基于逆向掃描技術蒙皮曲面裝配偏差分析

張雙雙

摘 要：飛機裝配是飛機制造中至關重要的一個環節。隨著數字化裝配技術在裝配過程中的應用，飛機裝配精度不斷提高，給裝配檢測技術提出更高的要求。裝配過程中迫切需要一種更加便捷、準確的測量方式檢測飛機裝配偏差。文章旨在介紹逆向掃描技術在飛機裝配過程中的應用。使用掃描設備對變形曲面及基準進行數據采集，然后基于CATIA軟件對掃描數據進行處理。在裝配狀態下通過空間平移和裝配約束使掃描數據與理論數據重合。對兩者進行偏差分析，探究變形曲面變形分布，為飛機裝配提供數據支持。

關鍵詞：裝配檢測；裝配偏差；逆向掃描技術；偏差分析

中圖分類號：V262 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）26-0019-02

1 概述

隨著數字化技術的提高，基于MBD技術的全三維數模制造已經應用于飛機設計生產的各個環節。飛機零部件的設計、制造實現了從二維圖紙到三維數模的轉變，尺寸鏈由模擬量到數字量的信息傳遞。零件、工裝制造精度的提高使飛機精確化裝配成為現實。當前，受裝配工藝和裝配技術的限制，飛機部總裝主要依據裝配型架卡板和定位器進行定位，通過前期制造留有余量后期修配完成裝配過程。受零部件制造誤差、工裝誤差以及裝配過程誤差等因素影響，飛機裝配誤差會引起蒙皮曲面變形。為確定變形量是否影響飛機的氣動外形，需對裝配狀態下蒙皮曲面進行數據采集，并對采集數據進行分析。為此，可通過逆向技術，掃描變形處采集點云信息，通過CATIA軟件構建實際曲面，并與理論曲面進行空間對比進行偏差分析，為指導后續裝配過程提供數據支持。

2 逆向技術及使用設備介紹

逆向技術作為一項由現有實物和模型反求零件CAD模型的技術，在新產品的改型和仿制、數字化模型的檢測以及破損零件的修復方面展示了巨大的優勢。通過掃描設備獲取點云信息，并根據采集的數據重新構建實物模型，省去了實物反復加工過程，降低了產品研發成本，縮短了產品設計研制的周期。使用掃描設備對實物進行數據采集，根據采集數據進行CAD實體構建，并用來零件生產或者產品數據檢測。

其中數據采集是逆向技術的基礎，采集數據的好壞直接影響到后期曲面成型質量、精度以及曲面重構的效率。本文采用的掃描設備為Creaform公司手持式三維激光掃描Handyscan。

該設備具有操作簡便、攜帶便捷等特點，采用采用激光三角測距法[1]，能夠快速采集零件表面信息。下端十字激光發射口發出激光，由兩側鏡頭接收反射回來的激光獲得掃描數據。鏡頭四周是四個LED發光點，用來屏蔽外界光線干擾。掃描之前，首先要在被掃描物體表面粘貼定位點。根據曲度的不同，定位點成不規則排列。掃描儀獲取定位點的空間信息作為數據采集的坐標系。定位點采集完成后，可以通過翻轉、移動零件相對位置完成數據采集[2]。

3 數據構建及對比

在掃描之前，首先要確定定位基準，為后期數據分析做準備。定位基準的準確性后期數據分析是否有效。考慮到裝配過程存在誤差，定位基準最好選用重要的框平面或裝配基準。為方便數據采集，基準要靠近掃描曲面。本次掃描數據選用某框的三個相互垂直的面作為定位基準，并對曲面信息進行掃描。

利用CATIA軟件數字曲面編輯器模塊（Digitized Shape Editor）和快速曲面構建模塊（Quick Surface Reconstruction）對掃描數據進行曲面構建。原始數據比較粗糙，存在多余的點云，構造之前需要將數據進行處理。掃描分為三部分，兩側的蒙皮曲面和中間的定位基準。需要分別構建，并依據生成的定位基準與理論曲面進行對比。其兩側曲面和定位基準，如圖1所示。以該曲面附近某框平面作為定位基準。考慮到掃描數據及零件裝配中存在誤差，在和理論數據重合過程中可能存在偏差，選用的多個掃描面作為定位基準，對比時可以根據需要進行調整。

因掃描數據坐標系與理論曲面坐標系不同，想要兩組數據能夠對比，需要將理論數據與采集數據放在同一個裝配文件下，通過移動、約束等命令將兩組數據大致靠近。然后依據掃描數據的定位基準與理論數據重合進行對比。首先通過接觸約束將兩組數據靠近到一起，然后使用自由移動命令更改掃描數據的空間姿態，使掃描數據與理論數據大體吻合，最后通過定位基準進行準確定位。

定位完成后就可以對兩組數據進行空間對比，確定蒙皮曲面變形量。需要對兩側數據分別進對比分析。選用理論曲面作為基準面，分別進行對比。其結果如圖2所示。

對比結果分析：右側進氣道曲面上部轉變處偏差較大，偏差量在2～3mm之間。其余部分偏差主要分布在1～2mm，偏差量絕對值在1～2mm之間的約為40%，左側曲面變形量較小，偏差主要分布在±1之間，約占78%，僅下部未下部分有較大變形。

4 結束語

基于逆向技術的數據采集可以對飛機裝配過程中曲面偏差進行定量對比分析。在數據掃描前，首先要選好掃描數據空間基準。掃描完成后，通過軟件建模形成裝配狀態下蒙皮曲面。在裝配狀態下通過空間位移約束等手段，與理論數據進行對比，可快速獲得曲面變形的數據云圖，為后續裝配提供數據支持。隨著裝配技術和裝配工藝的提高，數字化裝配技術、自動鉆鉚技術、柔性工裝等的應用，給裝配檢測技術提出更高的要求，迫切需要一種更加便捷、準確的檢測技術。逆向技術能夠快速、獲取大量點云數據，形成曲面片，在飛機檢測技術領域展現了廣闊的應用前景。

參考文獻：

[1]唐圣彪，屠大維.激光同步掃描三角測距成像系統的理論分析[J].光電子·激光，2001（6）.

[2]劉勝蘭，羅志光，譚高山，等.飛機復雜裝配部件三維數字化綜合測量與評估方法[J].航空學報，2013（1）.

[3]王志宏.復雜零件在裝配模塊下的擬合方法[J].科技創新與應用，2015（35）：93-94.endprint