基于三維激光測量的飛機(jī)裝配間隙補償技術(shù)研究

劉穎 王蓓

（中航西安飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)股份有限公司 陜西西安 710089）

隨著現(xiàn)代社會科技不斷進(jìn)步，飛機(jī)制造技術(shù)得到了迅速且持續(xù)的發(fā)展，成為跨學(xué)科、跨領(lǐng)域先進(jìn)技術(shù)的集大成者。其技術(shù)水平的高低直接決定了飛機(jī)產(chǎn)品的最終質(zhì)量、制造成本和交貨周期。飛機(jī)制造過程一般分為零件制造、組部件裝配和試驗交付3 個階段，其中，飛機(jī)組部件裝配的協(xié)調(diào)環(huán)節(jié)多、精度要求高，裝配工作量占整個飛機(jī)制造工作量的50%以上，是飛機(jī)制造中的關(guān)鍵和核心。而在飛機(jī)裝配過程中存在大量的裝配間隙補償，該項工作占據(jù)了大量的時間，同時，若間隙補償不合理，未控制在設(shè)計范圍內(nèi)，會大大降低飛機(jī)結(jié)構(gòu)強度和疲勞壽命，為飛行帶來安全隱患。因此，使用基于三維激光掃描測量技術(shù)的飛機(jī)裝配間隙補償技術(shù)對提高飛機(jī)裝配精度和質(zhì)量非常必要。

1 基于飛機(jī)生產(chǎn)制造分析裝配間隙補償技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 飛機(jī)裝配結(jié)構(gòu)特點

當(dāng)前時代背景下，飛機(jī)生產(chǎn)制造愈發(fā)復(fù)雜和高技術(shù)化，尤其是飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)的裝配，無論是部件、零件還是各類組件，對裝配工作都具有極高的精度要求。以飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)件為例，其主要是在數(shù)控加工下被生產(chǎn)制作出來的，若是兩個零件之間具有配合關(guān)系，但其制造精度存在差異時，最終得到的裝配間隙將超出零件精度差異數(shù)據(jù)。例如，某結(jié)構(gòu)件輪廓度在0.1mm 以下，與其配合的材料部件輪廓度在0.3～0.5mm，甚至達(dá)到0.8～1mm 范圍。針對該情況，需要卡板壓緊校形或是使用相關(guān)墊片等，從而實現(xiàn)飛機(jī)裝配間隙的有效補償［1］。對于飛機(jī)裝配而言，裝配間隙主要集中在回轉(zhuǎn)體部分和支撐組件，前者的生產(chǎn)制造工藝是旋壓和焊接，在其結(jié)構(gòu)特性的影響下，無論是焊接還是成形后，都不會開展有關(guān)精度提高的處理工作；后者采用數(shù)控加工，精度較高，且具有若干數(shù)量的法蘭，能夠滿足飛機(jī)管路裝配要求。在實際裝配中，要開展試裝檢測工作，根據(jù)記錄明確精度要求。

1.2 技術(shù)現(xiàn)狀

為實現(xiàn)飛機(jī)裝配技術(shù)指標(biāo)，目前，飛機(jī)產(chǎn)品都具有較高互換性要求，而且一些飛機(jī)裝配要求整體可完全互換且不能強迫裝配。然而，在實際裝配過程中，焊接組件測量結(jié)果沒有呈現(xiàn)出顯著規(guī)律特點，這給法蘭與飛機(jī)管路裝配造成影響，難以保證飛機(jī)裝配質(zhì)量安全。此外，此類零部件為部件級產(chǎn)品，其使用年限需要與飛機(jī)整體保持一致，因此，裝配組件和焊接組件之間必須落實高精度間隙補償，這樣才能夠?qū)崿F(xiàn)整機(jī)同壽、完全互換的設(shè)計目標(biāo)。其中，排除掉預(yù)留彈性補償設(shè)計外，裝配組件和焊接組件之間不存在補償結(jié)構(gòu)，針對骨架和蒙皮之間的間隙消除，以及門框和口蓋之間的密封性，主要采用彈性補償技術(shù)，這是因為這些部位之間產(chǎn)生的間隙較小，彈性補償可以很好滿足飛機(jī)裝配精度需求。但是彈性補償技術(shù)無法解決較大間隙，所以，若是兩個組件之間存在較大裝配間隙，還需要增加工藝補償，即人工修配墊片補償，這是以往常用的補償技術(shù)。然而，在金屬墊片使用下，隨著墊片數(shù)量的增加，層間間隙存在且無法被完全消除。使用該技術(shù)處理后的產(chǎn)品在經(jīng)過長途運輸?shù)竭_(dá)現(xiàn)場后，由于運輸途中具有振動等外力影響因素，存在的間隙將逐漸被壓縮，最終呈現(xiàn)較大補償配合區(qū)域，這一偏差將直接對法蘭等與機(jī)體結(jié)構(gòu)配合的特征的位置度造成影響。因此，相較于彈性補償、工藝補償，目前出現(xiàn)了以三維激光測量為基礎(chǔ)的補償技術(shù)，下面對其進(jìn)行具體研究分析。

2 研究三維激光測量對飛機(jī)裝配間隙補償?shù)囊饬x

飛機(jī)機(jī)體對裝配精度具有較高要求，尤其是裝配過程中的零件與部件。目前，機(jī)體結(jié)構(gòu)多為數(shù)控加工零件，若是在裝配過程中發(fā)現(xiàn)制造精度存在較大偏差，不僅影響裝配作業(yè)的有序開展，還造成不必要的資金資源浪費。但是，通過使用三維激光測量這一數(shù)字化的測量方式，可以利用高精度的激光掃描與測量設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并使用相關(guān)軟件進(jìn)行坐標(biāo)系及虛擬模型的構(gòu)建，在不進(jìn)行試裝的情況下，就可以自動生成用于補償?shù)慕Y(jié)構(gòu)墊片，如固態(tài)墊片、液態(tài)墊片等，同時，還可以保證墊片輪廓加工的科學(xué)合理性。因此，三維激光測量對飛機(jī)裝配間隙補償具有極強的現(xiàn)實意義［2］。

3 研究三維激光測量應(yīng)用下的飛機(jī)裝配間隙補償技術(shù)

3.1 以三目視覺為基礎(chǔ)的運動跟蹤測量補償技術(shù)

隨著我國航天事業(yè)的持續(xù)發(fā)展，越來越多的先進(jìn)測量儀器與設(shè)備被應(yīng)用于此類工作，如激光跟蹤儀等，且已經(jīng)積累了較為成熟的應(yīng)用經(jīng)驗，尤其是交點精加工、大部件對接等方面。通過在加工裝配中應(yīng)用激光跟蹤儀開展測量與指導(dǎo)工作，能夠為大部件定位與協(xié)調(diào)提供較高準(zhǔn)確度保障，而且，在該測量儀器設(shè)備實際使用時，還可以三維掃描目標(biāo)對象，結(jié)合數(shù)字化技術(shù)，進(jìn)行對象幾何虛擬模型的重構(gòu)。在設(shè)備類型中，為實現(xiàn)較小尺寸零件的掃描與信息采集，主要使用手持式激光掃描儀，通過結(jié)合相關(guān)輔助設(shè)備，也能夠測量復(fù)雜內(nèi)容，如尺寸較大對象的外形等，在全局掃描測量下，可以為相關(guān)人員提供全面且準(zhǔn)確的點云數(shù)據(jù)。通過將激光跟蹤儀與激光掃描設(shè)備各自優(yōu)勢進(jìn)行有機(jī)整合，可以通過激光測量技術(shù)落實飛機(jī)裝配間隙數(shù)字量協(xié)調(diào)與補償方法［3］。

首先，采集圖像信息。使用相機(jī)開展信息采集工作，結(jié)合視覺測量系統(tǒng)計算其幾何信息，根據(jù)結(jié)果構(gòu)建虛擬模型。其次，從多個角度采集圖像信息，例如，在兩臺相機(jī)的所用下，結(jié)合三角法原理進(jìn)行對象三維信息的提取。即在兩臺相機(jī)信息采集角度下，將圖像平面與目標(biāo)對象進(jìn)行三角形的構(gòu)建，形成雙目視覺系統(tǒng)測量模型，在該模型下可以獲得對象特征點的三維坐標(biāo)。例如，特征點為P，照相機(jī)C1對應(yīng)的圖像點為P1，那么C2對應(yīng)的是P2。在標(biāo)定好相機(jī)位置后，通過投影矩陣M1和M2可以獲得P1和P2圖像點坐標(biāo)。之后，根據(jù)投影矩陣M內(nèi)的元素，結(jié)合矩陣公式得到線性方程。由于已知像點坐標(biāo)，且投影矩陣內(nèi)的參數(shù)是由相機(jī)平行移矩陣和旋轉(zhuǎn)矩陣后通過標(biāo)定相機(jī)獲得，這時，采用線性最小二乘法，即可通過求解得到P點空間坐標(biāo)值。值得注意的是，在將該技術(shù)應(yīng)用于工程實際時，相機(jī)對被測點定位存在偏差，尤其是軸向坐標(biāo)，所以可以根據(jù)實際情況與需求增加一臺相機(jī)，以兩兩組合的方式構(gòu)成雙目視覺系統(tǒng)，進(jìn)而在強化整個測量技術(shù)系統(tǒng)測量精度和可靠性的同時，拓展視場。在三目視覺系統(tǒng)測量模型的使用下，可測對象數(shù)量增加，且能夠?qū)μ幱谶\動狀態(tài)的物體進(jìn)行動態(tài)實時跟蹤，并定位掃描測頭空間位置，實現(xiàn)點云數(shù)據(jù)的高效采集，無需特殊固定測量對象［4］。

3.2 以飛機(jī)裝配工藝為基礎(chǔ)落實科學(xué)點云數(shù)據(jù)采集方案

由于飛機(jī)產(chǎn)品同時涉及大部件和精細(xì)化小部件的對接裝配，因此，為實現(xiàn)不同規(guī)格部件之間的精準(zhǔn)協(xié)調(diào)，應(yīng)結(jié)合產(chǎn)品關(guān)鍵特性落實數(shù)字量協(xié)調(diào)方法。具體而言，在實際部件對接過程中，將目標(biāo)部件處于近似剛體狀態(tài)，之后，開展有關(guān)關(guān)鍵特征空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)的測量工作，對比分析理論模型，以此判斷部件整體姿態(tài)的科學(xué)合理性。在這一系列過程中，均需要激光跟蹤儀的應(yīng)用指導(dǎo)。

開展大部件對接作業(yè)時，確定基準(zhǔn)部件是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，部件確定的合理性直接關(guān)系到作業(yè)開展的有序性及飛機(jī)產(chǎn)品整體質(zhì)量，所以要綜合考慮剛性方面和穩(wěn)定性方面，保證其在后續(xù)作業(yè)過程中不會輕易出現(xiàn)變形等情況。同時，此類部件還應(yīng)具有定位基準(zhǔn)特征，如接頭、高精度孔及用于支撐或約束的結(jié)構(gòu)，從而保證后續(xù)對接時空間位置的正確性。與此同時，以往裝備工作中使用的基準(zhǔn)部件具有剛度較大，且干擾特征少，以孔特征為主的易測量特征較多，但不具備高精度特征，交叉流程較多，作業(yè)難度較高。而現(xiàn)階段的裝配零件則以數(shù)控加工零件為主，具有較高的裝配準(zhǔn)確定，在此類零件的應(yīng)用下，依托于其科學(xué)的結(jié)構(gòu)形式，即可實現(xiàn)支撐，一般情況下，將其安裝于產(chǎn)品底部即可。同時，此類零件與裝配流程匹配度較高，通過其現(xiàn)有的定位接口，即可有序完成后續(xù)作業(yè)。但是整體剛度不高，在作業(yè)時可能出現(xiàn)變形等問題，且復(fù)雜結(jié)構(gòu)外露，具有較多干擾特征。值得注意的是，雖然部分組件可以提升剛度，但由于其回轉(zhuǎn)體外形的位置會增加裝配作業(yè)復(fù)雜系數(shù)，交叉流程增多，所以，多選用裝配組件，針對其存在的缺點，落實配套的支撐工裝即可，以此滿足作業(yè)使用需求。

其中，在設(shè)計裝配組件支撐工裝時，需要配合連接機(jī)體結(jié)構(gòu)接口，集成焊接組件支撐與調(diào)姿機(jī)構(gòu)，統(tǒng)一基準(zhǔn)組件定位和調(diào)姿的測量基準(zhǔn)。由于主要使用激光跟蹤設(shè)備關(guān)鍵特征在工裝坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值進(jìn)行焊接組件位置與姿態(tài)合格性的判斷，所以，優(yōu)先思考跟蹤儀自帶測頭，結(jié)合運動追蹤器掃描、測量零件表面。通過落實該結(jié)構(gòu)形式的技術(shù)系統(tǒng)與設(shè)備，可以滿足曲面重構(gòu)的精度要求。而且，光學(xué)追蹤器具有較高采樣頻率，所以，若想要提升采樣頻率，可以使用NDI專用掃描設(shè)備的手持測頭，以此滿足作業(yè)需求。但是需要注意的是，專門用于激光掃描的相關(guān)設(shè)備通過結(jié)合運動追蹤器，能夠更好地應(yīng)對高復(fù)雜水平組件、零部件，且適用于多種零件表面掃描場景，工作效率較高。因此，在開展實際點云采集工作時，相關(guān)工作人員要根據(jù)工作需求和條件選擇合適的點云采集方案，綜合考慮成本、效率等要素［5］。

方案一：選用Leica AT 960 激光跟蹤儀作為追蹤設(shè)備，其采樣頻率為1000Hz，掃描設(shè)備為Leica T-Scan 5，掃描效率160 線/s、210 000 點/s，最小點間距75μm，其中，追蹤設(shè)備會在±5°內(nèi)自動斷光重建。方案二：選用NDI PRO CMM 運動追蹤設(shè)備，其采樣頻率為4500Hz，掃描設(shè)備選用NDI Scan TRAK Ⅱ，該方案下的掃描效率為450線/s、450 000點/s，最小點間距35μm，其中，追蹤設(shè)備視野內(nèi)存在任意3 個追蹤點即可。由此可見，前者精度高，針對飛機(jī)零部件裝配過程中遇到的曲面重構(gòu)要求可以很好滿足，但后者具有更高的運動速度和采樣頻率。為此，若是考慮工作效率的提高，應(yīng)選擇方案一開展點云采集作業(yè)。

3.3 采集與協(xié)調(diào)定位

在使用以三維激光測量為基礎(chǔ)的飛機(jī)裝配間隙補償技術(shù)時，為保證數(shù)據(jù)采集的全面性和準(zhǔn)確性，應(yīng)對補償與協(xié)調(diào)過程進(jìn)行梳理，從而保證數(shù)據(jù)傳遞完整可靠，具體步驟如下。（1）做好準(zhǔn)備工作，進(jìn)行靶標(biāo)點的預(yù)置，基于設(shè)備測量儀器設(shè)備建立坐標(biāo)系。（2）架號定位，使用專用接口固持，一般情況下，定位于裝配組件。（3）使用激光追蹤儀器對坐標(biāo)系下的關(guān)鍵特征坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行測量，判斷是否符合技術(shù)要求。（4）吊運焊接組件至調(diào)姿機(jī)構(gòu)。（5）協(xié)調(diào)特征點坐標(biāo)，避免焊接組件特征點坐標(biāo)與設(shè)計數(shù)模出現(xiàn)偏差，將偏差控制在合理范圍內(nèi)。（6）記錄坐標(biāo)數(shù)據(jù)。（7）操作調(diào)姿機(jī)構(gòu)分離焊接組件和裝配組件，使用激光掃描儀進(jìn)行配合區(qū)曲面的掃描與信息點云采集，建立靶標(biāo)點。（8）使用Poly works軟件處理數(shù)據(jù)，修補漏洞，提高數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。（9）基于協(xié)調(diào)特征點，使用Poly works軟件對齊理論模型和基準(zhǔn)實現(xiàn)點云。（10）在完成理論數(shù)模比對之后，判斷其是否滿足相關(guān)設(shè)計要求，如果滿足，則可以進(jìn)一步實現(xiàn)三角化，實現(xiàn)BURBS曲面生成，并將有關(guān)數(shù)據(jù)導(dǎo)入到CAD軟件當(dāng)中。

隨后，應(yīng)進(jìn)一步開展以下操作。第一，在CAD 軟件中，應(yīng)確保工裝數(shù)模靶標(biāo)點與激光跟蹤儀測量實際點坐標(biāo)統(tǒng)一，并確保工裝可以穩(wěn)定在測量狀態(tài)。第二，完成裝配組建模型的導(dǎo)入，并按照理論位置安裝到工裝上。第三，在坐標(biāo)系不變的前提下，完成激光跟蹤儀記錄協(xié)調(diào)點的建立。第四，確保該協(xié)調(diào)特征點可以與Polyworks 導(dǎo)出曲面上的協(xié)調(diào)特征點保持對齊。第五，完成配合區(qū)理論曲面的提取，并在上一步驟的基礎(chǔ)上，構(gòu)建曲面包絡(luò)空間實體模型。第六，加強對實體模型的細(xì)節(jié)完善，并借助數(shù)控加工工藝，滿足加工工藝性和協(xié)調(diào)定位的需求。第七，借助數(shù)控加工工藝，完成補償件的制造，將補償件裝配在裝配組件上，如果存在干涉問題，可以對補償件進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整［6］。

4 結(jié)語

綜上所述，三維激光測量技術(shù)對飛機(jī)裝配間隙補償目標(biāo)的精準(zhǔn)化實現(xiàn)具有極強現(xiàn)實意義。因此，應(yīng)積極使用激光掃描儀和跟蹤設(shè)備等，利用數(shù)字化測量方法，精準(zhǔn)測量集合尺寸，并落實數(shù)模關(guān)聯(lián)，從而實現(xiàn)部件之間的高質(zhì)量銜接，降低制造成本，提高技術(shù)水平。