基于三維光柵掃描儀機(jī)翼外形檢測方法的研究

肖 婧，郭朝陽，吳承亮

（航空工業(yè)洪都，江西 南昌，330024）

0 引言

隨著飛機(jī)數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造技術(shù)的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)模擬量的檢測模式越來越捉襟見肘，先進(jìn)的數(shù)字化檢測技術(shù)在航空制造業(yè)得到不斷應(yīng)用。針對(duì)目前產(chǎn)品在研制過程中所面臨的難題——無法保證機(jī)體氣動(dòng)外形型面的檢測精度，本文提出采用三維光柵掃描儀的解決方案。三維光柵掃描儀作為三維檢測技術(shù)的典型代表，其精度高、速度快、使用靈活的特點(diǎn)使其在對(duì)具有復(fù)雜曲面零部件的檢測具有優(yōu)勢，檢測難題迎刃而解。

1 三維光柵掃描儀測量系統(tǒng)介紹

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

三維掃描儀系統(tǒng)采用目前國際上最先進(jìn)的結(jié)構(gòu)光非接觸式照相測量技術(shù)——一種結(jié)合結(jié)構(gòu)光技術(shù)、相位測量技術(shù)、計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)的復(fù)合三維非接觸式測量技術(shù)。所謂照相測量，就是類似于照相機(jī)對(duì)視野內(nèi)的物體進(jìn)行照相，不同的是照相機(jī)攝取的是物體的二維圖像，而三維光柵測量儀則獲取的是物體的三維信息。

此次采用的COMET6三維光柵掃描儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。測量時(shí)三維掃描儀系統(tǒng)中的投影儀把基準(zhǔn)光柵條紋投向物體，物體的條紋圖像經(jīng)過攝像頭和圖像采集卡處理后，以特定格式保存在計(jì)算機(jī)中，對(duì)物體條紋圖像進(jìn)行解碼和相位計(jì)算后，即可得出物體外形的三維坐標(biāo)，由此建立三維空間坐標(biāo)系統(tǒng)（X，Y，Z）和二維觀測坐標(biāo)系統(tǒng)（x，y）。

圖1 COMET6三維光柵掃描儀系統(tǒng)構(gòu)成圖

1.2 基本原理

三維光柵掃描儀基本原理如圖2所示，入射光P照射到參考平面上的A點(diǎn)，放上被測物體后，P照射到被測物體上的D點(diǎn)，從圖示觀察A點(diǎn)就移動(dòng)到C點(diǎn)，距離AC就包含了高度信息Z=h（x，y），即高度受到了表面形狀的調(diào)制。

圖2 光柵投影法原理圖

2 機(jī)翼外形檢測方法的研究

2.1 機(jī)翼整體結(jié)構(gòu)概述

機(jī)翼是飛機(jī)產(chǎn)生升力的部分，也是飛機(jī)較為重要的空氣動(dòng)力部件。某型機(jī)機(jī)翼為梯形翼，展長4740mm。機(jī)翼前緣懸掛兩個(gè)活動(dòng)面——內(nèi)、外前緣襟翼，后緣懸掛兩個(gè)活動(dòng)面——后緣襟翼和副翼。機(jī)翼盒段，即固定翼面則由機(jī)翼整體油箱段、機(jī)翼外段、機(jī)翼前襟艙、機(jī)翼后緣四部分組成。圖3為機(jī)翼整體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3 機(jī)翼整體結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 檢驗(yàn)現(xiàn)狀分析

目前，對(duì)于飛機(jī)部件外形測量主要采用裝配檢驗(yàn)夾具（卡板、千分片等）或檢驗(yàn)樣板，檢查其型面吻合性，即部件外形上某點(diǎn)實(shí)際相對(duì)理論的間隙值。機(jī)翼外形根據(jù)外表面精度和質(zhì)量要求，分3個(gè)區(qū)域進(jìn)行檢測：

第1區(qū)：從前緣到1梁軸線處；

第2區(qū)：從1梁軸線到5梁軸線處；

第3區(qū)：所有余下部分，包括后襟和副翼。

沿機(jī)翼橫向和展向檢查機(jī)翼外緣的制造偏差：

1）按裝配型架卡板在7肋、11肋、8～10肋之間按卡板方向進(jìn)行檢查測量；

2）用600mmc長直尺、按翼弦的25%、35%、45%、55%、65%、75%等百分線沿展向進(jìn)行測量（機(jī)翼整體油箱按裝配驗(yàn)收規(guī)范固定的區(qū)域除外）。具體機(jī)翼外形偏差詳見表1。

表1 機(jī)翼外形偏差 單位：mm

不難看出，傳統(tǒng)檢測方法存在以下幾方面問題：

1）檢測結(jié)果為間接值，不能直接反映型面偏差狀態(tài)；

2）檢測結(jié)果受檢測裝備和人為因素影響大，檢測準(zhǔn)確度不高；

3）檢測手段專用單一，無法滿足不同飛機(jī)不同部件檢測需要；

4）檢測效率低，尤其對(duì)于大尺寸范圍零部件的檢測，無法滿足現(xiàn)代飛機(jī)制造高效、快捷的需求。

針對(duì)上述問題，三維光柵掃描儀能夠快速而準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)飛機(jī)部件外形評(píng)價(jià)，對(duì)有效提升飛機(jī)制造質(zhì)量具有重要意義。

2.3 三維光柵掃描儀試驗(yàn)及結(jié)果分析

與傳統(tǒng)檢測方法相比，COMET6三維光柵掃描儀能夠快速方便地獲取復(fù)雜表面的完整點(diǎn)云，并利用拼合技術(shù)，重構(gòu)出被測部件，完成被測物體與理論模型的數(shù)據(jù)對(duì)比。因此，選用其作為機(jī)翼外形檢測的主要設(shè)備。

機(jī)翼具有4個(gè)活動(dòng)翼面，在現(xiàn)有CATIA模型中無法確保理論數(shù)模中的活動(dòng)翼面與實(shí)際部件上下擺動(dòng)處于同一水平面上，因此，在此次試驗(yàn)中，只針對(duì)固定翼面，即機(jī)翼整體油箱與機(jī)翼外段進(jìn)行外形檢測。

機(jī)翼架外完工后，將機(jī)翼置于穩(wěn)定的工作架上，其余4個(gè)活動(dòng)翼面處于自由狀態(tài)，利用COMET6三維光柵掃描儀對(duì)機(jī)翼外形進(jìn)行檢測，具體試驗(yàn)流程見圖4。

圖4 機(jī)翼外形檢測流程圖

檢測方案確定后，按照工作流程展開對(duì)機(jī)翼外形的檢測。

2.3.2.1 物體掃描

由于機(jī)翼外形尺寸較大，不能一次測完全部數(shù)據(jù)，需進(jìn)行多次分區(qū)掃描，因此，為保證后續(xù)圖片拼接的準(zhǔn)確性，需在機(jī)翼外形粘貼標(biāo)志點(diǎn)。選用合適的鏡頭參數(shù)，完成系統(tǒng)標(biāo)定。圖5為系統(tǒng)標(biāo)定合格結(jié)果。

圖5 系統(tǒng)標(biāo)定結(jié)果

標(biāo)定合格后，展開對(duì)被測工件的掃描，圖6為物體掃描實(shí)時(shí)成像圖。

圖6 物體掃描實(shí)時(shí)成像圖

2.3.2.2 點(diǎn)云生成

測量時(shí)，三維掃描系統(tǒng)中的投影儀把基準(zhǔn)光柵條紋投影到被測工件表面產(chǎn)生摩爾條紋，摩爾條紋的變化被CCD鏡頭記錄下來傳送到計(jì)算機(jī)，經(jīng)過處理后，得到物體外形的三維坐標(biāo)，即生成點(diǎn)云信息。

2.3.2.3 特征提取

經(jīng)掃描所得到的往往是散亂點(diǎn)形式無序排列的大量點(diǎn)云，基于物體復(fù)雜程度，實(shí)體點(diǎn)云的數(shù)據(jù)量有較大區(qū)別，加之由于測量儀器和其他諸如環(huán)境等因素的影響，不可避免地引入了噪聲點(diǎn)。因此，在特征提取過程中，COMET6利用自身逆向工程軟件，對(duì)所采集到的點(diǎn)云進(jìn)行處理，反求出相應(yīng)的曲面。

2.3.2.4 三維造型

COMET6測量系統(tǒng)依靠事先在工件表面所粘貼的標(biāo)志點(diǎn)進(jìn)行曲面的拼接，最終利用特征信息完成三維造型。圖7為機(jī)翼外形掃描結(jié)果。需要注意的是，每一次拍攝必須由3個(gè)以上的參考點(diǎn)重合，然后根據(jù)這三個(gè)“前”點(diǎn)來定義“后”點(diǎn)，如此循序遞推便可完成整個(gè)測量工作。

圖7 機(jī)翼外形掃描結(jié)果

2.3.2.5 對(duì)比評(píng)價(jià)

利用INSPECTplus軟件將設(shè)備所采集的數(shù)據(jù)與理論CATIA模型進(jìn)行對(duì)比，通過彩圖體現(xiàn)出誤差具體部位。圖8為機(jī)翼外形檢測數(shù)據(jù)報(bào)告，可根據(jù)左邊顏色條，判斷出零件外形是否超差。

圖8 機(jī)翼外形檢測報(bào)告

與傳統(tǒng)卡板只能針對(duì)局部某一區(qū)域進(jìn)行檢測的方法相比，三維光柵掃描儀無論是在檢測范圍還是檢測精度來說，都得到了較為直觀的體現(xiàn)，說明將三維光柵掃描儀運(yùn)用于機(jī)翼外形檢測方法，科學(xué)可行，誤差可控。但另一方面，正是由于它的高精度，在檢測結(jié)果方面，較多區(qū)域處于超差狀態(tài)（尤其是灰色區(qū)域，由于超差過大，因而無色差顯示）。而產(chǎn)生這種結(jié)果的原因可能是由以下幾方面造成：

1）點(diǎn)云采集誤差

由于機(jī)翼外形面積較大，COMET6需依靠事先在零件實(shí)體表面的標(biāo)志點(diǎn)來定位，并通過獲取實(shí)體表面的反射光線得知物體表面的曲面信息。每一次拍攝必須要有3個(gè)及以上的參考點(diǎn)被CCD鏡頭同時(shí)獲取，而且其中的3個(gè)點(diǎn)必須是已經(jīng)定義過的，然后可根據(jù)這3個(gè)“前”點(diǎn)來定義“后”點(diǎn)，如此循環(huán)遞推完成整個(gè)測量工作。在數(shù)據(jù)采集過程中，誤差本身的產(chǎn)生是不可避免的，但誤差累積到一定程度將無法滿足精度要求。即在每次掃描過程中，并不會(huì)重合點(diǎn)數(shù)越多，掃描結(jié)果越準(zhǔn)確。相反，重復(fù)點(diǎn)數(shù)每增加一個(gè)，都將給點(diǎn)云采集帶來誤差的累積。

2）零件鉚釘連接

從圖8中可以發(fā)現(xiàn)，誤差較大區(qū)域主要集中在鉚釘連接處。這是因?yàn)楣と嗽阢T接過程中，由于個(gè)體存在差異，施鉚時(shí)所施加的力度有所差別。尤其在機(jī)翼上，有較多口蓋需要鉚接，由于連接處力度不均，引起各曲面出現(xiàn)凹凸變形。這種變形對(duì)于傳統(tǒng)量具測量困難，但三維光柵掃描儀測量精度可達(dá)10μm，能檢測出型面的細(xì)微差別。

除以上兩個(gè)主要原因外，其他影響檢測結(jié)果的可能原因還有溫度、材質(zhì)、外界光線。值得注意的是，單次數(shù)據(jù)采集時(shí)，三維掃描儀與被測物體之間距離的遠(yuǎn)近，在不超過規(guī)定范圍內(nèi)，是否會(huì)因距離的不同對(duì)檢測結(jié)果產(chǎn)生影響，需進(jìn)一步驗(yàn)證。

3 總結(jié)與展望

三維光柵掃描儀因測量速度快、精度高、非接觸、靈活性強(qiáng)、智能化等優(yōu)點(diǎn)在航空產(chǎn)品檢測方面起著重要作用。在大量查閱國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用情況，選定三維光柵掃描儀展開對(duì)機(jī)翼外形的檢測。試驗(yàn)表明該方法能夠快速準(zhǔn)確地測量出機(jī)翼外形曲面。

此次研究工作尚處于初步試驗(yàn)階段，通過得到機(jī)翼上翼面外形的檢測數(shù)據(jù)，為后續(xù)產(chǎn)品（機(jī)翼、進(jìn)氣道、其他復(fù)雜曲面的零部件）提供了有效參考價(jià)值。針對(duì)此次試驗(yàn)所暴露出的問題，在今后工作中，還需從以下幾個(gè)方面展開深入研究：

1）點(diǎn)云采集方法

在點(diǎn)云采集過程中，誤差的產(chǎn)生是不可避免的。當(dāng)誤差累積到一定程度時(shí)，則無法滿足精度要求。但如若引入照相技術(shù)可解決此類問題。因?yàn)槿S光柵掃描儀系統(tǒng)測量所得數(shù)據(jù)是物體表面的點(diǎn)的數(shù)據(jù)——點(diǎn)云，而照相掃描系統(tǒng)所得到的是參考點(diǎn)的坐標(biāo)。由于COMET6是根據(jù)參考點(diǎn)來為所測量點(diǎn)云進(jìn)行定位的，因此，借助照相技術(shù)的輔助，COMET6誤差累積問題就可迎刃而解。

2）處理參數(shù)優(yōu)化

COMET6擁有強(qiáng)大的測量軟件和數(shù)據(jù)處理軟件，一些模塊在試驗(yàn)初期未完全被挖掘利用，部分處理參數(shù)可深入優(yōu)化。如：

①掃描參數(shù)的調(diào)整

點(diǎn)云密度越高對(duì)數(shù)據(jù)和圖形的表現(xiàn)力越好，測量結(jié)果也越精確。但有時(shí)在測量大平面、結(jié)構(gòu)不復(fù)雜的零件時(shí)，點(diǎn)云過密反而會(huì)增加數(shù)據(jù)處理時(shí)間，并加大誤差累積的可能。因此，在后期掃描時(shí)，可根據(jù)被測物件特性，針對(duì)不同區(qū)域設(shè)置適當(dāng)?shù)狞c(diǎn)云密度。

②后處理參數(shù)的設(shè)置

針對(duì)掃描所得圖像，除進(jìn)行簡單的去除非相關(guān)點(diǎn)、除噪等基本操作外，還可進(jìn)一步優(yōu)化參數(shù)，如網(wǎng)格計(jì)算（包括網(wǎng)格大小的設(shè)置、光順）、表面去峰值等。

③對(duì)比類型的選擇

在將掃描結(jié)果與理論數(shù)模進(jìn)行對(duì)比時(shí)，alignment（精準(zhǔn)對(duì)齊）方式的選擇及所選部位都將對(duì)產(chǎn)品的評(píng)價(jià)產(chǎn)生影響。因此在后續(xù)工作中，可將點(diǎn)—點(diǎn)、線—線和面—面三種方式進(jìn)行比較，尋找最優(yōu)方法。