大型航天器與外熱流模擬裝置的數字化結構匹配方法

謝吉慧，蘇新明，秦家勇，袁偉峰，吳星亮

（1.北京衛星環境工程研究所，北京 100094； 2.北京諾斯頓測量技術（北京）有限公司，北京 100024）

0 引言

在真空熱試驗中，常選用紅外加熱籠作為外熱流模擬裝置。為提高外熱流模擬的準確性，紅外加熱籠需要對航天器進行全表面覆形，與航天器表面距離一般控制在300mm左右。大型航天器包含多個結構艙段，外形尺寸大、表面結構狀態復雜，因其表面有大量外露設備超出了紅外加熱籠與航天器表面的間距控制范圍而需對紅外加熱籠開孔進行結構避讓。為了減小紅外加熱籠開孔對外熱流模擬準確性的影響，這些開孔應盡量小，開孔邊界與凸出設備的幾何容差應控制在50mm左右。紅外加熱籠為分塊框架型結構，采用二維模式設計與加工，使用不銹鋼管、角形鋼等標準材料焊接而成，其加工尺寸誤差一般在20mm 左右。

紅外加熱籠與航天器的結構匹配主要存在如下問題：1）大尺寸框架型結構焊接的加工尺寸誤差大，約占設計容差的40%；2）傳統尺寸測量方法對圓錐、圓臺、球等曲面空間位置的測量誤差大，導致紅外加熱籠加工尺寸驗證困難；3）采用實物試裝配的方法提前對紅外加熱籠與航天器進行結構匹配驗證的代價太大，需要占用1星期以上的主線研制時間，并耗用大量的人力資源；4）航天器表面部分軟性結構的實施狀態與航天器結構設計存在差異。

三維掃描技術主要用于對物體空間外形、結構及色彩進行掃描，以獲得物體表面的空間坐標。該技術能實現非接觸測量，具有速度快、精度高的優點[1]，且其測量結果能直接與多種軟件接口。因此，三維掃描技術在制造業[2]、建筑業[3]、文物考古[4]及生物醫學[5]等方面得到了廣泛應用。在汽車和航空制造行業中，三維掃描技術已經基本替代了傳統的三坐標測量檢測方式用于渦輪增壓葉片和航空發動機葉片的檢測；大型汽車工廠已經完成主要部件三維掃描流水線的布設，通過三維掃描儀和工業機器人的結合，使用計算機軟件自動控制整個檢測和分析過程，極大提高了產品檢測的準確度和效率。

針對外熱流模擬裝置與大型航天器結構匹配的問題，本文提出基于三維掃描技術的數字化結構匹配方法：首先利用三維掃描技術獲取外熱流模擬裝置或航天器實物的結構表面空間坐標（點云數據），然后構建外熱流模擬裝置或航天器的實物三維模型，最后利用三維軟件對所構建的模型進行結構匹配驗證。

1 數字化結構匹配方法及流程

外熱流模擬裝置結構設計主要以航天器結構模型及分區要求作為設計輸入，其中分區要求規定了航天器表面加熱區域的劃分及外熱流模擬裝置與航天器表面的距離。部分航天器結構模型仍為二維模型，既無法進行結構匹配驗證，也給外熱流模擬裝置的結構設計帶來不便，因此需對這類航天器的表面結構進行三維掃描，建立與實物對應的三維結構模型（簡稱實物三維模型），以作為外熱流模擬裝置結構設計的依據。

外熱流模擬裝置結構設計、加工完成后，需要對其實物進行三維掃描，建立實物三維模型，將實物三維模型與三維設計模型進行數字化匹配驗證，以確認外熱流模擬裝置的結構加工誤差是否在要求范圍內；如存在超差情況，則須對超差部分的外熱流模擬裝置進行結構修改；修改完成后，對修改的部分進行三維掃描，并利用掃描結果進行外熱流模擬裝置實物三維模型的修正，再次進行三維實物模型與設計模型的比對，以確認尺寸超差的修改結果是否滿足要求。

在航天器進行熱試驗前，其結構表面要鋪設大量電纜和包覆軟性材料，這些軟性結構無法在航天器設計模型中準確給出，因而造成航天器實物與其三維模型之間存在差異。因此，在航天器表面電纜和軟性結構實施完成后，須對航天器表面的軟性結構進行掃描，建立其三維包絡模型，并據此對航天器的三維模型進行修正，以提高模型與實物的貼合度。利用修正后的航天器模型與紅外加熱籠模型進行數字化結構匹配，以確認兩者是否存在結構干涉（隱患）；如發現干涉（隱患），須進行原因分析并采取措施予以消除。

整個數字化結構匹配方法的流程如圖1所示。

圖1 數字化結構匹配方法流程圖Fig.1 Flow chart of digital structure matching method

2 數字化結構匹配方法中的關鍵技術

2.1 三維掃描及逆向建模的幾何精度要求

外熱流模擬裝置在設計時預留的幾何容差為50mm，從大量的實際經驗來看，紅外加熱籠與航天器的安全距離至少應控制在30mm左右，因此留給數字化結構匹配的幾何容差為20mm；數字化結構匹配中航天器和紅外加熱籠均需要進行三維掃描和逆向建模，因此單次過程的幾何容差最大為10mm。

三維掃描和逆向建模過程引入的幾何誤差主要來自：1）三維掃描儀的測量誤差；2）多站測量點云數據的拼接誤差；3）逆向建模時的數據處理誤差。以上三者的累積不可超過10mm，推薦的誤差分配為：掃描誤差≤4mm，拼接誤差≤3mm，逆向建模數據處理誤差≤3mm。

2.2 三維掃描的布站原則

在進行航天器或外熱流模擬裝置三維掃描前，需要根據現場環境規劃掃描站點和標靶點的布置，以保證尺寸數據掃描的完整性和拼接精度，一般遵循如下原則：

1）使掃描設站以及標靶點（參考球或紙質標靶）分布盡量均勻，掃描站點之間要有30%的重復區域；

2）對于重點掃描區域，應多角度多方位架設站點以保證掃描數據完整性在90%以上；

3）參考球應布設在兩掃描測站中間，兩站之間至少有3個可視的參考球，參考球之間應有一定的高度差，以保證兩掃描測站之間的數據能正常拼接；

4）紙質標靶的布設最好與掃描儀視角方向成垂直角度，距離盡量控制在10 m以內。

2.3 多站測量拼接誤差累積問題的處理

對于現場環境復雜，航天器或外熱流模擬裝置周圍存在工裝阻隔掃描儀可視區域的情況（如航天器在大型操作平臺內部進行總裝），需要大量增加掃描站數以保證數據的完整性；但是隨著掃描站數的增加，通過站間標靶點進行數據拼接的處理方法會導致拼接誤差的累積。這種情況下，采用全站儀對各掃描站點數據進行控制，可以大大降低因掃描站數增多帶來的拼接誤差累積。

使用全站儀進行掃描站點數據控制的方法為：1）布置全站儀，建立基準坐標系；2）按照布站規劃進行掃描，每站至少保證3個可視的參考球；3）使用全站儀測量每個參考球的空間坐標；4）在SCENE軟件中導入坐標文件，手動指定參考球空間坐標，強制進行對應掃描數據的拼接。在這種方法中，推薦使用ATS大參考球配合棱鏡的方式進行空間位置的測量，最后掃描數據的拼接誤差即為全站儀的測量誤差，一般可以控制在2mm左右。

以某次測試為例，航天器外包絡高度方向尺寸約10 m，直徑約3 m，位于5層操作平臺中，需要分層進行掃描，每層掃描4站。三維激光掃描儀采用FARO Focus X330，全站儀使用徠卡 TCRP1201，總掃描站數為23站。采用站站間參考球進行掃描點云數據的拼接，SCENE軟件統計的拼接誤差平均值為8.7mm；采用全站儀進行掃描站點數據控制拼接，SCENE軟件統計的拼接誤差平均值為1.4mm。選取航天器底部與頂部2個端面作為標準比對平面，兩平面設計高度差為8 180.0mm，分別對用以上2種方法拼接出的數據進行平面擬合，以軸心作為中心，在圓周上按120°均布的方式提取2個平面的高度差，站站拼接方式和全站儀控制拼接方式得到的高度差平均值分別為 8 168.1 和8 183.1mm，可見全站儀控制拼接方式的誤差要明顯小于站站拼接方式的誤差。詳細數據如表1所示。

表1 站站拼接與全站儀控制拼接誤差對比Table 1 Comparison of deviations between two different methodsmm

2.4 三維掃描儀參數的選擇

三維掃描儀的掃描參數決定了掃描時長、測試精度以及數據量的大小。在滿足測試精度的基礎上，選擇合適的掃描參數，可以節省掃描時長，降低掃描數據量，以便后期計算機能更快地處理數據。

掃描參數包括掃描質量和掃描步長。掃描質量是指掃描時對單個測點進行激光測距的測量次數，通過多次測量可提高測距精度。掃描步長是指掃描儀掃描相鄰測量點時掃描頭的旋轉角度，分為垂直步長和水平步長，其決定了被測表面的幾何采樣分辨率。掃描參數的選擇一方面要考慮掃描誤差的要求，另一方面要考慮掃描點云處理軟件對參考球識別的要求，一般軟件推薦參考球上的掃描點數要＞100。

如圖2所示，設掃描儀的水平步長為角α；A、B為掃描到被測物體表面的相鄰兩點；d為掃描儀到A點的距離；f為A、B兩點的間距。f相對于d很小，故可以認為d與f之間為直角，則tanα=f/d，f=dtanα。f應不大于掃描誤差（4mm），當d較小時，可以增加掃描步長，以提高掃描速度，節省掃描和后期數據處理的時間。另外，參考球半徑r一般在100mm左右，在其擺放距離與被測物尺寸相當的情況下，要保證掃描誤差≤4mm，參考球上的掃描點數應＞100，以滿足軟件識別的要求；在其擺放距離為被測物尺寸2倍以上的情況下，需要考慮參考球上掃描點的數量來確定掃描步長，如圖3所示。

圖2 掃描步長和掃描距離的關系Fig.2 The relationship between scanning step and distance

圖3 參考球上的掃描點示意Fig.3 The scanning points on the reference ball

2.5 三維掃描點云數據的處理

三維掃描儀在工作過程中，每站掃描都會采集到測距范圍內的所有可視點；另外，由于被測物表面材質反射率的影響，會產生測試噪聲點，這些都包含在原始點云數據中。原始點云數據中所包含的大量無關數據和噪聲數據會給后期逆向建模帶來干擾，因此點云數據處理的第1步就是剔除無關點和噪聲點。SCENE軟件可以按一定距離過濾掉部分無關的點，更多的點處理過程則需要使用專業的點云處理軟件（如GEOMAGIC軟件），如非連接點和體外孤點的剔除，處理示例見圖4、圖5所示。

圖4 SCENE 軟件無關點剔除功能Fig.4 Removing the irrelevant points by SCENE software

圖5 GEOMAGIC 軟件非連接點和體外孤點剔除功能Fig.5 Removing non-connecting points and isolated points by GEOMAGIC software

數據處理的第2步是進行所有掃描數據的采樣、抽稀和簡化，通過數據點云軟件統一采樣功能對點云進行數量優化，統一點云數據的點間距、減少點數量。對于平整面可以設置點間距為10mm進行優化，對存在拐點的復雜區域可設置點間距為2～3mm保留細節，再將局部數據替換到整體數據中。這樣既減少了形狀簡單的平整面的數據量，又保證了局部位置的精細程度。

2.6 逆向建模

對于幾何尺寸大的航天器或外熱流模擬裝置，點云數據處理完成后，可利用點云數據處理軟件生成STL標準的三角網格數據，以便Pro/E三維建模軟件能順利打開，一般圖形工作站中使用單個STL格式的三角網數據不能超過3 000 000面數。根據航天器或外熱流模擬裝置的實際結構形式，依托三角網數據構建其三維結構模型，構建完成后利用軟件功能統計三維結構模型與三角網數據的幾何尺寸誤差，并將誤差控制在3mm內，以確保整個處理流程的精度滿足要求。

3 應用情況

自2015年以來，該數字化結構匹配方法已應用于多個航天器真空熱試驗，經過數字化結構匹配后，外熱流模擬裝置與航天器的配裝成功率達到100%，實際安裝狀態與仿真結果吻合度較好。該數字化結構匹配方法的部分應用場景如圖6、圖7所示。

圖6 三維數字化結構匹配仿真與實物對比Fig.6 Comparison of digital structure matching and physical matching

圖7 三維數字化結構匹配仿真示例Fig.7 Examples of digital structure matching verification method

4 結束語

數字化結構匹配方法通過對三維掃描技術及數字建模技術的整合，解決了外熱流模擬裝置加工尺寸驗證和與航天器結構匹配困難的問題，具有不占用航天器主線研制時間、不存在操作安全風險等優點，是實現尺寸不大于20 m外熱流模擬裝置與航天器結構匹配的理想解決方案。

該方案還能用于其他復雜地面工裝以及航天器之間的結構干涉驗證，具有很好的通用性。

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