基于三維激光測量的飛機裝配間隙補償技術研究

劉穎 王蓓

（中航西安飛機工業集團股份有限公司 陜西西安 710089）

隨著現代社會科技不斷進步，飛機制造技術得到了迅速且持續的發展，成為跨學科、跨領域先進技術的集大成者。其技術水平的高低直接決定了飛機產品的最終質量、制造成本和交貨周期。飛機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，飛機組部件裝配的協調環節多、精度要求高，裝配工作量占整個飛機制造工作量的50%以上，是飛機制造中的關鍵和核心。而在飛機裝配過程中存在大量的裝配間隙補償，該項工作占據了大量的時間，同時，若間隙補償不合理，未控制在設計范圍內，會大大降低飛機結構強度和疲勞壽命，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的飛機裝配間隙補償技術對提高飛機裝配精度和質量非常必要。

1 基于飛機生產制造分析裝配間隙補償技術發展現狀

1.1 飛機裝配結構特點

當前時代背景下，飛機生產制造愈發復雜和高技術化，尤其是飛機機體結構的裝配，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。以飛機機體結構件為例，其主要是在數控加工下被生產制作出來的，若是兩個零件之間具有配合關系，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據。例如，某結構件輪廓度在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墊片等，從而實現飛機裝配間隙的有效補償［1］。對于飛機裝配而言，裝配間隙主要集中在回轉體部分和支撐組件，前者的生產制造工藝是旋壓和焊接，在其結構特性的影響下，無論是焊接還是成形后，都不會開展有關精度提高的處理工作；后者采用數控加工，精度較高，且具有若干數量的法蘭，能夠滿足飛機管路裝配要求。在實際裝配中，要開展試裝檢測工作，根據記錄明確精度要求。

1.2 技術現狀

為實現飛機裝配技術指標，目前，飛機產品都具有較高互換性要求，而且一些飛機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，焊接組件測量結果沒有呈現出顯著規律特點，這給法蘭與飛機管路裝配造成影響，難以保證飛機裝配質量安全。此外，此類零部件為部件級產品，其使用年限需要與飛機整體保持一致，因此，裝配組件和焊接組件之間必須落實高精度間隙補償，這樣才能夠實現整機同壽、完全互換的設計目標。其中，排除掉預留彈性補償設計外，裝配組件和焊接組件之間不存在補償結構，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，這是因為這些部位之間產生的間隙較小，彈性補償可以很好滿足飛機裝配精度需求。但是彈性補償技術無法解決較大間隙，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。然而，在金屬墊片使用下，隨著墊片數量的增加，層間間隙存在且無法被完全消除。使用該技術處理后的產品在經過長途運輸到達現場后，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，最終呈現較大補償配合區域，這一偏差將直接對法蘭等與機體結構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，目前出現了以三維激光測量為基礎的補償技術，下面對其進行具體研究分析。

2 研究三維激光測量對飛機裝配間隙補償的意義

飛機機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，機體結構多為數控加工零件，若是在裝配過程中發現制造精度存在較大偏差，不僅影響裝配作業的有序開展，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字化的測量方式，可以利用高精度的激光掃描與測量設備進行數據采集，并使用相關軟件進行坐標系及虛擬模型的構建，在不進行試裝的情況下，就可以自動生成用于補償的結構墊片，如固態墊片、液態墊片等，同時，還可以保證墊片輪廓加工的科學合理性。因此，三維激光測量對飛機裝配間隙補償具有極強的現實意義［2］。

3 研究三維激光測量應用下的飛機裝配間隙補償技術

3.1 以三目視覺為基礎的運動跟蹤測量補償技術

隨著我國航天事業的持續發展，越來越多的先進測量儀器與設備被應用于此類工作，如激光跟蹤儀等，且已經積累了較為成熟的應用經驗，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用激光跟蹤儀開展測量與指導工作，能夠為大部件定位與協調提供較高準確度保障，而且，在該測量儀器設備實際使用時，還可以三維掃描目標對象，結合數字化技術，進行對象幾何虛擬模型的重構。在設備類型中，為實現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，通過結合相關輔助設備，也能夠測量復雜內容，如尺寸較大對象的外形等，在全局掃描測量下，可以為相關人員提供全面且準確的點云數據。通過將激光跟蹤儀與激光掃描設備各自優勢進行有機整合，可以通過激光測量技術落實飛機裝配間隙數字量協調與補償方法［3］。

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

3.2 以飛機裝配工藝為基礎落實科學點云數據采集方案

由于飛機產品同時涉及大部件和精細化小部件的對接裝配，因此，為實現不同規格部件之間的精準協調，應結合產品關鍵特性落實數字量協調方法。具體而言，在實際部件對接過程中，將目標部件處于近似剛體狀態，之后，開展有關關鍵特征空間坐標數據的測量工作，對比分析理論模型，以此判斷部件整體姿態的科學合理性。在這一系列過程中，均需要激光跟蹤儀的應用指導。

開展大部件對接作業時，確定基準部件是關鍵環節，部件確定的合理性直接關系到作業開展的有序性及飛機產品整體質量，所以要綜合考慮剛性方面和穩定性方面，保證其在后續作業過程中不會輕易出現變形等情況。同時，此類部件還應具有定位基準特征，如接頭、高精度孔及用于支撐或約束的結構，從而保證后續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，作業難度較高。而現階段的裝配零件則以數控加工零件為主，具有較高的裝配準確定，在此類零件的應用下，依托于其科學的結構形式，即可實現支撐，一般情況下，將其安裝于產品底部即可。同時，此類零件與裝配流程匹配度較高，通過其現有的定位接口，即可有序完成后續作業。但是整體剛度不高，在作業時可能出現變形等問題，且復雜結構外露，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，但由于其回轉體外形的位置會增加裝配作業復雜系數，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，以此滿足作業使用需求。

其中，在設計裝配組件支撐工裝時，需要配合連接機體結構接口，集成焊接組件支撐與調姿機構，統一基準組件定位和調姿的測量基準。由于主要使用激光跟蹤設備關鍵特征在工裝坐標系下的坐標值進行焊接組件位置與姿態合格性的判斷，所以，優先思考跟蹤儀自帶測頭，結合運動追蹤器掃描、測量零件表面。通過落實該結構形式的技術系統與設備，可以滿足曲面重構的精度要求。而且，光學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專用掃描設備的手持測頭，以此滿足作業需求。但是需要注意的是，專門用于激光掃描的相關設備通過結合運動追蹤器，能夠更好地應對高復雜水平組件、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，相關工作人員要根據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備，其采樣頻率為1000Hz，掃描設備為Leica T-Scan 5，掃描效率160 線/s、210 000 點/s，最小點間距75μm，其中，追蹤設備會在±5°內自動斷光重建。方案二：選用NDI PRO CMM 運動追蹤設備，其采樣頻率為4500Hz，掃描設備選用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，追蹤設備視野內存在任意3 個追蹤點即可。由此可見，前者精度高，針對飛機零部件裝配過程中遇到的曲面重構要求可以很好滿足，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，應選擇方案一開展點云采集作業。

3.3 采集與協調定位

在使用以三維激光測量為基礎的飛機裝配間隙補償技術時，為保證數據采集的全面性和準確性，應對補償與協調過程進行梳理，從而保證數據傳遞完整可靠，具體步驟如下。（1）做好準備工作，進行靶標點的預置，基于設備測量儀器設備建立坐標系。（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系下的關鍵特征坐標數據進行測量，判斷是否符合技術要求。（4）吊運焊接組件至調姿機構。（5）協調特征點坐標，避免焊接組件特征點坐標與設計數模出現偏差，將偏差控制在合理范圍內。（6）記錄坐標數據。（7）操作調姿機構分離焊接組件和裝配組件，使用激光掃描儀進行配合區曲面的掃描與信息點云采集，建立靶標點。（8）使用Poly works軟件處理數據，修補漏洞，提高數據準確性。（9）基于協調特征點，使用Poly works軟件對齊理論模型和基準實現點云。（10）在完成理論數模比對之后，判斷其是否滿足相關設計要求，如果滿足，則可以進一步實現三角化，實現BURBS曲面生成，并將有關數據導入到CAD軟件當中。

隨后，應進一步開展以下操作。第一，在CAD 軟件中，應確保工裝數模靶標點與激光跟蹤儀測量實際點坐標統一，并確保工裝可以穩定在測量狀態。第二，完成裝配組建模型的導入，并按照理論位置安裝到工裝上。第三，在坐標系不變的前提下，完成激光跟蹤儀記錄協調點的建立。第四，確保該協調特征點可以與Polyworks 導出曲面上的協調特征點保持對齊。第五，完成配合區理論曲面的提取，并在上一步驟的基礎上，構建曲面包絡空間實體模型。第六，加強對實體模型的細節完善，并借助數控加工工藝，滿足加工工藝性和協調定位的需求。第七，借助數控加工工藝，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，可以對補償件進行適當調整［6］。

4 結語

綜上所述，三維激光測量技術對飛機裝配間隙補償目標的精準化實現具有極強現實意義。因此，應積極使用激光掃描儀和跟蹤設備等，利用數字化測量方法，精準測量集合尺寸，并落實數模關聯，從而實現部件之間的高質量銜接，降低制造成本，提高技術水平。