三維掃描技術在輕型運動類飛機生產過程質量控制中的應用

遼寧銳翔通用飛機制造有限公司 遼寧 沈陽 110136

1 前言

三維掃描是近些年發展起來的,一種非接觸式激光立體掃描測量技術。[1]它通過儀器發出的激光作用在待測量工件,而后經過待測量工件反射后被儀器接收,最終通過運算處理后得到待測量工件的空間數據點云,獲得的點云模型經過和原始數模的比較,進而對待測量工件尺寸進行分析評價。由于該測量技術對待測量工件尺寸規格沒有限制要求,目前已經應用到汽車、航空、航天等諸多領域。我公司通過采用三維掃描測量技術很好的解決了輕型運動類飛機一體化成型機身蒙皮等大型零部件的模具測量問題。

2 三維掃描測量的工作原理

三維掃描測量主要原理是基于三角測距法。三維掃描測量是通過儀器內激光器發出的激光脈沖依次掃查待測量工件,激光脈沖發出并作用于待測量工件后,再經反射被儀器所接收,通過兩者相差時間來計算出距離S,同時儀器自帶的光電編碼器可測量得到每束激光脈沖的橫向掃查角度α和縱向掃查角度θ,通過三者已知量就可以計算得到被測點云空間上的三維坐標。當待測量工件尺寸過大時,需要將待測量工件表面粘貼黑白標靶點作為公共點,使不同站點測得的數據經過轉換,統一到同一個坐標系統中。點云以某種格式文件形式存儲,通過特定的分析軟件將點云模型和標準數模進行3D比較生成色差圖,可以清楚的看到相應的尺寸關系。

3 飛機生產過程質量控制中的應用

以機身蒙皮零部件生產過程質量控制為例,我公司生產的飛機機身蒙皮零部件所使用主要原材料為碳纖維增強樹脂基復合材料,成型工藝方法為真空袋壓濕法一體成型,機身蒙皮零部件成型模具整體長度近7米,并有著較大弧度的曲面。為確保所生產的每一個飛機機身蒙皮零部件尺寸符合要求,因此需要預先對其生產過程中所使用的模具進行測量。

3.1 測量前準備 測量前需要將待測量工件表面清理干凈,對于待測量工件是黑色表面、透明表面亦或是反射表面,則需要噴涂顯像劑,使得測量工件形成漫反射表面,進而有效改善由于待測量工件表面不同顏色而導致的掃描數據質量差的問題。之后需要在待測量工件表面粘貼黑白標靶點,黑白標靶點作為拼接數據的依據,使得所掃描的數據更加的完整。本文中以某型號輕型運動類飛機機身蒙皮模具為例,如圖1a所示為該機身蒙皮模具經過噴涂顯像劑和粘貼黑白標靶點后的狀態。

3.2 待測量工件的掃查 使用HSCAN331型三維激光掃描儀對表面處理完成的機身蒙皮模具進行掃描,該設備精度0.03mm。掃描前需要使用帶有固定間距坐標點矩陣的標定板進行標定,在標定過程中通過標定程序的測算,標定了尺寸和像素的關系,從而使掃描出的圖像數據更接近于實物的真實值。完成標定后即可對機身蒙皮模具進行三維掃描,如圖1b經過掃描得到了該機身蒙皮模具的點云模型。

3.3 分析與評價 使用Geomagic Control X軟件對掃描得到的該機身蒙皮模具的點云模型以最佳擬合的方式進行對齊,此后設置好公差帶進行3D比較與3D注釋,如圖1C就得到了檢測色譜圖并提取了色譜分析值。根據分析結果出具報告,工程部門會以此報告為依據,對該機機身蒙皮模具后續是否需要返工返修做出判斷。

圖1 a 機身蒙皮模具掃描前處理b機身蒙皮模具的點云模型c檢測色譜圖

4 結論

通過機身蒙皮投產前,使用三維掃描技術對其模具進行掃描測量,并對掃描結果進行分析,可以得到以下結論。

(1)通過三維掃描技術對大型復雜曲面模具進行掃描測量,在相同精度下與傳統接觸式測量相比,可以極大地提高測量效率;

(2)在零部件投產前對其模具進行掃描測量,可有效的防止因模具不合格而造成的批量產品報廢,可作為一種產品質量控制的有效手段;

(3)通過三維掃描后得到的分析報告,工程部門可以對超差區域進行分析并找出問題的根本原因,以便于后期持續改進。