由廠家提供的零部件的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，利用攝影測(cè)量技術(shù)配合三維激光掃描儀獲取零部件的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過(guò)點(diǎn)云處理技術(shù)，將稀疏后的零部件數(shù)據(jù)從整體的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中提取出來(lái)，之后利用帶權(quán)重的精細(xì)配準(zhǔn)方法，完成待裝配部件的裝配，并計(jì)算最鄰近距離作為裝配過(guò)程中的間隙值；通過(guò)將間隙映射為灰度值，可視化地展現(xiàn)裝配面中整體間隙的分布。整體流程如圖1所示。

圖1 算法整體流程圖

2 數(shù)據(jù)采集及點(diǎn)云處理

2.1 數(shù)據(jù)獲取

在進(jìn)行掃描之前，將大小為10×10的多個(gè)反光標(biāo)記點(diǎn)作為參照點(diǎn)布置在中央翼盒和機(jī)翼的對(duì)接面及相鄰表面上，并且點(diǎn)與點(diǎn)之間不具有明顯相似的位置關(guān)系。對(duì)于飛機(jī)中央翼盒及其上的參照點(diǎn)，利用三維激光掃描儀進(jìn)行激光掃描，獲取中央翼盒對(duì)接面及機(jī)翼對(duì)接面的原始三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)并保存，作為后續(xù)操作的原始數(shù)據(jù)，如圖2、圖3所示。

圖2 中央翼盒點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取

圖3 機(jī)翼點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取

2.2 數(shù)據(jù)處理

直接獲取的飛機(jī)部件點(diǎn)云數(shù)據(jù)往往包含很多環(huán)境中的其他點(diǎn)云信息，無(wú)法直接作為數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)配準(zhǔn)操作，因此需對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，本文采取的預(yù)處理方式主要包括以下步驟：

1)數(shù)據(jù)提取。將配準(zhǔn)主體的飛機(jī)零部件從周圍的環(huán)境中分離處理。對(duì)于明顯的離群點(diǎn)，如背景中的其他部件，采用手動(dòng)直接刪除；對(duì)于難以直接刪除的孤立點(diǎn)的離群點(diǎn)，采用歐式聚類的方式去除中央翼盒與機(jī)翼之外的周圍環(huán)境點(diǎn)云，提取剩余點(diǎn)云作為后續(xù)操作的初始點(diǎn)云，如圖4所示。

圖4 中央翼盒點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取

2)初始配準(zhǔn)。由于獲取到的中央翼盒數(shù)據(jù)與飛機(jī)機(jī)翼數(shù)據(jù)通常在不同坐標(biāo)系下，并且與理論位置相差較大，因此為了能夠根據(jù)實(shí)際裝配間隙情況，對(duì)待裝配件的位姿作調(diào)整，需要將待裝配件放到統(tǒng)一的同一坐標(biāo)系下，并且具有接近實(shí)際裝配情況的位姿。本文參照設(shè)計(jì)理論數(shù)模離散的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，利用4PCS方法對(duì)待配準(zhǔn)部件進(jìn)行初配準(zhǔn)，獲得轉(zhuǎn)移矩陣，并以此矩陣作為初配準(zhǔn)過(guò)程中的轉(zhuǎn)移矩陣，如圖5所示。

圖5 中央翼盒與機(jī)翼點(diǎn)云數(shù)據(jù)初始配準(zhǔn)

3) 降采樣處理。激光掃描儀直接獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)通常較為稠密，相對(duì)于飛機(jī)部件等大型結(jié)構(gòu)，點(diǎn)云總體數(shù)據(jù)十分巨大，這在后續(xù)運(yùn)算中將加大時(shí)間消耗。為此，對(duì)經(jīng)數(shù)據(jù)提取處理之后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，分別進(jìn)行降采樣操作，在保證精度的前提下減少點(diǎn)云數(shù)量，獲取精簡(jiǎn)之后的飛機(jī)中央翼盒和機(jī)翼的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

3 帶權(quán)重的精配準(zhǔn)算法

為了真實(shí)反映實(shí)際裝配過(guò)程中，按待裝配件特征優(yōu)先關(guān)系進(jìn)行裝配的方法，本文提出了帶權(quán)重的ICP配準(zhǔn)，并將其應(yīng)用在飛機(jī)翼身裝配的過(guò)程中。具體為：對(duì)于兩片完成預(yù)處理的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，利用帶權(quán)重的ICP算法進(jìn)行精細(xì)配準(zhǔn)，使得初始配準(zhǔn)后的兩片點(diǎn)云數(shù)據(jù)統(tǒng)一到同一坐標(biāo)系下，并可通過(guò)調(diào)整權(quán)重值，改變配準(zhǔn)之后的相對(duì)位姿，記錄配準(zhǔn)過(guò)程中的旋轉(zhuǎn)變換矩陣。按照記錄的旋轉(zhuǎn)變換矩陣，將未經(jīng)精簡(jiǎn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行相同的旋轉(zhuǎn)變換。算法的具體步驟為：

步驟1：構(gòu)建優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)給定初始點(diǎn)云q和目標(biāo)點(diǎn)云p。

其中：wi為各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的裝配權(quán)重；F(q)為目標(biāo)函數(shù)；R(qR)為旋轉(zhuǎn)矩陣；qT為平移矩陣；qi為初始點(diǎn)云的數(shù)據(jù)點(diǎn)；pi為目標(biāo)點(diǎn)云中的數(shù)據(jù)點(diǎn)。

步驟2：將完成數(shù)據(jù)提取后的中央翼盒對(duì)接面點(diǎn)云數(shù)據(jù)作為點(diǎn)云P，將完成數(shù)據(jù)提取后的機(jī)翼對(duì)接面點(diǎn)云數(shù)據(jù)作為點(diǎn)云R；以點(diǎn)云P為基準(zhǔn)對(duì)象，以點(diǎn)云R為待配準(zhǔn)對(duì)象，分別計(jì)算點(diǎn)云P和點(diǎn)云R的幾何質(zhì)心。

步驟3：根據(jù)參照物點(diǎn)云P和參照物點(diǎn)云R構(gòu)造協(xié)方差矩陣。

其中:wi為各點(diǎn)權(quán)重。之后根據(jù)上述協(xié)方差矩陣，將協(xié)方差矩陣寫(xiě)成對(duì)稱矩陣形式：

最終配準(zhǔn)效果如圖6所示。

圖6 帶權(quán)重的點(diǎn)云配準(zhǔn)效果示意圖

圖7 不同方法配準(zhǔn)細(xì)節(jié)比較

4 可視化結(jié)果分析

為了分析帶權(quán)重裝配方法的性能，針對(duì)某一機(jī)翼上的特征，按照實(shí)際裝配情況下的特征順序，設(shè)定相應(yīng)的權(quán)重，并引入實(shí)際測(cè)得的間隙分布，繪制間隙的偏差曲線圖，如圖8所示(不帶權(quán)重的越偏越大，帶權(quán)重的較好擬合，整體偏小)。隨著水平距離的增加，無(wú)權(quán)重配準(zhǔn)下的飛機(jī)裝配間隙與真實(shí)間隙產(chǎn)生了較大的偏差，這通常是由于無(wú)權(quán)重配準(zhǔn)在過(guò)程中趨向于尋找全局最優(yōu)解，忽視了對(duì)于特征的優(yōu)先保持，這與實(shí)際情況是不相符的；而權(quán)重配準(zhǔn)能在全局最優(yōu)解的基礎(chǔ)上，保持對(duì)于特征的優(yōu)先配準(zhǔn)，因此可以看到，整體偏差與實(shí)際情況基本相符。

圖8 不同方法下裝配間隙示意圖

5 結(jié)語(yǔ)

帶權(quán)重的點(diǎn)云配準(zhǔn)方式具有穩(wěn)定性強(qiáng)、數(shù)據(jù)精度高、可使用情景多等優(yōu)勢(shì)。本文主要研究結(jié)合激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，按照實(shí)際裝配中保特征的需求，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)翼身的虛擬裝配，并構(gòu)建了一套完整的流程。通過(guò)具體的實(shí)例分析，為飛機(jī)翼身裝配提供了一種新的思路。